Stetige Innovationen bei Leistung, Zuverlässigkeit und Wirtschaftlichkeit halten eine der ältesten Lasertechnologien weiterhin relevant.

In den darauffolgenden Jahrzehnten etablierten sich CO₂-Laser schnell als die beliebteste Quelle für Schweiß-, Schneid-, Markier- und Gravuranwendungen in verschiedensten Branchen, darunter die Automobilproduktion sowie die Halbleiter- und Elektroindustrie.

Mitunter werden CO₂-Laser als veraltete Technologie betrachtet. Tatsächlich jedoch – mittlerweile im siebten Jahrzehnt – sind CO₂-Laser keineswegs auf dem Rückzug. Im Gegenteil: Sie werden heute in bestehenden wie auch in neuen Anwendungen noch breiter eingesetzt.

Auch wenn die Dominanz der Kilowatt-CO₂-Laser in der Metallbearbeitung nach dem kommerziellen Durchbruch der Faserlaser um 2010 nachgelassen hat, setzen viele Anwendungen für nichtmetallische Werkstoffe weiterhin auf CO₂-Laser mit niedriger und hoher Leistung.

WO GLÄNZEN CO2-LASER?

Ein Grund für die anhaltende Präsenz von CO₂-Lasern liegt in der Physik: CO₂-Laser emittieren Strahlung um 10 µm – eine Wellenlänge, die von zahlreichen Materialien hervorragend absorbiert wird, darunter Kunststoffe, organische Stoffe wie Holz, Karton und Leder, natürliche und synthetische Textilien, Gummi, Verbundwerkstoffe sowie Glaskeramik. Umgekehrt absorbieren nahezu all diese Materialien das 1-µm-Licht der Faserlaser nur schlecht.

Darüber hinaus absorbiert Wasser CO₂-Laserlicht besonders stark, was diese Laser für chirurgische Anwendungen prädestiniert: Denn die meisten Gewebe – selbst Knochen – enthalten einen beträchtlichen Wasseranteil.

Was absorbiert 10-µm-Laserlicht schlecht? Die Antwort: leitfähige Metalle.

MODERNE CO2-LASERTECHNOLOGIE

Ein weiterer Grund für die anhaltende Relevanz von CO₂-Lasern sind kontinuierliche technologische Verbesserungen. Die heutigen CO₂-Laser sind wesentlich effizienter, zuverlässiger und wirtschaftlicher als ihre Vorgänger.

Frühere Generationen von Multi-Kilowatt-CO₂-Lasern verwendeten ein schnelles Gasströmungssystem durch oder entlang der Laserkavität – eine Skalierung der früheren „Slow-Flow“-Laser mit niedriger Leistung. Diese Methode verursachte jedoch hohe Betriebskosten, großen Platzbedarf, geringere Effizienz und niedrigere Zuverlässigkeit.

Abbildung 1. Links: Slab-Laser-Design, ideal für Leistungsverstärkung; rechts: Wellenleiter-Design für kleinere Leistungen. Beide Resonator-Konzepte bieten exzellente Strahlqualität und Leistungsstabilität.

Die Entwicklung diffusiongekühlter (DC) Slab-CO₂-Laser revolutionierte die Technologie. Das Lasergas wird hierbei zwischen zwei großen, wassergekühlten Flach-Elektroden geführt, was eine effektivere Wärmeabfuhr ermöglicht. Diese vereinfachte Konstruktion reduzierte den Gasverbrauch erheblich, steigerte die Wandsteckdosen-Effizienz und erhöhte die Zuverlässigkeit. Bis heute produziert kein anderes Unternehmen Multi-Kilowatt-CO₂-Laser mit dieser Technologie.

Die wesentlichen Vorteile dieser Slab-Laser gegenüber herkömmlichen Fast-Flow-CO₂-Lasern sind die kompaktere Bauweise, minimaler Gasverbrauch und eine bessere Strahlqualität. Slab-Laser können bis zu 1 kW komplett gekapselt und für Multi-Kilowatt-Anwendungen teilversiegelt betrieben werden. Dies ermöglicht kleinere Laserquellen und macht große externe Gasflaschen überflüssig. Insgesamt vereinfacht sich die Integration erheblich, während Betriebs- und Wartungskosten drastisch sinken.

