Messe-Exponate

Besuchen Sie uns auf internationalen Fachmessen und entdecken Sie Trends sowie zukunftsweisende Entwicklungen in der Werkstoff-, Oberflächen- und Lasertechnik. Unsere Experten beraten Sie gern über individuelle Lösungen. Auf dieser Webseite finden Sie eine Übersicht über unsere aktuellen Messe-Exponate. Für eine schnelle Navigation nutzen Sie bitte die untenstehenden Links:

Abtragen und Trennen

• Scanner-Einsatz beim Laserschneiden und Laserschweißen
• Laserschneiden von Nichtmetallen
• Laser schneidet unter Wasser
• Hochdynamisches Schneidsystem für komplexe Konturen (EDcut)

Additive Fertigung

• Additiv gefertigtes Raketentriebwerk mit Aerospike-Düse für Microlauncher
• Prozessmonitoring beim Laserauftragschweißen
• Technologie- und Materialentwicklung zum Pulverbettverfahren

Biosystemtechnik und Digitalisierung

• Technologieplattform für Mikrophysiologische Systeme
• Lab-on-chip-Systeme: In kürzester Zeit vom Prototyp zur Serienproduktion

Batterietechnik

• Partikelmonitoringsystem (PAmos)

Fügen

• Neue Technologie-Entwicklungen im Laserschweißen
  
• Mehrlagen-Engstspalt-Laserschweißen (Laser-MES) am Beispiel eines Kranauslegers
• Finite-Elemente-Simulation – Auslegung lasergeschweißter Getriebe
• HPCi^® – Thermisches Direktfügen für Leichtbauanwendungen
• Kontinuierliches co-konsolidieren faserverstärkter Hochleistungslaminate
• Magnetpulsschweißen für kryogene Anwendungen
• Neue Möglichkeiten der Fügetechnik im Flugzeugbau – Beispiel Laserschweißen
• Hochdruck-H2-Tankstrukturen

Kohlenstoffschichten

• LAwave® – Akustisches Oberflächenwellenprüfgerät
• Massenproduktion für Brennstoffzellen – automatisiert und kostengünstig

Laser-Präzisionsbearbeitung

• Effizientes Laserbearbeiten im Mikrometermaßstab
• DLIPµcube – Weltweit kompakteste Anlage zum Oberflächenfunktionalisieren mit neuem Nano-Scanner
• SHAPErotator für Hochleistungs-Ultrakurzpuls-Prozesse (UKP)
• Mikrometergenaue Strukturen erzeugen funktionale Oberflächen
• Laserstrukturierte Oberflächen für bessere Zellanhaftung
• Laser-basiertes Reinigen und Vorbehandeln
• Papier bindemittelfrei fügen

Nanoschichten

• Maßgeschneidertes und sekundenschnelles reaktives Fügen von Kunststoffen

Optische Messtechnik

• Messsystem SURFinpro zur KI-gestützten Erfassung von Oberflächenfeatures bei Rolle-zu-Rolle-Prozessen
• HSI für die flächige Oberflächen- und Dünnschichtprüfung
• HSI macht Gewebeunterschiede sichtbar
• OCT-Bildgebung sichert Qualität von Gewebekulturen auf mikrophysiologischen Systemen (MPS)
• Neuartige Lösungen zur Bewertung von Barrierefolien
  
• Spezielle Lichtquelle für die optische Metrologie

Thermisches Beschichten

• Systemtechnik zum Laserauftragschweißen
• Leichtbauteile durch Thermisches Spritzen funktionalisieren
• Innovation »Liquid Spraying«
• Systemfamilie »COAX« – Linie modularer Bearbeitungsköpfe für das Laser-Auftragschweißen mit Pulver und Draht

Wärmebehandeln und Plattieren

• Systemtechnik zum Laserstrahlhärten
• Wärmefeldregler für die Laser-Oberflächenbearbeitung mit Scanner
• Sandwichstrukturen realisieren Leichtbau-Treppenstufe

Sensorik-gestützte Lasermaterialbearbeitung mit dreidimensionaler dynamischer Strahlformung

In einem ganzheitlichen Lösungsansatz werden Laserquelle, dreidimensionale Strahlformung und Prozesssensorik zur effizienten und zuverlässigen Prozessregelung für das Laserschneiden, Laserschweißen und Laserhärten gekoppelt. Die dynamische dreidimensionale Strahlformung ermöglicht eine zeitliche sowie örtliche Änderung der Energieverteilung im Bereich mehrerer Kilohertz, wobei diese innerhalb von wenigen Millisekunden sensorgesteuert angepasst werden kann.   

Die geringe Latenz benötigt einen enormen Rechenaufwand, weshalb eine multisensorische Überwachung und eine KI-basierte Datenverarbeitung Gegenstand der aktuellen Forschung ist, um die neue Generation einer Inline-Prozesssteuerung zu entwickeln. Fernziel ist die Berücksichtigung weiterer notwendiger Bauteil- und Fertigungsinformationen, um Konzepte für Cloud-basierte datengesteuerte Dienste zu entwickeln.

Laserschneiden von Verbundwerkstoffen

Der Laser kann faserverstärkte Werkstoffe mit minimalen Wärmeeinflussbereichen trennen. Ein schnelles Spiegelsystem auf der Basis von Galvanometerscannern wird verwendet, um den Laserstrahl schnell auf das Material zu projizieren. Die hohe Bearbeitungsgeschwindigkeit garantiert kurze Wechselwirkungszeiten zwischen Material und Strahl, Werkzeugverschleiß und Strukturschäden werden so verhindert. 

