4 Lasertypen im Vergleich: CO2, Faser, Diode und UV

Warum der Lasertyp die erste Entscheidung bei der Maschinenwahl ist

Wer mit dem physikalischen Grundprinzip aller Laser - Lichtverstärkung durch stimulierte Emission - noch nicht vertraut ist, findet die Grundlagen im Beitrag „Was ist ein Laser und wie funktioniert er?". Über dieses gemeinsame Prinzip hinaus unterscheiden sich Lasermaschinen jedoch deutlich in Abhängigkeit von ihrer Laserquelle.

Die Quelle bestimmt drei praktische Faktoren: mit welchen Materialien der Strahl interagiert, wie die Maschine aufgebaut ist und gewartet wird, sowie die laufenden Betriebskosten. Ein CO2-Rohr, ein Fasermodul, ein Diodenarray und eine UV-Quelle auf Kristallbasis sind unterschiedliche Technologien - mit unterschiedlichen Wellenlängen, unterschiedlichen Methoden der Lichterzeugung und teils unterschiedlichen Betriebsarten, etwa Dauer- oder Pulslaser.

Die Betriebskosten folgen einem ähnlichen Muster: CO2-Röhren und Diodenmodule sind einzeln meist günstiger zu ersetzen, Faserlaserquellen halten unter Dauerbetrieb dagegen deutlich länger. Die Gesamtbetriebskosten hängen stärker vom Nutzungsverhalten als vom Anschaffungspreis ab.

Eine Maschine mit einer bestimmten Laserquelle ist keine leistungsstärkere oder schwächere Version einer Maschine mit anderer Quelle - die Quelle legt fest, was die Maschine grundsätzlich verarbeiten kann, unabhängig von der installierten Leistung.

CO2-Laser

Funktionsweise

Ein CO2-Laser erzeugt einen Strahl in einem versiegelten Rohr, das mit einem Gasgemisch gefüllt ist - meist Kohlendioxid, Stickstoff und Helium. Eine elektrische Entladung regt die Gasmoleküle an und erzeugt Licht mit einer Wellenlänge von 10,6 µm im fernen Infrarotbereich.

Diese Wellenlänge wird von organischen Materialien effizient absorbiert: Die Molekülbindungen in Holz, Acryl und ähnlichen Materialien reagieren gut auf Infrarotenergie in diesem Frequenzbereich. Metalle reflektieren diese Wellenlänge dagegen größtenteils, statt sie zu absorbieren - das begrenzt, welche Metalle ein CO2-Laser bei typischen Maschinenleistungen bearbeiten kann. Der Strahl durchläuft mehrere Spiegel, bevor er auf die Fokussierlinse trifft; die Spiegeljustierung beeinflusst die Schnittqualität und gehört zur regelmäßigen Wartung.

Wofür sich CO2-Laser eignen

CO2-Laser sind der Standard für CNC-Laserschneider und -Gravurmaschinen bei Nichtmetallen: Holz, Acryl, Stoff, Leder, Papier und Gummi. Desktop- und Werkstatt Maschinen arbeiten üblicherweise im Bereich von 40-150 Watt, industrielle CO2-Systeme für Nichtmetalle erreichen mehrere hundert Watt. Mit einer Hochleistungsröhre (ab 150 W) und einem speziellen Schneidkopf können manche CO2-Maschinen auch dünnen Stahl schneiden - bis etwa 1,5 mm mit guter Qualität, bis 2-3 mm mit Abstrichen bei der Kantenqualität.

Hochleistungs-CO2-Laser mit 1,5-2 kW bis über 6 kW existieren zwar in der Schwerindustrie für Metallschnitt. Bei 40-150 Watt bleibt CO2 jedoch eine Nichtmetall-Technologie: Diese Leistung reicht für den Schnitt von reinem Metall nicht aus, unabhängig von der Maschineneinstellung.

Die vollständige Erklärung der Strahlerzeugung und der verschiedenen CO2-Röhrentypen finden Sie im Beitrag „Was ist ein CO2-Laser: So funktioniert die CO2-Lasertechnologie".

Faserlaser

Funktionsweise

Ein Faserlaser ist ein Festkörperlaser, dessen Verstärkungsmedium eine mit Ytterbium dotierte optische Faser ist. Diodenlaser pumpen Energie in diese Faser, die das Licht verstärkt und bei etwa 1,06 µm (1064 nm) abgibt - einer Wellenlänge im nahen Infrarotbereich.

Anders als die 10,6-µm-Wellenlänge von CO2 wird diese Wellenlänge von Metallen wie Stahl, Aluminium, Messing und Kupfer effektiv absorbiert. Das macht Faserlaser zur dominierenden Quelle für Lasermaschinen zur Metallbearbeitung.

