"Luke, ich bin dein Vater" - Geschichten aus der Laserwelt
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Der Laser - eine DER Errungenschaften der modernen Technologie. Nicht nur in Medizin, Wissenschaft und Forschung unverzichtbar, mittlerweile hält er auch Einzug in die profane Welt des Handwerks.
Laser waren hier schon öfters mal Thema, Mythen und Legenden ranken sich darum, was mit diesem Gerät möglich ist - und sie sind alle wahr :D Heute kommt mal ein wenig Licht ins Dunkel.
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Das also ist ein handelsübliches Laserschweißgerät. In etwa so groß wie ein Videospielgerät in der Spielhalle. Die verschiedenen Komponenten sind rasch aufgezählt: man sieht ein Okular, durch das man schauen kann. Der kleine Kasten,der über dem Okular hängt, ist eine Kamera - mit der kann man das Geschehen filmen und übertragen. Links sieht man Sicherheitsschalter und Startschlüssel. Darunter ist eine Scheibe - dahinter befindet sich die eigentliche Laserkammer. Links und rechts unten befinden sich 2 Löcher, durch die muß man seine Hände stecken, mit ihnen fixiert man dasWerkstück vor dem Laser. Unten rechts ist ein Fußschalter, damit löst man den Laserschuß aus.
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Hier ein Detailfoto der Optik. Wenn man vor dem Gerät Platz nimmt, sind die beiden Okulare auf Augenhöhe, man kann damit vergrößert sehen, was man in Händen hält und was man miteinander verschweißt. In der Mikroskopoptik wird lediglich das vergrößert, was man unter der Optik in Händen hält, vergleichbar mit einer Lupe für Briefmarkensammler. Rechts übrigens das Bedienungspanel, hier kann man die verschiedenen Arbeitsmodi einstellen, doch dazu später.
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Alle relevanten Arbeitswerte hat man auf einem kleinen Display direkt unterhalb der Arbeitsfläche, die Werte werden auch im Okular eingeblendet.
Man kann folgende Parameter beeinflussen:
Die Spannung - sie variiert von 0-450 Volt
Die Pulsdauer - verstellbar von 0-7 ms
Die Schußrequenz - verstellbar von Einzelschuß bis 5 Schuß pro Sekunde
Den Durchmesser des Strahls - stufenlos verstellbar von 0.2 bis 2mm
Jedes Metall und jeder Arbeitszweck erfordert seine eigenen Parameter, doch auch dazu später.
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Hier nochmal das Controlpanel - hier kann man u.a. die Settings für unterschiedliche Arbeitsschritte oder Legierungen speichern - außerdem wird hierüber die Betriebsbereitschaft angezeigt. In dem Gerät arbeitet ein YAG-Laser der Klasse IV, das ist schon ziemlich gefährlich für die Gesundheit. Deswegen ist z.B. in den Eingrifflöchern eine Lichtschranke eingebaut, die sicherstellt, daß das Gerät ordnungsgemäß bedient wird. Auch die Laserkammer selbst muß geschlossen sein. Erst dann kann der Laser ausgelöst werden. Auch darüber informiert das Panel.
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Das ist das Herzstück - die Laserkammer. Man erkennt durch das Glas die Optik für Kamera und Okular (das halbrunde schwarze im oberen Bildrand), der Laserimpuls selbst kommt durch das kleine Röhrchen, welches aus dem halbrunden schwarzen rauskommt. Da man den Laser nur beidhändig bedienen darf, befinden sich in der Laserkammer kleine Joysticks (man erkennt sie am hinteren Rand), mit dem alle Parameter eingestellt werden können, ohne die Hände vom Werkstück zu nehmen. Der kleine blaue Tisch ist eine Positionierungshilfe. Der Laser selbst ist fest montiert und kann nicht bewegt werden.
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Und so sieht die Arbeitsfläche kurz vor dem Einsatz aus: der Arbeitstisch wird auf die richtige Höhe justiert, gleich kann es losgehen. Fixierung ist wichtig - denn es geht um Zehntelmillimeter und Verwackeln wäre mitunter fatal.
