Licht als Werkzeug – Tailored Light, Möglichkeiten der Materialbearbeitung mit Licht

Presseinformation (Nr. XX) - Fraunhofer IWS, / 19.6.2015

Am 19. Juni 2015 ist es endlich soweit: Mit der Eröffnung der Ausstellung »Hi Lights« in den Technischen Sammlungen Dresden erreichen die Aktivitäten der Dresdner Forschungs-, Bildungs- und Kultureinrichtungen im Rahmen des »Dresdner Lichtjahr 2015« einen ganz besonderen Höhepunkt. Das Fraunhofer IWS Dresden hat den Bereich der Materialbearbeitung mit Licht maßgeblich mit gestaltet und präsentiert in der Ausstellung sowohl Ergebnisse aktueller Forschungsarbeiten als auch zahlreiche Exponate zur Entwicklungsgeschichte des Lasers.

Hochdynamische Anlage zum Laserstrahlschneiden
© Fraunhofer IWS Dresden / Frank Höhler

Hochdynamische Anlage zum Laserstrahlschneiden

Mikrostrukturierung von Ziffernblättern für Uhren mittels Laser
© Fraunhofer IWS Dresden

Mikrostrukturierung von Ziffernblättern für Uhren mittels Laser

Mit superhartem amorphen Kohlenstoff beschichtete Nockenwelle zur Reibungsreduzierung im Ventiltrieb
© Fraunhofer IWS Dresden / Frank Höhler

Mit superhartem amorphen Kohlenstoff beschichtete Nockenwelle zur Reibungsreduzierung im Ventiltrieb

Optische Technologien zählen zu den Schlüsseltechnologien des 21. Jahrhunderts. Sie revolutionieren den Informationsfluss in optischen Netzwerken und ermöglichen immer kleinere Strukturen in der Mikroelektronik. Die optische Sensorik vereint Schnelligkeit mit Selektivität und die berührungslose Materialbearbeitung erlangt durch effiziente Laserstrahlquellen immer neue Einsatzbereiche. Maßgeschneidertes Licht, »Tailored Light«, ist der Treiber dieser Entwicklung.

Das Werkzeug »Laser« steht für Schnelligkeit und Präzision. Neue Verfahren zur Lasermaterialbearbeitung verkürzen die Prozessketten, reduzieren Herstellungskosten, erhöhen die Durchsatzraten in der Produktion, verbessern die Effizienz und Güte von Fertigungsprozessen und Produkten. Der Einsatz des Lasers als universelles Werkzeug ist weltweit auf dem Vormarsch. Die Dresdner Ausstellung gibt einen Einblick in eine Vielzahl von Anwendungsbeispielen.

Das Laserstrahlschneiden beispielsweise gehört zu den bekanntesten Lasertechnologien und ist in der Massenproduktion seit langem eine Alternative zum konventionellen Schneiden mit Stanzwerkzeugen. Der Laserstrahl als verschleißfreies, berührungsloses sowie flexibel einstellbares Werkzeug bietet eine exzellente Qualität des Schneidprozesses und führt zu einer hohen Automatisierbarkeit.

Wird der Laserstrahl mit Hilfe von schnell beweglichen Spiegeln aus größerer Entfernung präzise entlang der zu schneidenden Kontur auf der Bauteiloberfläche geführt, können selbst komplexe Strukturen mit effektiven Schneidgeschwindigkeiten von über 100 Meter pro Minute getrennt werden. Kombiniert man diese Technik mit einem kontinuierlichen Vorschub in der Schneidanlage kommt man zu einer äußerst leistungsfähigen systemtechnischen Lösung. Das Fraunhofer IWS Dresden hat derartige Lösungen bei mehreren Unternehmen in die Fertigung überführt und damit deren Produktionsverfahren revolutioniert (Abb. 1).

Ein anderes Verfahren, das Strukturieren mit dem Laserstrahl, kommt häufig in der Photovoltaik sowie der Kunststoff- und Oberflächentechnik zum Einsatz. Auch für die Herstellung hochwertiger Designelemente bietet sich das Verfahren an. Ein Beispiel sind die Mondscheiben hochwertiger mechanischer Uhren, bei denen die farbige Beschichtung auf goldenen Scheiben partiell abgetragen wird. Mittels Maskenprojektion werden die Strukturen in Form von Sternen und Sternbildern in einem Arbeitsschritt gleichmäßig eingesenkt, so dass ebene Strukturböden entstehen (Abb. 2).

Übrigens, auch bei der farbigen Beschichtung der Mondscheiben kommt ein Laser zum Einsatz. Mit Hilfe des lasergesteuerten gepulsten Vakuumbogens werden superharte amorphe Kohlenstoffschichten auf den aus Gold bestehenden Mondscheiben abgeschieden. Durch Einstellung der optischen Eigenschaften und der Dicke der Schicht entsteht ein tiefblauer Farbeindruck, der den Nachthimmel repräsentiert.

Industriell von größerem Interesse als die Farbe sind aber die Reibungs- und Verschleißeigenschaften der superharten amorphen Kohlenstoffschichten. Das in industriellen Tests erprobte Anwendungsspektrum der Schichten reicht von ultradünnen Präzisionsschichten bis hin zu mehreren Mikrometern dicken Schutzschichten für stark belastete Gleitkomponenten und Werkzeuge. Beispiele dafür sind beschichtete Zahnräder in Getrieben für spezielle Werkzeugmaschinen, Bauteile für Motorkomponenten oder beschichtete Messer mit lebenslanger Schärfegarantie (Abb. 3).

Der Laser ist für viele Anwendungen ein nahezu ideales Werkzeug. Er ermöglicht es, Energie auf den Punkt zu fokussieren und diesen bei Bedarf sehr schnell zu bewegen. Das besondere Licht ist in vielen Anwendungsfällen der Schlüssel für Energie- und Materialeffizienz. Die als Beitrag zum »Internationalen Jahr des Lichts und lichtbasierter Technologien« konzipierte Ausstellung in den Technischen Sammlungen Dresden macht das vielfältige Potenzial der Lasertechnik und Photonik einem großen Publikum bekannt und begeistert für lichtbasierte Verfahren in Alltag, Wissenschaft und Technik.