Effizient fertigen mit Licht

Thema des Monats

Für die Fertigung der Zukunft spielen Laser eine Schlüsselrolle. Ob maßgeschneiderter 3D-Druck von Leichtbaukomponenten oder präzise Bohrungen mittels Ultrakurzpulslaser, das Anwendungsspektrum erstreckt sich über alle Branchen der produzierenden Industrie. Gebündeltes Licht ist ein Kernelement der Industrie 4.0, in der die virtuelle digitale Welt mit der realen Fertigung vernetzt ist.

Der Laser ist das Universalwerkzeug in der Produktion: Er schneidet, härtet, schweißt, poliert, misst, erzeugt Mikrostrukturen, spürt Fehler auf oder trägt Material ab. Dabei bestechen Laser durch hohe Präzision und Geschwindigkeit. Im Gegensatz zu mechanischen Werkzeugen arbeitet das gebündelte Licht berührungslos und verschleißt auch bei der Bearbeitung hochfester Stähle oder gehärteter Gläser für Smartphones nicht. Dass Laser heute so breit in der Produktionstechnik eingesetzt werden, ist auch ein Verdienst von Fraunhofer.

Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler insbesondere aus dem Fraunhofer-Verbund Light & Surfaces (siehe Kasten Seite 08 und Interview Seite 14) gaben in den vergangenen Jahrzehnten entscheidende Impulse sowohl bei der Entwicklung neuer Laser als auch für ihre Integration in die Produktion. So trugen sie durch Forschung und Entwicklung im Auftrag von Laserherstellern und innovativen Anwendern dazu bei, dass Deutschland heute in diesem Markt eine führende Stellung einnimmt.

Nach dem Branchenreport der Verbände Spectaris, VDMA und ZVEI sowie dem Bundesministerium für Bildung und Forschung BMBF stammen etwa 35 Prozent der weltweit verkauften Strahlquellen und 20 Prozent der Lasersysteme für die Materialbearbeitung aus Deutschland.

Das Potenzial der Laser ist aber noch lange nicht ausgereizt. Fraunhofer-Forscher arbeiten an Lasern der nächsten Generation und machen sie fit für den Einsatz in der Fertigung. Ein Beispiel ist der Hochleistungs-Ultrakurzpulslaser (UKP-Laser). Er erzeugt Lichtpulse, die nur wenige Piko- oder Femtosekunden kurz (billionstel oder billiardstel Sekunden), aber sehr energiereich sind. Zum Vergleich: Während ein Lichtstrahl für die Strecke von der Erde bis zum Mond etwa eine Sekunde benötigt, gelangt er in einer Pikosekunde gerade einmal 0,03 Millimeter weit. Wichtige Grundlagen für die Entwicklung und den Einsatz von Ultrakurzpulslasern legten unter anderem Experten des Fraunhofer-Instituts für Angewandte Optik und Feinmechanik IOF in Jena und des Fraunhofer-Instituts für Lasertechnik ILT in Aachen.

So demonstrierten Wissenschaftler des IOF bereits 2009 einen Ultrakurzpulslaser mit einer Leistung von 830 Watt. 2010 konnten die Aachener Experten des ILT bereits die magische Marke von 1 kW mit einem Femtosekundenlaser überschreiten. Inzwischen wurden am ILT mit einer skalierten Version des Femtosekundenlasers sogar 1,5 kW erreicht. Die Forscher des ILT arbeiten aber nicht nur an der Leistungssteigerung, sondern entwickeln auch maßgeschneiderte Strahlquellen und neue Anwendungen für ultrakurze Laserpulse.

