09.01.2014

Außergewöhnlicher wissenschaftlicher Fortschritt mit hohem wirtschaftlichen Potenzial

Prof. Dr. Nolte, Friedrich Schiller University / Fraunhofer IOF

Prof. Dr. Nolte, Friedrich Schiller University / Fraunhofer IOF

Vereinte Anstrengungen von Bosch, Trumpf, der Universität Jena und des Fraunhofer IOF, die aus dem Ultrakurzpulslaser ein Werkzeug der Serienproduktion gemacht haben, wurden mit dem Deutschen Zukunftspreis 2013 belohnt. Dr. Stefan Nolte, der dabei für die wissenschaftlichen Grundlagen sorgte, arbeitet als Professor für Experimental- und Laserphysik an der Friedrich-Schiller-Universität sowie am Fraunhofer-Institut für Angewandte Optik und Feinmechanik IOF in Jena.

1. Sie erhielten zusammen mit Dr. Jens König von Bosch und Dr. Dirk Sutter von TRUMPF den Deutschen Zukunftspreis 2013? Wie lange hat es gedauert den Ultrakurzpulslaser (UKP) in die industrielle Großserienfertigung zu bekommen? Wie muss man sich so eine Zusammenarbeit vorstellen?
Dr. Stefan Nolte: Ich selbst arbeite an dem Thema nun schon seit fast 20 Jahren, seit 1999 auch gemeinsam mit Bosch und Trumpf. Das Bundesministerium für Bildung und Forschung hat damals mit Förderinitiativen zu Ultrakurzpulslasern die geeigneten Rahmenbedingungen geschaffen. Insbesondere in den Verbundprojekten Primus und Promptus haben wir gemeinsam ganz wesentliche Grundlagen für die Umsetzung dieser Technologie erarbeitet.

Die prinzipiellen Vorteile ultrakurzer Laserpulse für eine extrem präzise und schädigungsarme Bearbeitung waren damals bekannt. An einen produktiven Einsatz in einer Großserienfertigung war aber nicht zu denken, die Untersuchungen fanden in Forschungslaboren statt. Um einen produktiven und zuverlässigen Prozess zu erarbeiten waren viele weitere Arbeiten notwendig. Insbesondere mussten wir klären, welche Pulsdauer wirklich nötig ist und welche Pulsenergien sinnvollerweise eingesetzt werden können. Während an der Uni Jena und am Fraunhofer IOF die experimentellen Grundlagen erarbeitet wurden, wurden bei Bosch die Anforderungen und Spezifikationen definiert und eine industrielle Umsetzung erarbei

Trumpf kümmerte sich darum, die Ultrakurzpulslaser immer leistungsstärker und vor allem auch zuverlässiger und robuster zu machen. Erst durch diese gemeinsame Arbeit gelang es, eine verlässliche industrielle Serienproduktion mit Ultrakurzpulslasern mit allen Vorteilen wirklich umzusetzen.

2. Lasertechnik ist aus dem Automobilbau nicht mehr wegzudenken. Der Ultrakurzpuls-Laser ist jedoch noch ziemlich neu in dem Bereich. Woran liegt das?
Dr. Stefan Nolte: Ultrakurzpulslaser waren insbesondere zu Beginn hochkomplexe Systeme, die nicht für einen industriellen Einsatz geeignet waren. Gerade damals standen wir vor einem Henne-Ei-Problem: Die Entwicklung zuverlässiger und robuster Strahlquellen und auch der entsprechenden Anlagentechnik war teuer, aufwändig und mit hohen Marktrisiken behaftet. Andererseits war eine erfolgreiche industrielle Umsetzung in der Produktion gerade von den Strahlquellen und einer entsprechenden Anlagentechnik abhängig. Und schließlich hängt die Prozessentwicklung selbst auch wieder von der verfügbaren Laserparametern ab. Daher waren natürlich gerade entsprechende Verbünde aus Grundlagenforschung, Laserentwicklung und industrieller Umsetzung wichtig, das Thema voranzutreiben. Zusätzlich bedurfte es auch entsprechenden Mutes, um den risikohaften Weg einer solchen Neuentwicklung eines Werkzeugs zu gehen.

