CAPS

Fraunhofer Cluster of Excellence Advanced Photon Sources (CAPS)

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Neue Generation von Ultrakurzpulslasern und deren Anwendung

Ultrakurzpulslaser versprechen erstaunliche Möglichkeiten. Die Technologie ist jedoch bislang durch die geringe Leistung der Laser limitiert. Um dies zu ändern, hat die Fraunhofer-Gesellschaft 2018 das Cluster of Excellence Advanced Photon Sources CAPS gegründet. Unter Führung der Fraunhofer-Institute für Lasertechnik ILT in Aachen und für Angewandte Optik und Feinmechanik IOF in Jena wollen die beteiligten Institute Laserquellen und Prozesstechnik für Leistungen bis 20 kW entwickeln. Das Ziel ist die internationale Technologieführerschaft bei Lasersystemen, die mit ultrakurzen Pulsen (UKP) höchste Leistungen erreichen, sowie die Erforschung von deren Einsatzpotenzialen. Die neuen Systeme sollen alle bisherigen UKP-Laser um eine Größenordnung in der mittleren Laserleistung übertreffen. Gleichzeitig wird an der nötigen Systemtechnik sowie an möglichen Anwendungen in Industrie und Forschung gearbeitet.

Das Cluster of Excellence Advanced Photon Sources CAPS ist so angelegt, dass neben Strahlquellen auch Prozesstechnik und Anwendungen erforscht werden. Partner aus Forschung und Industrie sind eingeladen, sich daran zu beteiligen. Ihnen gegenüber tritt das Cluster als »virtuelles Institut« auf, in dem die Experten aus den 13 Fraunhofer-Instituten FEP, IAF, IIS, IKTS, IMWS, ISE, ISIT, ITWM, IWM, IWS, IZI sowie ILT und IOF ihre gebündelten Kompetenzen anbieten.

Wir forschen in diesen Anwendungsbereichen

UKP-Laserverfahren für die Hochleistungsbearbeitung von faserverstärkten Kunststoffen für Leichtbauanwendungen im Multimaterialdesign (CAPS FKV-Bearbeitung)

Test-Teil, das mit dem Ultrakurzpulslaser geschnitten und an der Oberfläche strukturiert wurde.
© Fraunhofer IWS
Test-Teil, das mit dem Ultrakurzpulslaser geschnitten und an der Oberfläche strukturiert wurde.

Wirtschaftliche und automatisierte Fertigungsprozesse von FKV für den Einsatz in Leichtbauanwendungen

Der Einsatz moderner Werkstoffe, wie Faserkunststoffverbunde (FKV), ermöglicht aufgrund des hervorragenden Steifigkeits-Masse-Verhältnisses Gewichtseinsparungen, verringert den Verbrauch fossiler Rohstoffe und reduziert Abgasemissionen von bspw. Kraftfahrzeugen. Die Reichweite elektrischer Fahrzeuge wird erhöht und damit deren Attraktivität gesteigert.
 

Herstellung und Weiterverarbeitung von pultrudierten Faserverbund-Bauteilen

Die Umstellung von konventionellen Materialien zu neuen Leichtbau-Werkstoffen wird aufgrund noch nicht gelöster Herausforderungen in der Fertigung gehemmt. Die Eigenschaften und Bearbeitbarkeit von Verbundwerkstoffen unterscheiden sich deutlich von Metallen, folglich müssen etablierte Fertigungsprozesse der Metallbearbeitung ersetzt werden durch Technologien, die an die Herausforderungen der neuen Materialien angepasst sind. Für die Großserienfertigung besteht Bedarf nach wirtschaftlichen, automatisierbaren Fertigungsprozessen für die Bearbeitung (z. B. Trennen) sowie für die Herstellung zuverlässiger Multimaterialbauteile, welche metallische Elemente fest mit FKV-Komponenten verbinden.
 