Neue Lösung Metalle auch unter der Meeresoberfläche zu bearbeiten 

Angesichts der steigenden Nachfrage nach erneuerbaren Energiequellen wächst auch der Bedarf an modernen Demontagetechnologien für den Unterwassereinsatz. Um beispielsweise ein Windkraftwerk im Meer auf mehr Leistung zu bringen, müssen alte Stahlgestelle zunächst unter dem Meeresspiegel zerlegt werden, um sie später größer wiederaufzubauen. Das Fraunhofer IWS in Dresden hat nun einen technologischen Ansatz gefunden, Laser als besonders effiziente, umweltfreundliche und energiesparende Schneidwerkzeuge im Wasser einzusetzen.

Im Konturschnitt dünner Bleche (bis ≈ 1,5 mm Materialdicke) limitiert die Bewegungsdynamik die Steigerung der Prozessgeschwindigkeit. Mit dem Aufbau des EDcut steht nun eine Entwicklungsplattform zur Überwindung dieser Grenzen zur Verfügung. Neben der Weiterentwicklung der Systemtechnik  wird die Optimierung der Schneidtechnologie vorangetrieben. Die ganzheitliche Betrachtung von Bewegungsdynamik und Laserschneidprozess stehen dabei im Mittelpunkt. Das extrem dynamische Schneidsystem EDcut gekoppelt mit fasergeführten Festkörperlasern steht für Machbarkeitsstudien, Technologie- und Systemtechnikentwicklungen zur Verfügung. 

Microlauncher können kleine Nutzlasten wie Satelliten bis 350 kg befördern und sind eine besonders sparsame Alternative zu herkömmlichen Trägerraketen. Aerospike-Antriebe ließen sich bisher nicht mit konventionellen Fertigungsverfahren umsetzen, da sie besondere Herausforderungen an die Kühlung stark beanspruchter Bauteilregionen stellen. Theoretisch sind 30 Prozent Kraftstoffeinsparungen für Microlauncheranwendungen im Vergleich zu konventionellen Triebwerken möglich.

Gemeinsam mit Raumfahrtexperten der TU Dresden wurden zunächst in einer Geometriestudie die Vorzüge der additiven Fertigung für innovative Kühlkanäle und strömungsoptimierte Treibstoffzuführungen genutzt. Danach wurde ein per Laser Powder Bed Fusion additiv gefertigtes Aerospike-Raketentriebwerk für den Teststand entwickelt und dessen Funktion im Heißgastest nachgewiesen.

Video:

Additiv gefertigtes Raketentriebwerk mit Aerospike-Düse für Microlauncher: von Konzeptstudien bis zum Probebetrieb

Unser Fokus liegt in der Entwicklung pulverbettbasierter Verfahren für den metallischen 3D-Druck sowie von Druckverfahren für die Erzeugung komplexer elektronischer Strukturen. Zur Verfahrenspalette gehören laserbasierte Verfahren, wie Laser-Powder-Bed-Fusion (PBF-LB) und Binder Jetting (BJ), sowie Electron Beam Melting (PBF-EB), (Metal) Fused Filament Fabrication (FFF), Dispensdruck als auch Aerosol Jet Druck. Zur gezielten Wärmebehandlung von additiv gefertigten Teilen kommen verschiedene Öfen mit kontrollierter Atmosphäre zum Einsatz. 

Mikrophysiologische Systeme (MPS) sind Mikrosysteme - wie Lab-on-Chip - die Zellen, Organoide und Gewebeverbünden kultivieren und für die in-Vitro-Erforschung auf dem Gebiet der Geweberekonstruktion, der Wirkstoff- und Zytotoxizitätsstudien nutzbar machen. Das Fraunhofer IWS bietet ein vielfältiges technisches Know-how in Design, Konfiguration, Betrieb, Monitoring und Analyse dieser Systeme und hat eine eigene Technologieplattform für den Aufbau von MPS entwickelt. Über die stetig wachsende modulare Geräteplattform ist es möglich Parameter wie Temperatur, Medium-/Blut-Zirkulation, Gaskonzentration, elektrische Stimulation und Gasdruck zur steuern.  Für unsere Partner in der Grundlagenforschung und präklinischen Medikamententestung bieten wir maßgeschneiderte Komplettlösungen von MPS an und leisten damit auch einen wichtigen Beitrag zur Reduktion von Tierversuchen. 

Er wurde in den Jahren 2020–2022 täglich millionenfach auf der ganzen Welt eingesetzt: Als tragbares Miniaturlabor zeigte der Corona-Antigen-Schnelltest deutlich das Potenzial von Lab-on-Chip-Systemen. Die Analyse innerhalb kürzester Zeit ist vor allem im Pandemiefall von immenser Bedeutung. Immer mehr dieser medizinischen Miniatursysteme werden in der Diagnostik eingesetzt. Die Entwicklung und Herstellung von komplizierteren Testsystemen ist jedoch mit hohen Kosten verbunden. Im Forschungsprojekt SIMPLE-IVD entwickeln Wissenschaftler des Fraunhofer-Instituts für Werkstoff- und Strahltechnik IWS gemeinsam mit mehreren Partnern neue Herstellungsverfahren und -methoden für eine kostengünstige Produktion von Schnelltestkassetten.

Das kompakte Device »PAmos« bestimmt und überwacht die Feinstaubbelastung in technischen Anlagen, Prozessen und in Laboren. Die Monitoring-Lösung des Fraunhofer IWS lässt sich mit wenig Aufwand in die Arbeitsumgebung von Mitarbeitenden integrieren, wo es dazu beiträgt, Gesundheits- und Arbeitsschutzauflagen sicher einzuhalten.

