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Deutscher Zukunftspreis 2013

Neue LED-Leuchtstoffe und Laserverfahren nominiert

2. Oktober 2013, 13:30 Uhr | Andrea Gillhuber

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Ultrakurzpulslaser für die industrielle Massenfertigung

Bosch, Trumpf und die Universität Jena haben gemeinsam einen Ultrakurzpulslaser entwickelt, mit dem sich Werkstoffe schnell, präzise und in höher Stückzahl wirtschaftlich bearbeiten lassen. Das Entwicklungsteam aus Baden-Württemberg und Thüringen besteht aus Dr. rer. nat. Jens König, Prof. Dr. rer. nat. Stefan Nolte und Dr. sc. nat. Dirk Sutter entwickelte eine Laserquelle mit energiereichen, kurzen Pulsen und Produktionswerkzeuge zum Bohren, Mikrobearbeiten oder Schneiden in der industriellen Massenfertigung.

Ultrakurzpulslaser für die industrielle Massenfertigung

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Wird beispielsweise Metall durch einen herkömmlichen Laserstrahl bearbeitet, wird es teilweise bis zum Schmelz- und Verdampfungsgrad aufgeheizt. Hier liegt das Problem: Geschmolzenes Material lässt sich nur schwer beherrschen. Gratbildung an den Rändern und Unebenheiten zeugen nicht gerade von Präzision, Toleranzen können nicht eingehalten werden. Materialien wie Diamant oder Saphir lassen sich so gar nicht bearbeiten.

Der Ultrakurzpulslaser umgeht diese Probleme: Durch die Wahl von Pulsdauer, Pulsenergie und der richtigen Fokussierung wird das Material so schnell und stark erhitzt, dass es nicht mehr schmilzt, sondern sofort verdampft. Abgetragenes Material wird einfach abgesaugt, bevor es sich wieder auf dem Werkstück ablagern kann. Die Laserpulse werden dabei über ein eigens entwickeltes Spiegelsystem gelenkt. Das Strukturieren im Mikrometerbereich ist daher kein Problem mehr. Ein weiterer Vorteil dieses Verfahrens ist, dass trotz der hochkonzentrierten Energie des Lasers kein Wärmeeintrag in das Material erfolgt - die Wärme-Einflusszone reicht bis etwa 10 Nanometer. Hier spricht man auch von »kalter Bearbeitung«.

Die wissenschaftlichen Grundlagen für die Bearbeitung fast aller Materialien mit den ultrakurzen Laserpulsen schuf Prof. Nolte von der Universität Jena. Er arbeitet außerdem am Fraunhofer-Institut für Angewandte Optik und Feinmechanik arbeitet. Der Laserspezialist Trumpf entschied sich dann, die Ultrakurzpulslaser-Technologie unter der fachlichen Leitung von Dr. Sutter bis zur Industriereife voranzutreiben. Basierend auf den Arbeiten von Dr. Jens König zur produktiven Lasermikrobearbeitung setzt Bosch die Kraft des Lasers heute auf eigens entwickelter Fertigungs- und Systemtechnik in der industriellen Serienproduktion ein.

Der Ultrakurzpulslaser könnte in vielen Branchen Anwendung finden, z.B. in der Automobilindustrie oder in der Halbleiterfertigung zum Trennen von Siliziumwafern in einzelne Chips. Doch auch in der Industrietechnik, Photovoltaikfertigung oder in der Elektroindustrie kann der Laser eingesetzt werden.