Verbessertes Laserbohren optimiert die aerodynamische Leistung von Flugzeugen
Intensive Laserpulse mit einer Dauer von einer Billiardstelsekunde haben bedeutende Auswirkungen auf die grundlegende wissenschaftliche Forschung und praktische Anwendungen. Eine der wichtigsten Anwendungen liegt in der Herstellung und Umwandlung von Metallen.
Technologie muss produktiv sein
Trotz des Potenzials von Femtosekunden-Lasern(öffnet in neuem Fenster) ist es schwierig, diese in industrielle Lösungen zu integrieren, welche die Verarbeitung großer Oberflächen, Mengen oder einer großen Anzahl an Teilen erfordern. Sechs europäische Unternehmen haben sich mit einem gemeinsamen Ziel im EU-finanzierten Projekt MULTIPOINT(öffnet in neuem Fenster) zusammengeschlossen: Sie wollen ein Femtosekunden-Laser-System entwickeln, das den Konflikt zwischen Präzision und Produktivität in industriellen Fertigungsprozessen löst. „Ultrakurzpulslaser sind für ihre Fähigkeit bekannt, Materialien und Strukturen mit minimalen thermalen Schäden bearbeiten zu können. Doch diese außerordentliche Präzision führt zu einer verminderten Produktivität“, erklärt Projektkoordinator Roberto Ocaña. Um die Produktivität zu steigern und gleichzeitig die Präzision beizubehalten, kamen in der Forschung zwei Strategien zum Einsatz: In der ersten wurden Ultrakurzpulslaser mit einer hohen Durchschnittsleistung gebaut. In der zweiten wurde eine optische Einheit zur Erstellung mehrerer Strahlen entwickelt, die den Hauptlaserstrahl in mehrere Strahlen aufteilt. So wurde ein multifunktionales Werkzeug geschaffen, das die Menge des bearbeiteten Materials maximiert. Außerdem enthält das Lasersystem ein Kontrollsystem, welches in jeder Phase des Fertigungsprozesses die Qualität sichert. „Die Technologien zum Bau eines solchen Lasersystems gibt es schon, aber die Umsetzung ist alles andere als einfach“, erläutert Ocaña.
Das Bohren von Löchern in Flugzeugstrukturen wird von Grund auf revolutioniert
„Wir entwickelten einen Laser mit einer Durchschnittsleistung von 700 W, viel höher als die eines kommerziellen Lasers. Die Wiederholungsrate des Pulses reicht von 300 bis 700 kHz, was einer Pulsenergie von 0,97 bzw. 2,27 MJ entspricht“, berichtet Ocaña. Einer der zukünftigen Anwendungsbereiche dieses Femtosekunden-Lasersystems sind hochproduktive Mikrobohrungen. „Es gibt einen steigenden Bedarf an erfolgreicher Verarbeitung mit kleinen Werkzeugen. Mikrobohrungen sind kritisch für die Herstellung von Mikrofiltern, Wasserstoff-Elektrolyseuren, Schallschutzplatten und HLFC-Platten (hybride laminare Strömungskontrolle). MULTIPOINT konzentrierte sich auf die Perforation großformatiger Titanplatten. Es ist erwiesen, dass die HLFC-Technologie den Treibstoffverbrauch von Verkehrsflugzeugen um bis zu 10 % senkt. Durch auf den Flügeln oder dem Heckstabilisator angebrachte HLFC-Platten kann der Reibungswiderstand verringert werden, indem die Luft durch die kleinen Löcher gesaugt wird. „Derzeit gibt es keine Prototypen von Femtosekunden-Lasern, die großformatige Bleche mit Mikromechanik bearbeiten können. Die heutigen Femtosekunden-Laser können kleinere Bereiche verarbeiten, haben eine niedrigere Durchschnittsleistung und senden einzelne Strahlen aus. Ein Hochleistungs-Femtosekunden-Lasersystem, das mit einem mehrstrahligen System in einem Bereich von etwa 2 x 2 m2 arbeiten kann, ist auf der ganzen Welt einzigartig“, so Ocaña. Neben Femtosekunden-Lasern gibt es auch andere Laserbohrtechniken für die Perforation der Flugzeughülle, die einen hohen Durchsatz von etwa 300 Löchern pro Sekunde erreichen können. Bei diesen Lasertechniken entstehen jedoch Grate und Spritzer aus geschmolzenem Material am Rand der Löcher, die dann durch Ätzen und Polieren entfernt werden müssen. „Der MULTIPOINT-Laser könnte die Nachbearbeitungsschritte verringern und die Qualität des Mikrobohrungsprozesses steigern, während er ein angemessenes Produktivitätsniveau beibehält“, betont Ocaña.
Die bedeutende Rolle der EU-Finanzierung
Forschende und Unternehmen haben oft Schwierigkeiten, ihre Ideen umzusetzen, obwohl sie über die nötigen Kenntnisse verfügen. „Die Verwirklichung einer Idee erfordert die Teilnahme einer großen Anzahl an Unternehmen und Forschenden aus unterschiedlichen Gebieten. Die EU-Finanzmittel boten uns dabei wichtige Unterstützung. Um die weltweit führende Stellung der EU auf diesem Gebiet zu festigen, war es entscheidend, dass wir Werkzeuge hatten, um fortgeschrittene Photoniktechnologien zu testen“, schließt Ocaña.