Anwendung findet PAmos insbesondere in Trockenpulververfahren, in der additiven Fertigung, in Beschichtungs- und Entschichtungsverfahren, in Schweißprozessen, in der Laserbearbeitung sowie in der Batterieherstellung und -aufbereitung. Das Partikelmonitoringsystem detektiert Feinstaubpartikel der Klassen PM1.0, PM2.5, PM4 und PM10, misst die üblichen Luftwerte wie Temperatur, Druck und Feuchtigkeit und verfügt zusätzlich über einen Air-Quality-Sensor (AQI). Die Messwertübertragung erfolgt kabellos in Echtzeit und stellt das Messergebnis komfortabel ohne Zusatzinstallation in einem Browser dar. Die Vernetzung mehrerer Geräte ist ebenfalls möglich.

Sie haben Bedarf an Feinstaubmessungen? Gern nehmen wir Ihre Anfragen entgegen und passen unser System Ihren speziellen Anforderungen an. Gemeinsam entwickeln wir eine individuelle Lösung für Sie. Zusätzlich stehen wir Ihnen mit präziser Partikelmesstechnik zur Seite.

Dynamische Strahlformung – Neue Lösungen für die Laser-Materialbearbeitung

Moderne fasergebundene oder spiegeloptische Manipulationen des Laserstrahls – zur Anpassung der Intensitätsverteilung im Schweißbad – dominieren die jüngsten Entwicklungen zur Prozessstabilisierung und damit zur Qualitätsverbesserung. Vielfältige Anwendungsbeispiele finden sich z. B. in Batteriesystemen für die Elektromobilität. Insbesondere der Einsatz einer materialangepassten Strahlmanipulation für den Schweißprozess erscheint vielversprechend. Das Fraunhofer IWS entwickelt neue Möglichkeiten der hochdynamischen Strahlformung (englisch: Dynamic Beam Shaping, DBS) zur Vermeidung von Heißrissen in aushärtbaren Aluminiumlegierungen. Die hochdynamische Strahlformung stellt dabei ein hocheffizientes Verfahren zur Vermeidung der sonst notwendigen Zugabe von Schweißzusatzwerkstoffen dar. Darüber lassen sich mit dem intensitätsbasierten Ansatz erstmals metallurgische Grenzen beim Laserstrahlschweißen mit Remote-Optik überwinden.

Moderne Faserlasertechnologie – Schweißen von schwer schweißbaren Materialien

Neben modernen Scanneroptiken bieten neue fasergekoppelte Lasersysteme hervorragende Möglichkeiten für Laserschweißprozesse. Die zunehmende Elektrifizierung von Fahrzeugen erzeugt einen hohen Bedarf an flexiblen und effizienten Fügetechnologien für schwer schweißbare Werkstoffe wie Kupfer und Aluminium – insbesondere den Aluminiumdruckguss. Eine potenzielle Lösung ist das Laserschweißen mit überlagerter Strahloszillation, das eine Anpassung der Schweißbedingungen an die jeweiligen Anforderungen ermöglicht. Hochleistungslaser oder Strahlquellen mit kurzer Wellenlänge (z. B. 515 nm) erzielen zudem hohe Schweißnahtqualitäten auch auf stark reflektierenden Materialoberflächen. Daraus ergeben sich neue Verfahrensansätze zur Überwindung bestehender Prozessgrenzen beim Laserschweißen von Kupfer- und Aluminiumlegierungen.

Video

Joining with solid-state lasers – Get ready for the steel construction revolution

Belastungsgerechtes Bauteildesign und innovativer Werkstoffeinsatz 

Das Laserstrahlschweißen im Getriebebau eröffnet vollständig neuartige Produktlösungen mit exzellenten Eigenschaften hinsichtlich Verschleiß, Korrosionsbeständigkeit und Lebensdauer. Die vorgestellten Getriebekomponenten basieren auf Multi-Material-Lösungen aus Einsatz- oder Nitrierstahl für Verzahnungen und korrosionsbeständigem Stahl für den Außenbereich. Die Funktionsintegration ermöglicht gegenüber aktuellen Lösungen signifikante Vorteile hinsichtlich Bauraum und Kosten. Die wesentliche Herausforderung besteht darin, sowohl die anspruchsvollen konstruktiven und schweißtechnischen Aufgaben zu lösen als auch die Ermüdungsfestigkeit der Verbindung für komplexe Getriebebelastungen abzusichern.

Die Auslegung verfolgt eine ganzheitliche, digitale Entwicklungs- und Fertigungsstrategie für Multi-Material-Luftfahrtgetriebekomponenten. Darin wird der Aufbau einer ganzheitlichen Kette aus Bauteilsimulation, adaptiven laserbasierten Fertigungstechnologien und mehrachsiger Ermüdungsfestigkeitsprüfung realisiert. Zunächst erfolgt dabei die Entwicklung eines beanspruchungs- und fertigungsgerechten Bauteildesigns, basierend auf strukturmechanischen Finite-Elemente-Simulationen (FE) und schweißprozessspezifischen Anforderungen. Die Realisierung der angepassten Laserstrahlschweißtechnologie wird durch begleitende Schweißsimulationen unterstützt, um Eigenspannungen und Verzug zu minimieren. Im letzten Schritt erfolgt die Absicherung der Bauteilermüdungsfestigkeit auf Basis von mehrachsigen Schwingfestigkeitsprüfungen an vereinfachten Prüfkörpern, die durch FE-basierte Berechnungskonzepte nach aktuellen Regelwerken ergänzt werden.