Aber was unterscheidet Ultrakurzpulslaser von herkömmlichen Systemen? »Durch die geschickte Wahl von Pulsdauer, Pulsenergie und der richtigen Fokussierung lässt sich das Material so schnell und so stark erhitzen, dass es verdampft, ohne zu schmelzen«, erläutert Professor Andreas Tünnermann, Vorsitzender des Fraunhofer-Verbunds Light & Surfaces und Leiter des IOF in Jena. Der Abtrag erfolgt präzise und nur dort, wo er soll, Mikrometer für Mikrometer. Eine solche »kalte Bearbeitung« ist mit konventionellen Lasern nicht möglich. Letztere erzeugen Wärmeeinflusszonen. Trifft ein Laserstrahl zum Beispiel auf Metall, schmilzt das Material teilweise und es können sich Unebenheiten bilden. Das Werkstück muss dann aufwändig nachbearbeitet werden. Das kostet Zeit und Geld.

Produzieren mit Lichtblitzen

Experten nutzen schon seit einigen Jahren ultrakurze Laserpulse, um auch hochempfindliche Materialien präzise und schonend zu bearbeiten. Doch das Verfahren kam lange Zeit meist nur in Forschungslaboren zum Einsatz. Erst seit wenigen Jahren gibt es erste industrielle Anwendungen. So gelang es IOF-Forschern in Zusammenarbeit mit Bosch, Trumpf und der Friedrich-Schiller-Universität Jena, ultrakurze Laserpulse zu einem erfolgreichen Werkzeug der Serienfertigung zu machen. Ein entscheidender Baustein waren die Arbeiten von Prof. Dr. Stefan Nolte, der an der Friedrich-Schiller-Universität sowie am IOF arbeitet. Der Physiker erforschte die Wechselwirkung zwischen Laserstrahlung und Material und schaffte so die wissenschaftlichen Basis für die Bearbeitung fast aller Werkstoffe mit den energiereichen, ultrakurzen Laserpulsen. Die beiden Industrie-Unternehmen entwickelten die Technologie weiter und ermöglichten es so, sie in die Fertigungs- und Systemtechnik für industrielle Serienproduktion zu integrieren. Dafür erhielten die Experten 2013 den Zukunftspreis des Bundespräsidenten.

Mittlerweile sind UKP-Lasersysteme mit Leistungen bis 1 kW auf dem Markt erhältlich. Sie eröffnen vielen Branchen Wege zu neuen Produkten, die bislang nur äußerst schwierig oder gar nicht herzustellen waren. Die Technik kommt vor allem dort zum Einsatz, wo Werkstoffe besonders schonend und präzise bearbeitet werden müssen. So werden unter anderem extrem feine Düsen für Benzin-Direkteinspritzventile sowie besser verträgliche Stents mit den neuen Lasern gefertigt oder gehärtetes Glas für Displays in Smartphones geschnitten. Die wesentliche Herausforderung ist es nun, die verfügbaren Laserpulse mit geeigneter Prozesstechnik zu kombinieren und so weitere Anwendungen zu erschließen.

Ein mögliches neues Einsatzgebiet für UKP-Laser ist das Strukturieren von Leichtbaumaterialien wie Kunststoffen oder karbonfaserverstärkten Kunststoffen (CFK). Die modifizierten Oberflächen nehmen besser Metallpulver auf. So lassen sich auch Leichtbauwerkstoffe mit dem hocheffizienten Kaltgasspritzen (Cold-Spray-Technologie) beschichten. Bei diesem Verfahren wird der Werkstoff in Pulverform mit sehr hoher Geschwindigkeit auf das Trägermaterial aufgebracht. Die beschichteten Kunststoffe oder CFK sind vor allem für die Luft- und Raumfahrt sowie den Automobilsektor interessant. Aber auch in der Elektronikbranche ermöglichen sie viele Anwendungen: Auf ein nichtleitendes Gehäuse kann mit der Kaltgas-Spritztechnologie eine Kupferschicht aufgebracht werden, die ohne Lüfter Wärme abführt. In dem EU-Verbundprojekt »Efficient Manufacturing of Laser Assisted Cold-Sprayed components EMLACS« arbeiten Forscher des ILT gemeinsam mit französischen, niederländischen und deutschen Partnern an der Entwicklung eines entsprechenden Prozesses.

