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Wie funktioniert ein CO2 Laser? - Mr Beam erklärt's

CO2 Laser

Ein Laser ermöglicht in der Industrie ein präzises und effizientes Schneiden zahlreicher Materialien. Der CO2 Laser arbeitet mit einem Kohlendioxid-Gasgemisch und gehört zu den leistungsstärksten Lasern. Er wurde bereits Mitte der 1960er Jahre entwickelt und überzeugte damals mit einem hohen Wirkungsgrad sowie vergleichsweise geringen Anschaffungskosten. In den letzten Jahren wurde die Technik weiter verbessert. Dieser Gaslaser ist in verschiedenen Bauformen verfügbar und ermöglicht die Einstellung verschiedener Leistungsbereiche für unterschiedliche Anwendungsgebiete.

Was ist ein CO2 Laser?

Viele Menschen denken bei einem Laser an einen Lichtstrahl, mit dem sich verschiedene Dinge schneiden lassen. Ein CO2-Laser gehört zur Gruppe der Gaslaser und arbeitet mit einem Gemisch aus Kohlendioxid, Helium und Stickstoff. Dieses Gemisch dient als aktives Lasermedium. Die Kohlendioxid-Moleküle senden nach Anregung durch Elektroden die Laserstrahlung aus. In der Industrie ist ein Kohlendioxid-Laser neben einem Faserlaser eine der wichtigsten Lasermaschinen. CO2-Laser sind ein elektrisch angeregt und arbeiten im fernen Infrarotsprektrum mit Wellenlängen um 10.600 Nanometern. Die Ausgangsleistung kann bis zu 80 Kilowatt betragen. Spezielle CO2-Laser können Pulsenergien bis zu 100 Kilojoule abgeben. Für einen Kohlendioxidlaser ergeben sich in zahlreichen Bereichen der Industrie viele verschiedene Anwendungsgebiete.

Erfunden wurde der Kohlendioxid-Laser 1964 vom Laserphysiker Kumar Patel in den Bell Laboratories in den USA. In den letzten 10 bis 15 Jahren wurde diese Technik verbessert. Der Kohlendioxidlaser erreichen mittlerweile einen Wirkungsgrad bis zu 11 Prozent (Zum Vergleich, Halbleiterlaser schaffen bis zu 35% Wirkungsgrad.). CO2 Laser  eignen sich eigentlich nicht für den Einsatz im Dauerbetrieb, da die Lebensdauer der Laserquelle durch unvermeidbare Undichtigkeit und Kontamination des Gases kontinuierlich abnimmt - unabhängig von der Benutzungsdauer. In einer Produktion werden sie jedoch häufig eingesetzt, da nach industriellem Maßstab die Anschaffungskosten - und damit ein Wechsel der Quelle - vergleichsweise niedrig sind.

Wie funktioniert ein CO2 Laser?

In ein Gasgemisch aus Kohlendioxid, Stickstoff und Helium, das als aktives Medium dient, werden elektromagnetische Wellen im Megahertz-Bereich eingestrahlt. Dabei werden die Kohlendioxid-Moleküle angeregt und auf ein hohes Energieniveau gebracht. Die Energie wird in diesen Molekülen als Vibration oder Rotation gespeichert. Ein kontinuierlich emittierender Kohlendioxid-Laser kann mit einer Hochspannung bis 20.000 Volt und der daraus resultierenden Glimmentladung angeregt werden. Die Anregung der Moleküle ist durch eine hohe Gleichspannung oder Hochfrequenz-Wechselspannung möglich.

Die Kohlendioxid-Moleküle weisen verschiedene Schwingungsformen mit unterschiedlichen Energieniveaus auf. Trifft ein Infrarot-Photon auf ein angeregtes Kohlendioxid-Molekül, wird Energie als Photon freigesetzt. Dieser Prozess wird als stimulierende Emission bezeichnet. Die Zahl der Photonen steigt exponentiell, wenn genügend CO2-Moleküle vorhanden sind. Um dies zu erreichen, wird die emittierte Strahlung zwischen zwei Spiegeln durch das Lasermedium hin und her gelenkt. Aus der Vielzahl der Photonen entsteht ein Laserstrahl, der ein präzises Schneiden ermöglicht.


Lawineneffekt durch stimulierte Emission

Bei der stimulierten Emission im CO2 Laser erzeugt jedes einfallende Photon, das auf ein CO2-Molekül trifft, ein Zwillings-Photon - mit gleicher Wellenlänge, Richtung, Phase und Polarisation. Die Energie des Kohlendioxid-Moleküls wird um die Energie des Zwillings-Photons herabgesetzt. Das ist die direkte Konsequenz der Energieerhaltung. Die Erhöhung der durch stimulierte Emission erzeugten Photonen wird als Lawineneffekt bezeichnet. Voraussetzung dafür sind genügend Kohlendioxid-Moleküle.

Gravur oder Schnitt durch Verdampfung

Über einen Spiegel im CO2 Laser wird der erzeugte Laserstrahl in die Richtung des zu bearbeitenden Werkstücks geleitet. Unmittelbar über dem Werkstück befindet sich ein Schneidkopf, der den Laserstrahl fokussiert. Im Schneidkopf befindet sich eine Sammellinse, die den Laserstrahl zu einem geringeren Durchmesser bündelt.

