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19.12.2018 - 15:26

Durchbruch für neues Verfahren bei Laseroptiken

Die LIMO GmbH, Hersteller hochpräziser Mikrooptiken für Lasersysteme, hat bei der Herstellung von FAC-Linsen für alle Arten von diodengepumpten Laserquellen einen verfahrenstechnischen Durchbruch erzielt. Dem Unternehmen aus Dortmund ist es gelungen, die Fertigung der Linsen in höchster Präzision massentauglich zu machen.


FAC-Linsen für Lasersysteme sind eine zentrale Komponente für viele innovative Technologien. Sie werden bereits in der Luft- und Raumfahrt, Medizintechnik, Photovoltaik, Displayfertigung und der Materialbearbeitung eingesetzt. Die zu erwartenden Stückzahlen werden durch die Verwendung in der additiven Fertigung (3D-Druck) und für LIDAR-Systeme (Laserbasierendes „Light Detection and Ranging“) nochmals erheblich steigen. Die LIDAR-Systeme zum autonomen Fahren sind eine besonders sicherheitsrelevante Komponente und werden zudem in einer rauen Umgebung eingesetzt. Sie erfordern neben einer hohen Qualität auch einen sicheren und langzeitstabilen Betrieb. Diese Anforderungen können ausschließlich von Lasersystemen mit High-End-Glasmikrooptiken erfüllt werden. 

Die wichtigste Komponente für die Qualität der Systeme ist die "Fast-Axis-Kollimator"-Linse (FAC-Linse). Die Linse wird aus hochwertigem Glas hergestellt und hat eine azylindrische Oberfläche. Die zur Zeit verfügbaren Herstellungsverfahren müssen allerdings noch beweisen, dass sie für die Größenordnung von mehreren 10 oder 100 Millionen Stück in gleichbleibend hoher optischer Qualität zu attraktiven Preisen fertigen können. LIMO ist es jetzt gelungen, das Verfahren zur Herstellung der FAC-Linsen in der geforderten Qualität großserientauglich zu machen.

140-mm-Wafer für die Fertigung von FAC-Linsen

Die LIMO GmbH produziert die FAC-Linsen auf Wafer-Basis, sodass mehrere Tausend Linsen aus hochwertigen Gläsern in einem Schritt gefertigt werden. Die Herausforderungen bei der Massenfertigung von sehr komplexen Glasoptiken liegen in der Verarbeitung großer Wafer-Flächen bei unverändert hoher Präzision. Der Dortmunder Hersteller hat mit einer Wafer-Größe von 140 mm x 140 mm jetzt den Durchbruch für ein Verfahren mit sehr großen Stückzahlen erreicht. LIMO hat nach eigenen Angaben die nächstgrößere Wafer-Generation bereits in der Vorbereitung.

Bei den bisher üblichen Glasmolding-Pressverfahren werden die Glaslinsen bei hohen Temperaturen von ca. 600-800 C verarbeitet. Für eine hohe optische Güte der Linsen dürfen die Gläser allerdings nur langsam erhitzt und abgekühlt werden. Insbesondere der Kühlprozess muss präzise eingestellt werden, um unerwünschte Spannungen im Material zu verhindern. Außerdem treten bei größeren Glasflächen beim Erwärmen Temperaturschwankungen auf, die nur mit höchstem prozesstechnischen Aufwand minimiert werden können. Durch diese Einschränkungen hat das „heiße“ Herstellungsverfahren bei Großserien etliche Nachteile und ist nur bedingt skalierbar.

Das Besondere an dem LIMO-Verfahren ist die Herstellung der Glaslinsen bei Raumtemperatur. Das Unternehmen konnte die Wafer-Größe erhöhen und gleichzeitig die Zykluszeit pro Wafer auf unter 60 Minuten senken. Der Vorteil des „kalten“ Verfahrens: Durch die Verarbeitung der Gläser bei Raumtemperatur ist eine höhere Fertigungsgeschwindigkeit für die Qualität der Linsen unkritisch. LIMO ist weltweit der einzige Hersteller, der dieses Verfahren in der Großserienproduktion beherrscht. 