Ultrakurzpulslaser sind insbesondere für das Verarbeiten von Glas interessant, denn sie minimieren Spannungen und somit mögliche Schädigungen wie Rissbildungen. Allerdings sind die Wechselwirkungen zwischen ultrakurzen Laserpulsen und den Absorptionseffekten in transparenten Werkstoffen noch nicht ausreichend erschlossen. Diese Lücke soll das Projekt »Femto Photonic Production« schließen. Ziel ist es, die Grundlagen der Materialbearbeitung von Glas, Saphir und Diamant zu legen. Aufbauend auf diesen Resultaten sollen dann für alle relevanten Materialklassen die optimalen Leistungsparameter für die verschiedenen Laserklassen, angepasste Optiken und Systemlösungen abgeleitet und anschließend in experimentellen Studien gemeinsam mit den Industriepartnern evaluiert werden. Die Ergebnisse sind besonders für die Fertigung von Displays, modernen LEDs oder Leistungstransistoren zum Steuern großer Spannungen oder Ströme interessant. In dem Forschungsvorhaben, das im Oktober 2014 startete, arbeiten Experten des Fraunhofer-Instituts für Lasertechnik ILT und der RWTH Aachen University, Lehrstuhl für Lasertechnik LLT mit den Strahlquellenherstellern Trumpf, Edgewave und Amphos sowie den Systemanbietern 4Jet, LightFab und Pulsar Photonics zusammen.

Vollkommen neue Fertigungsmöglichkeiten eröffnet das selektive Laserschmelzen (Selective Laser Melting, SLM). Entscheidende Grundlagen für dieses generative Herstellungsverfahren legten Forscherinnen und Forscher des ILT bereits Mitte der 1990er Jahre. Seither haben sie das 1996 patentierte Verfahren kontinuierlich weiterentwickelt. Beim SLM wird das Bauteil direkt aus den computergenerierten Konstruktionsdaten des geplanten Werkstücks (CAD) schichtweise mit Pulver aufgebaut – ohne bindende Zusatzwerkstoffe einzusetzen. Der Ausgangswerkstoff ist meist ein Metallpulver, das entsprechend der berechneten Flächen des CAD-Modells selektiv mit dem Laserstrahl durch lokalen Wärmeeintrag aufgeschmolzen wird. Das Ganze funktioniert im Grunde ähnlich wie ein Drucker, aber in drei Dimensionen. Mittlerweile wird das Verfahren in der Fertigung eingesetzt – etwa im Werkzeugbau, der Medizintechnik sowie der Automobil- und der Luftfahrtindustrie.

Die generative Fertigung bietet zahlreiche Vorteile. Es werden weder spezielle Werkzeuge noch Formen gebraucht. Zudem fällt kaum Abfall an – das überschüssige Pulver lässt sich in der Regel wiederverwenden. Wie ressourcenschonend man im Vergleich zu herkömmlichen Verfahren mit generativer Laserfertigung produzieren kann, zeigt sich am Beispiel der sogenannten Blade Integrated Disk (Akronym BLISK) Turbinen-Herstellung. Bislang werden diese hochwertigen Teile aus einem riesigen Materialblock herausgefräst. Dabei geht jedoch sehr viel des teuren Werkstoffs verloren. Die schichtweise Herstellung mit Laserauftragschweißen – bei dem ein Laserstrahl auf den Fokus eines Pulverstrahls an der Oberfläche des zu bearbeitenden Bauteils gerichtet wird – bietet darüber hinaus eine nahezu unbegrenzte gestalterische und konstruktive Freiheit.

