Technoloieforum

Faserlaser mit schneller Strahlformung

Ein neuer 13-kW-Hochleistungslaser nutzt das Coherent Beam Combining. Er kann im laufenden Betrieb besonders schnell verschiedene Energieverteilungsmuster erzeugen, um anspruchsvolle Hightech-Materialien sehr präzise und schnell zu bearbeiten. Die schnelle Strahlformung soll künftig auch in der Additiven Fertigung Verwendung finden.

Der Dynamic-Beam-Faserlaser des Jerusalemer Herstellers Civian Lasers ist am Fraunhofer IWS in Dresden installiert. Das Institut ist damit eigenen Angaben zufolge die weltweit erste Forschungseinrichtung, die eine derartige Laserlösung im Einsatz hat. „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. Er verweist dabei auf das sächsisch-israelische Forschungssprojekt ‚ShapeAM‘ im Rahmen des europäischen Netzwerkprogramms ‚M-era.Net‘, in dem dieser Laser eine zentrale Rolle spielen wird und das im Sommer gestartet ist.

Dynamische Strahlformung: Energiemuster in Mikrosekunden

Der Dynamic-Beam-Laser nutzt die Methode des Coherent Beam Combining (CBC) und kombiniert Dutzende Einzelstrahlen zu einem leistungsstarken Laserstrahl von hoher Qualität. Durch kleine Phasenverschiebungen (Optical Phased Array, OPA) der Wellentäler und -berge in den Teilstrahlen kann der Laser in schneller Abfolge verschiedene Energieverteilungsmuster im resultierenden Bearbeitungsstrahl 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 binnen Mikrosekunden. Somit ist es möglich, die dynamische Strahlformung für die Additive Fertigung von Metallen einzusetzen.

Im Projekt ‚ShapeAM‘ testen Forscher des Fraunhofer IWS das Civan-System für die Additive Fertigung von Titan- und Aluminiumlegierungen, wie sie für Raumfahrtbauteile, Implantate und Leichtbaukomponenten für die Mobilität gebraucht werden. Die dynamische Strahlformung soll helfen, Defekte zu eliminieren und somit eine höhere Qualität der 3-D-Druckergebnisse zu erzielen.

Die Tests am Dresdner IWS sollen die Möglichkeiten und Grenzen des Dynamic-Beam-Lasers ermitteln. Vorgesehen sind Basisversuche mit verschiedenen Strahlprofilen, Werkstoffen und Verfahren. Weiterhin testen die Forscher beispielsweise, wie gut das System diverse Werkstücke aus sonst schwer bearbeitbaren Werkstoffen und Werkstoffverbünden trennen, fügen oder additiv fertigen kann.

Dynamic Beam verdoppelt das Arbeitstempo

Schon absehbar ist, dass sich mit dem neuen Laser die Schmelzbaddynamik 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 versprechen sich die Forschenden am IWS Vorteile in Hinblick auf gratfreie Schnitte bei hoher Kantenqualität – bei doppeltem Arbeitstempo im Vergleich zu herkömmlichen Faserlasern.

Ob der neue Laser diese Erwartungen auch in der Praxis erfüllt, soll die Erprobungsphase in Dresden zeigen. Die Qualitäts- und Geschwindigkeitsvorteile, die sich bereits abzeichnen, machen die Technik für den Einsatz in der metallverarbeitenden Industrie, der Medizintechnik und Elektromobilität sowie in der Luft- und Raumfahrt interessant.

Erste Erkenntnisse aus ihren Testreihen wollen die Fraunhofer-Wissenschaftler vom 7. bis 9. Dezember 2021 einem breiteren Fachpublikum bei der kombinierten Online-Veranstaltung Laser Symposium/ISAM 2021 in Dresden vorstellen.

Quelle und Bild: www.iws.fraunhofer.de

Laserhersteller: www.civanlasers.com