Das Geheimnis der Qualität: Ein Hochpräzisions-Schleifprozess

„Wir sind in der Lage, 140 mm große und noch größere Wafer-Glasscheiben spannungsfrei in Großserien zu verarbeiten. Dafür stellen wir alle Werkzeuge und fast alle Maschinen für den Fertigungsprozess selbst her. So erreichen wir eine maximale Flexibilität bei den Geometrien und beim Design der Linsen. Für die extrem hohe Qualität der Linsen in der Großserienproduktion haben wir einen automatisierten Hochpräzisions-Schleifprozess entwickelt. Das ist weltweit einmalig“, berichtet Dirk Hauschild, Chief Marketing Officer (CMO) bei der LIMO GmbH.

Mit den von LIMO entwickelten Kaltschleif- und Polierverfahren für Arrays von Zylinderlinsen werden bei einer Wafer-Kantenlänge von 140 mm in einem Durchgang bis zu 20 Tausend Linsen gleichzeitig verarbeitet. Das Verfahren ermöglicht die freie Auswahl von refraktiven azylindrischen Linsenformen, das können sowohl symmetrische und asymmetrische als auch wellenförmige oder nicht-periodische optische Elemente sein.

Dabei müssen in einem Schleifprozess bis zu mehrere Millimeter der Glasoberfläche mit einer Genauigkeit von wenigen Nanometern abgetragen werden. Zusätzlich werden die Linsen in einem abschließenden Prozess nochmals endpoliert. Die hochwertige Oberflächenqualität wird durch eine flächige Politur erreicht. Durch diese Politur werden die Glasoberflächen nochmals langlebiger und stabiler. Mit dem Hochpräzisions-Schleifprozess erreicht LIMO für die FAC-Linsen Leistungskennwerte an der Grenze der physikalischen Machbarkeit (s. Infokasten unten).

Das Ziel für 2019: Die Herstellung von über 5 Mio. FAC-Linsen

Die Verarbeitung der 140-mm-Glas-Wafer erfolgt im 24/7-Betrieb. Dafür wurde der Maschinenpark auf das größere Format umgerüstet und die Fertigungskapazität erhöht. Schon jetzt können pro Jahr bis zu 3 Mio. FAC-Linsen gefertigt werden, das Ziel für 2019 ist die Herstellung von über 5 Mio. FAC-Linsen. Die Kapazität soll bis zum Jahr 2020 nochmals auf über 10 Mio. Linsen pro Jahr erhöht werden. „Durch die Verarbeitung der Glas-Wafer bei Raumtemperatur ist der Fertigungsprozess gut beherrschbar und wir können die hohe Qualität zuverlässig garantieren. Die Kapazität werden wir nach Bedarf weiter erhöhen“, fasst Dirk Bogs, Chief Operating Officer (COO) den erreichten Fertigungsstandard zusammen.

www.limo.de 

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19.12.2018 - 15:26

Durchbruch für neues Verfahren bei Laseroptiken

Die LIMO GmbH, Hersteller hochpräziser Mikrooptiken für Lasersysteme, hat bei der Herstellung von FAC-Linsen für alle Arten von diodengepumpten Laserquellen einen verfahrenstechnischen Durchbruch erzielt. Dem Unternehmen aus Dortmund ist es gelungen, die Fertigung der Linsen in höchster Präzision massentauglich zu machen.


FAC-Linsen für Lasersysteme sind eine zentrale Komponente für viele innovative Technologien. Sie werden bereits in der Luft- und Raumfahrt, Medizintechnik, Photovoltaik, Displayfertigung und der Materialbearbeitung eingesetzt. Die zu erwartenden Stückzahlen werden durch die Verwendung in der additiven Fertigung (3D-Druck) und für LIDAR-Systeme (Laserbasierendes „Light Detection and Ranging“) nochmals erheblich steigen. Die LIDAR-Systeme zum autonomen Fahren sind eine besonders sicherheitsrelevante Komponente und werden zudem in einer rauen Umgebung eingesetzt. Sie erfordern neben einer hohen Qualität auch einen sicheren und langzeitstabilen Betrieb. Diese Anforderungen können ausschließlich von Lasersystemen mit High-End-Glasmikrooptiken erfüllt werden. 

