Laserkühlung: Prozessgarant Thermomanagement

Die Laserindustrie hat in den vergangenen Jahren ein starkes Wachstum erlebt, angetrieben durch die steigende Nachfrage nach präziser Materialbearbeitung und fortschrittlicher Technologie in verschiedenen Branchen. Einer der vielleicht spannendsten Trends ist der zunehmende Einsatz von Festkörperlasern, insbesondere Faserlasern, in der Industrie. Diese haben sukzessive CO₂-Laser aus unterschiedlichen Anwendungsgebieten verdrängt. CO₂-Laser sind zwar aufgrund ihrer höheren Wellenlänge leistungsstärker und eignen sich häufig besser für die Bearbeitung von nicht-metallischen Materialien wie Holz, Acryl, Papier, Kunststoffen, Leder und Textilien. Allerdings benötigen sie im direkten Vergleich mehr Platz und verursachen höhere Anschaffungs- und Betriebskosten. Faserlaser sind hingegen kompakter und wirtschaftlicher. Zudem werden sie immer leistungsfähiger und können heute schnell und präzise selbst stärkere Metalle schneiden, schmelzen oder gravieren.

Einer der gängigsten Anwendungsbereiche für Faserlaser ist die Blechbearbeitung im Automobilbereich. Dabei werden Bleche mit bis zu einem Millimeter Materialstärke geschnitten, geschweißt oder gelötet. Hier herrschen extrem niedrige Toleranzen, damit einerseits die Optik der Karosserie im fertigen Fahrzeug makellos ist und andererseits die Fügestelle die notwendige Stärke aufweist. Um solche feinen Bearbeitungen wie die Verschmelzungen von Metallen kontrolliert und prozesssicher umzusetzen, bedarf es einer sehr hohen Präzision. Hier kommt die Temperatur ins Spiel: Denn diese Präzision ist nur mittels einer optimalen Laser-Kühlung möglich. „Exakt kontrollierte Parameter wie unter anderem Laserleistung und Temperatur sind im Metal Processing maßgeblich, um die gewünschten Ergebnisse zu erzielen“, sagt Ingo Gdanitz, Business Development Manager bei der technotrans SE.

Punktgenaue Temperaturkontrolle als Schlüsseltechnologie

Der Thermomanagement-Spezialist verfügt über langjährige Expertise auf diesem Gebiet: technotrans-Lösungen kühlen den Laser und die Peripherie wie etwa den Laserkopf oder integrierte Motoren. Die Temperierung sorgt dabei für Sicherheit im Schmelz- und Abkühlprozess. Entscheidend dabei ist eine konstante Temperatur an der Laserquelle und den strahlemittierenden Komponenten, da der Laser sonst eine schwankende Energiemenge einbringen könnte – was wiederum zu einer unbeständigen Einbrenntiefe führt. „Es gibt im Grunde zwei Bereiche, mit denen wir den anspruchsvollen metallurgischen Prozess indirekt beeinflussen können: Zum einen unterstützen wir durch ein konstantes Temperaturniveau die Leistungsstabilität des Lasers. Zum anderen verhindern unsere Lösungen in der Geometrie Wärmeverzüge beziehungsweise Wärmedehnungen“, erklärt Gdanitz.

Mit Blick auf Kühlsysteme als Ganzes, ist Kompaktheit ein wichtiges Thema. Anwender fordern eine möglichst geringe Aufstellfläche in ihrer Produktion. technotrans setzt hierbei auf den Bau schlanker, säulenförmiger Kühllösungen. Denn eine gewisse Fläche ist für den Wärmeausgleich unabdingbar. Denn die Kühlsysteme sind mit Luft-Wasser-Wärmetauschern ausgestattet, die einen ausreichenden Luftdurchsatz benötigen. Trotz der kompakten Bauweise verfügen die Systeme durch ein intelligentes Maschinendesign über eine hohe Leistungsdichte und Energieeffizienz. Ihr modularer Aufbau ermöglicht zudem eine flexible Anpassung an die individuellen Anforderungen der jeweiligen Prozesse.

Flüsterleise Leistungsträger

Während die Merkmale Laufruhe und Geräuschemissionen von Kühlsystemen in der Metallbearbeitung durchaus eine wichtige Anforderung darstellen, sind sie in anderen Anwendungen absolut maßgeblich: beispielsweise in der Medizintechnik. Hier kommen Laser insbesondere bei minimalinvasiven Eingriffen zum Einsatz. „In der Medizintechnik sind die Laserleistungen zwar deutlich niedriger als in der Metallbearbeitung, allerdings sind unsere Kühllösungen in unmittelbarer Nähe von Menschen im Einsatz, die sich auf ihre Arbeit konzentrieren müssen“, sagt Gdanitz. Hinzu kommt, dass sich die Kühler nicht selten im Reinraum befinden – zum Beispiel in aseptischen OP-Räumen oder Laboren. In diesen Umgebungen gilt es, Luftbewegungen, die üblicherweise durch die integrierten Lüfter eines Kühlers verursacht werden, möglichst zu vermeiden.