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Hier noch mal das Fußpedal. Da man ja beide Hände benötigt, um das Werkstück zu halten und die Settings einzustellen, wird mit dem Fuß ausgelöst - wenn alles so weit ist.
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Und - schon ist es soweit! Denn der Rest ist wirklich völlig banal. Man fixiert das Werkstückmit der einen und das anzuschweißende Stück mit der anderen Hand, hält es unter den Laser und schießt! Da es hier um kleinste Schweißpunkte geht und ein Makro hier nicht einzusetzen wäre, greife ich nun auf die Bilder der Kamera zurück - sie sind nicht in der besten Qualität, aber veranschaulichen das Ganze dennoch ganz gut.
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Hier sieht man jetzt in der Vergrößerung das, was man auch durch das Okular sieht: eine Edelstahlklammer (in echt ungefähr 4 mm breit und 1 cm lang) und ein feiner Stahldraht von etwa 0.5 mm Durchmesser. Hier werden sie nur aneinandergehalten, das Fadenkreuz markiert die Schußstelle, hier schießt der Laser hin. Alles, was beim Schuß direkt an dieser Stelle liegt, wird auf über 1000 Grad erhitzt und miteinander verschweißt. Im TV ist das behelfsmäßig mit Edding markiert, im Okular sieht man ein Fadenkreuz wie in Terminator 1 :supercool:
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Und dann: ein Tipp mit dem Fuß und 5 ms später sind Draht und Träger dauerhaft miteinander verschweißt. Jetzt reicht schon eine Hand, um das Werkstück festzuhalten, die beiden Teile sind jetzt intermetallisch miteinander verbunden. Simple as that!
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Nun beschießt man die Verbindungsstelle rundherum - fertig ist der Zaubertrick. Die beiden Stücke sind nun porenfrei miteinander verbunden.
Das Besondere an dieser Technik erschließt sich erst im zweiten Gedankengang. Hallo - wir haben die beiden zu verschweißenden Stücke direkt während des Schweißvorgangs mit bloßen Händen festgehalten. Beim Schweißen benötigt man doch Temperaturen von 1000 Grad und mehr?!? Richtig, die entstehen hier in der Kammer auch - aber eben nur an dem stecknadelgroßen Punkt, auf dem die Laserenergie auftrifft. Schon 2 mm daneben ist es angenehm kühl. Man verbrennt sich nicht, das Material verzieht sich nicht, hier könnte jetzt ein Edelstein, ein Uhrenglas, ein Werk oder eben der Finger des Handwerkers sein - nichts von alledem würde in irgendeiner Weise in Mitleidenschaft gezogen werden. Und das ist die Sensation an dem Verfahren.
Die andere Sensation: es wird geschweißt und nicht gelötet. Beide Verfahren - schweißen und löten - haben das Ziel, Metalle dauerhaft miteinander zu verbinden - und zwar nur mit Metall, ohne die Verwendung von Klebstoff oder anderen artfremden Materialien. Beim Verlöten verwendet man ebenfalls ein Metall, um 2 Metalle zu verbinden, aber dieses Metall, das sogenannte Lot, hat andere Eigenschaften als die beiden Grundmetalle. Normalerweise hat Lot einen geringeren Schmelzpunkt - und der ist wichtig, denn das flüssige Metall soll einerseits die beiden anderen Metalle verbinden wie ein Klebstoff, andererseits sollen die beiden Grundmetalle ja eben nicht schmelzen, sondern ihre Form beibehalten. Deswegen muß das Lot schon geschmolzen sein, während die Grundteile nachwievor fest sind. Das flüssige Metall zieht durch den Kapillareffekt zwischen die aufeinanderliegenden Teile und beim Abkühlen geht das flüssige Lot beim Erstarren eine Verbindung mit dem festen Grundmetall ein. Voila.
