Pulslaser oder CW: Welcher Energieeintrag passt zum Bauteil?

Für industrielle Anwender sind vor allem Grundmaterial, Schichtdicke, gewünschter Oberflächenzustand und notwendige Prozesszeit entscheidend. Ein System, das beim präzisen Entfernen einer dünnen Beschichtung überzeugt, muss nicht automatisch die beste Wahl für eine große robuste Metallfläche sein.

Der Vergleich zeigt deshalb nicht, welcher Lasertyp grundsätzlich „besser“ ist. Entscheidend ist, welche Technologie für die konkrete Bearbeitungsaufgabe das sinnvollere Verhältnis aus Qualität, Geschwindigkeit und Prozesssicherheit ermöglicht.

Was unterscheidet Puls- und Dauerstrichbetrieb?

Die beiden Begriffe Pulslaser und CW-Laser beschreiben zwei grundsätzlich unterschiedliche Arten, Laserenergie bereitzustellen. Bei einem gepulsten System wird die Energie in einzelnen zeitlich begrenzten Impulsen abgegeben. Zwischen diesen Impulsen liegt keine beziehungsweise deutlich weniger Energie an. Ein CW-System arbeitet kontinuierlich; CW steht für „Continuous Wave“.

Für die Praxis bedeutet dieser Unterschied, dass die Energie zeitlich anders in die Oberfläche eingebracht wird. Ein Pulssystem kann innerhalb eines sehr kurzen Zeitraums eine hohe Peakleistung erreichen. Die mittlere Leistung kann trotzdem vergleichsweise niedrig sein. Beim CW-System wirkt die eingestellte Leistung kontinuierlich während der Bearbeitung. Dadurch können unterschiedliche Temperaturverläufe und Abtragmechanismen entstehen.

Das Fraunhofer-Institut für Lasertechnik ILT beschreibt für Reinigung und Entschichtung sowohl gepulste als auch kontinuierlich arbeitende Laserquellen. Welche Quelle eingesetzt wird, hängt von der konkreten Bearbeitungsaufgabe ab. Genau diese anwendungsbezogene Betrachtung ist für B2B-Anwender entscheidend.

Warum 300 Watt nicht direkt mit 2.000 Watt vergleichbar sind

Auf einem Datenblatt scheint die Rechnung zunächst einfach: 2.000 Watt sind deutlich mehr als 300 Watt. Für einen technischen Vergleich zwischen Puls- und CW-Systemen ist diese Betrachtung jedoch zu kurz. Die Wattangabe beschreibt zunächst eine Leistung. Sie sagt alleine noch nicht, in welcher zeitlichen Struktur die Energie auf die Oberfläche gelangt.

Bei einem Pulslaser konzentriert sich die Energie auf einzelne Impulse. Deshalb müssen zusätzlich Größen wie Pulsenergie, Pulsdauer und Frequenz berücksichtigt werden. Bei einem CW-System wird die Leistung kontinuierlich übertragen. Ein 300-W-Pulssystem und ein 2.000-W-CW-System sind deshalb keine zwei Varianten desselben Werkzeuges, bei denen das zweite Gerät einfach „stärker“ ist. Sie können unterschiedliche Aufgabenprofile besitzen.

Ein gepulstes System kann beispielsweise sinnvoll sein, wenn eine dünne Schicht kontrolliert bearbeitet werden soll und eine möglichst präzise Energieeinbringung gefragt ist. Ein CW-System kann dagegen bei robusten größeren Flächen Vorteile besitzen, wenn eine hohe Bearbeitungsleistung gefordert wird. Die richtige Vergleichsgröße ist daher nicht nur Watt. Entscheidend ist: Wie schnell erreicht das System auf dem konkreten Bauteil den gewünschten Oberflächenzustand?

