01.12.2022 • News

Programmierbare Laserstrahlen sparen Energie

In der Lasermaterialbearbeitung ergeben sich neue Freiheiten: Mit einem Flüssigkristall-Modulator lässt sich das Strahlprofil eines Lasers zeitlich hochaufgelöst frei programmieren. Der Strahl kann auch in identische Kopien aufgeteilt werden. Auf diese Weise sollen gegenüber herkömmlichen Verfahren bis zu 30 Prozent Energie eingespart werden.

Mit Pulsen im Piko- oder Femtosekundenbereich können Ultrakurzpuls (UKP)-Laser auch harte Materialien abtragen und das auf Mikrometer genau. Zudem sind UKP-Laser inzwischen mit mehreren Hundert Watt Ausgangsleistung verfügbar. Neben verschiedenen UKP-Lasern verfügt das Team am Fraunhofer-Institut für Lasertechnik ILT in Aachen auch über Hochleistungs-Flüssigkristall-Modulatoren zur Strahlformung bei der Lasermaterialbearbeitung. Diese Modulatoren vertragen bis zu 150 Watt 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 angepassten Strahlprofilen und einem Multistrahlansatz lässt sich die...

Im Projekt Metamorpha wird die dynamische Strahlformung für industrielle...

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 mit einer intelligenten Steuerung geregelt. Optimiert werden Prozessparameter und -strategie über maschinelles Lernen, wodurch letztlich eine Fertigung mit 100 Prozent Gutteilen ermöglicht werden soll. Nach einer entsprechenden Lernphase lassen sich so Prozesse auch simulieren und optimierte Prozessparameter vordefinieren.

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 Fortschritt hin zu einer nachhaltigen, wirtschaftlichen Produktion bedeuten würde. Bei Thyssenkrupp soll der Laser Prägewalzen strukturieren. Diese werden heute über Funkenerosion bearbeitet. Dafür fallen über 10 GWh pro Jahr an. Der Laser soll davon 90 Prozent 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.

Über das Projekt Metamorpha

Gemeinsam wollen die Projektpartner neue 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. Das Projekt startete am 1. September 2022 und wird mit einer Laufzeit von vier Jahren von der Europäischen Union gefördert.