3. Mit wie viel Watt arbeiten die aktuell bei Bosch eingesetzten UKPs und wie erreicht man diese Leistung?
Dr. Stefan Nolte: In den derzeitigen Serienanwendungen von Bosch sind überwiegend Laserquellen mit 50W mittlerer Leistung im Einsatz, es sind jedoch auch schon Laser mit deutlich mehr Leistung verfügbar. Um solche Leistungen zu erreichen hat die Firma Trumpf auf das Scheibenlaserkonzept gesetzt. Hier wird statt eines Laserstabs nur ein dünnes Scheibchen verwendet. Durch diesen Ansatz können thermooptische Probleme im Laser vermieden werden. Eine Leistungsskalierung erfolgt über eine Vergrößerung des Laserspots auf der Scheibe.??4. Wo werden die Ultrakurzpulslaser im Augenblick eingesetzt? Sind weitere Anwendungen geplant??Dr. Stefan Nolte: Bei Bosch werden mit dieser Technologie derzeit Löcher mit angepasster Form in Düsen für die Benzin-Direkteinspritzung gebohrt. Dadurch verteilt sich das Benzin besser im Brennraum, was dazu beiträgt, bis zu 20 Prozent Kraftstoff zu sparen. Weitere Anwendungsbeispiele betreffen Ventile für effizientere Öl-Heizkessel, keramische Abgassensoren mit höherer Messgenauigkeit oder Drainage-Nuten in Diesel-Injektoren. Anwendungen gibt es aber auch in ganz anderen Bereichen wie dem Schneiden von gehärteten Deckgläsern für Smartphones oder die Fertigung bioresorbierbarer Stents (Gefäßwandstützen) aus Polymeren.
Leider darf man ja nicht immer über alle Anwendungen reden, es existieren jedoch noch eine ganze Reihe weiterer Applikationen und ich bin sicher, es werden in Zukunft noch viele weitere folgen, da die Bandbreite der bearbeitbaren Materialien riesig ist.

5. Was sind die Vorteile der „ultrakurzen“ Technologie?
Dr. Stefan Nolte: Ultrakurzpulslaser erlauben die Bearbeitung nahezu aller Materialien mit extrem hoher Präzision. Dazu ist jedoch eine geschickte Wahl von Pulsdauer, Pulsenergie, Taktrate und der richtigen Fokussierung nötig. So wird das Material so schnell und so stark erhitzt, dass es ohne zu schmelzen verdampft. Dadurch lassen sich feinste Bereiche in der Größe von nur wenigen Millionstel Millimetern (Nanometer) abtragen – ohne gratbildende Schmelzreste und qualitätsmindernde Materialerwärmung. Deswegen wird auch häufig von „kalter Bearbeitung“ gesprochen.

6. Wo besteht noch Verbesserungsbedarf?
Dr. Stefan Nolte:Bei dieser Technologie handelt es sich um ein neues Werkzeug. Viele Anwendungen müssen erst noch erschlossen werden. Dies wird einhergehen mit einer weiteren Leistungssteigerung der Lasersysteme und einer entsprechenden Weiterentwicklung der Prozessführung, um neue Anwendungen adressieren und die Laserleistung auch in effiziente Fertigungsprozesse umsetzen zu können. In anderen Anwendungen reicht auch eine geringere Pulsenergie – potenziell bei noch höherer Taktrate, wie sie von einem kleinen neuen Faserlaser-basierten Produkt von Trumpf möglich ist.

7. Wohin geht die Entwicklung des Ultrakurzpulslasers?
Dr. Stefan Nolte: Einerseits werden die Ultrakurzpulslaser leistungsstärker werden. Je nach Applikation kann aber auch der Einsatz von noch kürzeren Pulsdauern sinnvoll sein, insbesondere bei der Bearbeitung transparenter Materialien. Trumpf hat z.B. bei der letzten Lasermesse eine Femtosekunden-Variante vorgestellt, die sich relativ einfach von den etablierten Ytterbium-basierten Industrielasern ableiten lies. Es wird aber nicht nur um eine einfache Verkürzung der Pulsdauer gehen, sondern auch um eine maßgeschneiderte zeitliche und räumliche Energiezufuhr durch entsprechend geformte Pulse.??Danke für das Interview.

Mehr Informationen:
www.iof.fraunhofer.de

 
 
 
 
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