Die wichtigste Komponente für die Qualität der Systeme ist die "Fast-Axis-Kollimator"-Linse (FAC-Linse). Die Linse wird aus hochwertigem Glas hergestellt und hat eine azylindrische Oberfläche. Die zur Zeit verfügbaren Herstellungsverfahren müssen allerdings noch beweisen, dass sie für die Größenordnung von mehreren 10 oder 100 Millionen Stück in gleichbleibend hoher optischer Qualität zu attraktiven Preisen fertigen können. LIMO ist es jetzt gelungen, das Verfahren zur Herstellung der FAC-Linsen in der geforderten Qualität großserientauglich zu machen.

140-mm-Wafer für die Fertigung von FAC-Linsen

Die LIMO GmbH produziert die FAC-Linsen auf Wafer-Basis, sodass mehrere Tausend Linsen aus hochwertigen Gläsern in einem Schritt gefertigt werden. Die Herausforderungen bei der Massenfertigung von sehr komplexen Glasoptiken liegen in der Verarbeitung großer Wafer-Flächen bei unverändert hoher Präzision. Der Dortmunder Hersteller hat mit einer Wafer-Größe von 140 mm x 140 mm jetzt den Durchbruch für ein Verfahren mit sehr großen Stückzahlen erreicht. LIMO hat nach eigenen Angaben die nächstgrößere Wafer-Generation bereits in der Vorbereitung.

Bei den bisher üblichen Glasmolding-Pressverfahren werden die Glaslinsen bei hohen Temperaturen von ca. 600-800 C verarbeitet. Für eine hohe optische Güte der Linsen dürfen die Gläser allerdings nur langsam erhitzt und abgekühlt werden. Insbesondere der Kühlprozess muss präzise eingestellt werden, um unerwünschte Spannungen im Material zu verhindern. Außerdem treten bei größeren Glasflächen beim Erwärmen Temperaturschwankungen auf, die nur mit höchstem prozesstechnischen Aufwand minimiert werden können. Durch diese Einschränkungen hat das „heiße“ Herstellungsverfahren bei Großserien etliche Nachteile und ist nur bedingt skalierbar.

Das Besondere an dem LIMO-Verfahren ist die Herstellung der Glaslinsen bei Raumtemperatur. Das Unternehmen konnte die Wafer-Größe erhöhen und gleichzeitig die Zykluszeit pro Wafer auf unter 60 Minuten senken. Der Vorteil des „kalten“ Verfahrens: Durch die Verarbeitung der Gläser bei Raumtemperatur ist eine höhere Fertigungsgeschwindigkeit für die Qualität der Linsen unkritisch. LIMO ist weltweit der einzige Hersteller, der dieses Verfahren in der Großserienproduktion beherrscht. 

Das Geheimnis der Qualität: Ein Hochpräzisions-Schleifprozess

„Wir sind in der Lage, 140 mm große und noch größere Wafer-Glasscheiben spannungsfrei in Großserien zu verarbeiten. Dafür stellen wir alle Werkzeuge und fast alle Maschinen für den Fertigungsprozess selbst her. So erreichen wir eine maximale Flexibilität bei den Geometrien und beim Design der Linsen. Für die extrem hohe Qualität der Linsen in der Großserienproduktion haben wir einen automatisierten Hochpräzisions-Schleifprozess entwickelt. Das ist weltweit einmalig“, berichtet Dirk Hauschild, Chief Marketing Officer (CMO) bei der LIMO GmbH.

Mit den von LIMO entwickelten Kaltschleif- und Polierverfahren für Arrays von Zylinderlinsen werden bei einer Wafer-Kantenlänge von 140 mm in einem Durchgang bis zu 20 Tausend Linsen gleichzeitig verarbeitet. Das Verfahren ermöglicht die freie Auswahl von refraktiven azylindrischen Linsenformen, das können sowohl symmetrische und asymmetrische als auch wellenförmige oder nicht-periodische optische Elemente sein.

