Vor kurzem ist der Deutsche Zukunftspreis 2013 vom Bundespräsidenten Joachim Gauck in Berlin vergeben worden. Dieser ehrt mit der Auszeichnung herausragende technische, ingenieur- und naturwissenschaftliche Leistungen, die zu anwendungsreifen Produkten führen.
Dieses Jahr gewannen Mitarbeiter von Bosch, Trumpf, der Universität Jena und des Fraunhofer IOF, die in Zusammenarbeit einen Ultrakurzpulslaser zu einem erfolgreichen Werkzeug der Serienproduktion gemacht haben. Damit ist es möglich, unterschiedliche Werkstoffe zu bearbeiten, ohne dass diese aufgeheizt werden. Dies war bisher das größte Problem von Laserbearbeitungen, da das zu bearbeitende Material durch den Laser zum Schmelzen gebracht wurde. Unebenheiten an den Schnittkanten sind die Folge, die nachgearbeitet werden müssen. Ein weiterer Nachteil ist, dass beispielsweise Diamant und Saphir gar nicht bearbeitet werden können.
Das mit 250.000 Euro preisdotierte und nun fertigungsreife Verfahren mit dem Ultrakurzpulslaser ist eine Revolution in der Lasertechnik.
Funktionsweise von Ultrakurzpulslaser
Beim Ultrakurzpulslaser wird das Material durch die richtige Wahl von Pulsdauer, Pulsenergie und Fokussierung so schnell und stark erhitzt, dass es direkt zur Verdampfung kommt. Schritt für Schritt werden so Bereiche von wenigen Nanometer abgetragen.
Pro Sekunde werden Hunderttausende Pulse abgegeben, die eine höchste Präzision garantieren. Dr. Jens König vom Technologieunternehmen Bosch meint sogar, dass mit dem Verfahren feinste Strukturen auf einem Streichholzkopf graviert werden können, ohne dass dieses entflammt. Deshalb nennt man es auch kalte Bearbeitung.
Die Pulsdauer beträgt nur Pikosekunden (10^ -12). Dr. Jens König von der Firma Bosch vergleicht dies zur Veranschaulichung mit einem Lichtstrahl, der eine Sekunde für die Strecke von der Erde bis zum Mond benötigt. In einer Pikosekunde würde der Lichtstrahl gerade einmal 0,3 Millimeter zurück legen.
Mit der Technologie lassen sich fast alle Materialien berührungslos bearbeiten. Bohren, Schneiden, Fräsen – alles wird dadurch möglich. Sogar neue Produkte, die bisher gar nicht oder nur äußerst aufwendig herzustellen waren, können nun gefertigt werden. Beispielsweise wird gehärtetes Glas, welches in Smartphones zum Einsatz kommt, mittlerweile mit pulsierenden Laser geschnitten.
Der Weg zum fertigungsreifen Laser
Die ultrakurze Lasertechnologie wird schon seit einigen Jahren eingesetzt, um hoch empfindliche Werkstoffe bearbeiten zu können. Jedoch wusste man nie genau, wie die ultrakurz gepulsten Laserstrahlen beschaffen sein müssen. Zuverlässigkeit, Wirtschaftlichkeit und Wiederholgenauigkeit waren wichtige Themen, die erforscht werden mussten.
In Zusammenarbeit haben Dr. Jens König (Bosch), Dr. Dirk Sutter (Trumpf) und Prof. Dr. Stefan Nolte (Frauenhofer IOF) letztendlich den für die Industrie so wichtigen Ultrakurzpulslaser entwickelt. Hierfür erforschte die Firma Bosch die Anforderungen und Spezifikation an den Laser und die Firma Trumpf fertigte den Ultrakurzpulslaser.
Zusammen wurden mehr als 40 Patente angemeldet. Trumpf verkauft täglich einen Ultrakurzpulslaser und Bosch hat bis 2013 etwa 30 Millionen Bauteile (z.B. Düsen für Benzin-Direkteinspritzventile) an Kunden, die mit der neuen Technologie hergestellt wurden.
Im Video sprechen die drei Preisträger über die neue Entwicklung.
Ultrakurzpulslaser sind das neue High-Tech-Werkzeug der Lasertechnik, da Materialaufschmelzung, Gefügeveränderungen, Phasenumwandlungen und thermische Spannungen im Werkstück auf einen Bereich von wenigen Nanometern begrenzt werden.