Ausgezeichnete Lasertechnik

Preisträger des mit 10.000 Euro dotierten Inno­vation Award Laser Tech­nology 2018, der seitens des Arbeits­kreises Laser­technik e.V. und des European Laser Institute ELI gestern Abend im Rathaus zu Aachen verliehen wurde, ist Dr. Axel Luftvon der Laserline GmbH. Axel Luft und sein Team haben mit der Innovation Multi-Spot-Module zur Verbes­serung von Füge­prozessen durch maßge­schneiderte Spot-Geometrien den ersten Platz in dem offenen Wett­bewerb belegt. Die achtköpfige inter­nationale Jury wählte drei heraus­ragende Finalisten aus den zahlreichen einge­gangenen Bewer­bungen aus.

Den zweiten Platz belegte das Team um Dr. Gerald Jenke von der Sauer­essig GmbH + Co. KG in Vreden für die Entwicklung einer multi-parallelen ultra­schnellen Laser­ablation für die Ultra­präzisions­fertigung in großem Maßstab. Auf dem dritten Platz folgte eine spanische Entwickler­gruppe um M.Sc. Eng. Alejandro Bárcena vom Unter­nehmen Talens Systems S.L. Etxe-Tar Group in Elgoibar, die mit einem hoch­flexiblen dynamischen Strahl­steuerungs­system für die Laser-Wärmebe­handlung und verwandte Hoch­leistungs-Laser­anwendungen in den Wettbewerb gestartet waren.

Der Innovation Award Laser Technology wird vom Arbeits­kreis Laser­technik e.V. und dem European Laser Institute ELI alle zwei Jahre als euro­päischer Preis der ange­wandten Wissen­schaft verliehen. Er richtet sich sowohl an Einzel­personen als auch an Projekt­gruppen, deren Fähigkeiten und Engage­ment zu einer heraus­ragenden Inno­vation auf dem Gebiet der Lasertechnik geführt haben. Die abge­schlossenen wissen­schaftlichen und techno­logischen Arbeiten befassen sich im Kern mit der Nutzung und Erzeugung von Laserlicht zur Material­bearbeitung und haben zu einem beleg­baren wirtschaft­lichen Nutzen für die Industrie geführt.

Details zu den Entwick­lungen der Preisträger:

1. Platz: Multi-Spot-Module zur Verbesserung von Füge­prozessen durch maßge­schneiderte Spot-Geometrien, Teamsprecher: Dr. Axel Luft, Laserline GmbH, Mülheim-Kärlich

Dioden­laser werden seit mehr als 18 Jahren in der Automobil­produktion eingesetzt und gewinnen immer noch an Bedeutung. Eine der etablierten Methoden zum Verbinden von verzinkten Stahl­blechen in der Serien­fertigung von Automobil­karosserien ist heute das& Laserlöten. Ein wesentlicher Erfolgs­faktor der Laserlöt­technik ist vor allem die hohe ästhetische Qualität der Fugen. In jüngster Zeit haben sich Automobil­hersteller jedoch zunehmend auf den Einsatz von feuer­verzinkten Blechen (HDG-Blechen) in der Karosserie konzentriert, da sie korrosions­beständiger sind und die Beschichtung kosten­effizienter ist. Die Qualität der Verbindung selbst nimmt jedoch ab, da sie oft sogenannte „Wavelets“ zeigt, bei denen das Los die vorge­sehene Fuge übersteigt und in fugen­nahen Bereichen vermehrt Spritzer auftreten.

Um diesen Heraus­forderungen zu begegnen, entwickelte ein Expertenteam von Laserline, Scansonic und Volkswagen ein Multi-Spot-Modul mit einem optischen Kameratool für ein passendes Spot-In-Spot-Design und einer inte­grierten Roboter­steuerung und qualifizierte im Jahr 2016 ein Triple-Spot-Modul als bevorzugte Lösung für feuer­verzinkte Bleche in der Serien­produktion von Volkswagen. Für einen optimalen Lötprozess sind zwei Dinge entscheidend: Erstens eine exakte Anordnung der Spots zueinander und zweitens eine exakt angepasste Verteilung der Laser­leistung, d.h. je nach Anwendung wie Dach oder Heckklappe oder je nach Gelenk Geo­metrien sind unter­schiedliche Leistungs­verteilungen zu den drei Spots notwendig.

