Anwendung von Hochleistungslasern in der Hochtechnologie- und Schwerindustrie

In den letzten drei Jahren hat sich aufgrund der Pandemie das Wachstumstempo der Nachfrage nach industriellen Lasern verlangsamt. Die Entwicklung der Lasertechnologie ist jedoch nicht stehen geblieben. Im Bereich der Faserlaser wurden sukzessive Hochleistungsfaserlaser mit 60 kW und mehr auf den Markt gebracht, die die Leistung von Industrielasern auf ein neues Niveau heben.

Wie groß ist die Nachfrage nach Hochleistungslasern über 30.000 Watt?

Bei Multimode-Endlosfaserlasern scheint die Leistungssteigerung durch Hinzufügen von Modulen der gängige Weg zu sein. In den vergangenen Jahren stieg die Leistung jährlich um 10.000 Watt. Allerdings ist die Realisierung industrieller Schneid- und Schweißverfahren für Ultrahochleistungslaser noch schwieriger und erfordert eine höhere Stabilität. Im Jahr 2022 wird eine Leistung von 30.000 Watt im großen Maßstab beim Laserschneiden eingesetzt, und eine 40.000-Watt-Ausrüstung befindet sich derzeit in der Explorationsphase für die Anwendung im kleinen Maßstab.

Im Zeitalter der Kilowatt-Faserlaser können Leistungen unter 6 kW zum Schneiden und Schweißen der meisten gängigen Metallprodukte verwendet werden, beispielsweise von Aufzügen, Autos, Badezimmern, Küchengeschirr, Möbeln und Fahrgestellen, mit Dicken von nicht mehr als 10 mm für Blech- und Rohrmaterialien. Die Schneidgeschwindigkeit eines 10.000-Watt-Lasers ist doppelt so hoch wie die eines 6.000-Watt-Lasers, und die Schneidgeschwindigkeit eines 20.000-Watt-Lasers ist mehr als 60 % höher als die eines 10.000-Watt-Lasers. Es überschreitet außerdem die Dickenbeschränkung und kann Kohlenstoffstahl von über 50 mm schneiden, was bei allgemeinen Industrieprodukten selten vorkommt. Wie wäre es also mit Hochleistungslasern über 30.000 Watt?

Einsatz von Hochleistungslasern zur Verbesserung der Schiffbauqualität

Im April dieses Jahres besuchte der französische Präsident Macron China, begleitet von Unternehmen wie Airbus, DaFei Shipping und dem französischen Stromversorger Électricité de France.

Der französische Flugzeughersteller Airbus gab einen Großeinkaufsvertrag mit China über 160 Flugzeuge im Gesamtwert von rund 20 Milliarden Dollar bekannt. Außerdem werden sie in Tianjin eine zweite Produktionslinie errichten. Die China Shipbuilding Group Corporation hat mit dem französischen Unternehmen DaFei Shipping Group eine Kooperationsvereinbarung unterzeichnet, die den Bau von 16 supergroßen Containerschiffen des Typs 2 im Wert von über 21 Milliarden Yuan umfasst. Die China General Nuclear Power Group und Électricité de France arbeiten eng zusammen; ein klassisches Beispiel hierfür ist das Kernkraftwerk Taishan.

Hochleistungslasergeräte mit 30.000 bis 50.000 Watt können Stahlplatten mit einer Dicke von über 100 mm schneiden. Im Schiffbau werden in großem Umfang dicke Metallplatten verwendet. Der Rumpf von Handelsschiffen ist üblicherweise über 25 mm dick, bei großen Frachtschiffen sind es sogar über 60 mm. Für große Kriegsschiffe und sehr große Containerschiffe können Spezialstähle mit einer Dicke von 100 mm verwendet werden. Beim Laserschweißen sind die Geschwindigkeiten höher, es kommt zu weniger Wärmeverformung und Nacharbeit, die Schweißqualität ist höher, der Verbrauch von Zusatzwerkstoffen ist geringer und die Produktqualität wird deutlich verbessert. Mit dem Aufkommen von Lasern mit Zehntausenden Watt Leistung gibt es beim Laserschneiden und -schweißen im Schiffsbau keine Einschränkungen mehr, was ein großes Potenzial für zukünftige Substitutionen eröffnet.

Luxus-Kreuzfahrtschiffe gelten als Höhepunkt der Schiffbauindustrie und haben traditionell eine Monopolstellung von wenigen Werften, wie etwa der italienischen Fincantieri und der deutschen Meyer Werft. Bereits in den frühen Phasen des Schiffsbaus wurde die Lasertechnologie zur Materialbearbeitung umfassend eingesetzt. Das erste im Inland produzierte Kreuzfahrtschiff Chinas soll Ende 2023 vom Stapel laufen. Die China Merchants Group hat außerdem den Bau eines Laserbearbeitungszentrums in Nantong Haitong für ihr Kreuzfahrtschiff-Bauprojekt vorangetrieben, das eine Produktionslinie zum Hochleistungslaserschneiden und -schweißen dünner Platten umfasst. Man geht davon aus, dass dieser Anwendungstrend auch in zivile Handelsschiffe vordringen wird. China verzeichnet weltweit die meisten Schiffbauaufträge und die Bedeutung des Lasers beim Schneiden und Schweißen dicker Metallplatten wird weiterhin zunehmen.