Durch die ganzheitliche Entwicklungsstrategie sind i. d. R. keine iterativen Konstruktionsänderungen erforderlich, woraus kurze Produktentwicklungszeiten resultieren. Die mehrachsige zyklische Prüfung an vereinfachten Prüfkörpern senkt maßgeblich die Prüfkosten und erhöht die Absicherungsgenauigkeit im Vergleich zu kostenintensiven Getriebeprüfständen. Hohe Verschleiß-, Korrosions- und Lebensdaueranforderungen an zukünftigen Getriebesystemen lassen sich mit der vorgestellten Entwicklungsstrategie demnach kosteneffizient und zuverlässig erfüllen.

Schnelles Verbinden von Metallen und Kunststoffen

Die neuartige Fügetechnologie »HeatPressCool-integrativ« (HPCi^®) verbindet Metall und Verbundkunststoff innerhalb weniger Sekunden dauerhaft und fest. Durch Pressung und lokale Erwärmung schmilzt der Thermoplast, dringt in die Strukturen ein und haftet an der Oberfläche. Eine eigens entwickelte Fügezange erzeugt binnen Sekunden robuste Verbindungen. Das Verfahren HPCi^® eignet sich, um aufwändige Klebeprozesse zu ersetzen.

Das automatisierte Fügen bereits konsolidierter faserverstärkter Hochleistungsthermoplastlaminate stellt bislang eine Herausforderung dar. Am Fraunhofer IWS wurde hierzu ein kontinuierlicher Prozess zum Fügen bereits konsolidierter multidirektionaler Laminate aus Faser-Kunststoff-Verbunden (FKV) entwickelt.

Die Fraunhofer-Gesellschaft und ihre Institute entwickeln gemeinsam mit Industrie- und Forschungspartnern in der Joint Technology Initiative »Clean Sky 2« den »Multifunctional Fuselage Demonstrator«. Dieses Projekt zeigt den innovativen Laser-in-situ-Prozess beim Fügen zweier acht Meter langer Flugzeugrumpf-Halbschalen in der Praxis.

Das Magnetpulsschweißen ermöglicht das stoffschlüssige Fügen von verschiedenartigen Metallen. Kupfer, Stahl und Aluminium lassen sich damit trotz ihrer unterschiedlichen Schmelztemperaturen vakuumdicht miteinander verbinden. Die Einsatztemperaturen liegen bei 1 K für den kryogenen Behälter bzw. 20 K bei der Verbindung zwischen Stahlbalg und Aluminiumrohren. Die Duktilität der Fügezone gewährleistet eine hohe Beanspruchbarkeit bei mechanischen und thermischen Wechsellasten.

Das Laserstrahlschweißen ist seit langem beim Fügen von Passagierflugzeugen etabliert. Gegenstand der aktuellen Forschungsarbeiten ist der Nachweis des Potenzials der hochdynamischen Strahlmanipulation zur Vermeidung von Heißrissen bei den eingesetzten Aluminiumlegierungen. Die Ergebnisse aus Laborversuchen zeigen, dass in Abhängigkeit von der Fügegeometrie und der Al-Legierung typische Heißrissbildungen im Schweißgut nahezu vollständig unterdrückt werden können.

Lösungen für kostengünstige, laserbasierte Fügeverfahren

Wasserstoff als hochreaktives Element stellt einen Schlüssel dar, um die Klimaschutz-Ziele von Paris zu erreichen. Somit spielt er eine wichtige Rolle als wirtschaftliche Alternative zu fossilen Energieträgern. Hier bietet sich der Einsatz als direkter Treibstoff für Brennstoffzellen oder indirekter als E-Fuel (H₂+CO₂) an. Für eine Nutzung in Fahrzeugen fehlen aktuell noch wirtschaftlich herstellbare Speicherkomponenten.

Die physikalischen Eigenschaften von Wasserstoff erfordern entweder kryogene Speichertanks zum Beispiel für zukünftige Flugzeuge oder Hochdrucktanks für PKW. Die nötige Sicherheit von H₂-Drucktanks lässt sich durch Wandstärken von bis zu 15 Millimetern erreichen. Bei der Entwicklung stehen Werkstoffe und entsprechende Fügeverfahren im Fokus, die eine hohe Lebensdauer mit höchster Sicherheit vereinen. Das Laserschweißen bietet dafür hervorragende Voraussetzungen und stellt ein industriell etabliertes Verfahren dar.

Forschende des Fraunhofer IWS entwickeln deshalb Lösungen für ein kostengünstiges, laserbasiertes Fügeverfahren. Dabei wird der Laserstrahl in einem engen Spalt gependelt, Zusatzwerkstoff und die Flanken des Spaltens werden zuverlässig aufgeschmolzen. Wird dieser Prozess mehrfach wiederholt, entsteht eine lagenweise aufgebaute Schweißnaht. Die gezielt eingestellten Eigenschaften hochfester Aluminium-Legierungen lassen sich so weitgehend erhalten. Vorteile für die industrielle Nutzung sind kurze Bearbeitungszeiten und die Verwendung angepasster Optiken, Laserquellen und Sensorik.

Bessere Batterien dank DLIP auf neuer Rolle-zu-Rolle-Anlage

Mit »Direkter Laserinterferenzstrukturierung« (DLIP) lassen sich die Oberflächen von Stromableiterfolien in Batterien neu funktionalisieren: Die Interferenzmuster können die Reaktionsfläche erhöhen und die Haftfähigkeit der Metallfolien verbessern. Dadurch eröffnen sich für Batteriehersteller mehr Möglichkeiten, die Lebensdauer und Kapazität ihrer Energiespeicher und somit gleichzeitig die Reichweite von Elektroautos zu erhöhen.

