Computersimulation optimiert Laserbearbeitung
Fraunhofer-ILT stellt auf der Lasermesse Digital Photonic Production vor.
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. Auf der Laser World of Photonics 2013, die kürzlich in München zu Ende ging, stellte das Fraunhofer-Institut für Lasertechnik ILT daher nicht nur Strahlquellen und Fertigungsprozesse für ultrakurze Laserpulse vor, sondern zeigte an einem Sonderstand auch die systematische Optimierung von Laserbearbeitungsprozessen durch Computersimulationen. Die 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 und Größe der Bauteile dabei fast keine Rolle.
Abb.: Polygonscanner zur schnellen Strahlumlenkung. Die Demonstration auf der Lasermesse zeigte die Gravur einer metallischen Visitenkarte. (Bild: Fh.-ILT.,W. Schwager)
Gemeinsam mit dem Lehrstuhl für Lasertechnik der RWTH Aachen und verschiedenen industriellen Partnern wie Concept Laser, Realizer, SLM Solutions, MTU, Bego Medical, Citim und Schepers präsentierte das ILT verschiedene Anlagen und Designsoftwaretools für den industriellen Einsatz. Die Beispiele kamen aus den Bereichen Automotive, Luft- und Raumfahrt, Energietechnik, Leichtbau und Medizintechnik sowie dem Consumerbereich und zeigten das enorme Potenzial der Technologie. 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 und anschließend mit nasschemischen Verfahren entfernt werden. Damit lassen sich vollwertige 3D-Hohlstrukturen beispielsweise in Glas industriell und direkt aus digitalen Daten erzeugen.
Der große Vorteil der Ultrakurzpulslaser ist die kalte Ablation. Dieser Vorteil lässt sich nur erhalten, wenn nicht zu viele Pulse überlappen. Bei Pulsfrequenzen im MHz-Bereich und Spotgrößen von 20 µm muss der Spot dafür mit Geschwindigkeiten von mehr als 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 × 100 mm2 lässt sich damit in drei 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.
Darüber hinaus präsentierte das ILT erstmals ein Femtosekunden-Lasersystem, das bei 1 kW Ausgangsleistung ein Strahlparameterprodukt unter 2 mm mrad erreicht. Mit einem ähnlichen System erreichten die Wissenschaftler im Labor auch einen neuen Weltrekord bei der Erzeugung grüner Kurzpulsstrahlung: 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. Das System eignet sich 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 Femtosekundenpulsen einzusetzen.
Fh.-ILT / AH
