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Laser für die Fabriken der Zukunft

Im EU-geförderten HALO-Projekt wurde bestehende Lasertechnologie für die Materialverarbeitung weiterentwickelt und flexibler gestaltet. So werden Qualität und Geschwindigkeit erhöht, während die Gesamtkosten sinken.
Laser für die Fabriken der Zukunft
Im Lauf der letzten Jahre ist die Anwendung von Hochleistungslasern, insbesondere zur Automatisierung von Fertigungslinien, zur Normalität geworden. Sie werden für Metalle, Keramik, Glas, Halbleiter und Kunststoffe eingesetzt, um diese zu schneiden, zu kennzeichnen, zusammenzufügen oder mit Mustern zu versehen. Daher sind diese Laser nun integraler Bestandteil der Fertigung vieler alltäglicher Dinge, etwa der elektronischen Komponenten, die das Informationszeitalter ausmachen, in dem wir inzwischen leben.

Der Ansatz „One size fits all“ ist hier allerdings nicht anwendbar, denn für verschiedene Verfahren und Werkstoffe sind auch unterschiedliche Laser von Nöten. Um die europäische Industrie auf globaler Ebene wettbewerbsfähiger zu machen, benötigen wir eine anpassbarere Generation neuer Laserwerkzeuge. Das HALO-Projekt wurde ins Leben gerufen, um genau diesen Durchbruch herbeizuführen.

Neue Laser kommen in Form

Die Anwendung von Lasern in der Materialwissenschaft bedeutet, viele komplexe Variablen ins Gleichgewicht zu bringen, darunter Leistung, Impuls, Wellenlänge, Form, Dauer und Strahlprofil. Die HALO-Forscher ermittelten in Versuchen den aktuellen Stand der Technik und pflegten ihre Ergebnisse in eine Datenbank ein. Zudem wurde das Laserschneidverfahren sorgfältig analysiert, indem Videos mit hoher Bildwiederholrate aufgezeichnet und ausgewertet wurden. Ausgehend von bekannten Datenpunkten konnten dann Metamodelle dazu beitragen, die vorteilhaftesten Parameter für die Anwendung von Lasern in verschiedenen Szenarien zu bestimmen. Diese Modelle zeigten vielversprechende Möglichkeiten auf, um die Anpassbarkeit zu erhöhen, etwa durch Veränderung der Strahlform.

Der Lichtpunkt, den ein Laser der getroffenen Oberfläche erzeugt, ist in seinem Zentrum am hellsten. Die Lichtintensität nimmt nach außen hin ab, was zur klassischen glockenförmigen Form führt (Gauß-Verteilung). Dies ist jedoch nicht für alle Laseranwendungen ideal. So wäre für hochpräzise Schneidverfahren eher ein Halo-Effekt, also ein hellerer Ring um ein dunkleres Zentrum, von Vorteil. Durch eine veränderte Form konnte die Effizienz einiger Verfahren um bis zu 30 % gesteigert werden.

Die HALO-Forscher setzten sich zum Ziel, das Laserschneiden für drei industrielle Anwendungsbereiche flexibler zu gestalten. Zu diesem Zweck untersuchten sie zunächst die Nutzung fasergeleiteter Dauerstrichsysteme zum Schneiden von Metallblechen mit einer Dicke von 1–25 mm, was den größten Marktanteil für industrielle Laser darstellt. Die HALO-Verfahren verbesserten die Kantenqualität und verminderten den Abbrand. Anschließend untersuchten sie gepulste Laser, die neue Wellenlängen emittierten, die zum Schneiden von Glas und dünnen Metallblechen von unter 1 mm Dicke ideal waren. Dies ist für Komponenten von Mobiltelefonen und Computern interessant. Hier konnten mit den Techniken die Rauheit gesenkt und die Biegefestigkeit verbessert werden. Abschließend analysierten die Forscher erstmals das Schneiden von Saphiren mithilfe eines wasserstrahlgeleiteten Lasers, wobei die HALO-Techniken den Wärmeschaden reduzierten.

Folgende Fortschritte

Da die in HALO angewendeten Laserkonstruktionen und -verfahren vollkommen neu waren, konnten die Projektmitglieder viele Komponenten entwickeln, von denen einige bislang noch nicht verfügbar waren, darunter: Kapillarverjüngungen, Isolatoren, akusto-optische Modulatoren, einen in einem Resonator gelegenen akusto-optischen Güteschalter sowie segmentierte Wellenplatten für exakt abgestimmte Polarisierung.

Hinsichtlich des Metallblechschneidens wurde die optimale Laserstrahlpolarisierung durch Fortschritte bei der Anwendung von Hochgeschwindigkeitsvideographie mit diesem Verfahren erzielt. Zudem entwickelten die Forscher einen 2 Mikrometer (µm) breiten Laser, mit dem transparente Polymere geschnitten werden könnten. Für das Glasschneiden wurden ultrakurz gepulste Laser mit speziell angepassten Strahlformen und Multi-Spot-Mustern weiterentwickelt. Diese lieferten eine verbesserte Schneidqualität und -geschwindigkeit und minimierten Probleme wie die Bildung von Mikrorissen.

Die im Projekt gesammelten Erkenntnisse flossen in das interaktive HALO-Tool für Planung und Beurteilung ein, mit dem Anwender über eine Schnittstelle Module abfragen können, um die optimale Laseroptik und die geeignetsten Laserverfahren für ihre Zwecke zu bestimmen.

Der vielleicht wichtigste Aspekt der HALO-Forschung ist, dass nun die Möglichkeit besteht, einen anpassbaren Laser für Fertigungsverfahren einzusetzen, etwa zum Schneiden von Gummi- und Metallteilen durch Roboter in der Automobilindustrie, wofür derzeit noch mehrere Laser benötigt werden.

Weitere Informationen finden Sie auf:
HALO-Projektwebsite

Quelle: Gestützt auf Projektinformationen

Verwandte Informationen

Datensatznummer: 125780 / Zuletzt geändert am: 2016-07-12
Kategorie: Neue Produkte und Technologien
Anbieter: ec
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