Das Fraunhofer IWS und die Technische Universität Dresden haben diese Laserstrukturierung in den vergangenen Jahren stetig weiterentwickelt. In den Fokus rückt die Zielstellung, die Bearbeitungsgeschwindigkeit von DLIP-Anlagen zu erhöhen und ihren Formfaktor zu verringern. Darauf zielt auch das Projekt »Next-Gen-3DBat«, an dem unter Federführung des Projektträgers Jülich das Fraunhofer IWS, die Unternehmen Daimler und Varta sowie weitere Partner beteiligt sind. Durch die 3D-Laserstrukturierung von Zellkomponenten wollen sie die Leistung und Kapazität von Batterien verbessern.

Das Fraunhofer IWS überträgt dabei seine patentierte Laserinterferenzstrukturierung auf das Rolle-zu-Rolle-Prinzip. Die neue Anlage soll Stromableiterfolien kontinuierlich von Rollen abwickeln und strukturieren. Ziel ist es, im Vergleich zu Taktverfahren die Bearbeitungszeiten zu verkürzen. Die Projektpartner erwarten Durchsätze von etwa einem Quadratmeter pro Minute. Zudem lassen sich so die in der Industrie üblichen Bandrollen (»Coils«) weiterverarbeiten. Ein Prototyp ist betriebsfähig, eine verbesserte Anlage im Bau. Außerdem verfolgt das Fraunhofer IWS einen weiteren innovativen Ansatz: Eine Kombination mehrerer Strahlformungsmethoden optimiert den Laserstrahl, um ein hohes Aspektverhältnis und ein uniformes Interferenzmuster auf der Stromableiterfolie zu erzeugen. Dadurch vergrößert sich die mit jedem ultrakurzen Puls bearbeitete Fläche erheblich.

Die Funktionalisierung technischer Oberflächen mit bioinspirierten Strukturen aus der Natur ist ein Innovationsträger des 21. Jahrhunderts. Die erzielbaren Funktionalitäten finden vielfältige Anwendungsgebiete, z.B. zur Verbesserung der Biokompatibilität im medizinischen und biotechnologischen Bereich, für tribologische Anwendungen in der Automobilindustrie oder auch für optische Anwendungen wie Produkt- und Markenschutz.

Dazu wurde die weltweit kompakteste Anlage zur Oberflächenfunktionalisierung DLIPµcube jetzt mit dem neuen DLIPscan nano System ausgestattet, dem kompaktesten Scanner-basierten direkten Laserinterferenzsystem zur Erzeugung periodischer Oberflächenstrukturen. Damit können funktionale Oberflächen noch flexibler in die Industrie transferiert werden. 

Die Qualität der Oberflächenstrukturierung hängt entscheidend von einer stabilen Prozesssteuerung ab, da bereits geringste Parameterschwankungen die Funktionalisierung beeinträchtigen können. Um höchste Prozesssicherheit zu gewährleisten, wurde die Anlage mit einem innovativen akustischen Sensormodul LASENSacoustic erweitert. Das kompakte, modulare Monitoring-System gleicht erkannte Abweichungen automatisch aus und sichert so konstant hohe Qualität der funktionalisierten Oberflächen. Die mechanischen Eigenschaften des Grundmaterials bleiben dabei vollständig erhalten, während zusätzliche Beschichtungen oder nachgelagerte Prozessschritte entfallen.

Die Lasermaterialbearbeitung mit Ultrakurzpulslasern ist ein hochpräzises und schädigungsarmes Verfahren, mit dem selbst transparente oder spröde Werkstoffe mit hoher Qualität bearbeitet werden können. Eine Limitierung dieses Verfahrens ist jedoch die geringe Produktivität, da häufig für eine hohe Bearbeitungsqualität nicht die volle Leistung genutzt werden kann. Ein Ansatz, dieser Herausforderung zu begegnen, ist die Verteilung hoher Laserleistungen auf mehrere Teilstrahlen, die parallel zueinander arbeiten. Klassisch ist die räumliche Ausrichtung dieser Strahlen fixiert, wodurch beim Scannen in eine Richtung mehrere parallele Linien und beim Scannen in die orthogonale Richtung nur eine Linie entsteht.

Das neuentwickelte Optikmodul SHAPErotator begegnet dieser Einschränkung durch das dynamische Ausrichten des Strahlprofils während des Scanvorgangs. Somit kann mit beliebig vielen Teilstrahlen gleichzeitig gearbeitet werden, wobei jeder Strahl die für eine optimale Qualität erforderliche Leistung enthält.

Die Laser-Präzisionsbearbeitung konzentriert sich auf das mikrometergenaue Erzeugen von Strukturen in Bauteilen und deren Oberflächen, um definierte Funktionen gezielt zu realisieren. Hinsichtlich Werkstoff sind dem Laserverfahren dabei kaum Grenzen gesetzt. Neben dem hochpräzisen Schneiden und Bohren ermöglicht die Laserbearbeitung auch das gezielte Strukturieren von Oberflächen, um deren Eigenschaften zu optimieren. So lässt sich die Reibung und der Verschleiß von Bauteilen und Werkzeugen vorteilhaft reduzieren. Durch präzise gestaltete Strukturen entstehen zudem festere Verbindungen an den Schnittstellen von Multimaterialverbünden, die im Leichtbau zum Einsatz kommen.