Um das zu erreichen, setzt technotrans Lösungen auf Basis der Peltier-Technologie ein. Die Kälteerzeugung erfolgt dabei durch Peltier-Elemente mithilfe von Halbleitern in Plattenform. An diesen Elementen wird eine Spannung erzeugt, sodass die eine Plattenseite kalt und die Gegenseite warm bleibt. Aus diesem Grund enthalten die technotrans-Peltier-Geräte keine beweglichen Teile, es entstehen weder Vibrationen noch Schallemissionen. Die Halbleiterplatten reagieren zudem besonders schnell und passen die Kühlleistung bei Änderung der Spannung direkt an. Das ermöglicht eine schnelle und präzise Regelung der Vorlauftemperatur.

Dynamische Regelungstechnik für eine energieeffiziente Kühlung

Egal ob in der Metallbearbeitung oder in der Medizintechnik: Die wenigsten Laserprozesse arbeiten mit einer durchgehend aktivierten Laserstrahlung. Stattdessen wird der Laser häufig in extrem schneller Taktung an- und ausgeschaltet, beispielsweise in der Perforation, bei der Laserstrahlen in kurzen Abständen mikroskopisch kleine Löcher erzeugen. Das ist eine Herausforderung für den Kühlprozess, da es durch die variierende Wärmelast, die in das System eingebracht wird, zu einer periodischen Schwankung der Kühlwassertemperatur kommen kann – einer sogenannten Pulsung. Wird diese nicht kontrolliert und es tritt beispielsweise eine zu schnelle Pulsung auf, entsteht ein ungleichmäßiges Temperaturprofil im Kühlwassersystem.

Die möglichen Folgen: eine unzureichende Prozessqualität, mangelhafte Reproduzierbarkeit und Schäden an den Bauteilen. technotrans begegnet dieser Herausforderung mit einer dynamischen Regelungstechnik und dem Einsatz drehzahlgeregelter Verdichter, die die benötigte Kälteleistung in hoher Geschwindigkeit regulieren. „Dadurch stellen wir mit unseren Kühllösungen nicht nur konstante Prozessbedingungen sicher, sondern arbeiten gleichzeitig äußerst energieeffizient. Wir rufen immer nur die Kälteleistung ab, die in dem Moment tatsächlich benötigt wird. Das ermöglicht, je nach Anwendung, Energieeinsparungen von bis zu 30 Prozent gegenüber herkömmlicher Technik“, sagt Gdanitz.

Vernetzung hebt Steuerungs- und Optimierungspotenziale

Mit Blick auf die Zukunft von Laseranwendungen ist eines bereits heute eindeutig: Die Komplexität der Technologie nimmt weiter zu und damit steigen auch die individuellen Anforderungen an das Thermomanagement. Gdanitz: „Die Nachfrage nach maßgeschneiderten kundenindividuellen Lösungen überwiegt gegenüber Standard-Varianten bereits heute – Tendenz steigend.“ Ein anhaltender Trend sei beispielsweise die Systemintegration. Anwender wünschen sich häufig nicht nur eine physikalische Anpassung des Kühlsystems durch die Konfiguration von Kühlkreisen und Zusatzfunktionen. Vielmehr geht es um die Kommunikation und den Datenaustausch mehrerer Geräte im Prozess. Das erreicht technotrans durch eine datentechnische Vernetzung seiner Geräte mit dem Gesamtsystem. Durch die Ausstattung der Kühlsysteme mit modernen Steuerungseinheiten sind diese in der Lage, sämtliche Prozessdaten der Kühlung, beispielsweise die Vor- und Rücklauftemperatur oder Volumenströme, jederzeit am Gerät oder remote zu visualisieren und anzupassen. Dieser wird dadurch transparent und kontrollierbar. Das ist insbesondere hilfreich für die Bereiche Fehleranalyse, Optimierung und Dokumentation.

Darüber hinaus werden Zukunftstechnologien schon bald eine größere Rolle einnehmen, etwa spezielle High-Tech-Laser in der Halbleiterproduktion. Auf diesem Gebiet unterstützt technotrans innovative Anwendungen, die es mittels lithografischer Verfahren ermöglichen, die Produktionsgeschwindigkeit von Chips beziehungsweise dem bearbeiteten Halbleiterausgangsmaterial (Wafer) zu steigern. Speziell auf die Anwendung entwickelte und präzise abgestimmte Temperierlösungen sind auch in diesen Verfahren eine Grundvoraussetzung.