Verbesserung der Lampenherstellung durch einen stabilen Hochleistungs-CO₂-Laser

Der Werkzeugmaschinenhersteller Arnold Ravensburg (Ravensburg, Deutschland) ist mit über 100 Jahren Erfahrung im Schweißen ein Experte auf diesem Gebiet. Das Unternehmen hat sich schon früh für das Laserschweißen entschieden und baut seit 1985 eigene Anlagen.

Insbesondere aufgrund seiner herausragenden Fachkompetenz im Bereich CO₂-Laser wenden sich Unternehmen aus aller Welt an Arnold Ravensburg, um ihre schwierigsten Schweißprobleme zu lösen. Sie wissen, dass das Unternehmen keine „Einheitslösung“ für die individuellen Probleme seiner Kunden vorschreibt, sondern maßgeschneiderte Lösungen entwickelt, die Laser, Strahlführungssysteme, Spannvorrichtungen und Roboter für die Teilehandhabung miteinander verbinden.

Anwendungsbereiche für Lampendichtungen

Im Jahr 2023 wandte sich ein führender Hersteller von Beleuchtungsprodukten an Arnold Ravensburg mit der Anfrage nach einem Dichtungssystem für Entladungslampen. Dabei galt es insbesondere, die zylindrische Quarzglas-Lampenhülle zu verschmelzen und mit der inneren Keramikstruktur, die Anode und Kathode trägt, abzudichten. Diese Versiegelung musste durchgehend und dicht sein und den gesamten Umfang der Glühbirne umschließen. Dies war erforderlich, um das Hochdruckgasgemisch zu halten, das in einem späteren Schritt eingefüllt werden sollte. Die Versiegelung musste über die gesamte Lebensdauer der Glühbirne halten.

Bei diesem Verfahren muss das Glas an zwei Stellen rund um den gesamten Umfang der Glühbirne geschmolzen werden, um eine hermetische Abdichtung zu bilden, in der sich die Keramikteile befinden. Auf diese Weise bleibt die Gasfüllung bis zum Ende der Lebensdauer der Glühbirne erhalten.

Ursprünglich führten die Leuchtenhersteller diesen Versiegelungsprozess mit einer Flamme durch. In den letzten zehn Jahren sind sie jedoch auf die Laserbearbeitung umgestiegen. Sie haben festgestellt, dass das Laserversiegeln eine höhere Wiederholgenauigkeit bietet und sich der Prozess mithilfe von Temperaturmesssystemen besser steuern lässt, wodurch sich die Konsistenz und die Ausbeute verbessern lassen.  

Leider kam es bei unserem ursprünglichen Lieferanten für Lasersysteme zu Qualitäts- und Lieferproblemen. Wir waren auf der Suche nach einem neuen Lieferanten, der schnellere und zuverlässigere Abläufe bietet und pünktlich liefern kann.

Da dieser Leuchtenhersteller bereits eine lange Zusammenarbeit mit Arnold Ravensburg vorweisen konnte, war es nur naheliegend, sich für dieses Projekt an das Unternehmen zu wenden. Insbesondere da CO₂-Laser die einzige praktikable Lichtquelle für diesen Anwendungsbereich sind und Arnold Ravensburg über besondere Fachkompetenz in dieser Technologie verfügt.

Da das Material der Glühbirnenhülle im sichtbaren und nahen Infrarotbereich transparent ist, wird ein CO₂-Laser benötigt. Das heißt, mit einem Laser mit kurzer Wellenlänge lässt sich das Material nicht ohne Weiteres bearbeiten. Das Licht muss lediglich durch das Material hindurchdringen, ohne absorbiert zu werden, damit es eine Erwärmung bewirkt. 

Laserauswahl

Für diese Anwendung war ein CO₂-Laser erforderlich, doch Arnold Ravensburg musste zunächst die Einzelheiten des Verfahrens festlegen. Man stellte fest, dass die optimale Methode darin bestand, die Glühbirne kontinuierlich zu drehen und dabei die Laserenergie an der gewünschten Stelle aufzubringen. Dadurch erwärmt sich die Glühbirne schnell. Die Materialtemperatur wird kontinuierlich mit einem berührungslosen Thermometer überwacht, und sobald der richtige Wert erreicht ist, wird der Laser abgeschaltet. Die Glühbirne dreht sich weiter, und das geschmolzene Glas fließt, um die Versiegelung zu bilden.