Löten an sich ist schon recht robust, das Verfahren hat aber eben seine Nachteile: das Lot unterscheidet sich z.B. meistens nicht nur durch seinen Schmelzpunkt, sondern eben auch durch seine Farbe oder seine Härte. Lot ist eigentlich immer weicher als das Grundmarterial, deswegen poliert es sich auch verhältnismäßig leicht raus, außerdem oxidiert es schneller, weil es unedlere Komponenten beinhaltet - denn es sind immer unedle Metalle wie Zink, Zinn etc., die den Schmelzpunkt herabsetzen. All das wollen wir nicht. Und deswegen ist schweißen besser, denn hier werden 2 völlig identische Metalle miteinander verschmolzen - ohne Lot, ohne Naht, ohne sicht- oder fühlbaren Unterschied. Es ist, als ob man einem Teigbollen noch eine Handvoll Teig dazupackt.
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Und so banal können technische Wunderwerke aussehen: dieses Foto entstand während des schweißens, völlig unspektakulär.
Nun wird die Tragweite der Möglichkeiten langsam deutlich. Es ist also möglich, Material quasi spurenfrei auf anderes Material anzutragen. Das Anschweißen des oben gezeigten Drahtes dauert ungefähr 5 Sekunden. Nun kann man sich vorstellen, was ein versierter Schweißer in einer halben Stunde an Material auftragen kann.
Und man kann sich nun vorstellen, warum Puristen dieser Technik skeptisch gegenüber stehen. Es ist nun kein Problem mehr, kleinere Beulen und Kratzer auszugleichen. Es ist auch kein Problem mehr, ein komplett abgelutschtes Hörnchen wieder neu aufzutragen.
Und hier ist ein Wort der Entwarnung angebracht: Aufbringen ist in der Tat kein Problem - theoretisch könnte man auf jedes Hörnchen eine golfballgroße Kugel aufbringen. Aber die Kunst ist eben nicht das massenweise Auftragen eines Materials, sondern das kunstvolle Abtragen. Es ist wie in der Bildhauerei: in jedem blöden Stein ist eine perfekte Skulptur verborgen, aber nur der perfekte Handwerker kann sie herausholen. Bei der Uhr ist es nicht anders. Nur ein perfekter Handwerker ist in der Lage, aus einem Block oder eben aus einem entsprechend verlaserten alten Gehäuse ein perfektes Hörnchen zu modellieren. Aber immerhin: es ist möglich.
Und nochwas muß man in die Kalkulation mit einbeziehen: ein Laser ist teuer, das hier gezeigte Gerät kostet etwa 35.000 Euro, der Unterhalt ist recht kostspielig und es dauert lange, ein entsprechendes Gehäuse aufzulasern - und es dann wieder abzutragen. Man kann also sicher sein, daß nicht jeder Hinz und Kunz sich dieses Verfahrens bedienen wird - weil er es nun mal nicht kann.
Fakt ist aber auch, daß Vintagepreise mittlerweile eine dermaßene Höhe erreicht haben, daß der Einsatz immer realistischer wird - zumal ja nur wirklich perfekte Stücke schwindelerregend gehandelt werden. Für die zu erwartenden tausenden Euro Differenz wird sich sicherlich der eine oder andere Künstler zu manchem Stunt berufen fühlen.
Aber egal: es geht hier ja nur um die technische Machbarkeit und um die Erklärung des Verfahrens. In der Praxis verwende ich es z.B., um die beliebten Manschettenknöpfe herzustellen.
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Wieder ganz banal: Oysterglied in der einen Hand, Knopfträger in der anderen Hand und Feuer frei - ihr kennt das ja mittlerweile :D
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Vor dem Schuß
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Nach dem Schuß
Nun kann man auch erklären, welche Parameter man verstellen kann - und warum.
Verändert werden kann die Spannung selbst. Hier wird eingestellt, wie kräftig der Schuß ist.
Verändert werden kann die Pulsdauer. Damit verstellt man, wie lang die Kraft auf die Stelle wirkt.
Verändert werden kann auch die Strahlbreite. Hiermit verändert man die Fläche, auf die die Kraft wirkt.
Warum das alles?
