Der manuelle Laserschweißer von Select hält der Hitze stand

In den letzten 100 Jahren hat sich Watlow von bescheidenen Anfängen als Hersteller von Heizelementen für die Schuhindustrie in St. Louis, Missouri, USA, zu einem weltweit führenden Anbieter von Präzision Wärmelösungen entwickelt. Heute kommen die Produkte des Unternehmens in anspruchsvollen Anwendungen in den Bereichen Halbleiter , saubere Energie und Umwelttechnik, Dieselabgase, Medizin, klinische und analytische Produkte sowie Gastronomieausstattung zum Einsatz.

Entwicklung einer besseren Heizung

Im Laufe dieser Entwicklung übernahm Watlow ein Unternehmen in Kuchl, Österreich, das ein ausgeklügeltes und neuartiges Verfahren zur Herstellung von Widerstandsheizelementen entwickelt hatte. Bei diesem Verfahren wird mittels thermischer Spritztechnik eine sehr dünne Widerstandsschicht auf ein Metall- oder Keramiksubstrat aufgebracht.

Dies bietet gegenüber der herkömmlichen Herstellung von Heizelementen aus Nichromdraht mehrere Vorteile. Insbesondere lassen sich damit großflächige Heizelemente herstellen, die sehr hohe Temperaturen und Wärmeflüsse liefern und in nahezu unbegrenzt vielen verschiedenen Formen und Konfigurationen gefertigt werden können. Dieses Verfahren hat sich als so nützlich und anpassungsfähig erwiesen, dass mehrere der leistungsstärksten Heizelemente des Unternehmens für Anwendungen Präzision mittlerweile darauf basieren.

Eine gute Verbindung herstellen

Zunächst standen die Entwickler jedoch vor einem Dilemma, das unüberwindbar schien. Konkret bestand das Problem darin, die Kabel anzubringen, die für die Stromversorgung dieser thermischen Spritzschicht erforderlich sind.

Herkömmliches Lötzinn, das fast überall zur Herstellung elektrischer Verbindungen verwendet wird, kann aus mehreren Gründen nicht eingesetzt werden. Erstens bildet sich an der Oberfläche des thermisch gespritzten Widerstandsmaterials typischerweise eine Oxidschicht, die verhindert, dass das Lötzinn daran haftet. Zudem schmilzt das meiste Lötzinn, wenn es der hohen Betriebstemperatur dieser Heizelemente ausgesetzt wird. Daher werden herkömmliche Nichrom-Heizelemente in den meisten Produkten mechanisch durch Crimpen oder Nieten befestigt.

Manchmal werden auch verschiedene Schweißverfahren, darunter das Mikroplasmaschweißen, zum Verbinden von Draht mit herkömmlichen Nichrom-Heizelementen eingesetzt. Allerdings war keines dieser Verfahren für die Anwendungen von Watlow ideal, da sie zu viel Wärme in die dünne und relativ empfindliche thermisch gespritzte Widerstandsschicht einbrachten. Tatsächlich weist sogar das herkömmliche Löten dieselbe Einschränkung auf.  

Die Laserschweißlösung

Als die Ingenieure von Watlow zum ersten Mal eine Vorführung des manuellen LaserschweißgerätsCoherent sahen, dachten sie, dass es ihr Problem lösen könnte. Ihnen wurde sofort klar, dass es im Vergleich zu anderen Schweißtechnologien zwei entscheidende und einzigartige Eigenschaften aufwies. 

Erstens wird der Laserstrahl auf einen kleinen Punkt gebündelt, wodurch die Wärme auf einen äußerst begrenzten Bereich konzentriert wird. Zweitens lässt sich die Einschaltdauer des Lasers präzise steuern, sodass die Gesamtenergiemenge, die in die thermisch gespritzte Schicht eingekoppelt wird, sorgfältig begrenzt wird. 

Zusammen bedeutet dies, dass der Draht (und ein kleiner Teil der thermischen Spritzschicht) ausreichend geschmolzen werden kann, um sie für eine zuverlässige Verbindung miteinander zu verschmelzen. Der gesamte Wärmeeintrag während des Prozesses kann jedoch so gering wie möglich gehalten werden, sodass weder die thermische Spritzschicht noch das Substrat in irgendeiner Weise beschädigt oder verformt werden. 

Start der Produktion

Nachdem die Ingenieure bei Kuchl begonnen hatten, den manuellen Laserschweißer Coherent zu testen, kamen sie schnell zu dem Schluss, dass dies eine praktikable Lösung für ihr Problem war. Sie stellten fest, dass sich mit diesem Gerät zuverlässig Verbindungen herstellen ließen, die die für ihre kommerziellen Produkte erforderlichen elektrischen und mechanischen Eigenschaften aufwiesen. 

Um jedoch eine Anlage erfolgreich in einer Produktionsumgebung einsetzen zu können, muss sie mehr leisten, als nur den erforderlichen Prozess auszuführen. Im Idealfall sollten Fertigungssysteme benutzerfreundlich, kosteneffizient und zuverlässig sein, eine kurze Einarbeitungszeit erfordern und flexibel genug sein, um sich an veränderte Anforderungen anzupassen. 

Watlow hat festgestellt, dass der manuelle Laserschweißer „Select“ all diese Anforderungen erfüllt. Die Mensch-Maschine-Schnittstelle (HMI) und die Bedienelemente sind intuitiv und ergonomisch angeordnet. So kann ein Bediener den Umgang mit dem Gerät schnell erlernen und es anschließend mehrere Stunden am Tag ohne Schwierigkeiten bedienen. 

Auch für die Konstrukteure und Fertigungsingenieure ist es einfach, die Schweißparameter anzupassen. Dadurch lassen sich neue Produktdesigns oder unterschiedliche Materialkombinationen schnell in die Produktion überführen.

Coherent das Wachstum

Der manuelle Laserschweißer „Select“ hat alle technischen Anforderungen bei Watlow erfüllt. Genauso wichtig ist jedoch, dass dies auch auf Coherent Lieferanten zutrifft. „Wir haben drei manuelle Select-Laserschweißgeräte, die manchmal den ganzen Tag lang laufen, und es kommt selten vor, dass wir Probleme mit ihnen haben“, bemerkt Gernot Antosch, Anwendungs- und Entwicklungsingenieur bei Watlow in Kuchl, „aber wenn doch, Coherent schnell vor Ort, um das Problem zu beheben. Außerdem unterstützt uns Coherent bei der Entwicklung neuer Prozessrezepte. Das war besonders hilfreich, als wir herausfinden mussten, wie sich schwierige Kombinationen unterschiedlicher Werkstoffe am besten schweißen lassen, und bei einigen anderen anspruchsvolleren Anwendungen, auf die wir stoßen.“  

Das Team in Kuchl ist zudem daran beteiligt, seine Fertigungstechnologie an Watlow-Standorte in den Vereinigten Staaten zu übertragen, wo Produkte in größeren Stückzahlen hergestellt werden. Das Laserschweißen hat sich als skalierbar erwiesen und wird in diesem Umfeld erfolgreich eingesetzt. Bei höheren Produktionsmengen ist das Unternehmen jedoch in der Regel von manuellen Schweißsystemen auf solche umgestiegen, die einen höheren Automatisierungsgrad ermöglichen. Das Coherent Support-Team Coherent hat diesen Übergang erleichtert. 

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