Die Ingenieure von Arnold Ravensburg stellten fest, dass die beiden Schweißnähte aufgrund möglicher Abweichungen bei den Prozessparametern nicht gleichzeitig ausgeführt werden können. Daher werden die beiden Schweißnähte nacheinander hergestellt. Der Geschwindigkeitsbegrenzungsfaktor entspricht der Fließgeschwindigkeit des Vorformlingsmaterials, weshalb die Ausführung jeder Schweißnaht etwa drei Minuten dauert.

Für diesen Prozess ist eine Laserleistung von etwa 800 W erforderlich. Arnold Ravensburg hat sich für Coherent 010als Lichtquelle für diese Anwendung entschieden. Es handelt sich um ein 1-kW-Modell der DC-Serie, einer Reihe von hochleistungsfähigen, hermetisch gekapselten CO₂-Lasern mit Plattenentladung, die auf bis zu 8 kW skalierbar sind.

Hansjörg Klotz, Vertriebsleiter bei Arnold Ravensburg, erklärt: „Wir haben uns aus verschiedenen Gründen für den DC 010 entschieden. Unsere Endkunden wissen, dass die geschlossene Plattenentladungskonstruktion eine deutlich höhere Zuverlässigkeit bietet als die bei anderen Mehr-kW-CO₂-Lasern verwendeten Schnelldurchflusssysteme. Zudem bietet sie geringere Betriebskosten, höhere Zuverlässigkeit, eine längere Lebensdauer und längere Wartungsintervalle. Da diese Laser hermetisch abgedichtet sind, verhindern sie zudem das Eindringen von Verunreinigungen, was in industriellen Umgebungen stets ein Problem darstellt. Schließlich bleibt die Ausgangsleistung der DC-Serie über die gesamte Lebensdauer des Lasers konstant, was eine hervorragende Prozesskonsistenz gewährleistet.“

Ihr Partner für den Erfolg

Aus Sicht von Maschinenbauern wie Arnold Ravensburg nennt Klotz die einfache Integration als einen wesentlichen Vorteil. „Wir haben bereits mehrfach Laser Coherent Serie eingesetzt, und der Aufbau eines Systems um diese Laser herum ist sehr einfach. Das Produkt bietet eine echte industrielle Schnittstelle, die perfekt in Feldbusumgebungen passt. Viele Kunden nutzen das Profibus-Protokoll, insbesondere in Deutschland, wo Siemens-Steuerungen fast allgegenwärtig sind und die DC-Serie diese direkt unterstützt.“

Klotz sagt: „Ein weiterer Faktor Coherent . Wir betrachten Coherent als Partner und können jederzeit problemlos die erforderliche Unterstützung und Informationen von ihnen erhalten. Wenn wir beispielsweise für optische Berechnungen detaillierte Daten zu den Strahleigenschaften eines bestimmten Lasers benötigen, stellt Coherent uns diese ohne zu zögern zur Verfügung.“

„Zudem zeichnen sich Coherent durch eine hervorragende Konsistenz zwischen den einzelnen Geräten aus. Daher können Sie bei der Konfiguration des Systems davon ausgehen, dass nach der Auslegung der optischen Anordnung keine wesentlichen individuellen Anpassungen erforderlich sind. Das Gleiche gilt für die Strahlstabilität, die nach der Installation unverändert bleibt. Dies passt sehr gut zu unserer eigenen Konstruktionsphilosophie. Das Strahlführungssystem von Arnold Ravensburg ist so konzipiert, dass beim Austausch von Spiegeln keine optische Neuausrichtung erforderlich ist. Natürlich muss aber der Laserpunkt selbst stabil bleiben.“

Klotz sagte: „Dieser Laser ist ein Arbeitslaser, der lediglich eine jährliche Wartung benötigt. Wir können ihn vor Ort installieren, ohne uns Gedanken über Leistungsprobleme oder Ausfälle machen zu müssen. Der Einsatz von Lasern Coherent Coherent erspart sowohl uns als auch unseren Kunden Kopfzerbrechen. Und dadurch kommen sie immer wieder auf uns zurück.“