Fraunhofer ILT auf dem Weg zur Digital Photonic Production

Zu den Highlights gehörten nicht nur Strahlquellen und Fertigungsprozesse für ultrakurze Laserpulse, sondern auch die systematische Optimierung von Bearbeitungsprozessen durch Computersimulationen. Dem revolutionären technologischen Potenzial von »Digital Photonic Production« wurde sogar ein eigener Sonderstand gewidmet.

Auch im vierzigsten Jahr ihres Bestehens hat die LASER World of Photonics ihre Position als Leitmesse im Bereich Laser und Photonik bestätigt. 27.000 Besucher aus 74 Ländern kamen dieses Jahr nach München, um das Neueste von 1.135 Ausstellern zu sehen. Mit dabei waren auch acht Institute der Fraunhofer-Gesellschaft, die sich in diesem Jahr unter dem Motto »Customized Solutions« präsentierten.

Computersimulation optimiert Laserbearbeitung

Die Prozesse in der Lasermaterialbearbeitung gehen oft an die Grenzen des technisch Machbaren. Während hohe Strahlintensitäten auf kleinster Fläche zur Bearbeitung eingesetzt werden, sollen Bearbeitungsgeschwindigkeit, Genauigkeit und Zuverlässigkeit maximal sein. Die Prozessüberwachungs- und Regelungstechnik kommt hier an ihre Grenzen. Zur Unterstützung bieten sich Computersimulationen an. Aufwändige »trial and error«- Versuche zur Prozessoptimierung werden auf ein Minimum reduziert.

Die Wissenschaftler am Fraunhofer ILT haben 20 Jahre Erfahrung mit laserspezifischer Computersimulation und –modellierung. Seit 2010 steht ihnen auch ein Hochleistungs-Rechencluster zur Verfügung, der im Rahmen des »Zentrums für Nanophotonik« gebaut wurde. Auf dieser Basis konnten die Aachener verschiedene Prozesse deutlich voranbringen. Auf der Messe wurden fünf Anwendungsbeispiele aus der Produkt- und Verfahrensentwicklung für industrielle Partner präsentiert, darunter das effiziente Schneiden von Displayglas (TRUMPF Lasertechnik) und das weiter optimierte wasserstrahlgeführte Laserschneiden (SYNOVA).

Schnelle Polygonscanner für effiziente Nutzung von UKP-Lasern

Der große Vorteil der Ultrakurzpulslaser ist die »kalte« Ablation, also das Abtragen von Material ohne thermische Schädigung der Umgebung. Dieser Vorteil lässt sich nur erhalten, wenn nicht zu viele Pulse überlappen. Bei Pulsfrequenzen im MHz-Bereich und Spotgrößen von 20 µm ist das nicht einfach zu erreichen – der Spot muss dafür mit Geschwindigkeiten von über 100 m/s bewegt werden.
Experten vom Fraunhofer ILT haben jetzt einen Polygonscanner entwickelt, der bei einer Apertur von 20 mm und einer Brennweite von 163 mm Scangeschwindigkeiten von bis zu 360 m/s am Werkstück erreicht. Eine Fläche von 100 x 100 mm² lässt sich damit in 3 Sekunden bearbeiten. Der Vorschub des Laserstrahls durch den Scanner liefert eine Achse, die schnelle Bewegung des Werkstücks senkrecht dazu gibt die zweite Dimension. Entsprechend der Positionen beider Achsen kann der Laser mit bis zu 40 MHz angesteuert werden. Damit lässt sich die volle Leistung moderner UKP-Quellen effektiv auf das Werkstück bringen. Zur Demonstration der schnellen und präzisen Bearbeitung führten Experten den Polygonscanner am Beispiel der Gravur einer metallischen Visitenkarte live vor.

Kilowatt-UKP-Laser mit Rekord-Brillanz

Bereits in den vergangenen Jahren hatte das Fraunhofer ILT mit der Entwicklung von Hochleistungs-UKP-Systemen Maßstäbe gesetzt. In diesem Jahr wurde erstmals ein Femtosekunden-Lasersystem präsentiert, das bei 1 kW Ausgangsleistung ein Strahlparameterprodukt unter 2 mm*mrad erreicht. Mit einem ähnlichen System wurde im Labor auch ein neuer Weltrekord bei der Erzeugung grüner Kurzpulsstrahlung erreicht: Das System lieferte 430 Watt bei einer Wellenlänge von 515 nm.