Peakleistung, Pulsenergie und mittlere Leistung

Besonders bei einem Pulssystem sind mehrere technische Größen relevant. Die Pulsenergie gibt an, welche Energie in einem einzelnen Impuls enthalten ist. Die Pulsdauer beschreibt, wie lange dieser Impuls anhält. Aus einer vergleichsweise hohen Pulsenergie und einer sehr kurzen Pulsdauer kann eine hohe momentane beziehungsweise Peakleistung entstehen. Die Frequenz bestimmt gleichzeitig, wie viele Pulse pro Sekunde erzeugt werden.

Daraus wird deutlich, warum eine reine Betrachtung der mittleren Wattzahl nicht genügt. Zwei gepulste Systeme mit identischer mittlerer Leistung können aufgrund unterschiedlicher Pulsparameter ein abweichendes Verhalten an derselben Oberfläche zeigen. Für einen Anwender sind daher mindestens folgende Größen interessant:

• mittlere Leistung, Pulsenergie und Pulsdauer
• Frequenz
• verfügbare Scanbreite
• Fokus und Strahlgeometrie
• mögliche Bewegungsgeschwindigkeit

Erst gemeinsam ergeben diese Parameter ein technisches Bild. Das bedeutet allerdings nicht, dass ein Käufer sämtliche Laserphysik selbst berechnen muss. Für die Auswahl ist vielmehr wichtig, den realen Anwendungsfall möglichst genau zu beschreiben. Wie diese Größen im Abtrag zusammenwirken, vertieft der Beitrag zu den Einflussgrößen auf Metalloberflächen.

Wie der thermische Einfluss entsteht

Laserenergie wird von einer Oberfläche aufgenommen und teilweise in Wärme umgewandelt. Wie stark das Grundmaterial thermisch beeinflusst wird, hängt unter anderem von der eingebrachten Energie, der Wechselwirkungszeit, den Materialeigenschaften und der Bewegung des Strahls ab.

Gepulste Systeme können aufgrund ihrer kurzen Einwirkzeiten für bestimmte Aufgaben einen kontrollierten Energieeintrag ermöglichen. Das ist besonders interessant, wenn eine dünne Deckschicht auf einem empfindlicheren Substrat bearbeitet werden soll. Bei einem CW-System wird kontinuierlich Energie eingebracht. Auf robusten Bauteilen kann das einen hohen Durchsatz ermöglichen. Wird dagegen zu langsam gearbeitet oder zu viel Energie auf einen kleinen Bereich konzentriert, kann sich der Wärmeeintrag erhöhen.

Daraus folgt erneut: CW bedeutet nicht automatisch „zu heiß“ und Puls nicht automatisch „keine Wärme“. Beide Systeme müssen richtig parametriert werden. Werkstoff und Bewegungsgeschwindigkeit spielen dabei ebenso eine Rolle wie die Laserquelle. Auch die Wärmeleitfähigkeit des Grundmaterials ist relevant: Aluminium kann eingebrachte Wärme beispielsweise anders verteilen als Edelstahl. Deshalb sollte die technische Auswahl immer auf dem tatsächlichen Werkstoff basieren.

Welche Rolle die Flächenleistung spielt

Im industriellen Einsatz zählt nicht ausschließlich das optische Ergebnis. Die Bearbeitungszeit ist ebenso wichtig. Unternehmen müssen wissen, wie viel Fläche beziehungsweise wie viele Bauteile innerhalb einer Stunde oder Schicht bearbeitet werden können. Die Flächenleistung hängt unter anderem ab von:

• Art und Dicke der Schicht
• Laserquelle und Leistung
• Scanbreite und Bearbeitungsgeschwindigkeit
• benötigten Überfahrten
• gewünschtem Endzustand

Ein sehr präziser Prozess kann technisch hervorragend funktionieren, für ein großes Produktionsvolumen aber zu langsam sein. Umgekehrt benötigt ein Betrieb, der täglich nur einige hochwertige Bauteile bearbeitet, möglicherweise keine maximale Flächenleistung.