Die Vielfalt des Multitools Laser

Das Exponat zeigt an unterschiedlichen Materialproben die Möglichkeiten des Lasers zum Reinigen und Vorbehandeln von Oberflächen. Dabei ist das Potential für fast alle Branchen interessant, denn das Laserstrahlreinigen benötigt keine Reinigungsmedien, verringert damit den Entsorgungsaufwand und lässt sich in automatisierte Fertigungsstrecken integrieren.

Ein Werkzeug viele Möglichkeiten – das Ergebnis lässt sich feinfühlig einstellen, von einem ausschließlichen Reinigen bis hin zum definierten Aufrauen und Strukturieren. Das Fraunhofer IWS entwickelt kundenspezifisch wirtschaftliche Prozesse und zugehörige Systemtechniklösungen.

Zur Verbindung von Papierprodukten haben sich zahlreiche Verfahren und Bindemittel etabliert. Besonders verbreitet ist das Kleben, da es kostengünstig ist und stabile Verbindungen erzeugt. Im Kontext eines wachsenden Umweltbewusstseins bringt der Einsatz von Klebstoffen beim Recycling jedoch erhebliche Probleme mit sich. Klebstoffreste führen häufig zu erhöhtem Ausschuss und erfordern zusätzliche, umweltschädliche Chemikalien im Recyclingprozess. Ziel entlang der gesamten Wertschöpfungskette ist es daher, den Einsatz solcher Zusatzstoffe zu minimieren. Eine mögliche Lösung könnte ein bindemittelfreies Fügeverfahren sein, das auf dem Schmelzprinzip basiert.

Das Fraunhofer IWS und die Papiertechnische Stiftung PTS arbeiten derzeit an der Entwicklung eines bindemittelfreien Verfahrens zur Verbindung von Papier. Durch den Einsatz eines Kohlenstoffmonoxidlasers (CO-Laser) gelang es in Versuchen schmelzfähige Reaktionsprodukte auf der Papieroberfläche zu erzeugen. In einem anschließenden Heißsiegelprozess verband das Forschungsteam zwei Papierlagen miteinander – ganz ohne zusätzliche Klebstoffe.

Im Fraunhofer-Anwendungszentrum für Optische Messtechnik und Oberflächentechnologien AZOM des Fraunhofer IWS Dresden wurde ein intelligentes Messsystem (SURFinpro) zur KI-gestützten Erfassung von Oberflächenfeatures bei Rolle-zu-Rolle-Prozessen (R2R) entwickelt. Bei der Herstellung von verschiedenen Schichtensystemen bzw. Foliensystemen, die auf R2R-Techno-logien basieren, kommt es typischerweise im Verarbeitungsprozess zur Ausbildung von Fehlstellen, die das äußere Erscheinungsbild der Schichten bzw. die allgemeine Qualität und Funktionalität der Systeme beeinträchtigen. Die Struktur von solchen Herstellungsfehlern kann sich in einem breiten Spektrum unterschiedlicher Größen und Ausprägungen manifestieren. Für die Erfassung der Fehlstellen wird ein Lasertriangulationsansatz instrumentalisiert. In Abhängigkeit des Prozesses können die eingesetzten Komponenten auf eine optimale Erfassung der Störstellen angepasst werden.

Der eigentliche Kern des Messsystems ist die intelligente KI-gestützte Auswertung der Daten. Hierbei kommen deterministische und statistische Verfahren zum Einsatz, um die Qualität und die Eigenschaften wie Rauheit, Kratzer, Defekte oder Höhenverteilung von Oberflächen zu messen. Die Bearbeitung der Bildinhalte zur Extraktion der oben erwähnten Features erfolgt anhand der realisierten, inlinefähigen, skalierbaren Dateninfrastruktur, welche die Ausführung von KI-Modellen sowie von klassischen deterministischen Routinen ermöglicht. Dabei können Strukturen wie Punktfehler gleichermaßen wie Flächendefekte bis über 500 mm mit einer Ortsauflösung von ca. 100 μm bei einer Geschwindigkeit von 5 m/min zuverlässig erfasst werden. Die umgesetzten Hilfsinstrumente ermöglichen die flexible Erweiterung der erfassbaren Feature-Menge sowie die Wahl und Evaluierung angemessener Verarbeitungsinstrumente.

Hyperspektrale Bildgebung (HSI)

Optische Sensorik kommt in einer Vielzahl unterschiedlicher Industriebranchen zum Einsatz – etwa um zu prüfen, ob Qualitätskriterien eingehalten werden. Eine sogenannte 100-Prozent-Inspektion ist mit herkömmlichen Technologien oft jedoch nicht möglich, obwohl in den betreffenden Industriezweigen Bedarf dafür besteht. Die hyperspektrale Bildgebung (Hyperspectral Imaging, kurz: HSI) verfügt über das Potenzial, die bestehende Lücke wirksam zu schließen.

Im Vergleich zu klassischen RGB-basierten Machine-Vision-Systemen detektieren Hyperspektralkameras deutlich mehr spektrale Bänder, um Zieleigenschaften zu messen. Unterschiedliche material- oder topologieseitig bedingte Oberflächenzustände äußern sich in einer spektralen Änderung des optischen Verhaltens des Probenabschnitts, sei es durch Absorption, Brechung oder Streuung. Die Hyperspektraltechnik ermöglicht es somit, ortsaufgelöst Oberflächeneigenschaften zu erkennen und mit hoher Geschwindigkeit kontinuierlich zu überwachen. HSI kann beispielsweise ortsaufgelöst die Dicke eines dielektrischen Films, Ölreste auf Metall- oder Kunststoffbändern oder den elektrischen Widerstand einer ITO-Schicht auf einem Glassubstrat bestimmen. Neben der lateralen Verteilung von Zieleigenschaften lassen sich aus der Gesamtheit aller HSI-Daten einer bestimmten Fläche auch globale Zielparameter dieser Fläche ableiten, wie etwa die Haftfestigkeit einer Oberfläche oder eine Qualitätsklassifikation nach den Parametern »i. o.« bzw. »n. i. o.«.

