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Dienstag, 17.01.2017
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Computersimulation: schnell und effizient zu optimalen Ergebnissen in der Lasermaterialbearbeitung

Fraunhofer-Institut für Lasertechnik ILT

Auf der diesjährigen LASER World of Photonics in München zeigt das Fraunhofer-Institut für Lasertechnik ILT, wie Erkenntnisse aus der Computersimulation gezielt zur Optimierung von Fertigungsprozessen und Produkten genutzt werden können. Dies fördert insbesondere die Einführung neuer Technologien wie der Ultrakurzpulslaser-Technologie. Hierzu zeigt das Fraunhofer ILT auf dem Gemeinschaftsstand 330 in Halle C2 unter anderem ein Prototyp des jüngsten Polygonscanners zur Strahlablenkung und neue optische Systeme, welche die »PS der UKP-Laser auf die Straße bringen«.

Simulation und Modellierung für Laserfertigungsprozesse


Das Ziel von Anlagenherstellern und Endanwendern von Laserbearbeitungsmaschinen ist es, die Fertigungsprozesse hinsichtlich Präzision, Zuverlässigkeit, Zeit-, Material- und Kostenaufwand fortlaufend zu optimieren. Dazu bedarf es zunächst der exakten Kenntnis der prozessrelevanten Größen, aus denen konkrete Maßnahmen abgeleitet werden können. Gerade bei Laserfertigungsprozessen lassen sich allerdings wichtige Prozessgrößen in den wenigen Mikrometer kleinen Prozesszonen aufgrund der kleinen Abmessungen und der sehr hohen Temperatur schlecht oder gar nicht messtechnisch erfassen.

Der Blick ins Innere


Zur Optimierung von Laserprozessen werden daher immer häufiger Computersimulationen eingesetzt. Diese ermöglichen es, in die Prozesse »hineinzusehen« und sind im Vergleich zu Experimenten leichter automatisierbar und kosteneffizienter. Zudem können in Simulationen Schwankungen und Messunsicherheiten sowohl ausgeschlossen als auch gezielt berücksichtigt werden. So lassen sich Schlüsselstellen ausfindig machen, Probleme frühzeitig erkennen und lösen.

Seit rund zwanzig Jahren befasst sich ein zwölfköpfiges Team hochspezialisierter Wissenschaftler am Fraunhofer ILT ausschließlich mit der computergestützten Simulation von Laserprozessen. Dazu steht ihnen ein Hochleistungs-Rechencluster zur Verfügung, der 2010 im Rahmen des »Zentrums für Nanophotonik« in den eigenen Räumlichkeiten aufgebaut wurde. So können die Aachener Experten komplexe Fragestellungen aus der Lasermaterialbearbeitung mit hoher Auflösung in kurzer Rechenzeit simulieren und konkrete Lösungsansätze ableiten. Beim Laserschneidprozess von Displayglas beispielsweise können durch die Simulation des Prozesses die Abtraggeschwindigkeit erhöht sowie Schädigungen im Glas vermieden werden.

Simulierte Prozesse


Durch das systematische Nutzen von Erkenntnissen aus der Simulation tragen die ILT-Experten maßgeblich zur Produkt- und Verfahrensentwicklung ihrer Industriepartner bei. Fünf Beispiele erfolgreicher Zusammenarbeit stellen sie auf der LASER World of Photonics vor. Dazu gehören die Simulation des Laserverfahrens zum Schneiden von Displaygläsern mit Ultrakurzpulslasern für TRUMPF Lasertechnik, des wasserstrahlgeführten Laserschneidens für SYNOVA sowie die Optimierung des Metallschneidens für TRUMPF Werkzeugmaschinen. Dank der Erkenntnisse der Computersimulation am Fraunhofer ILT konnten Laserstrahlquellen für ROFIN-SINAR optimiert werden. Im Bereich der Produktoptimierung wurden zudem Freiformlinsen-Prototypen für den Automobilzulieferer HELLA berechnet.