Technologielücke

Für Bauteile aus Faserverbundmaterial, die zusätzlich auch Metallkomponenten enthalten, existiert aktuell kein befriedigendes Trennverfahren. Für das Verbinden von FKV- und Metallkomponenten werden häufig Lasteinleitungselemente in Faserverbundbauteile integriert. Dies kann z. B. durch additive Verfahren erfolgen. Anbindung und Festigkeit des ergänzten Materials sind ohne Oberflächenvorbehandlung des Interfaces ungenügend. Ein laserbasiertes Vorbehandeln in Form selektiver Faserfreilegung oder gezielter Strukturierung des FKV hat sich in Voruntersuchungen in Kombination mit Kunststoffspritzguss und thermischem Spritzen als vielversprechend erwiesen. Die bisher erreichten Prozessgeschwindigkeiten sind jedoch zu gering.

Im Pultrusionsprozess lassen sich metallische Lagen auch direkt in das Composite-Bauteil integrieren. Hierdurch wird das Crashverhalten von Bauteilen verbessert und die nachträgliche Verwendung von klassischen Verbindungselementen (Schrauben, Nieten) ermöglicht. Voraussetzung ist jedoch eine belastbare stoff-/formschlüssige Anbindung im Interface zwischen Metall und FKV. Aktuell erfolgt hier eine aufwändige Vorbehandlung der metallischen Einleger durch Pulverbeschichten oder ein nachgelagerter, zusätzlicher Patch-Prozess. Auch hier wäre ein in die Prozesskette integrierter laserbasierter Vorbehandlungs-Prozess des Metalls eine attraktive Alternative, um die benötigte Verbindungsfestigkeit zwischen Metalllage und Pultrusionsbauteil zu gewährleisten.
 

Die Nutzung des UKP-Lasers

Als Alternative zur mechanischen Bearbeitung bietet der quasi-kalte Materialabtrag mit Ultrakurzpulslasern das Potential, bestehende Herausforderungen z.B. die Oberflächenvorbehandlung von Pultrusionsbauteilen für anschließendes Drucken von Anbindungselementen oder die Integration eines laserstrukturieren Stahlbandes in pultrudierte Bauteile zu meistern. Die mit den CAPS-Quellen verfügbaren Laserleistungen eröffnen zudem die Möglichkeit die noch teils unwirtschaftlichen Prozessgeschwindigkeiten beim Strukturieren aber auch beim effizienten Schneiden von metallisch verstärkten Pultrusionsbauteilen zu vervielfachen.

Das ausgewiesene Ziel dieses Vorhabens ist es, die Marktfähigkeit von Hybridwerkstoffen und damit verbundener Fertigungsverfahren signifikant zu erhöhen und dabei das Potential der UKP-Laser mit sehr hohen mittleren Leistungen für diese Anwendungen offenzulegen.

Hochrate-Funktionalisierung von Metallfolien mit einer organischen Beschichtung in Rolle-zu-Rolle Verfahren

Am Fraunhofer IWS entwickelter Pikosekunden-DLIP Aufbau mit DLIP-Köpfen für Wellenlängen im UV-, IR- und Grün-Bereich (von links nach rechts).
© Fraunhofer IWS
Am Fraunhofer IWS entwickelter Pikosekunden-DLIP Aufbau mit DLIP-Köpfen für Wellenlängen im UV-, IR- und Grün-Bereich (von links nach rechts).

Industrieles Anwendungspotential von hierarchischen Oberflächenstrukturen soll weiter ausgebaut werden

Oberflächen mit definierten Topografien werden in verschiedenen Bereichen wie der Bioökonomie, der Medizin oder auch zur Steigerung der Ressourceneffizienz und in Klimatechnologien angewendet. Als Beispiele können Oberflächentopografien zur Reibungsminderung und zur Verbesserung der Zell- und Verminderung der Bakterienadhäsion genannt werden. Trotz des erheblichen Anwendungspotentials in aktuellen und zukünftigen Leitmärkten wurden die Potentiale solcher Oberflächen noch nicht ausgeschöpft. Dies ist bei vielen Anwendungen auf die fehlende mechanische Stabilität zurückzuführen. Insbesondere gilt das für hierarchische Oberflächenstrukturen, d. h. Topografien, welche aus der Überlagerung von Strukturen unterschiedlicher Skalierung bestehen.