Das UKP-System aus Aachen beruht auf einer MOPA-Verstärkeranordnung. Der Aufbau ist als »open platform« konzipiert und erlaubt die flexible Kombination mit verschiedenen Seed-Quellen sowie die Verstärkung beliebiger Pulszüge. Eine aktive Strahllageregelung vereinfacht die Kombination von Strahlquelle und Verstärker erheblich und sorgt auch für eine hohe Langzeitstabilität des Systems.

Die extrem hohen Leistungsparameter des Systems erlauben einen entsprechenden Durchsatz bei der Materialbearbeitung und damit reduzierte Kosten pro Watt. Unter dem Motto »Femto goes Macro« eignet sich das System damit speziell für die Bearbeitung großer Oberflächen, zum Beispiel zum Oberflächenstrukturieren von Windrädern. Daneben äußerten aber auch Wissenschaftler großes Interesse, das System als Pumpe in OPCPA-Systemen zur Erzeugung von Few Cycle Pulsen bzw. abstimmbaren fs-Pulsen einzusetzen.

Digital Photonic Production auf dem Vormarsch

Die Vision der »Digital Photonic Production« bezeichnet Verfahren, bei denen Bauteile mit Hilfe von Lasertechnik direkt auf Basis digitaler Daten hergestellt werden. Im Unterschied zu konventionellen Verfahren spielt die Komplexität der Bauteile dabei fast keine Rolle. Und auch kleinste Losgrößen können mit dem Werkzeug Licht kostengünstig hergestellt werden.

Auf dem Sonderstand zu Digital Photonic Production präsentierten die Aachener Fraunhofer-Institute gemeinsam mit dem Lehrstuhl für Lasertechnik LLT der RWTH Aachen und verschiedenen industriellen Partnern wie Concept Laser, Realizer, SLM Solutions, MTU, Bego Medical, Citim und Schepers, verschiedene Anlagen und Designsoftwaretools für den industriellen Einsatz. Die per generativer Lasertechnik produzierten Bauteile stammten aus verschiedenen industriellen Bereichen. Zu den abtragenden Verfahren wurde exemplarisch eine mit Kurzpulslasern strukturierte Druckwalze gezeigt.

Ein weiteres Beispiel für die abtragenden Verfahren ist das selektive Laserätzen (ISLE: In-volume Selective Laser Etching), bei dem im Werkstückvolumen bestimmte Bereiche mit dem Laser modifiziert werden. Diese Bereiche werden anschließend mit nasschemischen Verfahren entfernt. Damit lassen sich vollwertige 3D-Hohlstrukturen beispielsweise in Glas industriell und direkt aus digitalen Daten erzeugen.

Auf dem Sonderstand wurde das enorme Potenzial der Technologie gemeinsam mit verschiedenen Industriepartnern an ausgewählten Beispielen aus den Bereichen Automotive, Luft- und Raumfahrt, Energietechnik, Leichtbau und Medizintechnik sowie dem Consumerbereich dargestellt.

Die nächste LASER – World of Photonics Messe findet vom 22.-25. Juni 2015 statt, der nächste World of Photonics Congress vom 21.-25. Juni 2015.

Ansprechpartner

Dr. Jens Schüttler
Gruppe Simulation und Modellierung
Telefon +49 241 8906-680
jens.schuettler@ilt.fraunhofer.de

Prof. Wolfgang Schulz
Leiter Lehr- und Forschungsgebiet für Nichtlineare Dynamik der Laser-Fertigungsverfahren NLD
Telefon +49 241 8906-204
wolfgang.schulz@ilt.fraunhofer.de

Dipl.-Phys. Oliver Nottrodt
Gruppe Prozesssensorik und –Systemtechnik
Telefon +49 241 8906-625
oliver.nottrodt@ilt.fraunhofer

Dipl.-Ing. Peter Abels
Leiter Gruppe Prozesssensorik und –Systemtechnik
Telefon +49 241 8906-428
peter.abels@ilt.fraunhofer.de

Fraunhofer-Institut für Lasertechnik ILT
Steinbachstraße 15
52074 Aachen