Das ent­wickelte Triple-Spot-Modul bietet den Vorteil der stufenlosen Leistungs­verteilung zwischen dem Hauptspot und den vorderen Spots einerseits und zwischen den vorderen Frontpunkten anderer­seits. Auch neue Features wie die roboter­gesteuerte Energie­verteilung sind enthalten. Daher ist es auch möglich, vordere Punkte etwa in flexiblen Linien für Autos mit galva­nisierter Beschichtung, oder den Abstand zwischen den vorderen Stellen einzu­stellen. Neben dem Löten setzte das Team das Multispot-Modul erfolg­reich beim Schweißen von Aluminium ein, der zweit­häufigsten indus­triellen Anwendung für Diodenlaser. Durch den Einsatz des Multi-Spot-Moduls war es möglich, das Schlüsselloch- und Wärmeleitungs­schweißen zu kombinieren und somit die Vorteile beider Verfahren auszu­schöpfen. Dadurch wurden auch beim Aluminium­schweißen in der industriellen Serien­produktion von Karosserien glattere Oberflächen, gerade Kanten, höhere Eindring­tiefen, höhere Geschwindig­keiten sowie eine reduzierte Spritzer­bildung erreicht.

2. Platz: Multi-parallele ultraschnelle Laserablation für die Ultrapräzisionsfertigung in großem Maßstab, Teamsprecher: Dr. Gerald Jenke, Saueressig GmbH + Co. KG, Vreden

Ultrakurzpuls­laser im fs- und ps-Pulsdauer­bereich bieten eine hervor­ragende Laser­bearbeitungs­qualität für Replikations­werkzeuge, Funktions­teile aus der Elektronik- und Automobil­industrie, Medizin­technik und anderen Anwen­dungen. Aufgrund der kalten Ablation ist dies jedoch ein langsamer Prozess, da nur eine begrenzte Laser­leistung und begrenzte Laser­fluenzen – typischer­weise kleiner als das Dreifache der Ablations­schwellenfluenz – verwendet werden können, um Teile oder Komponenten ohne Beein­trächtigung der Funk­tionalität zu bearbeiten. Mit diesen Grenzen hat die Bear­beitung von Großteilen, wie groß­formatigen Spritzguss­werkzeugen, großflächigen Präge- und Druckwalzen sowie groß­flächigen Funktions­flächen, aufgrund der enormen Bearbeitungs­zeit von mehreren Tage und Wochen mit der heute aktuellen Single-Spot-Ablations­technologie keinen wirt­schaftlichen Wert.

Innerhalb des Konsortiums wurde durch die Firmen Saueressig, Schepers und LIMO sowie des Fraunhofer-Instituts für Laser­technik ein neuer programmier­barer Mehrstrahl-Bear­beitungskopf und die dazu­gehörige Prozess­technologie entwickelt, die eine groß­flächige ultra­schnelle Laser­bearbeitung mit 100-mal höherer Verarbeitungs­geschwindigkeit ermöglicht. Das System basiert auf einem optischen Multipunkt-Beugungs­element mit hohem Wirkungs­grad (> 90 Prozent) und einem mehr­kanaligen akusto­optischen Modulations­system, das eine mehrfache ultrakurze Laserstrahl­bearbeitung mit indi­vidueller Strahl­umschaltung und Modu­lation mit einer Datenrate von sechs Mega­hertz pro Strahl zusammen mit einem 500 Watt-ps-Laser ermöglicht.

