Lasermaterialbearbeitung 01. Dez 2022 Von Stefan Asche

Intelligente Laser sparen Energie und erlauben Null-Fehler-Produktion

Forschenden am Fraunhofer-Institut für Lasertechnik ILT in Aachen ist es gelungen, die Strahlen von Ultrakurzpulslasern im Bruchteil einer Sekunde zu formen, zu teilen, zu lenken und ggf. zu korrigieren.

Zwei Flüssigkristall-Modulatoren lenken die Laserstrahlen auf das Werkstück. Dank einer Inline-Prozessüberwachung werden Soll-Abweichungen sofort erkannt und ggf. korrigiert. Ziel ist eine Null-Fehler-Produktion.
Foto: Fraunhofer ILT, Aachen.

Neue Freiheiten eröffnen sich in der Lasermaterialbearbeitung: Mit einem Flüssigkristall-Modulator lässt sich das Strahlprofil eines Lasers zeitlich hochaufgelöst frei programmieren. Der Strahl kann auch in identische Kopien aufgeteilt werden. Zusammen mit einer Inline-Prozessüberwachung und einer intelligenten Steuerung wird eine Null-Fehler-Produktion möglich. Details werden im EU-Projekt „Metamorpha“ erforscht. Das Modul wird in drei Anwendungen zusammen mit großen Industriepartnern erprobt. 30 % Energieeinsparung gegenüber herkömmlichen Verfahren sind dabei das angepeilte Mindestziel.

Fraunhofer-Institute bringen UKP-Power in die Praxis

Von Ultrakurzpuls (UKP)-Lasern schwärmt die Fachwelt schon lange: Mit Pulsen im Piko- oder Femtosekundenbereich können sie auch härteste Materialien abtragen – auf den Mikrometer genau. UKP-Laser sind inzwischen mit mehreren Hundert Watt Ausgangsleistung verfügbar, sodass sich Forschung und Entwicklung auf die Frage konzentrieren, wie man „die PS auf die Straße bringt“.

Hart am Rand: Laser macht Bauteile zielgenau verschleißfest

Am Fraunhofer-Institut für Lasertechnik ILT wird daran seit Jahren gearbeitet. Neben verschiedenen UKP-Lasern verfügt das Aachener Team auch über neueste Hochleistungs-Flüssigkristall-Modulatoren zur Strahlformung bei der Lasermaterialbearbeitung. Diese Modulatoren vertragen bis zu 150 W Laserleistung. Im EU-Projekt „Metamorpha – Made-to-measure micromachining with laser beams tailored in amplitude and phase“ werden zwei von ihnen in einem Optikmodul zusammengeschaltet. Das Modul kann ein Strahlprofil einzeln oder als Multistrahl formen und ist mit verschiedenen Bearbeitungsanlagen kompatibel, zum Beispiel 3-Achs-Maschinen, 5-Achs-Maschinen, Drehmaschinen oder Rolle-zu-Rolle-Maschinen.

Mit maschinellem Lernen zur Null-Fehler-Produktion

Mit Flüssigkristall-Modulatoren können Laserstrahlen sehr schnell geformt und geteilt werden.
Foto: Fraunhofer ILT, Aachen / Volker Lannert.

Ein großer Vorteil der Flüssigkristall-Modulatoren ist ihre Fähigkeit, das Strahlwerkzeug mehr als 60-mal in der Sekunde zu verändern. Das ermöglicht eine Optimierung des Bearbeitungsprozesses oder auch einen Prozesswechsel in einem geschlossenen Regelkreis. Dafür wird der Prozess kontinuierlich überwacht und geregelt. Optimiert werden Prozessparameter und -strategie über maschinelles Lernen, wodurch letztlich eine Fertigung mit 100 % Gutteilen ermöglicht werden soll. Nach einer entsprechenden Lernphase lassen sich so Prozesse auch simulieren und optimierte Prozessparameter vordefinieren.

Projektpartner sind Ceratizit, Thyssenkrupp und Philips

Das Hauptziel des Projektes sind umfangreiche Einsparungen von Energie und die ressourceneffiziente Produktion. Das interessiert besonders die drei Industriepartner Ceratizit, Thyssenkrupp und Philips. Sie alle haben Prozesse, für die der geplante laserbasierte Fertigungsansatz einen enormen Fortschritt hin zu einer nachhaltigen, wirtschaftlichen Produktion bedeuten würde.

Laser statt Funkenerosion: 90 % Energieeinsparung möglich

Bei Thyssenkrupp soll der Laser Prägewalzen strukturieren. Diese werden heute per Funkenerosion bearbeitet. Der Energiebedarf dafür liegt bei über 10 GWh pro Jahr. Der Laser soll davon 90 % sparen und darüber hinaus durch präzise Restrukturierung von verschlissenen Oberflächen eine zehnfach längere Lebensdauer der Prägewalzen erreichen.

Bei Ceratizit geht es darum, Hartmetallstempel und Prägestempel zu fertigen und verschlissene Werkzeuge wiederaufzubereiten. Mit einer photonischen Prozesskette soll das schneller und sparsamer geschehen.

Philips will in diesem Projekt die Herstellung eines Produktes aus dem Consumer-Bereich durch einen universellen Laserbearbeitungskopf stark vereinfachen.

Das EU-Projekt „Metamorpha“ wird vier Jahre lang gefördert

Gemeinsam wollen die Projektpartner neueste Lasertechnik, Prozesswissen und Steuerungs-Know-how zusammenführen, um etablierte Verfahren wie das Funken­erodieren oder das nasschemische Ätzen zu ersetzen und so signifikant Energie und Ressourcen zu sparen. Auch die Wiederaufbereitung von Werkzeugen mittels Lasermaterialbearbeitung ist ein wichtiger Schritt zu einem nachhaltigen Umgang mit Ressourcen. Am Ende wird die Lasertechnik so einen signifikanten Beitrag zum Schutz von Umwelt und Gesundheit leisten. Das Projekt startete am 1. September 2022 und wird mit einer Laufzeit von vier Jahren von der Europäischen Union gefördert.

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