Zwar ermöglicht eine Vielzahl von Laborversuchen mittlerweile eine artifizielle Nachbildung derartiger hierarchischer Strukturen im kleinen Maßstab, jedoch sind diese Herstellungsprozesse sowohl kosten- als auch zeitintensiv und somit aus wirtschaftlicher Sicht wenig attraktiv. Demzufolge fehlt es derzeit an realistischen Anwendungsszenarien, um das große Potential hierarchischer Strukturen auf industrieller Ebene umzusetzen.
 

Photonische Verfahren zur großflächigen Herstellung funktionaler hierarchischer Strukturen

Das Gesamtziel des eingereichten Projektes ist die Erarbeitung und Nutzung von photonischen Verfahren zur großflächigen Herstellung funktionaler hierarchischer Strukturen auf organisch modifizierten Metalloberflächen zur Erschließung langzeitstabiler Oberflächenfunktionalitäten. Dazu wird eine Kombination aus mehreren skalierbaren Rolle-zu-Rolle-Verfahren (RzR-Verfahren) eingesetzt. Für die Herstellung der hierarchischen Strukturen sollen zwei Strukturierungsprozesse sequentiell kombiniert werden. Zunächst werden (Sub-)Mikrometerstrukturen mittels Direkten Laserinterferenzstrukturieren direkt auf die Metallfolie im RzR-Verfahren geschrieben. Im zweiten Verfahren werden die Metallfolien beschichtet und Nanostrukturen mittels eines Plasmaprozesses ebenfalls im RzR-Verfahren auf die (Sub-) Mikrometerstrukturen aufgebracht, so dass in Kombination hierarchische Strukturen resultieren.
 

Chancen des UKP-Lasers

Die größte Herausforderung für das beantragte Projekt ist das Erreichen wirtschaftlich attraktiver Prozessgeschwindigkeiten für die laserbasierte Rolle-zu-Rolle Strukturierung. Hierfür bieten die in CAPS entwickelten und in den User-Facilities verfügbaren Strahlquellen beste Voraussetzungen. Bisher nicht verfügbare hohe mittlere Laserleistungen im kW-Bereich eröffnen die Möglichkeit, bei den Prozessgeschwindigkeiten in Bereiche von bis zu 10 m/min Strukturierungsgeschwindigkeit vorzudringen.

Im Projekt ist vorgesehen, die am Fraunhofer IWS vorhandenen UKP-Strahlquellen im Leistungsbereich von 300 W kombiniert mit den am Fraunhofer IWS entwickelten Remote-Bearbeitungsoptiken für die erforderlichen Voruntersuchungen zu nutzen. Die so erarbeiteten Prozesse und Systeme werden anschließend auf die Hochleistungsquellen der User-Facility übertragen. Erst hierdurch wird das Erreichen der angestrebten Prozessgeschwindigkeiten möglich werden.

Strukturierung von Elektroblechen zur Energieübertragung unter Verwendung von Multi-kW-UKP-Lasern

Wärmebeständige Laserbehandlung von kornorientiertem Elektroblech. Eingebrachte strukturelle Defekte erhalten Wärmebeständigkeit.
© Fraunhofer IWS
Wärmebeständige Laserbehandlung von kornorientiertem Elektroblech. Eingebrachte strukturelle Defekte erhalten Wärmebeständigkeit.

