A Promising Tool

CURRENT INNOVATIONS AND COMPETENCIES OF COMPANIES
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A Promising Tool
Figure3
Quasi -simultaneous plastic welding with Lumogen® IR Absorber
(Source: rofin)
Figure 2:
DLx30 HP: Laser head for direct processing like polymer welding
with integrated CCD-camera and single-colour pyrometer. The
maximum available laser power is 300 W with a focal size of 0.6 x
1.4 mm. (source DILAS)
Apart from pumping of solid state lasers high power diode
lasers (HPDL) are used in material processing for welding,
soldering and heat treatment of materials. Over the last
years mostly Multi-kW-systems were of importance for thin
sheet welding or for selective tempering, today more and
more micro applications can be found where high power
diode lasers up to 500 W power are used. The high beam
quality and, resulting from this, the small focal diameters
make the HPDL a promising tool.
Application and technical design of the diodes determine focal spot size and geometry (figure 1). A line focus is
often more advantageous for heat treatment than a axially
symmetrical spot. Contour welding with a rectangular focus
is only possible within narrow limits. The compact design
of the diode lasers enables the integration of sensors for
process control in the focusing head (figure 2). Pyrometer
and CCD-camera are helpful tools for set up, control and
documentation of manufacturing processes.
Transmission welding of polymers is an application
which is gaining more importance (figure 3). The non-tac-
tile energy input and the small heat affected zone (HAZ)
are advantages of laser welding compared to conventional
methods like heated tool welding, ultrasonic welding or
vibration welding. The producers of polymers offer a large
variety of different coloured plastics which can be used for
laser transmission welding. The high beam quality of the
fibre-coupled diodes allows the use of a scanning optics
for quasi-simultaneous welding.(figure 4 and 5)
With the increasing number of laser systems used in
industrial production properties like availability and easy
maintenance become more important. The costs of ownership should be on a low level. The reliability of the semiconductors and assembly technique are very important to
fulfil these demands from the market.
Today nearly all relevant system parameters are surveyed. In the processing head the number of integrated
process monitoring devices like CCD camera or pyrometer
is increasing. The implementation of power measurement
and remote diagnosis are also available and will be a standard in near future.
DILAS standard systems cover a wide range of possible
applications. If this is not sufficient for certain products customized solutions based on standard diode modules can
be offered. The flexibility of the modular set up increases
productivity. An example for this is the multi-focus-system
which allows simultaneous generating of up to 4 soldering
joints or welding seams with only one processing head.
The distance between the spots and their alignment can
be determined in a wide range (figure 6).
Figure1
Lasers for direct processing
show rectangular beam
profile (left), whereas fibrecoupled systems have an
axially symmetrical beam
profile (right).
(source DILAS)
AKTUELLE INNOVATIONEN UND KOMPETENZEN AUS UNTERNEHMEN
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Figure 4
Fibre coupled diode laser
module with SMA-fibre
connector. The maximum
available laser power
is 200 W with
Ø 400 µm fibre.
The processing head
has an integrated CCD-camera and single-colour
pyrometer. (source: DILAS)
Figure 5
POLYSCAN: Stand-alone
laser System where the
laser beam is moved
with a scanning optics
on the work piece.
This fast beam movement
allows contouror quasi-simultaneous
welding of polymers.
(source: ROFIN)
Figure 6
Illustration of a multi-focus
processing head with four
separately controllable laser spots
arranged in a line. (source: DILAS)
Hochleistungsdiodenlaser (HLDL) sind bereits seit mehreren
Jahren im industriellen Einsatz zu finden. Neben dem Pumpen von Festkörperlasern werden sie in der Materialbearbeitung zum Schweißen, Löten und zur Wärmebehandlung
von Werkstoffen eingesetzt. Während in den letzten Jahren
häufig Mulit-kW Systeme zum Schweißen von Dünnblech
oder zum selektiven Härten im Vordergrund standen, finden
sich heute immer mehr Anwendungen im Mirkobereich, bei
denen HLDL bis 500 W Laserleistung eingesetzt werden. Die
höhere Strahlqualität und die damit verbundene bessere
Fokussierbarkeit machen den HLDL zu einem vielversprechenden Werkzeug.
Neben den durch die Dioden bestimmten Spotgeometrien sind aber auch die anwendungsspezifischen Erfordernisse zu berücksichtigen (Abbildung 1). So ist z. B. bei der
Wärmebehandlung ein Linienfokus oft vorteilhafter als ein
runder Spot. Zum Konturschweißen ist ein recheckiger Fokus
aber nur eingeschränkt verwendbar. Die kompakte Bauform
der Diodenlaser ermöglicht die Integration von Sensoren zur
Prozessüberwachung in den Bearbeitungskopf ( Abbildung
2). Pyrometer und CCD-Kamera sind oft unverzichtbare
Hilfsmittel beim Einrichten, Überwachen und Dokumentie-
Hochleistungsdiodenlaser
in der Materialbearbeitung
ren der Fertigungsprozesse. Zum Teil ist es sogar möglich
Fehler auszuregeln und somit den Produktionsprozess zu
stabilisieren.
In den letzten Jahren gewinnt das Fügen von Thermoplasten im Durchstrahlverfahren zunehmend an Bedeutung
(Abbildung 3). Die berührungslose Energieeinbringung und
die geringe Wärmeeinflusszone zeichnet das Laserstrahlschweißen gegenüber konventionellen Verfahren wie dem
Heizelement-, dem Ultraschall- und dem Vibrationsschweißen
aus. Abhängig von der Anwendung kommen verschiedene
Konzepte wie Masken-, Kontur-, Simultan- oder Quasisimultanschweißen zum Einsatz. Die enge Zusammenarbeit mit
Kunststoffherstellern ermöglicht eine weite Variante von verschieden farbigen Kunststoffen miteinander zu verbinden.
Durch die hohe Strahlqualität der fasergekoppelten Dioden
ist der Einsatz in Verbindung mit einem Scanner für das
Quasisimultanschweißen möglich (Abbildung 4 und 5).
Durch die ansteigende Zahl von Lasersystemen in der industriellen Produktion hat die einfache Wartung der Systeme
an Bedeutung gewonnen. Um die Ansprüche des Marktes zu
erfüllen sind nicht nur die Ausfallsicherheit und der technische Zusammenbau in den Vordergrund getreten sondern
auch eine einfache Wartung und geringe Instandhaltungskosten. Deshalb ist es wichtig alle Parameter sorgfältig zu
beachten.
Zur Prozessüberwachung dienen eine CCD-Kamera und
ein Pyrometer die im Bearbeitungskopf eingebaut sind. Integrierte Leistungsmessung, Sensoren zur Überwachung der
Betriebsparameter und Ferndiagnose werden sich in absehbarer Zeit als Standard etablieren.
Die aktuell verfügbaren Dilas Diodenlaser Systeme bieten eine große Anzahl von Anwendungsmöglichkeiten. Darüber hinaus besteht die Möglichkeit mit Hilfe von Standardkomponenten für den Anwendungsfall angepasste Module
zu fertigen. Ein Beispiel hierfür ist das Multifokus-System,
mit dem es möglich ist einem Bearbeitungskopf simultan bis
zu 4 Löt- oder Schweißpunkte zu erzeugen. Die Anordnung
der Laserpunkte kann über einen weiten Bereich gewählt
werden(Abbildung 6).
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