Die HSI-Systeme des Fraunhofer-Instituts für Werkstoff- und Strahltechnik IWS können bestehende Technologielücken in der Produktionsüberwachung maßgeschneidert schließen:

Imanto® Obsidian 
Vollständig integriertes Laborsystem für die hyperspektrale Bildanalyse. Verunreinigungen, Schichtdicken, Materialveränderungen, Oberflächentopologien und vieles mehr können ortsaufgelöst sichtbar gemacht und objektiv bewertet werden.

Imanto® Pro 
Ein Software-Paket, das den gesamten Workflow der Hyperspektralinspektion abdeckt, von der Datenerfassung über die Datenvorverarbeitung bis hin zur Datenauswertung (Exploration, Klassifizierung und Regression).

Aufgrund ihres hochempfindlichen und selektiven Messprinzips finden im Bereich der Prozess- und Laboranalytik berührungslos arbeitende optisch-spektroskopische Analyseverfahren wie die hyperspektrale Bildgebung (hyperspectral imaging – HSI) vielfältigste Anwendungen. So können unterschiedliche spektrale Ausprägungen bei verschiedenen Gewebetypen (Blut, Haut, Zellkultur, ...) im visuellen und infraroten Wellenlängenbereich von ca. 400 bis 2500 nm mittels HSI sichtbar gemacht werden. Für Einzelanwendungen und Prozessintegration entwicklet das Fraunhofer IWS kundenspezifisch maßgeschneiderte Lösungen.

Die optische Kohärenztomografie (OCT, für optical coherence tomography) ist ein 3D-bildgebendes Verfahren, das die tiefenaufgelöste, mikroskopische Untersuchung von Proben mittels nahinfrarotem Licht ermöglicht. Ähnlich zum Ultraschall wird dabei die Laufzeit der Lichtwelle analysiert und ein Schnittbild der inneren Strukturen in Sekundenbruchteilen erzeugt. Das Fraunhofer IWS entwickelt integrierte Lösungen für die OCT-Bildgebung basierend auf anwendungsspezifischer Hardware und Software, die beispielsweise der Qualitätssicherung und dem Inline-Monitoring im Industrie- und Forschungsbereich dienen. Für die Gewebekultivierung auf mikrophysiologischen Systemen (MPS) bietet das Fraunhofer IWS eine Plattform für die OCT-Echtzeitdiagnostik der Proben bei simultaner Stimulation und Versorgung an. 

Die Arbeitsgruppe Optische Inspektionstechnik präsentiert neuartige Lösungen zur Bewertung von Barrierefolien. Barrierematerialien sind in der organischen Elektronik essentiell notwendig, um die empfindlichen Aktivschichten vor schädigenden atmosphärischen Gasen, insbesondere Wasserdampf und Sauerstoff, zu schützen und somit die Produktlebenszeit signifikant zu erhöhen.

Hyperspektrale Bildgebung (HSI)

Ein völlig neuartiger Ansatz zur Bewertung von Barrierefolien bietet der Einsatz der Hyperspektralen Bildgebung (HSI). Die Aufnahme eines umfangreichen Satzes an Spektren der Barrierefolie und deren KI-basierten Auswertung lässt die Bestimmung der Wasserdampftransmissionsrate (WVTR) innerhalb von Minuten anstatt wie bislang von Tagen zu. Das ermöglicht eine sehr schnelle Kontrolle von Barrierefolien »at-line« und sogar »inline« während ihrer Herstellung oder Verarbeitung. Darüber hinaus lässt sich auch die Permeationsrate von Barrierefolien ortsaufgelöst bestimmen. Dieses Konzept (HSI+KI) ist auf vielfältige Anwendungsgebiete übertragbar: z. B. auf eine kontinuierliche großflächige Schichtdickeninspektion, die Inspektion der Verteilungen von Materialparametern, auf das Defekt- und Verschmutzungsmonitoring und auf die Vorhersage von Leistungskennzahlen bspw. von Folien oder Halbzeugen. 

Simultane Bestimmung der Wasserdampfpermeationsrate (WVTR) und der Sauerstoffpermeationsrate (OTR) von Barrierefolien

Das Fraunhofer IWS stellt ein Messsystem aus der HiBarSens®-Reihe vor, das eine neue Klasse von Barrieremesssystemen definiert. Erstmals lassen sich die kritischen Barriereleistungskennzahlen Wasserdampftransmissionsrate (WVTR) und Sauerstofftransmissionsrat (OTR) einer Barrierefolie simultan messen. Das bedeutet einen deutlichen Informationsgewinn sowie genauere Ergebnisse, da beide Permeationsraten konzeptbedingt von exakt der gleichen Probenfläche unter identischen Messbedingungen ermittelt werden. Dabei entstehen jedoch keinerlei Kompromisse bei den Nachweisgrenzen (verglichen mit Einzelgeräte) von WVTR (10‑6 g m‑2 d‑1) und OTR (10‑3 cm3 m-2 d-1 bar-1).