Der CO2 Laser ist ein Gaslaser und arbeitet in der Regel mit Verdampfung. Häufig wird im Schneidkopf oder in der Nähe des Punktes, an dem der Laserstrahl auf das Werkstück trifft, Gas zugeführt. Anders als bei Verdampfung wird beim Brennschneiden Sauerstoff zugeführt, der den Schneidprozess durch Oxidation des Werkstücks unterstützt. Mit Inertgas, das zumeist Argon oder Stickstoff ist, soll der Oxidationsprozess hingegen minimiert werden.

Der Punkt, an dem der Laserstrahl auf das Werkstück trifft, ist der Fokuspunkt. Bei jedem Schneid- oder Gravurprozess entstehen an diesem Punkt Temperaturen, die über der Verdampfungstemperatur des Werkstücks liegen. Der Schnittspalt oder die Gravur wird in der Regel durch Verdampfung verursacht.

Verschiedene Arten von CO2 Lasern

Bei den CO2 Lasern werden verschiedene Arten unterschieden. Grundsätzlich kann der CO2 Laser in vier Typen eingeteilt werden.

Längs- und quergeströmter Laser

Ein längs- und quergeströmter CO2 Laser hat eine vergleichsweise simple Bauform und eine hohe Ausgangsleistung. Mit einer Vakuumpumpe wird kontinuierlich ein spezielles Gasgemisch durch die Entladungsröhre gesaugt. Ein Teil des Kohlendioxids, das im Gasgemisch enthalten ist, wird durch eine Gleichstromentladung in Kohlenmonoxid und Sauerstoff aufgespalten. Im Rohrsystem befinden sich mehrere Pumpen, die das Gasgemisch kontinuierlich umwälzen und einen effizienten Abtransport der Verlustwärme gewährleisten. Diese Bauform ist durch die hohe Komplexität und den Wartungsaufwand nur in industriellen Anlagen mit mehreren Kilowatt Ausgangsleistung zu finden.

Abgeschlossener Laser

Das Gasgemisch wird bei einem abgeschlossenen CO2 Laser nicht durch eine Pumpe ausgetauscht. Zum Gasgemisch werden idealerweise Wasserdampf, Wasserstoff und Sauerstoff gegeben. Dieses Gemisch sorgt dafür, dass über eine Elektrode aus Platin das Kohlenmonoxid katalytisch zu Kohlendioxid regeneriert wird. Diese Bauform ist deutlich günstiger, da der Aufbau keinen Austausch des Gases vorsieht. Bei besonders günstigen Laserquellen aus Glas ist keine Wiederaufbereitung des Gases vorhanden. Solche Laserröhren verlieren über die Zeit Leistung, unabhängig von der Einsatzzeit. Oft findet man in den Garantiebestimmungen entsprechende Hinweise (z.B. ist die Garantie auf 3 Monate oder 300 Einsatzstunden beschränkt, je nachdem was früher eintritt).

TEA Laser

TEA ist die Abkürzung für transverse electric excitation at atmospheric pressure, was transversal angeregter Atmosphärendruck bedeutet. Ein TEA Laser wird verwendet, wenn hohe Gasdrücke bis zu einem Bar bei Pulsdauern bis zu 100 ns erforderlich sind. In kurzen Pulsen von nur einer Mikrosekunde wird die Entladungsspannung quer zum Gasfluss angelegt. Lichtbogen werden mit dieser Bauform vermieden. Kurzpulslaser haben ihren Einsatzbereich ausschließlich in Wissenschaft und Industrie.

Wellenleiterlaser

Der Wellenleiterlaser wird auch als Slab-Laser bezeichnet. Er verfügt über einen quaderförmigen Resonator und zwei Elektroden als Wellenleiter. Aufgrund des hohen Aspektverhältnisses des Querschnitts hat der Resonator im Vergleich zum Volumen eine große Oberfläche. Die Verlustwärme kann daher effizient abtransportiert werden.

Wie ist ein CO2 Laser aufgebaut?

Ein CO2 Laser verfügt über einen mit Gas gefüllten Resonator. Dieses Gas ist ein aktives Medium und erzeugt hohe Strahlungsleistungen. Zur Anregung des Gases sind üblicherweise Hochspannungselektroden vorhanden. An jeder Seite des Resonators befindet sich eine Elektrode. Weiterhin verfügt der Laser über einen Spiegel, über den der Laserstrahl zum Werkstück geleitet wird. Der Schneidkopf ist mit einer Sammellinse ausgestattet, die den Laserstrahl bündelt. Dieser Schneidkopf befindet sich über dem Werkstück. Alles ist in einem Gehäuse untergebracht. Da es verschiedene Bauformen gibt, kann sich der Aufbau bei den einzelnen Bauformen unterscheiden.

Wie hoch ist die Leistung eines CO2-Lasers?

