Der Einsatz von UKP-Lasern hat sich in vielen Anwendungsfeldern bereits bewährt. Damit künftig auch Hochleistungs-UKP-Prozesse Produkte veredeln können, müssten sie die Taktzeiten bestehender Prozessketten und den Kostenrahmen einhalten. „Es kommt darauf an, die Produktivität auf industrielles Niveau zu steigern“, erklärt Dr. Dennis Haasler, der am Fraunhofer-Institut für Lasertechnik ILT in Aachen die Gruppe Mikro- und Nanostrukturierung leitet.
Hochleistungsstrahlenquelle soll das Einsatzspektrum der UKP-Laser erweitern
Im Fraunhofer-internen Cluster of Excellence CAPS, dem 21 Institute der Fraunhofer-Gesellschaft angehören, werden mögliche Anwendungen von Hochleistungsstrahlenquellen bereits untersucht. Sie sind zum Beispiel interessant, um Prozesse der Batterie- und Brennstoffzellen-Fertigung oder des Werkzeugbaus und der Halbleitertechnik zu optimieren. „Im Fraunhofer-Cluster CAPS möchten wir klären, wie Hochleistungsstrahlquellen das Einsatzspektrum der UKP-Technologie erweitern können“, sagt Haasler. Mit entsprechenden Versuchen wird sein Team dieser Frage in den nächsten Monaten systematisch auf den Grund gehen.
(Bild: Fraunhofer ILT, Aachen / Ralf Baumgarten)
Im Zentrum steht dabei eine neue, für den industriellen Einsatz konzipierte Ultrakurzpuls-(UKP)-Laserstrahlquelle mit einer mittleren Leistung von 1 kW. Entwickelt hat sie die Ditzinger Trumpf SE & Co. KG. Im Zuge einer bilateralen Kooperation stellt das Unternehmen dem Fraunhofer ILT den neuen Trumicro 9000 zur Verfügung. Geplant sind damit unter anderem Versuche zu Pilotanwendungen und das Erproben verschiedener Strahlführungsstrategien.
Die neue Strahlquelle bietet die vielfache mittlere Leistung der aktuell leistungsstärksten UKP-Laser für die Industrie. Auch ihre Pulsenergie von 10 mJ übersteigt das bisherige Niveau deutlich. Mit unter 900 fs Pulsdauer, zahlreichen Burst-Optionen und einer hohen Strahlqualität von M² 1,3 könnte das System einen Produktivitätsschub in der UKP-Materialbearbeitung auslösen. „Erstmals steht uns eine Kilowatt-Strahlquelle zur Verfügung, die wie etablierte UKP-Industrielaser der 200-W-Klasse performt“, erklärt Haasler.
Nicht die Frage nach mehr Präzision, sondern nach Produktivität treibt die Technologie an
Auch UKP-Laser mit hoher Leistung punkten mit geringem Wärmeeintrag
Die Femto- oder Pikosekundenpulse bündeln sehr viel Energie, doch dank der kurzen Einstrahlungsdauer bleibt die thermische Belastung des Materials minimal. Im Zentrum der Tests am Fraunhofer ILT wird die Frage stehen, mit welchen Prozessführungsstrategien und Systemauslegungen sich die hohe mittlere Leistung optimal zum Bearbeiten der jeweiligen Werkstücke nutzen lässt. Dafür stehen mehrere Versuchsaufbauten bereit.
Strahlteilungs- und Strahllenkungsstrategien bieten sich durch den Eintritt in den kW-Leistungsbereich und die hohe Pulsenergie an: Diese Parallelisierung soll die Bearbeitung produktiver machen. Um das nachzuweisen, testet Haaslers Team verschiedene Ansätze. So sei etwa beim selektiven Abtrag der Polymerschichten von Compound-Bipolarplatten eine andere Systemtechnik gefragt als bei der Mikrostrukturierung von Metalloberflächen.
Die Pilotanwendungen kommen aus der Praxis. So gibt es zum Beispiel im Werkzeugbau, in der Medizin- und Umwelttechnik, der Halbleiterfertigung und in den Printed Electronics vielfältige Anwendungen, in denen UKP-Materialbearbeitung Qualitätsvorteile verspricht.
Mikro- und Nanostrukturierung als Anwendungsfelder
In Vorbereitung auf die Versuche mit dem aktuellen System haben sich die Fachleute vom Fraunhofer ILT theoretisch diversen Anwendungen in der Mikro- und Nanostrukturierung angenähert. Die erforderlichen Laserleistungen wurden anhand der benötigten Materialabtragvolumen und -raten bereits berechnet.
Doch woher kommt die hohe Energie? Die maximale Einzelpulsenergie sowie die resultierende mittlere Leistung haben die Entwickler der Laserstrahlquelle bei Trumpf so deutlich steigern können, indem sie „erprobte Technologie-Bausteine in der Verstärkerkette“ kombinierten, berichtet Steffen Rübling. Er ist beim Maschinenbauer Trumpf als Produktmanager für die UKP-Laser der Trumicro-Familie zuständig.
Dem Team seien aber auch Erkenntnisse aus der Komponentenentwicklung für Dauerstrich (CW)- und Kurzpuls-Laser zugute gekommen. So war der Hauptverstärker des neuen Trumicro 9000 – eine so genannte Multi-Pass-Zelle – ursprünglich für die Verstärkung von Nanosekundenpulsen im Leistungsbereich von 3 kW im Einsatz. Das Übertragen solcher erprobter Technologiebausteine auf die UKP-Strahlquelle habe dafür gesorgt, dass diese auf Anhieb industriellen Anforderungen genügt. (op)
Entwicklungspartnerschaft für UDI: Samaplast setzt auf Trumpfs Laser-Expertise
Weitere Informationen
Um aktuelle Entwicklungen im Bereich der UKP-Strahlquellen und der erforderlichen Systemtechnik geht es beim 8. UKP Workshop am 8. und 9. April 2025 in Aachen. Das Themenspektrum reicht von den Basics der UKP-Technologie über Trends in der Strahlformung und bei den Laserstrahlquellen bis hin zu Anwendungen in der Elektronik, Energiespeicherung, Glasbearbeitung und Mikroelektronik. Erste Ergebnisse der Versuchsreihen mit dem Trumicro 9000 werden ebenfalls vorgestellt.
Was die Strahlenquelle noch kann
Ein weitere mögliche Applikation des UKP-Laser mit der hohen Leistung ist der Einsatz als Secondary Source zur Erzeugung von Röntgenstrahlung. Diesen Ansatz erkunden die Fachleute vom Fraunhofer ILT gemeinsam mit Trumpf und weiteren Industriepartnern im Forschungsprojekt Xprolas. Das BMBF fördert dieses Vorhaben.
UKP-Laser dienen beim Erzeugen von Röntgenstrahlung als vorgelagerte Strahlquelle. Ihre hochintensiven Pulse werden auf weniger als 50 fs komprimiert und treffen stark fokussiert und auf das sogenannte Target – ein Metall wie Gallium, Indium oder Zinn. Abhängig von dem jeweiligen Target entstehen so unterschiedliche Plasmen, die einen Teil ihrer Energie als äußerst kurzwelliges Licht abstrahlen.
Geplant sind im Projekt hochkompakte exzellente Röntgenstrahlquellen, die in Zukunft Einblicke in laufende Be- und Entladeprozesse von Batterien ermöglichen sollen.