UKP-Laser wirtschaftlich nutzen mit Strahlumlenkung


Ultrakurzpulslaser-Systeme erreichen immer neue Rekorde bezüglich Laserleistung und Pulsrate. Im Leistungsbereich von 50 bis 1000 Watt kann bei vielen Anwendungen allerdings meist nur ein sehr kleiner Teil der zur Verfügung stehenden Energie effektiv genutzt werden. Eine zu hohe Leistungseinkopplung in den Bearbeitungspunkt würde aufgrund der zu hohen thermischen Belastung durch Schmelzeffekte zu Aufwürfen und somit zu schlechten Bearbeitungsergebnissen führen. Die Forschungsbemühungen am Fraunhofer ILT gehen nun dahin, die hohe Leistung von UKP-Lasern für die Materialbearbeitung nutzbar zu machen. Beispielsweise durch die Aufteilung des Laserstrahls in mehrere Einzelstrahlen, die das Bauteil gleichzeitig bearbeiten können. Diese Multistrahltechnik wird unter anderem zur Erzeugung periodischer Mikrostrukturen eingesetzt.

Flächiger Abtrag mit Schallgeschwindigkeit


Ein weiterer Ansatz zur Nutzung der hohen Laserleistung besteht in der schnellen Strahlablenkung. Dazu haben ILT-Wissenschaftler ein Polygonscanner-System entwickelt: In diesem Scansystem, rotiert ein Polygonspiegel mit hoher, konstanter Drehzahl und lenkt den Strahl entlang einer Linie auf das Werkstück ab. Durch den Vorschub des Laserstrahls entlang dieser Linie mit Schallgeschwindigkeit wird die hohe Laserleistung auf dem Werkstück verteilt. Die Bearbeitungsfläche wird durch das Verfahren des Werkstücks mit einer Achse senkrecht zu dieser Linie aufgespannt. Der Polygonscanner besitzt eine maximale Apertur von 20 mm und erreicht bei einer Brennweite von 163 mm Scangeschwindigkeiten von bis zu 360 m/s. Er ist somit in der Lage, eine Fläche von 100 x 100 mm2 mit einer lateralen Auflösung von 20 µm in 3 Sekunden zu prozessieren.

Um 2,5-D Strukturen zu erzeugen, wird das Material schichtweise mit einer Tiefenauflösung von bis zu 100 nm abgetragen. Im Vergleich zur maximalen Scangeschwindigkeit des Polygonscanners von 360 m/s liegen typische Scangeschwindigkeiten während der Bearbeitung für Galvanometerscanner mit vergleichbaren Aperturen lediglich bei 1-5 m/s. Derzeit gelingt es den Forschern am Fraunhofer ILT, den Laser entsprechend der Positionen von Polygonmotor und Werkstückachse mit bis zu 40 MHz anzusteuern, so dass das Werkstück an der richtigen Stelle bearbeitet wird. Die Herausforderung künftiger Weiterentwicklungen des Polygonscanners besteht nun in der Modulation der Laserleistung entsprechend dieser positionsgenauen Ansteuerung, da aktuelle Lasermodulatoren maximal mit einer Pulswiederholrate von 2 MHz betrieben werden können.

Diese Scantechnik ist insbesondere für die flächige Bearbeitung geeignet, da das Werkstück zeilenweise bearbeitet wird. Einsatzgebiete für das Polygonscanner-System sind insbesondere die Strukturierung von Druck- und Prägeplatten, sowie Spritzgusswerkzeuge beispielsweise für die Erzeugung von Lichtleitstrukturen in der Beleuchtungsindustrie oder für Ledernarbenstrukturen in der Automobil- und Textilindustrie. Weitere Anwendungen sind das Schneiden von Hochleistungskeramiken inklusive Strukturen für formschlüssige Verbindungen, sowie die Waferprozessierung in der Solar- und Halbleiterindustrie. Das Verfahren kann auch auf die flächige Dünnschichtbearbeitung bei Rolle-zu-Rolle Verfahren übertragen werden. Auf der LASER World of Photonics führen Experten des Fraunhofer ILT die Polygonscantechnik am Beispiel metallischer Visitenkarten live vor.

Digital Photonic Production DPP


»Digital Photonic Production« bezeichnet die laserbasierte Herstellung von Bauteilen oder Produkten nahezu beliebiger Komplexität aus digitalen Daten. Die Technologie reicht von generativen Verfahren bis hin zur Hochleistungs-Ultrakurzpulslasern für die Mikrobearbeitung. Im Unterschied zu konventionellen Fertigungsverfahren können mit dem Werkzeug Licht sowohl kleinste Stückzahlen als auch komplexe Bauteile kleinster Dimension aus den unterschiedlichsten Materialien kostengünstig hergestellt werden. Deshalb spricht man im Zusammenhang mit dieser Technologie auch von einer »neuen industriellen Revolution«.
(Fraunhofer-Institut für Lasertechnik ILT, 30.04.2013 - NPO)
 
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