Anwendung von 10kW+ Lasern in der Luft- und Raumfahrt

Zu den Transportsystemen in der Luft- und Raumfahrt zählen in erster Linie Raketen und Verkehrsflugzeuge, wobei die Gewichtsreduzierung eine wichtige Überlegung darstellt. Daraus ergeben sich neue Anforderungen an das Schneiden und Schweißen von Aluminium- und Titanlegierungen. Für hochpräzise Schweiß- und Schneidmontageprozesse ist die Lasertechnologie von entscheidender Bedeutung. Die Einführung von Hochleistungslasern mit über 10 kW hat der Luft- und Raumfahrtbranche umfassende Verbesserungen in Bezug auf Schnittqualität, Schneideffizienz und hochintegrierte Intelligenz gebracht. 

Im Herstellungsprozess der Luft- und Raumfahrtindustrie gibt es viele Komponenten, die geschnitten und geschweißt werden müssen, darunter Motorbrennkammern, Motorgehäuse, Flugzeugrahmen, Heckflügelplatten, Wabenstrukturen und Hauptrotoren von Hubschraubern. An die Schneid- und Schweißschnittstellen dieser Bauteile werden äußerst strenge Anforderungen gestellt.

Airbus nutzt bereits seit langem Hochleistungslasertechnologie. Bei der Herstellung des Flugzeugs A340 werden alle inneren Schotten aus Aluminiumlegierungen mittels Laser geschweißt. Beim Laserschweißen von Rumpfhäuten und Stringern, das beim Airbus A380 zum Einsatz kommt, wurden bahnbrechende Fortschritte erzielt. China hat mit dem im Inland produzierten Großflugzeug C919 erfolgreiche Testflüge durchgeführt und wird es noch in diesem Jahr ausliefern. Darüber hinaus gibt es auch Zukunftsprojekte wie beispielsweise die Entwicklung des C929. Es ist absehbar, dass Laser in Zukunft bei der Herstellung von Verkehrsflugzeugen eine Rolle spielen werden.

Lasertechnologie kann zum sicheren Bau von Kernkraftwerken beitragen

Kernenergie ist eine neue Form sauberer Energie und die USA und Frankreich verfügen über die fortschrittlichste Technologie beim Bau von Kernkraftwerken. Etwa 70 Prozent der französischen Stromversorgung werden durch Kernenergie abgedeckt. China hat bereits in der Anfangsphase des Baus seiner Kernkraftwerke mit Frankreich zusammengearbeitet. Sicherheit ist der wichtigste Aspekt von Kernkraftwerken und es gibt viele Metallkomponenten mit Schutzfunktionen, die geschnitten oder geschweißt werden müssen.

Die von China unabhängig entwickelte intelligente Laser-Tracking-MAG-Schweißtechnologie wird serienmäßig in der Stahlauskleidungskuppel und im Stahlrohr der Blöcke 7 und 8 des Kernkraftwerks Tianwan eingesetzt. Der erste nukleartaugliche Penetrationsmuffen-Schweißroboter wird derzeit vorbereitet.

Dem Trend der Laserentwicklung folgend, brachte Teyu den ultrahochleistungsfähigen CWFL-60000 auf den Markt Faserlaserkühler

Teyu hat mit dem Trend der Laserentwicklung Schritt gehalten und den Ultrahochleistungs-Faserlaser-Kühler CWFL-60000 entwickelt und produziert, der eine stabile Kühlung für 60-kW-Lasergeräte gewährleistet. Mit einem dualen unabhängigen Temperaturkontrollsystem ist es in der Lage, sowohl den Hochtemperatur-Laserkopf als auch eine Niedertemperatur-Laserquelle zu kühlen, wodurch eine stabile Leistung für die Laserausrüstung bereitgestellt und der schnelle und effiziente Betrieb von Hochleistungs-Laserschneidmaschinen effektiv gewährleistet wird. 

Der Durchbruch in der Lasertechnologie hat zur Entstehung eines breiten Marktes für Geräte zur Laserbearbeitung geführt. Nur mit den richtigen Werkzeugen kann man im harten Marktwettbewerb die Nase vorn behalten. Aufgrund des Transformations- und Modernisierungsbedarfs in High-End-Anwendungen wie der Luft- und Raumfahrt, dem Schiffbau und der Kernenergie steigt die Nachfrage nach der Verarbeitung von dickem Stahlblech. Hochleistungslaser werden zu einer beschleunigten Entwicklung dieser Branche beitragen. Ultrahochleistungslaser mit einer Leistung von über 30.000 Watt werden künftig vor allem in der Schwerindustrie eingesetzt, etwa in der Wind- und Wasserkraft, der Kernenergie, im Schiffbau, im Bergbau sowie in der Luft- und Raumfahrt.