Zuverlässige CO₂ verbessern die Lampenfertigung

Mit über 100 Jahren Erfahrung im Schweißen ist der Werkzeugmaschinenbauer Arnold Ravensburg (Ravensburg, Deutschland) ein Experte auf diesem Gebiet. Das Unternehmen gehörte zu den Pionieren des Laserschweißens und baut seit 1985 eigene Anlagen.

Aufgrund ihrer herausragenden Fachkompetenz, insbesondere im Bereich CO₂ , wenden sich Unternehmen aus aller Welt an Arnold Ravensburg, um einige ihrer schwierigsten Herausforderungen im Bereich des Schweißens zu lösen. Sie wissen, dass das Unternehmen eine maßgeschneiderte Lösung entwickelt – oft unter Einbeziehung des Lasers, des Strahlführungssystems, der Spannvorrichtungen und der Robotertechnik für die Teilehandhabung –, anstatt den Kunden bei ihren individuellen Problemen einen „Einheitsansatz“ aufzuzwingen.

Anwendung zur Lampenversiegelung

Im Jahr 2023 wandte sich ein bedeutender Hersteller von Beleuchtungsprodukten an Arnold Ravensburg mit der Bitte, ein System zur Abdichtung von Entladungslampen zu entwickeln. Konkret muss die zylindrische Quarzglaskolbenhülle geschmolzen werden, um eine Abdichtung mit den inneren Keramikstrukturen zu bilden, die die Anode und die Kathode tragen. Diese Abdichtung muss durchgehend und hermetisch sein und sich über den gesamten Umfang des Kolbens erstrecken. Dies ist notwendig, um das Hochdruckgasgemisch zurückzuhalten, mit dem er in einem nachfolgenden Schritt befüllt wird. Diese Abdichtung muss über die gesamte Lebensdauer des Kolbens bestehen bleiben.

Bei diesem Verfahren muss das Glas an zwei Stellen rund um den gesamten Umfang der Glühbirne geschmolzen werden, damit es eine hermetische Abdichtung mit dem Keramikkörper im Inneren bildet. Dadurch bleibt die Gasfüllung während der gesamten Lebensdauer der Glühbirne erhalten.

Ursprünglich führte der Leuchtenhersteller diesen Versiegelungsprozess mit einer Flamme durch. In den letzten zehn Jahren war man jedoch auf die Laserbearbeitung umgestiegen. Man stellte fest, dass das Laserversiegeln eine höhere Wiederholgenauigkeit bot, und durch den Einsatz eines Pyrometersystems zur Temperaturmessung konnte der Prozess besser geregelt werden, was zu einer höheren Konsistenz und besseren Ausbeuten führte.  

Leider hatten sie mit ihrem ursprünglichen Lasersystem Probleme hinsichtlich Qualität und Lieferung. Sie suchten nach einem neuen Anbieter, der einen schnelleren, zuverlässigeren Prozess gewährleisten und pünktlich liefern konnte.

Der Leuchtenhersteller hatte bereits zuvor mit Arnold Ravensburg zusammengearbeitet, weshalb es naheliegend war, das Unternehmen für dieses Projekt anzusprechen. Zumal die einzige praktikable Lichtquelle für diese Anwendung ein CO₂ ist und Arnold Ravensburg über besondere Fachkenntnisse in dieser Technologie verfügt.

Der CO₂ ist erforderlich, da das Material der Glühbirnenhülle im sichtbaren und nahen Infrarotbereich transparent ist. Das bedeutet, dass es sich mit Wellenlänge kürzerer Wellenlänge nicht ohne Weiteres bearbeiten lässt – deren Licht würde das Material einfach durchdringen, anstatt absorbiert zu werden und es zu erwärmen. 

Die Wahl eines Lasers

Obwohl für diese Anwendung natürlich ein CO₂ erforderlich war, musste Arnold Ravensburg zunächst die genauen Prozessparameter ermitteln. Man stellte fest, dass die optimale Methode darin bestand, die Glaskugel kontinuierlich zu drehen und gleichzeitig die Laserenergie die gewünschte Stelle zu richten. Dadurch erwärmt sich die Glaskugel rasch. Die Materialtemperatur wird kontinuierlich mit einem berührungslosen Pyrometer überwacht, und sobald sie den richtigen Wert erreicht hat, wird der Laser abgeschaltet. Die Glaskugel dreht sich weiter, und das geschmolzene Glas fließt, um die Versiegelung zu bilden.