Effizienzsteigerung von Trafo- und Elektroblechen zur Energieeinsparung

Ein weltweit steigender Energiebedarf sowie die Erschließung und Nutzung regenerativer Energieressourcen durch die zwingend erforderliche Reduzierung von Treibhausgasemissionen als auch der Ausbau der Elektromobilität sind maßgebliche Treiber für die Entwicklung elektrischer Maschinen mit höchster Effizienz. Deren Wirkungsgrad wird signifikant durch das Kernmaterial in Generatoren, Transformatoren und Motoren beeinflusst. Das Eigenschaftsprofil des verwendeten weichmagnetischen Werkstoffes ist dabei entscheidend. Neben Verbesserungen im Werkstoffdesign bieten laserbasierte Oberflächenverfahren ein besonders Potenzial für eine anwendungsorientierte und einsatzgerechte Eigenschaftsmodifikation.
 

Herkömmliches Verfahren wird weiterentwickelt

Eine etablierte Laserbehandlungstechnologie zur Verlustreduzierung hochpermeabler kornorientierter Elektrobleche, die als Kernmaterial in Transformtoren Anwendung finden, ist die sogenannte laserinduzierte Domänenverfeinerung (Laser Magnetic Domain Refinement, LMDR). Hierbei werden thermische Spannungen in einem periodischen Abstand von wenigen Millimetern lotsenkrecht zur Walzrichtung in das Elektroband eingebracht, welche unter optimalen Bedingungen zu einer Reduzierung der Kernverluste im Bereich von ca. 10% führen kann. Eine anschließende Wärmebehandlung der laserbehandelten Elektrobleche führt allerdings zu einer Reduzierung der vorherigen Optimierung aufgrund der Relaxation der thermisch induzierten Spannungen. Ist eine Glüh- oder Wärmebeständigkeit notwendig, wie z.B. bei Ringbandkernen, kann dies mittels struktureller Defekte erreicht werden. Anstatt des Einbringens thermisch induzierter Spannung ist das Einbringen von Gräben mittels einer mechanischen Rolleinheit, chemischen Ätzen oder einer Laserbehandlung ein vielversprechender Ansatz. Die Laserbehandlung zeichnet sich gegenüber den anderen Verfahren allerdings durch eine verhältnismäßig einfache Integration, eine berührungslose und somit verschließfreie Charakteristik und hohe Flexibilität aus.

Machbarkeitsuntersuchungen am Fraunhofer IWS mit hochbrillanten cw-Laserstrahlquellen im kW Bereich haben den grundsätzlichen Einsatz der Lasertechnologie zur Strukturierung von kornorientiertem Elektroblech demonstriert. Für die industrielle Umsetzung ist neben hohen Prozessgeschwindigkeit von mehreren Metern pro Minute eine hohe Qualität der Grabenstruktur von entscheidender Bedeutung. Im Rahmen des Projektes wird die Effizienzsteigerung kornorientierter Elektrobleche sowie siebgedruckter Elektrobleche mit neuem Werkstoffdesign durch Laserbehandlung mittels Multi-kW-UKP-Lasern untersucht.

Zur Gewährleistung der Isolationswirkung der dünnen Isolationsschicht (2 µm bis 5 µm) dürfen keinerlei Materialreste der Fe-Si-Matrix bei der Oberflächenstrukturierung auf der Blechoberfläche verbleiben. 
 

Chancen des UKP-Lasers

Die Anwendung von kommerziellen Multi-kW-UKP-Lasern UKP Lasern bietet das Potential die hohen Qualitätsanforderungen für die wärmebeständige Oberflächenstrukturierung zu erfüllen, erreichen aber bisher nicht die notwendigen Prozessgeschwindigkeiten, welche im Rahmen des Projektes untersucht wird.. Es soll ein Machbarkeitsnachweis zur Anwendung von Multi-kW-UKP-Lasersysteme für die wärmebeständige Oberflächenstrukturierung erbracht, sowie die Oberflächenqualität (Grabenqualität) und die Prozessgeschwindigkeit gesteigert werden.

