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Hochdurchsatzlaser für eine präzise, kosteneffziente Werkstoffbearbeitung

Wenn die Fertigung mit Produktinnovationen Schritt halten soll, muss sie sich Fortschritte in der Mikromechanik zunutze machen. HIPERDIAS hat einen 1-kW-Femtosekundenlaser entwickelt, der Kosteneffizienz, Qualität und Präzision bietet.

Industrielle Technologien

Die Mikromechanik – Feinmechanik für Mikrokomponenten – verspricht für viele Branchen eine höhere Produktivität bei geringeren Kosten. Deren Übernahme wurde durch Fortschritte bei den Ultrakurzpulslaser- und Photoniktechnologien erleichtert. Nach wie vor ist es jedoch schwierig, eine hohe Präzision mit Ausbeute/Produktivität und hoher Qualität kosteneffizient zu vereinen. Das Projekt HIPERDIAS wurde ins Leben gerufen, um die Werkstoffbearbeitung auf Basis von Ultrakurzpulslasern in einer bislang unerreichten Größenordnung (Hochdurchsatz)an Produktivität, Präzision und Qualität zu demonstrieren. Die Finanzierung durch die EU ermöglichte dem Projekt, alle notwendigen Komponenten in eine stabile, flexible und vielseitige Maschinenbasis für einen Hochleistungsfemtosekundenlaser zu integrieren und ein 1-kW-Demonstratorsystem zu entwickeln, das von Endnutzerinnen und -nutzern erprobt und validiert wurde. Unter Verwendung der Technologie übertraf das Projekt die gewünschte Abtragsrate für die Verarbeitung von Silizium und erfüllte einen Großteil der wichtigsten Leistungskennzahlen für das Feinschleifen von Metallen und das Polieren von Diamanten.

Ein äußerst fortgeschrittenes Bearbeitungssystem

Das Ziel war eine hohe Produktivitätsrate ohne einen Verlust an Präzision bei gleichzeitig hoher Qualität ohne Geschwindigkeitseinbußen. Dazu wird ein Femtosekundenlaser mit sehr hoher Durchschnittsleistung und gut angepassten Strahlparametern gebraucht. Der Laser muss in Bezug auf Pulsdauer, Pulsenergie, Intensitätsprofil und Polarisation abgestimmt sein und eine flexible Strahlführung liefern können. Der Strahl muss auf eine wohldefinierte, anwendungsspezifische Weise auf das Werkstück angewandt werden, die es ermöglicht, ihn mit einem diffraktiven Element zu teilen oder schnell mit einem Scanner oder ultraschnellen Modulatoren zu bewegen. Letzteres ist notwendig, um einer Hitzeentwicklung vorzubeugen, welche die Bearbeitungsqualität mindern würde. Um dies zu erreichen, kombinierte das Projekt HIPERDIAS ein ultraschnelles MOPA-Hochleistungslasersystem Master Oscillator Power Amplifier mit einer gut angepassten Bearbeitungsmaschine zur Diamantbearbeitung, dreidimensionalen Strukturierung von Silizium und zum Feinschleifen von Metallen. Das System wurde für drei gezielte Anwendungsbereiche erprobt und erwies sich als schneller als der aktuelle Stand der Technik: Es bearbeite dreidimensionales Silizium und polierte synthetische Diamanten 50-60 Mal schneller und schloss den Feinschliff von Metallen 20-25 Mal schneller ab.

Für zahlreiche Anwendungsbereiche geeignet

Die Ergebnisse von HIPERDIAS können in allen Bereichen eingesetzt werden, in denen Lasertechnologie die Produktqualität verbessern kann, während sie gleichzeitig Kostenvorteile und neue Produktionslösungen ermöglichen. „Das HIPERDIAS-System wird zwei Auswirkungen haben: Es wird in diesem spannenden Feld eine führende Position einnehmen und so europäische Unternehmen stärken, während es gleichzeitig für die Menschen die Kosten zahlreicher Alltagsgegenstände, zum Beispiel von Mobiltelefonbildschirmen, senken wird“, so Marwan Abdou-Ahmed, der Projektkoordinator. Die Technologie kann in einer breiten Palette von Anwendungen eingesetzt werden, darunter in Geräten der Mikroelektronik, Picoprojektoren und Medizinprodukten. Sie wird auch in zahlreichen Branchen für die mikromechanische Bearbeitung transparenter Materialien, die Bohrung von Düsen und die Strukturierung großer Oberflächen für superwasserabstoßende Anwendungen nützlich sein. Sei es für die Uhrmacherei, die Luftfahrt oder die Automobilherstellung, das HIPERDIAS-Projekt hat ein System entwickelt, das die Fertigung im Allgemeinen effizienter gestalten könnte. Es gibt auch viele wissenschaftliche Anwendungsbereiche wie die Spektroskopie und Protonentherapie, die von der Skalierung der Technologie in höhere Energieniveaus und Spitzenleistungen profitieren könnten. Das Team erwartet, dass innerhalb von drei bis fünf Jahren ein industrielles 1-kW-Femtosekundenlasersystem verfügbar sein wird. „HIPERDIAS hat dieser Technologie den Weg geebnet, aber damit es schneller werden und den erforderlichen höheren Leistungen standhalten kann, muss das System noch weiterentwickelt werden. Beispielsweise müssen wir an verschiedenen Komponenten wie zum Beispiel der Laserfaserstrahlführung und den Scannern noch feilen“, schließt Abdou-Ahmed.

Schlüsselbegriffe

HIPERDIAS, Mikromechanik, Femtosekunde, Laser, photonisch, Silizium, Diamant, Metalle, Puls, Optik

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