Faserlaser arbeiten in zwei Hauptmodi: im Dauerstrichbetrieb (Continuous Wave, CW) mit konstanter Leistung - typisch für Schneiden und Schweißen - sowie im Puls- oder MOPA-Betrieb (Master Oscillator Power Amplifier), der eine unabhängige Steuerung von Pulsdauer und Spitzenleistung erlaubt. MOPA-Faserquellen sind bei Markier- und Gravursystemen verbreitet, bei denen die Pulsenergie Farbe, Tiefe und Oberflächenbeschaffenheit beeinflusst.

Wofür sich Faserlaser eignen

Die Kombination aus Metall absorbierender Wellenlänge und flexiblem CW-/Pulsbetrieb macht Faserlaser zur Basis mehrerer Maschinen Kategorien: Schneidmaschinen für Blech, Markiersysteme für Seriennummern und Barcodes, Schweißsysteme sowie Reinigungssysteme, die Rost, Farbe oder Beschichtungen von Metalloberflächen entfernen.

Da der faserführende Strahl auch bei kleinem Fokuspunkt eine hohe Strahlqualität behält, erreichen Faserlaser bei Metall eine feinere Detailgenauigkeit und höhere Bearbeitungsgeschwindigkeit als ältere Festkörperlaser bei vergleichbarer Leistung. Faserlaser haben Technologien wie Nd:YAG weitgehend verdrängt und bieten einen höheren elektrischen Wirkungsgrad, eine längere Betriebsdauer und geringeren Wartungsaufwand - es gibt keine Blitzlampe und keinen Laserkristall, die ausgetauscht werden müssten.

Die meisten kleinen und mittleren Fertigungsbetriebe setzen Faserschneidmaschinen im Bereich von 1-6 kW ein. Maschinen unter 1 kW verarbeiten meist dünnes Blech bis etwa 3 mm, Systeme über 12 kW werden für den Schnitt dicker Platten in der Schwerindustrie eingesetzt.

Die Lebensdauer der Faserquelle ist ein praktischer Vorteil gegenüber CO2. Hersteller wie IPG Photonics geben für Pumpdioden mit Telekom-Einzelemittern Lebensdauern von über 100.000 Stunden an. In der Branche wird für Premiummarken (IPG, Raycus, MAX Photonics) häufiger ein praktischer Bereich von 80.000-100.000 Stunden genannt, für Quellen im mittleren Segment meist 60.000-90.000 Stunden - deutlich mehr als bei Glas-CO2-Röhren, da kein Gas und kein optisches Bauteil verschlissen wird.

Eine Faserlasermaschine ist kein einheitliches Produkt: Eine Faserschneidmaschine, eine Fasermarkiermaschine und ein Faserschweißgerät sind unterschiedliche Maschinen auf Basis derselben Quellentechnologie. Details dazu im Beitrag „Was ist ein Faserlaser: So funktioniert die Faserlasertechnologie".

Diodenlaser

Funktionsweise

Ein Diodenlaser wandelt elektrischen Strom direkt an einem Halbleiter-p-n-Übergang in Licht um - ohne Gas, Faser oder Kristall als Verstärkungsmedium. In Lasermaschinen wie Gravier- und Schneidgeräten strahlen Diodenlaser meist im Bereich von 445-450 nm, also im blauen Wellenlängenbereich.

Das unterscheidet sich von der Diodentechnologie, die als Pumpquelle in Faser- und DPSS-Lasern eingesetzt wird und bei etwa 800-980 nm arbeitet - ein Unterschied, der in Produktbeschreibungen häufig vermischt wird.

Diodenlaser erzeugen zudem einen größeren Fokuspunkt als Gas- oder Faserlaser vergleichbarer Leistung. Das wirkt sich auf Präzision und Schnitttiefe aus: Ein Diodenlaser graviert feine Details auf dünnen Materialien, schneidet bei gleicher angegebener Wattzahl jedoch langsamer und weniger tief als ein Faser- oder CO2-Laser. Bei detailreichen Motiven kann dieser Unterschied in der Strahlqualität auch die Wiedergabe sehr feiner Linien beeinflussen, bei den meisten Hobbyprojekten fällt der Unterschied jedoch kaum auf.

Wofür sich Diodenlaser eignen

Diodenlaser sind der Standard für Einsteiger- und Desktop-Gravurgeräte sowie -Schneider bei dünnen organischen Materialien: Sperrholz, Balsaholz, Leder, Karton und einige Kunststoffe (mit Vorsicht, da bestimmte Kunststoffe beim Schneiden mit jedem Lasertyp schädliche Dämpfe freisetzen können).