Ein CO2 Laser kann im Dauerstrichbetrieb eine Ausgangsleistung bis zu 100 Kilowatt erreichen. Die Leistung ist von verschiedenen Parametern abhängig:

  • Größe des Resonators
  • Wellenlänge
  • Pump-Energie.

Es gibt unterschiedlich starke Kohlendioxidlaser. Die Laser ermöglichen auch eine Einstellung verschiedener Leistungen. Schwächere Laser haben nur eine Leistung bis 400 Watt. Für das Schneiden von Metallen in der Industrie werden stärkere Laser genutzt, die eine Leistung von mindestens 1 bis 6 Kilowatt haben.

Wofür werden CO2 Laser genutzt?

Wofür Kohlendioxidlaser genutzt werden können, hängt vom Leistungsbereich ab. Laser mit geringen Leistungsbereichen von 10 bis 400 Watt können zum Schneiden, Gravieren und Perforieren dünner organischer Materialien wie Holz, Kunststoffen, Acryl oder Textilien genutzt werden. Marktführer für CO2 Laser in diesen Anwendungsgebieten ist die Firma Trotec aus Österreich.

Was ist ein CO2 Laser? Ein Industrielaser mit einer Leistung von 1 bis 6 Kilowatt kann nicht nur zum Schneiden, sondern auch zum Schweißen, Härten oder Umschmelzen von Metallen genutzt werden. In der modernen Industrie werden sie auch zum oxidfreien Laserschneiden genutzt. Sie eignen sich in der Blechbearbeitung vor allem für kleinere Losgrößen. Bei größeren Stückzahlen ist hingegen das Stanzen wirtschaftlicher.

CO2 Laser können in verschiedenen Branchen wie:

  • verarbeitender Industrie
  • Metallverarbeitung
  • Maschinenbau
  • Automobilindustrie
  • Luftfahrt
  • Textilindustrie

eingesetzt werden. In der Textilindustrie eignet sich der Laser beispielsweise für das Zuschneiden von Stoffen.


Welche Materialien lassen sich mit dem CO2 Laser bearbeiten?

Ein Kohlendioxid-Laser ermöglicht die Bearbeitung vieler Materialien:

  • Pappe
  • Holz
  • Textilien
  • Kunststoffe
  • Plexiglas und Acryl
  • Glas
  • Metall.

Vorteile von Laserschneiden allgemein:

  • zahlreiche Einsatzmöglichkeiten
  • präzise Bearbeitung des Werkstücks ohne Gratbildung an den Kanten, sodass später keine Grate entfernt werden müssen
  • präzise Schnitte oder Gravuren auch bei komplexen Formen
  • restliches Werkstück wird nur geringfügig thermisch belastet
  • schnelle individuelle Programmierung möglich
  • geringe Nachbearbeitung an der Schnittstelle, daher Zeiteinsparung
  • auch bei kleineren Stückzahlen wirtschaftlich
  • Material kann optimal ausgenutzt werden
  • hohe Prozesssicherheit, die auch bei Wiederholungen gewährleistet ist.

Vor- und Nachteile von CO2 Lasern

Kohlendioxid-Laser haben eine ganze Reihe von Vorteilen:

  • hohe Leistungen
  • werden auch von transparenten Materialien absorbiert

Ein CO2 Laser hat auch Nachteile

Infografik CO2 Laser Lebensdauer

  • vergleichsweise kurze Lebensdauer
  • Lebensdauer verkürzt sich dramatisch bei Einsatz außerhalb 15 - 25 °C
  • In dem verlinkten PDF zur Laser-Lebensdauer, kann man es sich nochmal genau durchlesen
  • Leistungsabfall mit der Zeit, unabhängig von der Benutzungsdauer
  • Wirkungsgrad mit maximal 11% nicht zeitgemäß
  • Hoher Stromverbrauch
  • anfällig für Vibration
  • Systeme mit Wasserkühlung erlauben keinen Einsatz bei Temperaturen unter 15°C
  • komplizierte Wartung
  • komplexe und anfällige Strahlführung mit Festoptik-Aufbau
  • abhängig von der Umgebungstemperatur ist mitunter Nachjustierung der Optik erforderlich
  • nicht immer präzise beim Gravieren von Metall

Fazit zum CO2 Laser

Was ist ein CO2 Laser? Bei einem CO2 Laser handelt es sich um einen Gaslaser, bei dem ein Gemisch aus Kohlendioxid, Stickstoff und Helium als aktives Medium dient. Die Kohlendioxid-Moleküle werden angeregt. Trifft ein Infrarot-Photon auf ein Kohlendioxid-Molekül, entsteht ein neues Photon. Diese stimulierte Emission führt zu einem Lawineneffekt, der schließlich den Laserstrahl erzeugt. Der CO2 Laser ist in der Industrie für die Bearbeitung verschiedener Materialien einsetzbar. Ein Nachteil liegt in der vergleichsweise kurzen Lebensdauer, dem schlechten Wirkungsgrad, hohem Stromverbrauch und der Anfälligkeit gegenüber Temperatur und Vibration.

 

 

Titelbild: Copyright @istockphoto.com / Gizmo


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