Hier zeigt sich ein wesentlicher Unterschied zwischen verschiedenen Einsatzprofilen. Ein Restaurierungsbetrieb kann ein anderes Optimum besitzen als ein Stahlbauer. Ein Werkzeugbauer kann andere Anforderungen haben als ein Unternehmen, das große Metallkonstruktionen bearbeitet. Deshalb sollte die Frage nach der Bauart immer gemeinsam mit der tatsächlich benötigten Produktivität beantwortet werden.

Rost, Lack und Oxidschichten stellen unterschiedliche Anforderungen

Nicht jede abzutragende Schicht reagiert gleich.

Rost

Korrosionsprodukte können von leichtem Flugrost bis zu stark ausgeprägten Schichten reichen. Bei dünner Korrosion kann ein kontrollierter gepulster Prozess interessant sein. Bei großen robusten Flächen und entsprechendem Rostgrad kann ein leistungsorientiertes System Vorteile bieten. Der übergeordnete Einsatzbereich wird auf der Seite Rost auf Metall mit Lasertechnik bearbeiten behandelt.

Lack

Lackaufbauten können aus mehreren Schichten bestehen. Grundierung, Zwischenlack und Deckschicht können unterschiedliche optische und thermische Eigenschaften besitzen. Bei einer Bearbeitung kann sich das Verhalten deshalb verändern, sobald eine neue Schicht erreicht wird. Soll nur ein definierter Bereich freigelegt werden, kann Präzision wichtiger sein als maximale Flächenleistung. Bei einer großflächigen vollständigen Entschichtung kann dagegen die Prozesszeit stärker gewichtet werden.

Oxidschichten

Oxide treten in sehr unterschiedlichen Dicken auf. Dünne Schichten und Anlauffarben an Schweißnähten unterscheiden sich deutlich von kräftigem Zunder. Auch hier gibt es deshalb keine allgemeine Empfehlung: Die richtige Wahl hängt von Schicht und Zielzustand ab.

Empfindliche und robuste Bauteile

Ein wesentlicher Entscheidungsfaktor ist der Wert beziehungsweise die Empfindlichkeit des Bauteils. Bei hochwertigen Sichtflächen, dünnen Metallteilen, Werkzeugkonturen oder restauratorischen Anwendungen steht häufig eine kontrollierte Bearbeitung im Vordergrund. Hier kann die Möglichkeit einer sehr präzisen Parametrierung besonders wichtig sein.

Bei massiven Stahlbauteilen, robusten Anlagenkomponenten oder großen Flächen kann dagegen die Produktivität stärker gewichtet werden. Das bedeutet nicht, dass ein CW-System grundsätzlich nur für grobe Arbeiten geeignet ist. Es bedeutet lediglich, dass die Vorteile höherer kontinuierlicher Leistung besonders dort relevant werden, wo das Bauteil und das gewünschte Ergebnis diesen Energieeintrag zulassen. Für die Auswahl können folgende Fragen helfen:

• Wie wertvoll ist das Bauteil und wie empfindlich die Oberfläche?
• Welche Veränderung darf maximal entstehen?
• Wie groß ist die zu bearbeitende Fläche?
• Muss eine Sichtoberfläche erhalten bleiben?
• Wird anschließend lackiert, geklebt oder geschweißt?
• Wie schnell muss der Prozess sein?

Diese Informationen sind wesentlich aussagekräftiger als die Frage nach einer bestimmten Wattzahl.

Mobile Anwendung und größere Flächen

Auch die Arbeitsumgebung beeinflusst die Wahl. Ein kompakter gepulster Laser kann interessant sein, wenn ein Bediener häufig zwischen unterschiedlichen Bauteilen oder Einsatzorten wechseln muss. In Werkstätten, bei Restaurierungen, im Formenbau oder bei punktuellen Instandhaltungsarbeiten spielt Mobilität eine große Rolle.

Ein leistungsstärkeres fahrbares System kann wiederum besser zu Anwendungen passen, bei denen größere zusammenhängende Flächen bearbeitet werden. Dabei müssen Stromversorgung, Kühlung, Absaugung und Arbeitsplatzorganisation berücksichtigt werden.