Dabei müssen in einem Schleifprozess bis zu mehrere Millimeter der Glasoberfläche mit einer Genauigkeit von wenigen Nanometern abgetragen werden. Zusätzlich werden die Linsen in einem abschließenden Prozess nochmals endpoliert. Die hochwertige Oberflächenqualität wird durch eine flächige Politur erreicht. Durch diese Politur werden die Glasoberflächen nochmals langlebiger und stabiler. Mit dem Hochpräzisions-Schleifprozess erreicht LIMO für die FAC-Linsen Leistungskennwerte an der Grenze der physikalischen Machbarkeit (s. Infokasten unten).

Das Ziel für 2019: Die Herstellung von über 5 Mio. FAC-Linsen

Die Verarbeitung der 140-mm-Glas-Wafer erfolgt im 24/7-Betrieb. Dafür wurde der Maschinenpark auf das größere Format umgerüstet und die Fertigungskapazität erhöht. Schon jetzt können pro Jahr bis zu 3 Mio. FAC-Linsen gefertigt werden, das Ziel für 2019 ist die Herstellung von über 5 Mio. FAC-Linsen. Die Kapazität soll bis zum Jahr 2020 nochmals auf über 10 Mio. Linsen pro Jahr erhöht werden. „Durch die Verarbeitung der Glas-Wafer bei Raumtemperatur ist der Fertigungsprozess gut beherrschbar und wir können die hohe Qualität zuverlässig garantieren. Die Kapazität werden wir nach Bedarf weiter erhöhen“, fasst Dirk Bogs, Chief Operating Officer (COO) den erreichten Fertigungsstandard zusammen.

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Photos of LASYS

  • LASYS 2020: PM Nr. 3

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    LASYS und BMWi bieten 2020 erneut eine Plattform für Start-ups.BILDNACHWEIS MESSE STUTTGART
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  • LASYS 2020: PM Nr. 3