Ein Punkt sollte vor dem Vergleich technischer Daten beachtet werden: Hersteller geben die Wattzahl von Diodenlasern häufig als elektrische Eingangsleistung an, nicht als optische Ausgangsleistung. Ein als „40 W" beworbenes Modul kann eine deutlich niedrigere tatsächliche optische Leistung haben, als die Angabe vermuten lässt - teils erheblich, abhängig vom Hersteller. Die optische Ausgangsleistung statt allein der beworbenen Wattzahl zu prüfen, liefert eine belastbarere Vergleichsgrundlage.

Diodenmodule verlieren über ihre Lebensdauer zudem allmählich an optischer Leistung und benötigen regelmäßige Linsenreinigung, haben darüber hinaus jedoch keine verschleißenden optischen Bauteile. Herstellerangaben zur Lebensdauer liegen für Diodenmodule in Lasermaschinen meist im Bereich von 10.000-20.000 Stunden, gut gewartete Module in kühleren Betriebsumgebungen können diesen Wert überschreiten.

Die vollständige Unterscheidung zwischen Gravier-Diodenlasern und Pumpdioden erklärt der Beitrag „Was ist ein Diodenlaser: So funktioniert die Diodenlasertechnologie".

UV-Laser

Funktionsweise

Ein UV-Laser in Lasermaschinen ist ein diodengepumpter Festkörperlaser (DPSS). Kernelement ist ein mit Neodym dotierter Kristall, der zunächst einen Strahl im nahen Infrarotbereich erzeugt.

Dieser Strahl durchläuft anschließend nichtlineare Kristalle, die ihn in seine dritte Harmonische umwandeln und eine Ausgangswellenlänge von etwa 355 nm im ultravioletten Bereich erzeugen. Da diese Umwandlung über nichtlineare Kristalle erfolgt und nicht über ein anderes Verstärkungsmedium, teilen sich UV-Laserquellen einige Komponenten mit anderen DPSS-Lasern, auch wenn Optik und Kristalle speziell auf die UV-Ausgabe abgestimmt sind. UV-Laser arbeiten in kurzen Pulsen statt im Dauerstrichbetrieb, wobei jeder Puls im Nanosekundenbereich liegt.

Die Kombination aus kurzer Wellenlänge und kurzer Pulsdauer ermöglicht die sogenannte Kaltbearbeitung: Die Laserenergie wird an der Materialoberfläche absorbiert und löst eine photochemische statt einer thermischen Reaktion aus. Das Ergebnis ist eine deutlich kleinere Wärmeeinflusszone als bei CO2-, Faser- oder Diodenlasern auf demselben Material.

Wofür sich UV-Laser eignen

Die Kaltbearbeitung macht UV-Laser für Materialien geeignet, die bereits durch kurzzeitige Hitzeeinwirkung geschädigt werden. Bei hitzeempfindlichen Kunststoffen können CO2- oder Faserlaser die Oberfläche zum Schmelzen bringen oder verfärben; ein UV-Laser markiert die Oberfläche ohne diese Effekte. Bei Glas gilt dasselbe Prinzip - UV-Laser vermeiden die Mikrorisse, die thermische Laser rund um die Markierung verursachen können.

Diese Eigenschaften machen UV-Laser verbreitet bei der Markierung von Lebensmittel- und Pharmaverpackungen, bei denen der Prozess die chemische Zusammensetzung oder strukturelle Integrität des Verpackungsmaterials nahe der Markierung nicht verändern darf.

UV-Quellen (DPSS) sind von den vier Lasertypen im Allgemeinen am wartungsintensivsten: Die für die Frequenzumwandlung genutzten nichtlinearen Kristalle reagieren empfindlich auf Verunreinigungen und degradieren schneller als eine Faserlaserquelle. Photoschäden und Verunreinigungen der nichtlinearen Kristalle am Brennpunkt sind ein bekannter Degradationsmechanismus; manche kommerziellen UV-Laser begegnen dem, indem der Strahl regelmäßig auf einen unbeschädigten Bereich des Kristalls verschoben wird. Herstellerangaben zur Lebensdauer von UV-DPSS-Quellen liegen meist im Bereich von 10.000-20.000 Stunden, was sowohl die Lebensdauer der Pumpdiode als auch die Degradationsrate des Kristalls widerspiegelt.

UV-Laser sind keine „teureren Faserlaser". Ein leistungsstärkerer Faserlaser liefert mehr thermische Energie, während ein UV-Laser die Art der Wechselwirkung zwischen Strahl und Material verändert - der Unterschied liegt in Wellenlänge und Pulseigenschaften, nicht allein in der Leistung. Mehr dazu im Beitrag „Was ist ein UV-Laser: So funktioniert die UV-Lasertechnologie".

Lasertypen im Vergleich

Die folgende Tabelle fasst Wellenlänge, Funktionsprinzip, typischen Leistungsbereich, elektrischen Wirkungsgrad, ungefähre Lebensdauer der Quelle, Hauptmaterialien und typische Maschinentypen der vier Lasertypen zusammen.

