Flexibler Faserlaser für die flinke Materialbearbeitung
Laser-Experten aus Sachsen und Israel erproben derzeit am Fraunhofer-Institut für Werkstoff- und Strahltechnik IWS in Dresden einen neuartigen Laser für den Industrieeinsatz. Das System basiert auf der für Hochleistungslaser noch jungen Methode des »Coherent Beam Combinings« (CBC). Ein 13-Kilowatt-Laser soll im laufenden Betrieb besonders schnell verschiedene Energieverteilungsmuster erzeugen und dadurch anspruchsvolle Hightech-Materialien sehr präzise und schnell bearbeiten. Die Fraunhofer-Forscher wollen diese Lasertechnik aus Israel bald Unternehmen weltweit zur Verfügung stellen. Innerhalb eines europäischen Netzwerkprojekts untersucht das Fraunhofer IWS bereits mit dem Laserhersteller Civan Lasers und A. Kotliar Laser Welding Solutions die um ein Tausendfaches beschleunigte Strahlformung erstmals für das Additive Manufacturing.
Der Laser „Dynamic Beam“ aus Jerusalem ist im Fraunhofer IWS in Dresden installiert. Gemeinsam mit dem Kooperationspartner Civan Lasers erhoffen sich die Forscher von der Erprobung in Sachsen nicht zuletzt neue Anwendungsszenarien. „Dieser Laser wird die Grenzen der Materialbearbeitung, zum Beispiel in der Medizintechnik sowie in der Luft- und Raumfahrt weiter hinausschieben“, prognostiziert Dr. Andreas Wetzig, der am Fraunhofer IWS das Technologiefeld Trennen und Fügen leitet.
Der Dynamic Beam Faserlaser von Civan Advanced Technologies kombiniert Dutzende Einzelstrahlen zu einem leistungsstarken Laserstrahl mit hoher Qualität. Durch kleine Phasenverschiebungen (Optical Phased Array = OPA) der Wellentäler und -berge in den Teilstrahlen kann der Laser verschiedene Energieverteilungsmuster im resultierenden Bearbeitungs-Laserstrahl erzeugen: Während ein klassischer Laser die meiste Energie nur in der Strahlmitte freisetzt, kann das System aus Israel auf den Werkstücken beispielsweise Energiemuster in Form eines Rings, einer Acht oder eines Hufeisens erzeugen. Prinzipiell war dies auch früher schon mit strahlablenkenden Optiken oder schnell schwingenden Spiegeln möglich. Doch selbst die schnellsten Schwingspiegel brauchen noch Millisekunden, um die Energiemuster im Strahl neu auszurichten. Der Dynamic Beam Faserlaser schafft das Tausendmal schneller, binnen Mikrosekunden.
Der Laser »Dynamic Beam« aus Jerusalem
© René Jungnickel/Fraunhofer IWS Dresden
Diese Geschwindigkeit macht es erstmals möglich, die dynamische Strahlformung für die additive Fertigung von Metallen einzusetzen. Im Rahmen von „ShapeAM“, einem sächsisch-israelischen Forschungsprojekt, testen die Forscher das neue CIVAN-System, um verbesserte Werkstoffeigenschaften zu erzielen. Konkret geht es um die additive Fertigung von Titan- und Aluminium-Legierungen, wie sie für Raumfahrtbauteile, Implantate und Leichtbau-Komponenten für Fahrzeuge gebraucht werden. Dabei wollen die Partner die dynamische Strahlformung einsetzen, um Defekte zu eliminieren und so eine höhere Qualität der 3D-Druckergebnisse zu erzielen. Dr. Eyal Shekel, CEO von Civan, freut sich auf das Projekt: „ShapeAM macht es uns möglich, die Vorteile des Dynamic-Beam-Shapings in der additiven Fertigung von Metallen zu explorieren.“ Dr. Elena Lopez, Abteilungsleiterin Additive Fertigung am Fraunhofer IWS, fügt hinzu: „Wir planen, neuartige Strahlformen und Steuerungsfrequenzen zu verwenden, die mit anderen Methoden nicht erreichbar sind, um die Herausforderungen bei rissempfindlichen Materialien zu überwinden.“
Es ist bereits absehbar, dass sich mit dem neuen Laser die Schmelzbad-Dynamik bei vielen additiven und Fügeprozessen schneller und präziser steuern lässt – und dies nicht nur in der Fläche, sondern auch in der Tiefe. Auch beim Laserschneiden werden Vorteile in Hinblick auf gratfreie Schnitte bei hoher Kantenqualität erwartet – bei doppeltem Arbeitstempo im Vergleich zu herkömmlichen Faserlasern.
Ob der neue Laser alle Erwartungen auch in der Praxis erfüllt, wird sich in der Erprobungsphase zeigen. Die Qualitäts- und Geschwindigkeitsvorteile, die sich bereits abzeichnen, machen die Technik jedenfalls für den Einsatz in der metallverarbeitenden Industrie, der Medizintechnik und Elektromobilität sowie in der Luft- und Raumfahrtindustrie hochinteressant.
