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08.05.2019 | Lasertechnik + Photonik | Im Fokus | Onlineartikel

UKP-Laser erobern Makrobearbeitung

Autor:
Dieter Beste

Zum fünften Mal treffen sich Forscher und Entwickler in Aachen, um innovative Themen zum Bereich Ultrakurzpulslaser und deren Anwendungen zu diskutieren. Fazit des Workshops: Der UKP-Laser ist in der Industrie angekommen.


Mittlerweile haben sich die Ultrakurzpuls (UKP)-Laser in der Wissenschaft und in der Mikromaterialbearbeitung fest etabliert. Auf dem diesjährigen "UKP–Workshop: Ultrafast Laser Technology" zeichnete sich am 10. und 11. April 2019 in Aachen ein neuer Trend ab: Mit der Verfügbarkeit von UKP-Lasern im Multi-100-Watt bis kW-Bereich werden sie auch für großflächige Anwendungen interessant. Dazu wird derzeit die komplette Prozesskette bis hin zu voll digitalisierten Verfahren entwickelt.

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"Der UKP-Laser ist in der Industrie angekommen", stellte Dr. Arnold Gillner, Leiter des Kompetenzfeldes Abtragen und Fügen am Fraunhofer-Institut für Lasertechnik (ILT) und Initiator des UKP-Workshops, bereits zu Beginn der Veranstaltung fest. Das nächste Ziel sei es, Laser mit Leistungen wie bei CO2- und Faserlasern zur Verfügung zu stellen, die heute für die Materialbearbeitung von makroskopischen Bauteilen verwendet werden. "Die Herausforderung ist dabei, wie die Photonen auf das Werkstück gebracht werden können", beschrieb Gillner das Kernthema des Workshops.

Einigkeit herrschte beim Thema Strahlquellen: UKP-Laser bis 100 W sind inzwischen im Markt angekommen, Systeme mit mehreren 100 W sind verfügbar und werden schon in erste Maschinen integriert. Dazu kommen demnächst UKP-Laser im Multi-kW-Bereich, wie sie die Fraunhofer-Institute für Angewandte Optik und Feinmechanik (IOF) in Jena sowie für Lasertechnik ILT in Aachen im Fraunhofer Cluster of Excellence "Advanced Photon Sources" entwickeln. Beide Institute haben in den letzten Monaten neue Weltrekorde vorgelegt: Die Jenaer Gruppe zeigte 3,5 kW mittlere Ausgangsleistung aus einem Faserlasersystem und die Aachener 500 W bei nur 30 fs Pulsdauer mit einem Yb:Innoslab-Laser.

Technikentwicklung im Verbund

Auch Laserentwickler Eric Mottay, Amplitude Systèmes, betonte auf dem diesjährigen UKP-Workshop, dass die Systemtechnik für die neuen Laser nur in enger Zusammenarbeit der verschiedenen Technologieträger entwickelt werden kann. Sichtbar wurde dies bei den nachfolgenden Vorträgen zu schnellen Scannern, Multistrahlsystemen und Spezialoptiken: Gemeinsam arbeiten Laserhersteller, Scannerexperten und Anwender zum Beispiel an einem Multistrahlkonzept, bei dem ein energiereicher Laserpuls in viele einzelne Laserpulse geteilt wird und parallel über die Oberfläche geführt wird, um größere Flächen effizient zu bearbeiten.

Eine besondere Eigenschaft des Laserlichts ist die Tatsache, dass mit dem Laser ultrakurze Lichtpulse erzeugt werden können, und zwar mit Dauern im Femtosekunden-, ja sogar im Attosekundenbereich. Mit der Femtosekundenoptik lassen sich Abläufe atomarer oder biologischer Vorgänge stroboskopartig verfolgen. Enorme Pulsleistungen von einigen Terawatt stehen bereits zur Verfügung. Eine einfache Abschätzung demonstriert die Wirksamkeit dieser Pulse. Die Intensität eines 10 fs Pulses mit einer Pulsenergie von 1 mJ beträgt im Fokus (10 μm Durchmesser) etwa 1017 W/cm2. Im Vergleich hierzu kann eine Herdplatte schon mit 10 W/cm2 zum Glühen gebracht werden, und die Sonne liefert auf der Erdoberfläche nur 0,1 W/cm2." Klemens Jesse, "Femtosekundenlaser", Seite 57