Niedrigleistungs-CO₂-Laser unter 120 W verwenden seit Jahrzehnten die gekapselte Wellenleiter-Bauweise. Doch auch hier sorgen kontinuierliche Detailverbesserungen für anhaltenden Fortschritt.

EIN REGENBOGEN AN ANWENDUNGEN FÜR CO2-LASER

Das Anwendungsspektrum von CO₂-Lasern ist so vielfältig, dass eine vollständige Aufzählung hier nicht möglich ist. Im Folgenden ein Überblick über zentrale Anwendungen, sortiert nach Branchen:

Automobilindustrie & Allgemeine Industrie

• Airbag-Zuschnitt: CO₂-Laser schneiden die widerstandsfähigen, dicht gewebten Materialien von Airbags präzise und schnell. Dies garantiert saubere Kanten und erhält die Materialintegrität – essenziell für die Sicherheit und Zuverlässigkeit des Airbagsystems. Der Schnittvorgang versiegelt die Schnittkante, sodass kein Ausfransen auftritt.

Abbildung 2: Airbag-Zuschnitt ist eine ideale Anwendung für Laser, die das robuste Gewebe präzise schneiden und gleichzeitig die Kante versiegeln.

• Armaturenbrett-Sollbruchstellen: Das gezielte Schwächen/Anritzen von Armaturenbrettern und Airbag-Abdeckungen ermöglicht größere Gestaltungsfreiheit im Fahrzeuginnenraum, ohne die Funktion des Airbags zu beeinträchtigen.
• Zuschnitt von Polymerteilen: Für Sensoren, Nebelscheinwerfer oder andere Komponenten sowie für kleinere Individualisierungen von Serienteilen wie Stoßfängern verschiedener Fahrzeugmodelle/-varianten. Hier sorgt der Laser für große Flexibilität (Lochbilder sind leicht definierbar/änderbar) und produziert glatte, fehlerfreie Schnittkanten.

Abbildung 3: Ein CO₂-Laser schneidet eine individuelle Konfiguration in einen Spritzguss-Stoßfängerrohling.

• Busbar-Entschichtung: CO₂-Laser entfernen schnell und effizient die Isolierung von Stromschienen vor dem Schweißen. Oft werden zwei Laser verwendet, um beide Seiten gleichzeitig zu bearbeiten.

Abbildung 4: Das Entfernen der Isolierung funktioniert hervorragend, da das Laserlicht vom Isoliermaterial absorbiert und vom darunterliegenden Kupfer reflektiert wird.

• Rohr- und Profilnahtschweißen: CO₂-Laser werden häufig für das kontinuierliche Verschweißen von Rohren eingesetzt, um diese abzudichten. Dies ist eine Variante des „Profilschweißens“, das für feste, nahtlose Verbindungen entlang der Bauteilkonturen sorgt.

Halbleiter & Elektronik

• Schneiden und Bohren: CO₂-Laser werden für das Schneiden (Depaneling) und Bohren von Löchern („Vias“) in Leiterplatten eingesetzt. Auch das Bohren von LTCC (Low Temperature Co-fired Ceramics), einem Substrat für Mikroelektronik, insbesondere für dünne, mehrlagige Bauteile wie Flash-RAM, erfolgt mit CO₂-Lasern.
• Laser Spike Annealing: Hochleistungs-CO₂-Laser ermöglichen das „Wafer-Annealing“, einen wichtigen Schritt in der Frontend-Fertigung (FEOL) von integrierten Schaltkreisen.
• Flachbildschirme: Modulierende und q-geswitchte CO₂-Laser sorgen für minimale Wärmeeinflusszonen und exzellente Schnittkanten beim Zell- und Polarisatorzuschnitt in der FPD-Produktion.
• Drahtabisolierung: Die präzise Materialabtragung per Laser ist besonders für das Abisolieren von feinen Drähten geeignet.