Am Fraunhofer IWS stehen unterschiedliche Leichtbauthemen im Fokus der Forschung. Das Thermische Spritzen kann zur anwendungsgerechten Funktionalisierung von Faserverbundkunststoffen verwendet werden. Dafür wird eine vom Fraunhofer IWS patentierte Oberflächenvorbereitung für das Thermische Spritzen verwendet.

Vorrausetzung für eine erfolgreiche Beschichtung ist eine ausreichende Rauheit, um die mechanische Verklammerung der schichtbildenden Spritzpartikel zu gewährleisten. Die Fraunhofer IWS Lösung adaptiert die Funktion des Abreißgewebes bei der Herstellung von FVK. Bei der Lamination wird das Abreißgewebe zusammen mit den Fasern vom flüssigen Harz getränkt und verbleibt auf der Bauteiloberfläche. Direkt vor der Beschichtung wird das Abreißgewebe entfernt, so dass keine aufwändige Reinigung der Oberfläche notwendig ist. Die Vorteile gegenüber alternativen Verfahren, wie Sandstrahlen oder mechanische Bearbeitung von Faserverbundkunststoffen, zur Einstellung einer geeigneten Oberflächenrauheit sind:

• Abreißgewebe kann in die Bauteilfertigung mit geringsten Aufwand und Kosten integriert werden.
• Das Abreißgewebe schützt die Oberfläche zwischen Herstellung und Beschichtung.
• Für das Thermische Spritzen ist kein weiterer Vorbereitungsschritt, kein weiteres Verfahren notwendig: Abreisgewebe abziehen, ggf. Maskieren und Beschichten.
• Das Leichtbauteil bleibt unbeschädigt, es werden keine Fasern durchtrennt, die Festigkeit bleibt erhalten.

Ein Beispiel zeigt die Funktionalisierung eines Winglets für Segelflugzeuge mit einem keramischen Heizschichtsystems, bestehend aus einem Aluminium Bond coat, einer Aluminium-Titanoxid-Isolationsschicht, einer vollflächigen Titansuboxid-Heizschicht und Kupferkontaktschichten zur elektrischen Kontaktierung. Alle Schichten wurden mittels Plasmaspritzen hergestellt.

Flexibilität – in der Werkzeugwahl, dem Verfahren und der Bauteilgeometrie: das bietet die Systemtechnik des Fraunhofer IWS.

Das dynamische Strahlformungssystem »LASSY« ermöglicht es, beim Härten flexibel auf verschiedenste Bauteilgeometrien reagieren zu können. Die 1D-Scanneroptik, erlaubt es, den Laserstrahl quer zur Behandlungsrichtung zu formen. Die Energieverteilung im Laserstrahlfleck passt sich durch Steuerung der Scangeschwindigkeit und/oder Nachführung der Laserleistung an nicht konstante Wärmeableitungsbedingungen an. Damit gelingt z. B. eine gleichmäßige Härtetiefe trotz lokal unterschiedlicher Bauteildicke. Anwendung findet diese Technologie in Laserrandschichtveredelungsverfahren wie Laserstrahlhärten, -umschmelzen oder -legieren. Die Systemintegration »Emaqs«, ein kamerabasiertes Temperaturerfassungssystem, das enorme Verbesserungen der Prozessregelung mit sich bringt, und das Temperaturregelsystem »LOMPOCpro« runden das Systemtechnikportfolio optimal ab.

Aufgrund seiner verfahrensspezifischen Vorteile ist das Laserhärten oft besonders effizient, um hochbelastete Bauteiloberflächen gegen hohe Flächenpressungen und Verschleiß zu schützen. Anwender schätzen die hohe Prozessgeschwindigkeit und Präzision, die gute Reproduzierbarkeit sowie den geringen Verzug der behandelten Bauteile. Entscheidend für die Umsetzbarkeit sind die Laserstrahlformung und Prozessregelung.

Wissenschaftler am Fraunhofer IWS entwickelten eine spezielle neue Variante der Wärmefeldregelung. Diese kombiniert die Temperaturmessung inklusive Pyrometer (»Efaqs«) und Wärmebildkamera (»Emaqs«) auf geeignete Weise mit einer hochfrequenten Pendelbewegung des Laserstrahls (Scanning). Damit lassen sich gleich mehrere Problemstellungen beim Laserhärten von geometrisch komplizierten Bauteilen lösen: Das Laserstrahlscanning ermöglicht es, die Härtezonenbreite flexibel einzustellen und bei Bedarf schnelle kontinuierliche Änderungen im laufenden Prozess vorzunehmen. Bereits damit erweitert sich das zu bearbeitende Bauteilspektrum erheblich. Gleichzeitig lässt sich durch die Veränderung der lokalen Scangeschwindigkeit die Laserintensität an die lokale Wärmeableitung punktgenau anpassen. Damit stellen Radien, Kanten oder sogar Bohrungen im Bearbeitungsbereich kein generelles Problem mehr dar. Aber erst durch die Hinzunahme einer ausreichend schnellen Leistungssteuerung lässt sich der Prozess soweit automatisieren, dass der Anlagenbediener praktisch keine manuellen Eingriffe mehr vornehmen muss.

Die Steuerung von Scanbewegung und Laserleistung erfolgt auf Basis der in Echtzeit erfassten Temperaturdaten. Dabei stehen grundsätzlich die Messwerte von Pyrometer und Wärmebildkamera zur Verfügung, die für bestimmte Teilaufgaben bei der Prozessregelung wichtig sind. Durch die Verknüpfung beider Messverfahren und verfügbaren Steuerungsgrößen lassen sich die verbleibenden Temperaturschwankungen soweit minimieren, dass an jeder Position im Bearbeitungsbereich das optimale Randhärteniveau erreicht wird.