Die Größe der Maschine allein sagt jedoch ebenfalls nicht alles aus. Entscheidend ist, wie der gesamte Arbeitsprozess aussieht. Wenn ein Bauteil nur schwer transportiert werden kann, muss möglicherweise die Anlage zum Werkstück gebracht werden. Bei Serienbauteilen kann dagegen eine stationäre Bearbeitungszelle sinnvoller sein. Die Übersicht der Beamlux Systeme und Leistungsklassen zeigt unterschiedliche Ausführungen für solche Einsatzprofile.

Serienfertigung und Automatisierung

In einer Serienfertigung verändert sich die Bewertung. Hier geht es nicht nur darum, ob ein Bediener eine Oberfläche bearbeiten kann — der Prozess muss wiederholbar sein. Ein Scanner, eine Achse oder ein Roboter kann den Bearbeitungskopf entlang einer definierten Geometrie führen. Dadurch lassen sich Geschwindigkeit, Abstand und Bearbeitungsbahn reproduzieren. Das kann sowohl bei gepulsten als auch bei kontinuierlichen Systemen relevant sein.

Fraunhofer ILT und Fraunhofer IWS beschäftigen sich mit laserbasierter Oberflächenvorbehandlung und der Integration entsprechender Prozesse in automatisierte Fertigungsabläufe. Typische Aufgaben können sein:

• lokale Vorbereitung einer Klebefläche
• Bearbeitung eines späteren Schweißbereiches
• Entfernung einer Funktionsschicht
• Reinigung einer definierten Werkzeugkontur
• Vorbereitung einer Beschichtungsfläche

Für Serienprozesse muss neben der Oberflächenqualität besonders die Taktzeit betrachtet werden. Ein System kann technisch funktionieren, aber die geforderte Stückzahl nicht erreichen. Umgekehrt kann maximale Bearbeitungsleistung unnötig sein, wenn der Laserprozess bereits schneller als der nachfolgende Fertigungsschritt arbeitet. Deshalb muss die Maschine in den Gesamtprozess passen.

Welche Daten für eine Auswahl benötigt werden

Eine belastbare Geräteauswahl beginnt nicht mit der Frage nach einem Modell. Sie beginnt mit dem Bauteil. Für eine erste technische Bewertung sollten möglichst folgende Informationen vorhanden sein:

• Grundmaterial: Stahl, Edelstahl, Aluminium, Kupfer oder anderer Werkstoff
• Zu entfernende Schicht: Rost, Lack, Oxid, Zunder oder Prozessrückstand
• Schichtdicke: leichter Oberflächenfilm oder stark ausgeprägter Aufbau
• Fläche: einige Quadratzentimeter, einzelne Bauteile oder mehrere Quadratmeter
• Einsatzhäufigkeit: gelegentlich, täglich oder durchgehend im Produktionsprozess
• Zielzustand: optisch sauber, technisch definiert, bereit zum Schweißen, Kleben oder Beschichten
• Mobilität: Werkstatt, wechselnder Einsatzort oder fest integrierte Anlage

Aus diesen Angaben ergibt sich ein wesentlich besseres Anforderungsprofil. Erst danach lohnt sich der Vergleich konkreter Leistungsklassen.

Warum der Materialtest wichtiger als das Datenblatt ist

Datenblätter sind notwendig, aber sie können eine reale Bearbeitungsprobe nicht vollständig ersetzen. Ein Materialtest zeigt innerhalb kurzer Zeit, welche Fragen tatsächlich relevant sind: Wird die Schicht sauber entfernt? Wie sieht das Grundmaterial anschließend aus? Wie schnell kann gearbeitet werden? Wie breit kann gescannt werden? Wie viele Überfahrten werden benötigt? Und wie stark unterscheidet sich ein Pulssystem von einem CW-System auf genau diesem Bauteil?