Die Ingenieure können ein Bauteil so entwerfen, dass es seine Funktion optimal erfüllt, ohne darauf zu achten, ob es sich überhaupt herstellen lässt. »Mit der generativen Fertigung lassen sich nahezu beliebig komplexe Geometrien, auch mit internen Strukturen, realisieren. Dadurch können Bauteile funktionsoptimiert ausgelegt werden, ohne Restrik-tionen bisheriger Fertigungsverfahren berücksichtigen zu müssen«, betont Dr.-Ing. Wilhelm Meiners vom ILT. Das macht das Verfahren vor allem auch für den Leichtbau interessant. So entwickelten ILT-Forscher per SLM-Verfahren unter anderem einen sehr leichten Querlenkerträger für einen Sportwagen, an dem die Räder einzeln aufgehängt sind. Dank einer Hohlstruktur im Inneren ist er zugleich leichter und stabiler als gegossene oder spanend bearbeitete Bauteile. Wie leistungsfähig die 3D-Technologie im Kunststoffbereich bereits ist, demonstriert Fraunhofer in Zusammenarbeit mit dem Unternehmen Materialise auf der diesjährigen Messe LASER World of Photonics: unter dem Dach des UNESCO-Jahres des Lichtes stellen sie dort in zwei Meter hohen Lettern den Schriftzug »LIGHT«, englisch für »Licht« aber auch für »leicht« aus. Die Besonderheit: Die Buchstaben bestehen aus einer komplex geformten luftigen Gitterstruktur, die per 3D-Druck auf der patentierten Mammut-Stereolithographieanlage des Unternehmens Materialise hergestellt wurde.

Bislang nutzen Unternehmen die generative Fertigung mit SLM vor allem für kleine metallische Bauteile. Damit sich auch große Komponenten über das Selective Laser Melting ausdrucken lassen, entwickelten Forscher am ILT ein neues Anlagenkonzept. »Statt im SLM-Prozess auf Scannersysteme zu setzen, verwenden wir in unserer Anlage eine Multispot-Bearbeitung – also einen Bearbeitungskopf, aus dem fünf einzelne Laserstrahlen kommen«, erläutert Florian Eibl, Wissenschaftler am ILT. Der Vorteil: Der Schmelzprozess wird dadurch parallelisiert, somit lassen sich selbst große Teile schnell und ohne zusätzlichen Aufwand produzieren. Das neue Anlagenkonzept wurde im Exzellenzcluster »Integrative Produktionstechnik für Hochlohnländer« entwickelt, konstruiert und aufgebaut.

Mit der generativen Fertigung lassen sich sogar thermisch hoch belastete Bauteile aus Nickel-Superlegierungen produzieren. Damit sich solche schwer bis nicht schweißbare Hochleistungswerkstoffe mit gebündeltem Licht bearbeiten lassen, kombinieren Forscherinnen und Forscher des Fraunhofer-Instituts für Werkstoff- und Strahltechnik IWS in Dresden das Laser-Pulver-Auftragschweißen mit Induktion.

»Durch zusätzlich lokal in das Bauteil eingebrachte Wärme und eine präzise Prozesssteuerung lässt sich die Bildung von Heiß- und Kaltrissen unterdrücken«, erläutert Dr.-Ing. Frank Brückner vom IWS. Nickel-Superlegierungen sind vor allem in stationären Gasturbinen oder Strahltriebwerken im Einsatz. Sie ermöglichen Einsatztemperaturen oberhalb von 700 °C. Mit der neuen Technologie lassen sich auch weitere neuartige Hochleistungswerkstoffe wie zum Beispiel intermetallische Verbindungen aus Titan und Aluminium bearbeiten.

Gebündeltes Licht für die Industrie 4.0

Forscher des IWS Dresden entwickeln seit einigen Jahren Prozesse und die dazu erforderliche Systemtechnik, um in virtualisierten Prozessketten Bauteile direkt aus metallischen Werkstoffen zu erzeugen. In dem Projekt »Additiv-generative Fertigung – AGENT-3D« arbeiten sie daran, Produkte zuerst am Computer zu entwerfen und dann direkt in einem automatisierten Prozess ohne weitere Zwischenschritte einbaufertig herzustellen.

Ziel ist es, die additiv-generative Fertigung zur Schlüsseltechnologie der Industrie 4.0 zu entwickeln. Dazu hat sich ein Konsortium mit 75 Partnern aus Wirtschaft und Wissenschaft gebildet. Das Forschungsvorhaben ist Teil des vom Bundesministerium für Bildung und Forschung BMBF geförderten Programms »Zwanzig20 – Partnerschaft für Innovation«.