Diese Angaben sind typische Bereiche, keine festen Grenzwerte - die tatsächlichen Spezifikationen variieren je nach Hersteller und Modell. Der Diodenbereich in der Tabelle bezieht sich auf die optische Ausgangsleistung; wie im Abschnitt zu Diodenlasern erläutert, bezeichnet die beworbene Wattzahl häufig die elektrische Eingangsleistung, die deutlich höher liegen kann als die tatsächliche optische Leistung des Lasers.

Welcher Lasertyp passt zu Ihrem Projekt?

Die Materialkompatibilität ist der erste Filter, Leistung und Budget kommen danach. Bei Lasermaschinen im Werkstatt- und Kleinunternehmensbereich bestimmt die Wellenlänge des Lasertyps, welche Materialien er verarbeiten kann - unabhängig von der Leistung der Maschine.

• Schneiden oder Gravieren von Holz, Acryl, Leder oder Stoff: CO2 ist die etablierte Wahl für Werkstätten und Kleinunternehmen; Diodenlaser eignen sich für Gravuren im Hobbybereich auf dünneren Materialien bei niedrigem Einstiegspreis.
• Schneiden, Markieren, Schweißen oder Reinigen von Metall: Faser ist unter den vier Typen die einzig praktikable Option - die Wellenlängen von CO2, Diode und UV werden von den meisten Metallen nicht effektiv absorbiert.
• Hitzeempfindliche Kunststoffe, Glas, Lebensmittel-/Pharmaverpackungen oder stark reflektierende Metalle (Kupfer, Gold und ähnliche): UV vermeidet Verfärbungen und Mikrorisse, die thermische Laser bei hitzeempfindlichen Materialien verursachen können, und seine kurze Wellenlänge wird von reflektierenden Metallen, die Faserlaserenergie streuen, effektiv absorbiert.

Manche Maschinen kombinieren Aufsätze um eine einzelne Quelle. Grundsätzlich gilt jedoch: Jeder hier genannte Lasertyp definiert eine eigene Produktkategorie, kein Zusatzmerkmal. Das Budget spielt erst eine Rolle, wenn die Materialkompatibilität die Auswahl eingegrenzt hat - wer allein nach Preis wählt, bevor der Lasertyp für das geplante Material geeignet ist, macht den häufigsten und teuersten Fehler.

Auch die Anforderungen an Laserklassen und Sicherheit (Gehäuse, Verriegelungen, Schutzbrillen) unterscheiden sich zwischen diesen Lasertypen deutlich - Details dazu im Beitrag „4 Laserklassen: Der vollständige Leitfaden".

Häufig gestellte Fragen

Kann ein CO2-Laser Metall schneiden?

Mit einer Standard-Desktop-Röhre (40-150 W) nicht - diese Leistung reicht für den Schnitt von reinem Metall nicht aus. Mit einer Hochleistungsröhre (ab 150 W) und einem speziellen Schneidkopf können CO2-Maschinen dagegen dünnen Stahl schneiden: bis etwa 1,5 mm mit akzeptabler Qualität, bis 2-3 mm mit Abstrichen bei der Kantenqualität. Oberhalb dieser Dicke ist ein Faserlaser die praktikablere Wahl, da er Metall bei vergleichbarer Leistung effizienter schneidet und bei dickerem Blech eine bessere Qualität hält.

Entspricht die Leistung eines Diodenlasers der beworbenen Wattzahl?

Häufig nicht. Hersteller geben die Wattzahl von Diodenlasern oft als elektrische Eingangsleistung statt als optische Ausgangsleistung an - die tatsächlich am Material ankommende Lichtenergie kann deutlich unter dem angegebenen Wert liegen, teils erheblich. Die Prüfung der optischen Ausgangsleistung liefert eine genauere Vergleichsgrundlage.

Wann ist ein UV-Laser statt eines Faserlasers sinnvoll?

UV-Laser nutzen Kaltbearbeitung - kurze Pulse bei 355 nm, die Oberflächen mit minimaler Wärmeübertragung markieren. Das ist relevant bei hitzeempfindlichen Kunststoffen, Glas sowie Lebensmittel- oder Pharmaverpackungen, bei denen die thermische Energie eines Faserlasers das Material rund um die Markierung schmelzen, verfärben oder mit Mikrorissen versehen könnte.

Welcher Lasertyp eignet sich für den Einstieg in ein kleines Unternehmen?

Das hängt vom hauptsächlich verarbeiteten Material ab. Unternehmen, die vorwiegend mit Holz, Acryl oder Leder arbeiten, starten meist mit einem CO2- oder Diodenlaser. Unternehmen, deren Schwerpunkt auf Metallmarkierung oder -schnitt liegt, benötigen unabhängig vom Budget einen Faserlaser, da die anderen Lasertypen Metall grundsätzlich nicht verarbeiten können.