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    Vom 16. bis 18. Juni 2020 können sich Start-ups zu besonders attraktiven Konditionen vorzustellen einem internationalen Fachpublikum präsentieren.BILDNACHWEIS MESSE STUTTGART
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    Prof. Dr. Thomas Graf, Direktor des Instituts für Strahlwerkzeuge (IFSW) der Universität Stuttgart und Veranstalter der Stuttgart Lasertage.BILDNACHWEIS MESSE STUTTGART
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    Vom 16. bis 18. Juni 2020 öffnet die LASYS – Internationale Fachmesse für Laser-Materialbearbeitung – in Stuttgart bereits zum siebten Mal ihre Tore. (Hauptbild)BILDNACHWEIS MESSE STUTTGART
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    An drei Messetagen stehen dann Lasersysteme, laserspezifische Maschinensubsysteme und Strahlquellen im Fokus von Ausstellern und Fachbesuchern.BILDNACHWEIS MESSE STUTTGART
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    Die LASYS 2020 in Stuttgart ist der „Place to be(am).BILDNACHWEIS MESSE STUTTGART
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    Fachbesucher können auf der LASYS die Vielfalt des Lasers live erleben – 2018 waren 116 Maschinen vor Ort – und erhalten einen Eindruck wie leicht sich Komponenten integrieren lassen.BILDNACHWEIS MESSE STUTTGART
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    Die LASYS zeigt branchen- und materialübergreifend die Lasertechnologie in der industriellen Fertigung von morgen.BILDNACHWEIS MESSE STUTTGART
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    Der Mix aus Fachmesse und hochkarätigem Rahmenprogramm versammelt alle zwei Jahre die Experten aus Industrie und Wissenschaft in Stuttgart. Fester Bestandteil sind die Stuttgarter LasertageBILDNACHWEIS MESSE STUTTGART
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    Die LASYS als internationale Fachmesse für die Laser-Materialbearbeitung richtet sich an industrielle Anwender und hat sich seit 2008 zu einem Top-Termin für die Branche entwickelt.BILDNACHWEIS MESSE STUTTGART
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    LASYS bietet Planungssicherheit – neuer Termin 21. bis 23. Juni 2022BILDNACHWEIS MESSE STUTTGART
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    Bei der LED-Produktion beschriften die PowerLine E 8 QT Lasermarkierer von Coherent Leadframes (Träger) mit winzigen 2D-Matrixcodes, die aus Punkten von nur 43 Mikrometern Durchmesser bestehen.Coherent
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    Mit der neu entwickelten GL.smart von GFH, die bis zu 16 simultane Achsen birgt, lassen sich mittels UKP-Laserstrahlen vielseitige Mikrobearbeitungsaufgaben wirtschaftlich ausführen. Neben einer Kombinationsbearbeitung von Laserbohren, -drehen,- und -schneiden ist eine Output-Steigerung durch die Parallelbearbeitung auf zwei Stationen möglich.BILDNACHWEIS GFH GmbH
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    Mit der Einführung der BLIZZ-Laserserie von InnoLas Photonics steht ein Laser zum wirtschaftlichen Depaneling zur Verfügung. Berührungsloses, schnelles und staubarmes Laserschneiden von Platinen ist nun bei gleichzeitig sehr guter Qualität möglich, auch bei dünnen Substraten.BILDNACHWEIS InnoLas Photonics GmbH
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    Laseranlagen von LPKF ermöglichen es, dass sich mit Laser-Depaneling die Schnittflächen reduzieren lassen, da auf breitere Fräswege und größere Abstände der SMT-Komponenten zu den Schnittkanten verzichtet wird. Damit können bis zu 30 Prozent Materialersparnis erreicht werden.BILDNACHWEIS LPKF
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    Präzises Schneiden – auch flexibler Materialien – ist für Lasersysteme von LPKF kein Problem – und das bei größtmöglicher Designfreiheit.BILDNACHWEIS LPKF
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    Starr-flexible Leiterplatten werden bei ATLAS EMS in die LPKF MicroLine 2000 eingelegt. Da die Baugruppen kompakt und randnah platziert sind und das starr-flexible Material anspruchsvoll in der Bearbeitung ist, erweist sich Trennen mittels Lasertechnologie hier als ideal.BILDNACHWEIS ATLAS EMS
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    ATLAS EMS setzt ein MicroLine Lasersystem von LPKF zum Nutzentrennen ein. Die schnelle Einrichtung der jeweiligen Jobs ist hier ein wichtiger Faktor für eine effiziente Produktion.BILDNACHWEIS ATLAS EMS
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    Ein neuartiges Laser-CNC-Bearbeitungszentrum zum 3D-Lasermikroschweißen hat Schüssler Technik entwickelt. Durch hochgenaue Achsbewegungen lassen sich filigrane Bauteile in unterschiedlichsten Positionen (5+2-Achs) mühelos fügen.BILDNACHWEIS Schüssler Technik GmbH
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    LogoBILDNACHWEIS MESSE STUTTGART
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  • LASYS 2020: PM Nr. 3