Integriert in ein hoch­präzises Zylinder­graviersystem wurden 16 Spots generiert und mit einer Genauig­keit von unter zwei Mikro­metern synchro­nisiert. Die Strahl­abgabe mit dem Multispot-Kamm wird mit einer Genauig­keit von 200 Nanometern positioniert. Dieses System wurde in einem kommer­ziellen Walzen­graviersystem zur Herstellung von Hoch­präzisions­prägewalzen
realisiert und industriell integriert. Mit der entwickelten Techno­logie konnte die Präzisions­prägung von Präge­walzen und anderen Bauteilen mit den geforderten Oberflächen­funktionalitäten im Vergleich zur konven­tionellen Bearbeitungs­geschwindigkeit um den Faktor 100 erhöht werden. Auf diese Weise werden neue Produkt­funktionalitäten bei Verbraucher­produkten, z.B. Reibungs­reduzierung, erhöhte Lebensdauer, verbesserte Softtouch- oder anti­bakterielle Wirkung oder Lichtstreuung erreicht. Diese lassen sich dank der stark gestiegenen Bearbeitungs­geschwindigkeit auch auf großen Teilen wirt­schaftlich rea­lisieren.

3. Platz: RAIO DSS: Ein hochflexibles dynamisches Strahlsteuerungssystem für die Laser-Wärmebehandlung und verwandte Hochleistungs-Laseranwendungen, Teamsprecher: M.Sc. Eng. Alejandro Bárcena, Talens Systems S.L. Etxe-Tar Group, Elgoibar, Spanien

Der entwickelte innovative Ansatz beinhaltet ein Verfahren, bei dem mit sehr hoher Flexibilität eine Anpassung der Laser­energiev­erteilung möglich ist. Insbesondere kann dies bei einer vollständig vorge­schriebenen Strahl-Energie-Verteilung in Echtzeit so angepasst werden, dass eine homogene Laser­behandlung von kritischen Bereichen wie Ecken oder kleineren Bauteil­zonen mit geringer Masse bei gleich­zeitig voller Kontrolle der Material­bearbeitung und einer präzisen Anpassung der Laser­energie für jedes geometrisches Detail von Werk­stücken möglich ist. Auf der Basis von Referenz­daten, die durch ein inte­griertes Überwachungs- und Kontroll­system geliefert werden, ist RAIO DSS in der Lage, mit Hilfe eines schnell oszil­lierenden Zwei-Achsen-Scanners eine schnelle und genaue 2D-Bewegung des unabhängig einstell­baren Laserpunkts auf dem Werkstück zu ermög­lichen und die Erzeugung extrem präziser und vollständig steuerbarer dynamischer Laser­energieverteilungs­muster zuzulassen, die den strengsten Anfor­derungen in Bezug auf den lokalen Heiz­zyklus entsprechen.

Obwohl auf ähnlichen Prinzipien beruhend, ist das System nicht als ein herkömm­licher Laserspot-Shaper zu betrachten, insbesondere in Bezug auf die Fähigkeit von RAIO DSS, das erforderliche Bestrahlungs­muster für jede lokale Zone jeder einzelnen Komponente und auf jede erforder­liche Weise anzupassen, d.h. in Echtzeit die Laserenergie­verteilung auf dem Werkzeug gemäß den erfassten Referenz­daten der Bauteil­oberfläche zu steuern. Zu diesem Zweck wurde eine komplett neue Steuerungs­software entwickelt, die die Probleme mit hoher Oszillations­frequenz überwindet, die in kommerzieller Software typischer­weise beschränkt sind auf vorge­fertigte Abtastmuster mit einfachen geo­metrischen Formen und niedrigen Oszillations­geschwindigkeiten.

Auf diese Weise können durch Abtasten eines einfachen kleinen Gauß-Strahls durch verschiedene Hochfrequenz­pfade beliebige Freiform-Energie­verteilungen auf dem behandelten Werkstück erzeugt werden. Die beschriebene inno­vative Lösung RAIO DSS wurde ursprünglich auf der Basis von kunden­spezifischen Arbeits­plätzen zum Laserhärten entwickelt und vermarktet, die für die Laser­behandlung von verschiedenen Motor­bauteilen mit gewundener Geometrie, wie Kurbel­wellen, neuartigen Nocken­wellen und verschiedenen Arten von Antriebs­strang­getrieben erforderlich sind, aber sie kann grundsätzlich auch für andere Laser­bearbeitungs­anwendungen eingesetzt werden.

Fh.-ILT / AKL e.V. / JOL