Zum einen gibt es natürlich verschiedene Metalle, mit denen man arbeiten kann. Das Verfahren kann sowohl mit Edelmetallen als auch mit Stahl angewandt werden. Jedes dieser Metalle hat eine andere Dichte, einen anderen Schmelzpunkt und andere Leitfähigkeiten. Hier muß man reagieren können - Platin benötigt viel mehr Kraft als Gold, polierte Metalle sind aufgrund der reflexion etwas schwerer zu schweißen als mattierte. Dünne Bleche vertragen weniger Energie als dicke Bleche. Und so weiter.
Aber es gibt ja auch unterschiedliche Anforderungen an die Schweißung selbst. Die o.g. Schweißung z.B. ist eine bloße Heftung - die beiden Teile sollen zwar miteinander verbunden werden, aber es kann sein, daß sie noch nicht richtig zueinander positioniert sind. Die Optik vergrößert ja nur den jeweiligen Ausschnitt, die Endkontrolle aber kann nur mit bloßem Auge erfolgen. Der erste Schuß ist also von relativ schwacher Intensität und von kleinem Durchmesser. Wenns nicht paßt, biegt man die Teile kurz und der Schweißpunkt ist wieder gelöst. Die nächste Fixierung paßt dann hoffentlich besser ;)
Wenn aber alles paßt, kann man die Kraft erhöht werden. Je kräftiger der Schuß, desto tiefer die Schweißverbindung. Das kann bei schwacher Kraft und kurzer Dauer nur absolut oberflächlich sein. Bei hoher Kraft und langer Dauer geht die Schweißkraft je nach Material mehr als 1 mm in die Tiefe - und das ist schon eine ganze Menge. Dünne Blechekönnen mühelos durchschlagen werden, deswegen sind die Parameter jedesmal exakt einzustellen - das ist eigentlich der einzige Aspekt, der eine gewisse Expertise erfordert. Das schweißen selbst kann jeder Lehrling nach 5 Minuten Einweisung.
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Wenn also alles paßt, wird die Intensität des Strahls erhöht. Und es wird auch die Pulsdauer erhöht. Man stellt nun auf "Dauerfeuer". Der Fuß bleibt auf dem Pedal und nun kommen bis zu 5 Schuß pro Sekunde. So sind derartige Schweißnähte möglich. Die Energie wirkt nun recht lang auf einen relativ kleinen Durchmesser, sodaß die Schweißkraft sehr hoch ist und die beiden Teile dauerhaft miteinander verbunden sind.
Natürlich gibt das recht heftige Verwerfungen an der Schweißnaht selbst. Man sieht sie mit bloßem Auge nicht - aber sie sind da. Und auch hier hilft der Laser, Spuren zu beseitigen. Wenn man nun die bereits verschweißte Naht nochmals verschweißt - jetzt aber die Kraft deutlich senkt und den Durchmesser des Schweißpunktes erhöht, tritt eine Art "Verwischungseffekt" ein - vergleichbar mit der "Verschmieren"-Funktion bei einem Malprogramm. Man geht einfach nochmal drüber und glättet so die Schweißnaht.
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Fertig! Die entstandenen Schmauchspuren können einfach mit einer Bürste entfernt werden. Keinerlei weitere Nacharbeit erforderlich - kein abbeizen, kein entoxidieren, kein Polieren, kein Mattieren. Das wars.
Stichwort Oxid: wenn man Oxide völlig vermeiden will, kann man die Schweißkammer auch mit Edelgas fluten.
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In diesem Fall Argon. Aber das benutzt man nur bei diffizilen Schweißstellen. In der Praxis braucht man es eigentlich nur bei oxidationsaffinen Metallen wie Silber.
RE: "Luke, ich bin dein Vater" - Geschichten aus der Laserwelt
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RE: "Luke, ich bin dein Vater" - Geschichten aus der Laserwelt
Waaaahnsinn! Danke für die Mühe!!! :verneig: :verneig: :verneig:
RE: "Luke, ich bin dein Vater" - Geschichten aus der Laserwelt
Sehr lehrreich Tobias :gut:
Danke!