Gerade der direkte Vergleich kann überraschend sein. Ein System mit niedrigerer nomineller Leistung kann bei einer präzisen Anwendung wirtschaftlicher sein, wenn weniger Nacharbeit erforderlich ist. Umgekehrt kann eine höhere kontinuierliche Leistung bei einer robusten Fläche die Bearbeitungszeit so deutlich reduzieren, dass sie wirtschaftlich klar vorteilhaft ist. Beamlux bietet deshalb Materialtests und Live-Demos für konkrete Anwendungen an.

Sicherheit bei Puls- und CW-Systemen

Unabhängig davon, welche Technologie ausgewählt wird, müssen leistungsstarke offene Laseranwendungen sicher geplant werden. Handgeführte Reinigungssysteme können Laser der Klasse 4 sein. Die DGUV-Handlungshilfe FBHM-139 „Strahlarbeiten – Reinigen und Entschichten mit Laserstrahlung“, Ausgabe 06/2024, behandelt entsprechende handgeführte Klasse-4-Systeme.

Bei der Gefährdungsbeurteilung müssen unter anderem direkte und reflektierte Laserstrahlung sowie beim Prozess entstehende Gefahrstoffe berücksichtigt werden. Die Prozessabsaugung ist deshalb unabhängig von der Bauart ein wichtiges Thema. Außerdem können erforderlich sein:

• Sicherung des Laserbereichs und geeignete Abschirmungen
• Laserschutzbrillen und Unterweisung
• Zugangskontrolle
• Bewertung reflektierender Oberflächen
• Brandvorsorge und geeignete Filtertechnik

Für den betrieblichen Laserschutz sind zusätzlich die TROS Laserstrahlung der BAuA relevant. Ein leistungsstärkeres System darf daher nie ausschließlich anhand der Bearbeitungsgeschwindigkeit bewertet werden: Arbeitsplatz und Sicherheitskonzept müssen ebenfalls zur Anwendung passen. Die wichtigsten Punkte fasst die Seite Sicherheitshinweise zur Laserklasse 4 zusammen.

Fazit: Die Antwort hängt vom Bauteil ab

Welcher Energieeintrag zum Bauteil passt, ergibt sich nicht aus einer einzelnen Wattzahl. Beide Technologien besitzen unterschiedliche Eigenschaften. Gepulste Systeme können insbesondere bei kontrollierten, präzisen und lokal begrenzten Aufgaben Vorteile bieten. CW-Systeme können bei robusten Oberflächen und großen Flächen ihre höhere kontinuierliche Leistung in Produktivität umsetzen. Entscheidend sind jedoch immer der konkrete Werkstoff und die zu entfernende Schicht.

Für eine B2B-Auswahl sollten mindestens folgende Faktoren gemeinsam betrachtet werden: Grundmaterial, Art der Beschichtung, Schichtdicke, gewünschter Oberflächenzustand, notwendige Flächenleistung, tägliche Auslastung, Mobilitätsbedarf, Automatisierungsgrad und Sicherheitsanforderungen. Erst daraus lässt sich ableiten, welche Technologie zur Aufgabe passt.

Das bedeutet zugleich: Ein Pulslaser mit 200 oder 300 Watt kann für eine bestimmte Anwendung die technisch und wirtschaftlich bessere Lösung sein als ein deutlich leistungsstärkeres CW-System. Bei einer anderen Oberfläche kann das Ergebnis genau umgekehrt ausfallen. Deshalb sollte die Entscheidung möglichst am Originalmaterial getroffen werden.

Quellen

• Fraunhofer-Institut für Lasertechnik ILT — „Reinigen“: Informationen zu gepulster und kontinuierlicher Laserbearbeitung für Reinigung, Entschichtung und Oberflächenvorbereitung.
• Fraunhofer-Institut für Werkstoff- und Strahltechnik IWS — Informationen zu laserbasierter Oberflächenvorbehandlung und automatisierten Fügeverfahren.
• DGUV — FBHM-139 „Strahlarbeiten – Reinigen und Entschichten mit Laserstrahlung“, Ausgabe 06/2024.
• BAuA — TROS Laserstrahlung, Fassung Juli 2018.

Passende Inhalte