Fokusdurchmesser: Wie der Laserfokus die Detailtreue prägt
Fokusdurchmesser ist der Durchmesser eines Laserstrahls an seiner engsten Stelle, der Strahltaille. Beim Laserschmelzen bestimmt er, wie klein der aufgeschmolzene Fleck auf dem Pulverbett wird – und damit maßgeblich, wie fein Schmelzspuren und Details ausfallen können. Ein kleiner Fokus ermöglicht feinere Strukturen, senkt aber meist die Aufbaurate.
Was ist der Fokusdurchmesser?
Ein Laserstrahl lässt sich mit einer Optik bündeln, aber nie auf einen mathematischen Punkt. An seiner engsten Stelle – der Strahltaille – hat er einen endlichen Durchmesser: den Fokusdurchmesser.
Weil die Intensität zum Rand hin allmählich abnimmt, braucht es eine Definition. Häufig gilt der Durchmesser, bei dem die Intensität auf 1/e², also rund 13,5 % des Maximums, gefallen ist. Innerhalb dieses Kreises liegen bei einem idealen Gaußstrahl gut 86 % der Leistung.
Beim Laserschmelzen liegt der Fokus meist auf der Pulveroberfläche. Dort erzeugt er das Schmelzbad, das Spur für Spur das Bauteil formt. Je kleiner der Fokus, desto feiner können die Strukturen werden – ein Grundgedanke hinter dem Mikro-SLM.
Wovon hängt der Fokusdurchmesser ab?
Für einen fokussierten Strahl gilt näherungsweise: Fokusdurchmesser ≈ 4 · M² · λ · f / (π · D). Daraus ergeben sich vier Stellschrauben.
Wellenlänge λ
Kürzere Wellenlängen lassen sich enger bündeln. Gängige Faserlaser arbeiten im nahen Infrarot um 1 µm (Laserwellenlänge).
Strahlqualität M²
Die Beugungsmaßzahl M² beschreibt, wie nah ein Strahl am idealen Gaußstrahl mit M² = 1 liegt. Je kleiner, desto enger der Fokus (Strahlqualität).
Brennweite f
Eine längere Brennweite ergibt einen größeren Fokus, erlaubt dafür aber ein größeres Arbeitsfeld der Strahlablenkung.
Rohstrahldurchmesser D
Je breiter der Strahl auf die Fokussieroptik trifft, desto kleiner wird der Fokus. Dafür sorgt zum Beispiel ein Strahlaufweiter.
Kleiner Fokus, kurze Schärfentiefe: Je enger ein Strahl gebündelt ist, desto schneller weitet er sich ober- und unterhalb der Strahltaille wieder auf. Ein kleiner Fokus reagiert deshalb empfindlicher auf Abweichungen der Fokuslage.
Fokusdurchmesser und Auflösung: der Zusammenhang
Der Fokusdurchmesser setzt eine Untergrenze dafür, wie schmal eine Schmelzspur werden kann. Die tatsächliche Spur ist meist breiter: Wärme leitet sich in die Umgebung, und am Rand haften angeschmolzene Pulverkörner an. Die kleinste darstellbare Struktur – die laterale Auflösung – ergibt sich deshalb aus Fokus, Schmelzbad, Korngröße des Pulvers (Partikelgrößenverteilung) und Prozessparametern zusammen.
Einen Fokuswert sollte man also nicht mit der erreichbaren Detailgröße gleichsetzen. Aussagekräftiger ist die Strukturauflösung, die unser Forschungs- und Fertigungspartner, ein Laserinstitut in Sachsen, für seine Verfahren angibt:
| Verfahren | Auflösung lateral | Schicht (vertikal) |
|---|---|---|
| SLM | 100–200 µm | 20–50 µm |
| Mikro-SLM | 40 µm | 5–10 µm |
| Micro Cladding | 20 µm | 1–10 µm |
| Lasermikrosintern | 15 µm | 1–5 µm |
Angaben des Partners. Fokusdurchmesser der einzelnen Anlagen nennen wir bewusst nicht – entscheidend ist das Ergebnis am Bauteil.
Beim Lasermikrosintern kommt ein zweiter Effekt hinzu: Es arbeitet mit kurzgepulster statt kontinuierlicher Laserstrahlung (gepulster Laser), wodurch die Wärme vereinfacht gesagt auf einen kleineren Bereich begrenzt bleibt.
Feiner Fokus, langsamer Aufbau: der Zielkonflikt
Ein kleiner Fokus bündelt die Leistung auf eine kleine Fläche und erzeugt schmale Spuren. Für dasselbe Volumen sind dann mehr Spuren mit kleinerem Abstand nötig – die Aufbaurate sinkt. Großformatige Verfahren gehen den umgekehrten Weg: hohe Leistung, grobe Auflösung, wie das Makro-SLM mit mehr als 3 mm lateral.
Manche Anlagen verbinden beides, indem sie Konturen mit kleinerem und das Bauteilinnere mit größerem Strahldurchmesser belichten. Bei gängigen industriellen Anlagen für das Laserschmelzen liegt der Fokusdurchmesser häufig im Bereich von einigen zehn bis etwa hundert Mikrometern – eine allgemeine Orientierung, kein Wert unserer Partneranlagen.
Für Ihr Bauteil heißt das: Sind feine Details entscheidend, sind das Mikro-SLM oder das Lasermikrosintern die passenden Verfahren, für größere Teile das klassische SLM. Welche Strukturen machbar sind, prüfen wir je Projekt mit unserem Partner.
Häufige Fragen zum Fokusdurchmesser
Ist ein kleinerer Fokusdurchmesser immer besser?
Nein. Ein kleiner Fokusdurchmesser erlaubt feinere Details, senkt aber meist die Aufbaurate und reagiert empfindlicher auf die Fokuslage. Für große, grobe Bauteile ist ein größerer Strahl wirtschaftlicher.
Entspricht der Fokusdurchmesser der kleinsten Wandstärke?
Nein. Die Schmelzspur ist in der Regel breiter als der Fokus, und die kleinste stabile Wand hängt zusätzlich von Werkstoff, Geometrie und Pulver ab. Beim Mikro-SLM unseres Partners liegt die laterale Auflösung bei 40 µm; bei einem Mikro-Wärmeübertrager wurden 100 µm Wandstärke umgesetzt.
Wie wird der Fokusdurchmesser gemessen?
Mit Strahlanalysegeräten, die das Intensitätsprofil erfassen, etwa kamerabasiert oder mit einer bewegten Schneide oder Lochblende. Gemessen wird an mehreren Positionen entlang der Strahlachse, um Strahltaille und Strahlqualität zu bestimmen. Die Messverfahren beschreibt die Norm ISO 11146.
Was bedeutet Defokussierung?
Liegt die Strahltaille nicht genau auf der Pulveroberfläche, trifft ein größerer Fleck mit geringerer Intensität auf. Das kann gewollt sein, um breitere Spuren zu erzeugen, oder ein Fehler, der Spurbreite und Schmelzverhalten verändert.
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Mikro-SLM für feinste Metallteile: 5–10 µm Schicht, 40 µm Auflösung, Ra ≤ 1,5 µm. Edelstahl, 17-4PH, Inconel 625, Wolfram, Molybdän. Jetzt anfragen.
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