Verpackung

• Converting: Die Umwandlung von Papier, Kunststoff, Karton, Folie oder Film in fertige Verpackungsprodukte. CO₂-Laser werden für zahlreiche Schneidaufgaben im Converting eingesetzt – dank Geschwindigkeit, Flexibilität und Zuverlässigkeit. Mit der Wahl einer optimalen Laserwellenlänge, die zum Absorptionsverhalten des Materials passt, lässt sich der Prozess weiter optimieren.
• Karton/Kartonage: Die steigende Nachfrage nach Kartonverpackungen erfordert effizientere und flexiblere Herstellungsprozesse. Hochleistungs-CO₂-Laser bieten eine schnelle, flexible Technologie für die Massenproduktion von Kartons – inklusive „Box-on-Demand“-Lösungen, bei denen die Kartongröße exakt dem zu versendenden Produkt angepasst wird.
• Perforieren von Folien: CO₂-Laser erzeugen problemlos Perforationen in dünnen Folien und werden häufig für „Easy-Open“-Verpackungen eingesetzt. Sie sind auch ideal für modifizierte Atmosphärenverpackungen (MAP) – hierbei werden Mikrolöcher in Plastikbeutel von vorgeschnittenem Salat und anderen Frischeprodukten eingebracht, um Luftzirkulation zu ermöglichen und die Haltbarkeit zu verlängern.
• Stanzbrettzuschnitt: Hochvolumige Converting-Anwendungen verwenden Stanzbretter, um präzise Formen oder Muster in Verpackungsmaterialien zu schneiden. Diese Bretter, meist aus Sperrholz oder Verbundmaterial, enthalten eingelassene Metallschneidwerkzeuge. CO₂-Laser werden häufig für das Schneiden von Schlitzen in Stanzbrettern genutzt, da sie exakte, komplexe Schnitte nahezu ohne Konizität ermöglichen.

Abbildung 5: Präzises und paralleles Schneiden von Schlitzen in dickes Stanzbrett.

• Digitales Stanzen: Das direkte Schneiden von Wellpappe mit Hochleistungs-CO₂-Lasern ermöglicht flexible Kleinserienfertigung für POS-Displays und kreative Verpackungslösungen.

Abbildung 6: Das direkte Schneiden von Karton ermöglicht flexibles, digitales Stanzen ohne die Notwendigkeit eines Stanzbretts.

• Kiss-Cutting: Der Laser schneidet durch die obere Schicht eines zweilagigen Materials, ohne die untere Schicht zu durchtrennen. Diese Technik wird häufig zur Herstellung von Etiketten, Aufklebern und Stickern verwendet, sodass das Produkt leicht von der Trägerfolie abgezogen werden kann. CO₂-Laser gewährleisten Präzision und Wiederholbarkeit, ideal für die Massenfertigung individuell geformter Haftprodukte.
• Markieren: Viele Verpackungsmaterialien, darunter Polymere und Keramiken, lassen sich mit CO₂-Lasern effizient markieren.

Textilien

• Schneiden: Das Laserschneiden von Geweben, Leder und Segeltuch ermöglicht hohe Geschwindigkeit und Präzision.
• Fading/Distressing: Mit Lasern lassen sich Jeans schnell, kontrolliert und umweltfreundlich altern oder mit Mustern und Grafiken versehen.

Medizin

• Chirurgie: Die starke Absorption der CO₂-Wellenlänge durch Wasser macht diese Laser zu effektiven chirurgischen Instrumenten. Besonders in der Zahn- und Mundchirurgie werden sie zum Schneiden von Knochen, Zahnschmelz und Weichgewebe eingesetzt.
• Dermatologie: CO₂-Laser ermöglichen die präzise Abtragung dünner Hautschichten, ohne das umliegende Gewebe wesentlich zu beeinträchtigen. Sie werden zur Behandlung von Falten, Warzen, Muttermalen und anderen Hautproblemen eingesetzt.

Dies ist nur eine Auswahl der Anwendungen, in denen CO₂-Laser heute eingesetzt werden. Da sie die einzige praktikable Quelle für langwelliges Infrarotlicht sind und viele Materialien dieses Licht sehr gut absorbieren, werden CO₂-Laser noch viele Jahre ein unverzichtbares Werkzeug bleiben. Nach 60 Jahren sind CO₂-Laser noch lange nicht am Ende ihres Weges angekommen.