Wie sich Licht als Werkzeug in einer künftig immer stärker digitalisierten Produktion nutzen lässt, wird in Aachen am Forschungscampus »Digital Photonic Production« untersucht. Hinter dem Begriff »Digital Photonic Production« (DPP) steht das Konzept, mit Bits (Computerdaten) Photonen der Laserstrahlung zu steuern und daraus Atome zu Werkstücken zusammenzusetzen – und zwar beliebig komplex und in beliebig geringen Stückzahlen, bei gleichbleibend niedrigen Stückkosten.

»Der Laser ist das einzige Werkzeug, das so schnell arbeitet, wie ein Computer denkt«, erläutert Christian Hinke, der die Gruppe für integrative Produktion am Lehrstuhl für Lasertechnik LLT der RWTH Aachen University leitet und die strategisch über die nächsten 15 Jahre vom BMBF geförderte DPP-Initiative koordiniert. Einer der Initiatoren und Sprecher des DPP Forschungscampus ist Professor Reinhart Poprawe, Leiter des ILT.

Am DPP Forschungscampus wird an folgenden Schwerpunkten gearbeitet: Dem Selective Laser Melting, dem Einsatz von Ultrakurzpulslasern und der selektiven Oberflächenbearbeitung mit neuartigen Halbleiter-Strahlquellen, bei denen das Licht senkrecht zur Ebene des Halbleiterchips abgestrahlt wird. Mit solchen VCSE-Lasern (engl. vertical-cavity surface-emitting laser) lassen sich Oberflächen sehr effizient selektiv, d.h. ortsaufgelöst veredeln. Das ILT bringt in den Forschungscampus bereits bestehende Aktivitäten ein – etwa den zehn Millionen Euro starken Fraunhofer-Innovationscluster AdaM. In dem Cluster arbeitet das ILT unter anderem mit dem Fraunhofer-Institut für Produktionstechnologie IPT an generativen Fertigungsverfahren, mit denen sich Komponenten für Flugzeugtriebwerke und Gasturbinen für die Energieerzeugung herstellen lassen.

Ein wesentliches Ziel des DPP-Forschungscampus ist es, Grundlagenforschung, angewandte Forschung und Industrie stärker miteinander zu vernetzen. Deshalb testen die Beteiligten neue Formen der Zusammenarbeit, etwa das Immatrikulations-Modell. Hierbei siedeln sich Unternehmen auf dem Campus der Universität an und forschen gemeinsam mit den Wissenschaftlern aus der RWTH Aachen University und von Fraunhofer an Themen, die über das kurzfristige Interesse an neuen Produkten hinausgehen.

Die Firmen unterhalten nicht nur kleine Büros auf dem Campus. Ihre Experten sind auch aktiv in Forschung und Fortbildung eingebunden. Das erleichtert den Wissenstransfer zwischen Wissenschaft und Wirtschaft: Die Forscher erfahren, wofür sich die Industrie interessiert. Und die Firmen können aktuelle Forschungsergebnisse schneller in neue Produkte umsetzen. An dem Forschungscampus sind Industriekonzerne wie BMW, MTU, Philips, Siemens und Trumpf sowie kleine und mittelständische Unternehmen wie Amphos, Innolite, ModuleWorks und SLM Solutions beteiligt. Das Bundesministerium für Bildung und Forschung BMBF fördert das Vorhaben insgesamt 15 Jahre mit bis zu zwei Millionen Euro jährlich. Zusätzlich entsteht bis Ende des Jahres ein von privaten Investoren mit über elf Millionen Euro finanziertes Innovationszentrum, in dem interessierte Kooperationspartner aus der Industrie Büroräume und Labore in unmittelbarer Nähe zum ILT anmieten können.

Mit ihren Arbeiten tragen Fraunhofer-Forscherinnen und Forscher dazu bei, die Produktion mithilfe des Werkzeugs Licht fit für die Herausforderungen der Zukunft zu machen.