Grundlagenuntersuchungen zum Laser Shock Peening mit UKP-Laser und höchsten Flächenraten zur gezielten Beeinflussung der Eigenspannungen und Werkstoffeigenschaften an Bauteiloberflächen

Messaufbau zur röntgenographischen Vermessung der Eigenspannungen mittels Sin2ψ – Methode.
© Fraunhofer IWM
Messaufbau zur röntgenographischen Vermessung der Eigenspannungen mittels Sin2ψ – Methode.

Lebensdauererhöhung von Bauteilen – Laser Shock Peening statt Kugelstrahlen

Werkstoffe werden aufgrund von Leichtbau, Ressourcenschonung (etc.) immer mehr am Rande der Belastungsgrenzen eingesetzt. Daher sind Verfahren, die die (Ermüdungs-) Lebensdauer der Komponenten/Bauteile erhöhen besonders interessant. Industriell ist hierbei das Kugelstrahlen weit verbreitet, wodurch Druckspannungen in die Randschicht eingebracht werden und diese zudem verfestigt wird. Allerdings führen nur geringfügige Änderungen der Prozessparameter wie zu hoher/ zu niedriger Druck, des Arbeitsabstandes und die Qualität/Abnutzung der Kugeln teilweise sogar zu einer Schwächung des Bauteils (Einbringung zusätzlicher Kerben bzw. Defekte). Um diese negativen Auswirkungen zu minimieren, müssen verschiedene Qualitätskontrollen, bspw. das Bestrahlen und Auswerten von Dummy-Material bzw. Almen-Test durchgeführt werden. Verlaufen diese Qualitätskontrollen negativ, so wird das gesamte Bauteil als Ausschuss eingestuft.
 

Alternativverfahren - LSP

Das Laser Shock Peening (LSP) ist eine Technologie, bei dem hochintensive Laserpulse Material an der zu bearbeiteten Oberfläche verdampfen und dadurch mechanische Schockwellen an der Oberfläche induzieren. Bei ausreichend hohen Drücken wird die damit verbundene lokale plastische Verformung genutzt, um die Oberflächen zu verfestigen, zu härten und Druckeigenspannungen aufzubauen.

Aufgrund der langen Prozesszeiten ist das Verfahren bisher noch nicht konkurrenzfähig. Zudem ist bei den meisten LSP-Systemen eine zusätzliche Aufwendung zur Oberflächenvorbehandlung (i.d.R. Beschichtung) und / oder die Notwendigkeit eines Verstärkungsmediums (speziell bei ns-Kurzpulslasern meist in Form eines fließenden Wasserfilms) unverzichtbar. Als größter Nachteil ist die stark begrenzte Flächenrate bei der kontinuierlichen Bearbeitung der Bauteiloberfläche zu nennen, die häufig nur bei wenigen Quadratmillimetern bis Quadratzentimetern pro Sekunde liegt und damit trotz ausgezeichneter Oberflächeneigenschaften einen wirtschaftlich sinnvollen Einsatz in der Produktion in großem Maßstab verhindert.
 

Chancen des UKP-Lasers

Wir untersuchen die optimale Energieeinbringung der mit der CAPS-Quelle verfügbaren hohen mittleren Leistung in die Bauteiloberfläche mittels angepasster Strahlfokussierung und dynamischer Strahlformung und streben die Realisierung von Flächenraten bei der LSP-Behandlung bis in den Bereich größer 5 - 10 Quadratzentimeter pro Sekunde durch bestmögliche Ausnutzung der Leistung der CAPS-Laserquelle an. Mögliche Einsatzgebieter der LSP-Technologie sind u. a. die Nachbehandlung von geschweißten Bauteilen (z.B. Offshore-Stahlkonstruktionen, Hochdruckkompressorrotoren für Flugzeugturbinen), die Erhöhung der Lebensdauer unter Biegeermüdung (Zahnräder, Kurbelwellen, Pleuelstangen) oder die Verminderung von Reibverschleiß (Turbinenschaufeln, Zahnräder).