Nachhaltige Alternative mit niedrigem Energieverbrauch zu CO₂-Lasern & YAG-Lasern – Laser-Köpfe zum Schneiden und Gravieren

Blaue Laser sind technologisch anderen verfügbaren Lösungen wie CO₂- oder YAG-Lasern überlegen. Ihre Markteinführung hat die Medizin, das Militär und die Wissenschaft beeinflusst. Die Nachfrage steigt kontinuierlich, begünstigt durch die 450-nm-Wellenlänge, die hohe Leistungsdichte und die starke Absorption des blauen Lichts durch viele Materialien. Diese Parameter führen zu hohen Bearbeitungsgeschwindigkeiten für verschiedenste Werkstoffe, niedrigen Ausfallraten und einer leichten Anpassung an spezifische Arbeitsprozesse.

Frühere Versuche, Hochleistungs-Diodenlaser zu entwickeln, scheiterten oftmals aus unterschiedlichen Gründen. Für CNC-Anlagen zugelassene Produkte erreichen typischerweise Leistungen von etwa 5–6 W. Einige Hersteller boten kombinierte Module mit 12–15 W (zwei 6 W-Köpfe) an, jedoch wiesen solche Prototypen Nachteile auf: kein dediziertes optisches System (große Spotgröße –> reduzierte Leistungsdichte und Effizienz), Integrationsprobleme (zusätzliche Controller, Netzteile, Wärmeabfuhr) sowie die Gefahr zweier separater Spots statt eines einzigen, vereinigten Spots.

Im industriellen Einsatz sind CO₂- und YAG-(Infrarot-)Laser im Leistungsbereich von 30–500 W trotz verschiedener Einschränkungen verbreitet: geringere elektrische Effizienz, anspruchsvolle Integration, niedrige Absorption bei vielen Materialien und hohe Wartungskosten. Blaue Diodenlaser-Köpfe können in der Praxis viele bislang Hochleistungs-Lasern vorbehaltene Aufgaben übernehmen und steigern dabei Maschinen-Effizienz und Geschwindigkeit. Der elektrische Wirkungsgrad beträgt etwa 35 % im Vergleich zu rund 15–20 % bei YAG- und ca. 8 % bei CO₂-Lasern. Die Lebensdauer von Diodenlasern ist ebenfalls um ein Vielfaches höher (etwa 10.000–20.000 h gegenüber CO₂-Röhren).

Kompakte Bauform, passive Wärmeableitung und sichere Konstruktion eröffnen neue Anwendungen wie mobile Markiersysteme für Sägewerke, Schweißbetriebe und Edelstahlverarbeitung. Dank der hohen Absorption im blauen Spektralbereich setzt Opt Lasers blaue Dioden für das Schneiden und Gravieren von Textilien, Gummi, Kunststoffen, Holz, Edelstahl u. v. m. ein. Hochleistungs-Diodenköpfe mit 6–30 W bilden eine attraktive Alternative in Segmenten, die früher auf große CO₂- oder YAG-Systeme angewiesen waren.

Ein Diodenlaser mit 450 nm kann auf das Werkstück ein Mehrfaches – bis zu etwa das 20-Fache – der Energie liefern wie CO₂/YAG (kleinerer Spot plus höhere Absorption), wodurch sich ähnliche Bearbeitungsergebnisse mit deutlich geringerer Kopfleistung erzielen lassen. Folgende Kerneigenschaften sind für Dioden-Köpfe im CNC-Einsatz maßgebend:

Blaue Dioden-Gravierköpfe erreichen dank sehr kleiner Laserspots (ca. 0,10 mm × 0,003 mm bis 0,15 mm × 0,003 mm) und ausgeglichener Leistungsdichteverteilung die höchste optische Leistungsdichte. Die Leistungsdichte eines 30 W Multimode-Blaulaserkopfs liegt signifikant über der von Konkurrenzsystemen. Zum Vergleich:

• 30 W CO₂-Laser: ~430 kW/cm² (Größenordnung geringer).
• 30 W YAG-Laser: ~450 kW/cm².

Eine höhere Absorption bedeutet eine um ein Vielfaches höhere Energiekopplung ins Werkstück bei gleicher optischer Leistung.

Opt Lasers Köpfe unterstützen schnelle Modulation für gestochen scharfe, komplexe Details bei hoher Geschwindigkeit. Vergleichswerte:

Langsamere CO₂-Ansteuerung begrenzt die Gravurgeschwindigkeit bei komplexen Geometrien trotz höherer nomineller Leistung.

Aufgrund von Materialien und Konstruktion bieten moderne Multimode-Blaulaser-Köpfe sehr geringe Abmessungen und Masse und ermöglichen den Einsatz an CNC-Maschinen, 3D-Druckern oder sogar Roboterarmen, wo CO₂- oder YAG-Einheiten unpraktikabel sind.

Dioden-Köpfe sind kompakt, leicht, einfach zu montieren und breit kompatibel. Im Gegensatz dazu erfordern CO₂-Systeme große Gehäuse, Wasserkühlung und Hochspannungsnetzteile; sowohl CO₂- als auch YAG-Laser benötigen Spiegelstränge und aufwändige Justierung.

Präzisionsgefertigte Aluminiumkomponenten sorgen für effektiven Wärmetransfer. Der Controller ist bis ca. IP 62 geschützt und somit gegen mechanische Beschädigung, Staub und Spritzwasser abgeschirmt. Die Steuerelektronik beinhaltet einen thermischen Überhitzungsschutz für die Diode. Der Treiber ist im Kopf integriert und nahe der Diode platziert, wodurch induktive Probleme und Kontaktfehler zwischen Diode und Controller – eine häufige Ausfallursache – minimiert und die Gesamtkosten im Betrieb gesenkt werden.

Opt Lasers Diodenköpfe können für die Unterwasser-Markierung eingesetzt werden. Blaue Wellenlängen (~440–460 nm) dringen durch Wasser, während CO₂- und YAG-Wellenlängen stark absorbiert werden. Aufgrund ihrer Kompaktheit und einfachen Integration (keine aufwändige Strahlführung) bieten blaue Dioden-Gravierlösungen ein wirtschaftlich attraktives Preis-Leistungs-Verhältnis für solche Anwendungen.