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    Was die ‚lastgerechte und flexible Bauteilgestaltung‘ von E-Fahrzeugen anbelangt, verfolgt beispielweise das Fraunhofer Institut für Werkstoff- und Strahltechnik (IWS) den Ansatz, crash-relevante Karosseriestrukturen individuell zu verbessern. Hier die lokale Laserbehandlung einer hochbeanspruchten Zone eines crashrelevanten Karosseriestrukturbauteils im TestFraunhofer Institut für Werkstoff- und Strahltechnik
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    Diffraktive optische Elemente von Laser Components formen den optimalen Strahl für industrielle Anwendungen etwa beim Bearbeiten von Komponenten der E-MobilitätLaser Components GmbH
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    Mit Lasersystemen von Laserline, die ‚blaues Laserlicht, nutzen, kann der Energieeintrag in Kupfer so gut gesteuert werden, dass erstmals Wärmeleitungsschweißprozesse ohne Verdampfen und Dampfkapillare möglich sind. Dies ergibt spritzerfreie Prozesse.Laserline GmbH
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    Die schlüsselfertigen automatisierten Produktionsanlagen von SITEC Industrietechnologie richten den Fokus auf Wirtschaftlich- und Nachhaltigkeit bei der Produktion von Komponenten für die E-Mobilität. Neuartige automatisierte Laseranlagen schweißen in hoher Qualität die Kupfer-Hairpins am Stator des Elektromotors.SITEC Industrietechnologie GmbH
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    SITEC Industrietechnologie antwortet auf die Herausforderungen der Mobilität mit neuartigen automatisierten Laseranlagen etwa für Schweißprozesse an Baugruppen der Leistungselektronik, an Statoren oder wie hier an Bipolarplatten für Brennstoffzellen.BILDNACHWEIS MESSE STUTTGART
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    Laseranlagen von Trumpf entlacken Hairpins mit dem Laser, die anschließend ineinander verdreht und mittels Laserstrahl verschweißt werden. Mit dem Hairpin-Verfahren ist laut Trumpf eine automatisierte Produktion großer Stückzahlen von Statoren des Elektromotors wirtschaftlich möglich.Trumpf GmbH & Co. KG
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    Der Laser-Folien-Markierer LFM 100 von Bluhm Systeme ist eine innovative Mischung aus Etikettendrucker und Lasersystem, der Typenschilder laserbeschriftet. Die seewasserfeste und selbstklebende Lackfolie ist günstiger und flexibler als die üblichen Edelstahl-Typenschilder.Bluhm Systeme GmbH
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    Im Trend liegt „Natural Branding“. Bluhm Systeme hat hier das Lasersystem eSolarMark plus entwickelt, das gleich vier Früchte innerhalb eines Taktes beschriftet. Auch Backwerk lässt sich ohne Etikett mit dem Laser beschriften.Bluhm Systeme GmbH
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    Mit seiner PowerLine-Serie deckt Coherent ein breites Anwendungsspektrum beim Lasermarkieren ab: Erst kürzlich ist dem Unternehmen zusammen mit einem Partner gelungen, einen neuen Kunststoff für Ohrmarken von Tieren hinsichtlich Gesundheitsverträglichkeit und Lasermarkierbarkeit zu optimieren.Coherent
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    Um Schnelligkeit geht es beim PowerLine E Twin von Coherent. Zwei Lasermarkiereinheiten beschriften gemeinsam ein Werkstück. Das Besondere hierbei ist, dass das System über Hard- und Software-Schnittstellen wie ein einzelner Lasermarkierer gesteuert wird.Coherent
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    Zur effizienten Teilekennzeichnung hat Gravotech eine kompakte und sichere Lösung entwickelt, den Laserschutztrichter Mini-Inline. Er vereinfacht den Einsatz von Lasertechnik in Fertigungslinien und macht ihn deutlich effizienter als zuvor. Bildnachweis:Gravotech GmbH
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    Das neuartige Lasersystem WeLase von Gravotech kann durch den Einsatz unterschiedlicher Laserquellen (CO2, Faser, YAG oder Green) an fast jede Kundenanforderung angepasst werden: Lasermarkierung der nächsten Generation!Gravotech GmbH
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    Produktpersonalisierung kurbelt den Markt für Lasermarkiersysteme an. Viele Massenprodukte wie a)Brille, b)Uhrenarmband oder andere Geschenkeartikel lassen sich auf einfache Weise individualisieren. Das Lasermarkiersystem WeLase ist laut Hersteller Gravotech eine ideale Lösung für In-Store-Personalisierung.Gravotech GmbH
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    Die Experten von LightPulse Laser Precision empfehlen Schwarzmarkieren mittels Ultrakurzpuls-Laser für medizintechnische Instrumente und Implantate, Schwarzmarkieren eignet sich hier sehr gut, weil es sehr kontrastreich, korrosionsbeständig und dauerhaft lesbar ist.LightPulse Laser Precision
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