 Im Detail erprobte Stephan Brüning, Schepers GmbH, das Multistrahlkonzept für die Strukturierung von Druckwalzen. Früher wurden dort vier Laser parallel eingesetzt, jetzt wird ein 500 W UKP-Laserstrahl mit einem diffraktiven, optischen Element auf 16 Teilstrahlen verteilt. Über akusto-optische Modulatoren sind die Teilstrahlen unabhängig voneinander steuerbar und erreichen eine deutlich höhere Produktivität. Die Auslegung von Optiken mit bis zu 196 gleichartigen Teilstrahlen erläuterte Oskar Hofmann von der RWTH Aachen. Die Herausforderung bei diesen Optikkonzepten liegt in der Kompensation und Korrektur der verschiedenen Abbildungsfehler. Und dass Effizienzgewinne auch mit Einzelstrahlen möglich sind, zeigte Benedikt Nohn, Volkswagen AG. Sein Beispiel war die Strukturierung von Werkzeugen zum Prägen von Designelementen einer Innenverkleidung. Mit optimierter Scannertechnik konnte der Durchsatz dabei mehr als verdoppelt werden.

Effizient simulieren für digitale Prozessketten

"Der Laser ermöglicht eine durchgehende Prozesskette für die Digitale Photonische Produktion" – so lautet die Vision des scheidenden ILT-Institutsleiters, Reinhart Poprawe. Voraussetzung dafür sei nicht nur eine enge Verzahnung der verschiedenen Prozesse, sondern auch ein tiefes Prozessverständnis und eine schnelle und effiziente Simulation der Laser-Werkstoff-Wechselwirkungen. Markus Niessen vom ILT diskutierte die dafür gängigen Ansätze und wie sich mit einem vereinfachten Modell die Rechenzeit dramatisch reduzieren lässt. Mikroskopische Wechselwirkungsprozesse und Materialeffekte werden dabei getrennt von makroskopischen Effekten betrachtet. Langfristig hat Niessen eine klare Strategie: "Unser Ziel ist die first-time-right-Fertigung."

Fertigung von Standardteilen läuft

Der Fortschritt der UKP-Lasertechnik lässt sich inzwischen an der Qualität der Anwendungen ablesen. So auch bei Claus Dold, EWAG AG, Experte für die Herstellung von Werkzeugen aus ultraharten Materialien. Im Workshop erklärte er, wie hervorragend sich mit dem UKP-Laser polykristalline Diamanten oder Karbidmaterialien bearbeiten lassen. Speziell für die Herstellung von Hartmetallbohrern präsentierte er ein vollständiges Fertigungssystem, wo der Bediener nur die geometrischen Daten eingibt und Rohlinge einlegt. Die Lasermaschine wählt selbst die notwendigen Einstellungen und produziert die Bohrer mikrometergenau. Die Maschinen lassen sich voll automatisieren und in einem globalen Netzwerk betreiben. Auf einem digitalen Marktplatz lassen sich dabei Produktionskapazitäten global steuern und der Nachfrage anpassen.

Mehr Leistung und mehr Anwendungen

Fazit des Workshops: Die UKP-Lasertechnologie wird in der Industrie immer stärker angenommen. Nach dem Glasschneiden und Anwendungen in Mess- und Medizintechnik rückt die großflächige Bearbeitung von Oberflächen ins Zentrum. Mit der Verfügbarkeit von Laserquellen im Multi-kW-Bereich wird, so der Tenor der Teilnehmer, der Hauptvorteil der UKP-Technik, nämlich eine extrem hohe Präzision in der Bearbeitung, zu einer weiterhin starken Verbreitung führen. Effiziente Prozesstechnik und ein sehr gutes Prozessverständnis sind dabei Voraussetzungen für die industrielle Anwendung. Neue Anwendungen von der Erzeugung von EUV-Strahlung bis hin zur Quantentechnologie sind im Kommen. Aber es gibt auch neue Herausforderung, wie zum Beispiel der Schutz vor Röntgenstrahlung.

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