Die Ingenieure von Arnold Ravensburg stellten fest, dass sie aufgrund möglicher Unterschiede bei den Prozessparametern nicht beide Dichtungen gleichzeitig herstellen konnten. Daher werden die beiden Dichtungen nacheinander gefertigt. Der geschwindigkeitsbestimmende Faktor ist die Fließgeschwindigkeit des Kolbenmaterials, weshalb die Herstellung jeder Schweißnaht etwa drei Minuten dauert.

Für diesen Prozess sind etwa 800 W Laserleistung erforderlich. Arnold Ravensburg entschied sich für den Coherent 010 als Quelle für diese Anwendung. Dabei handelt es sich um das 1-kW-Modell aus unserer DC Series leistungsstarker, hermetisch gekapselter CO₂ DC Series Plattenentladung, die bis zu 8 kW Leistung bietet.

„Mehrere Faktoren haben uns dazu bewogen, den DC 010 einzusetzen“, erklärt Hansjörg Klotz, Vertriebsleiter bei Arnold Ravensburg. „Unsere Endkunden schätzen, dass die versiegelte Bauweise mit Plattenentladung eine deutlich höhere Zuverlässigkeit bietet als die bei anderen CO₂ verwendete Fast-Flow-Konstruktion. Außerdem sorgt sie für niedrigere Betriebskosten, höhere Zuverlässigkeit, eine längere Lebensdauer und lange Wartungsintervalle. Da diese Laser zudem versiegelt sind, vermeiden sie jegliche Probleme durch Verunreinigungen, die in den Laser gelangen könnten – was in industriellen Umgebungen immer ein Problem darstellt. Schließlich bleibt die DC Series über die gesamte Lebensdauer des Lasers konstant, was eine hervorragende Prozesskonsistenz gewährleistet.“

Gemeinsam zum Erfolg

Aus der Sicht eines Maschinenbauers wie Arnold Ravensburg nennt Klotz die einfache Integration als einen wesentlichen Vorteil. „Wir habenDC Series Coherent DC Series schon oft eingesetzt, und der Aufbau eines Systems auf dieser Basis ist sehr unkompliziert. Sie bieten eine echte industrielle Schnittstelle und fügen sich nahtlos in eine Feldbus-Umgebung ein. Viele unserer Kunden nutzen das Profibus-Protokoll, insbesondere in Deutschland, wo Siemens-Steuerungen fast überall zu finden sind, und die DC Series dies direkt.“

„Ein weiterer Faktor ist Coherent “, berichtet Klotz. „Wir betrachten Coherent , und es ist immer einfach, von ihnen die Unterstützung und Informationen zu erhalten, die wir benötigen. Zum Beispiel benötigen wir manchmal detaillierte Daten zu den Strahleigenschaften eines bestimmten Lasers für optische Berechnungen, und Coherent zögert Coherent , uns diese zur Verfügung zu stellen.“

„Außerdem haben wir die Erfahrung gemacht, dass Coherent eine hervorragende Konsistenz von Gerät zu Gerät aufweisen. Sobald wir also die Optik entworfen haben, können wir Systeme bauen, in der Gewissheit, dass keine nennenswerten individuellen Anpassungen erforderlich sein werden. Das Gleiche gilt für die Strahlstabilität; sie ändert sich nach der Installation nicht. Dies passt sehr gut zu unserer eigenen Konstruktionsphilosophie. Die Strahlführungssysteme von Arnold Ravensburg sind so ausgelegt, dass bei einem Spiegelwechsel keine optische Nachjustierung erforderlich ist. Dies setzt natürlich voraus, dass die Ausrichtung des Lasers selbst stabil bleibt.“

„Das sind robuste Laser, die nur einmal im Jahr gewartet werden müssen“, sagt Klotz. „Wir können sie installieren, ohne uns Gedanken über Leistungsprobleme oder Ausfälle im Einsatz machen zu müssen. Der Einsatz derDC Series Coherent DC Series in unseren Systemen erspart uns und unseren Kunden jede Menge Ärger. Und genau deshalb kommen sie immer wieder zu uns zurück.“