24 Jun Wo steht die Entwicklung von Laserstrahlquellen?
„Die Stimmung in der Photonik ist gut, die Aussichten sind sehr gut“, beschreibt Constantin Häfner, Leiter des Fraunhofer-Instituts für Lasertechnik ILT in Aachen, das Klima im Markt. Derzeitige Treiber sind insbesondere lasertechnische Produktionslösungen für Mikroelektronik, eMobility und Energiespeicher. „Im Wettbewerb mit dem Rest der Welt kann die deutsche Industrie- und Forschungslandschaft beim Prozess-Know-how punkten, es wurde aber auch deutlich sichtbar, dass wir bei der Digitalisierung noch einen Schritt zulegen müssen.“ Häfner fasste damit seine Eindrücke des AKL’22 – International Laser Technology Congress zusammen, der nach einer pandemiebedingten Pause erstmals wieder seit 4 Jahren vom 4. bis 6. Mai in Aachen stattgefunden hat.
Professor Constantin Häfner, Leiter des Fraunhofer ILT, eröffnete die Technologische Fachkonferenz des AKL’22 – International Laser Technology Congress. Bild: AKL / Andreas Steindl
Wenn nicht diverse Lieferkettenprobleme wären, würde die Branche wohl über neue Rekorde reden. In China, dem größten Lasermarkt weltweit, habe es 2021 ein Plus von 18,3 % auf knapp 13 Milliarden Dollar Marktvolumen gegeben, berichtete Bo Gu (BOS Photonics) während des Technologie Business Tages beim AKL’22. Jürgen Rumberger (Trumpf Laser- und Systemtechnik) beurteilte die Lage in Deutschland sehr viel verhaltener. Kurzfristig sah er in den großen Weltmärkten unterschiedliche Tendenzen: Rückgang in der Automobilbranche und Wachstum in der Medizintechnik und der Unterhaltungselektronik. Die Situation werde sich nach Ansicht von Rumberger mittelfristig weiter verbessern, wenn die Lieferketten wieder funktionieren.
Laser: Handelsware oder Innovationstreiber?
In der Podiumsdiskussion ‚Strahlquellenentwicklung – quo vadis?‘ griff Trumpfs CEO Lasertechnik Christian Schmitz das Thema ‚Laser als Commodity‘ auf. Während billige Laser neue Anwendungen ermöglichen, sieht er genügend Spielraum für Physiker und Ingenieure, Laser weiterhin zu verbessern, um die Pionierrolle im Markt zu festigen. Als Beispiel nannte er Trumpfs neue Technologie zum Schneiden von Displaygläsern, mit der sogar in Gläsern von weniger als 1 mm Dicke Stufen im Rand möglich sind.
Mark Sobey (EVP, COO, Industrial Lasers and Systems, Coherent) gab einen Ausblick auf die Chancen, die Coherent im Automobil- und Halbleitermarkt sieht. Sein Fokus richtete er dabei auf die Vereinigung beider Märkte, zum Beispiel bei Chips und Displays für die Elektromobilität. Batterien, Sensoren und Infotainmentsysteme werden laut Sobey reichlich Laser in der Herstellung brauchen. Dabei gehe es weniger um neue Strahlquellen als vielmehr um deren Skalierung und Stabilität. 24/7-Betrieb und globaler Service seien da die Themen.
Volker Krause, Gründer und Geschäftsführer von Laserline, schaute auf ein Kernthema bei den Strahlquellen: die Skalierung von einzelnen Laserdiodenemittern. Über die letzten Jahrzehnte kam es dabei zu einer fast linearen Leistungssteigerung pro Emitter, während die Preise pro Watt und Strahlparameterprodukt exponentiell gefallen sind. Beide Entwicklungen dürften entscheidend für den Erfolg von Faser- und Diodenlasern sein, betont Krause. Für Letztere erforscht Laserline auch neue Anwendungen, wie zum Beispiel die Anti-Fouling-Behandlung von Schiffsrümpfen mit blauen Laserdioden. Damit sollen sich giftige Chemikalien ebenso wie erhebliche Mengen Treibstoff sparen lassen.
Podiumsdiskussion ‚Strahlquellenentwicklung – quo vadis?‘ auf dem AKL’22. V.l.: Professor Constantin Häfner (Fraunhofer ILT), Dr. Christian Schmitz (TRUMPF), Dr. Mark Sobey (Coherent) und Volker Krause (Laserline). Bild: AKL / Andreas Steindl
Neue Geschäftsmodelle für Industrielaser
Einen großenTrend sehen die AKL-Teilnehmer auch in der Nutzung von Prozessdaten aus industriellen Lasersystemen. Jens Ottnad (Head Data and AI bei Trumpf Werkzeugmaschinen) hat dem einen interessanten Punkt hinzugefügt: Klassische Maschinen nutzen sich ab. Maschinen mit Datenerfassung sammeln Prozessdaten und ermöglichen damit eine Verbesserung, eine Art ‚Aufschreibung statt Abschreibung‘. Ein Paradigmenwechsel, der gut in den Kontext sinkender Losgrößen bei steigender Komplexität passt.
Parallel zur kontinuierlichen Erfassung von Prozess- und Maschinendaten werden auch neue Konzepte wie Pay-per-Part bei Trumpf erprobt. Die Maschine bleibt dabei Eigentum des Herstellers, der Kunde zahlt nur für deren Nutzung pro Teil. Neben der Frage des Verbleibs der Daten gewinnt das Thema Service eine neue Dimension: Trumpfs Maschine in der Schweiz läuft weitgehend autonom, im Zweifel steht ein Operator in Deutschland für die Fernwartung bereit.
UKP-Laser von der Forschung in die Werkhalle
Lasertechnik ist heute so ausgereift, dass die Laserparameter dem jeweiligen Prozess optimal angepasst werden können. Dabei ist die Leistung und die Zuverlässigkeit in den letzten 20 Jahren kontinuierlich verbessert worden, wie Michael Lee (IPG Photonics) anhand der kW-Faserlaser zeigte. Neben der Skalierbarkeit der Laser ist das Prozesswissen inzwischen der entscheidende Faktor für neue Applikationen. Erleichtert wird die Einführung durch immer bessere Modelle, die mit immer besseren Messdaten weiterentwickelt werden.
Ein Feld, wo Laserleistungsparameter noch substanziell wachsen, sind die Ultrakurzpulslaser (UKP). Im Rahmen des Fraunhofer Clusters Advanced Photon Sources CAPS werden dabei neue Rekorde erreicht, wie CAPS-Sprecher Dieter Hoffmann zeigte: „Inzwischen sind 10 kW im CAPS-Applikationslabor verfügbar.“ Dafür würden alle Verstärkertechnologien von Fasern über Slabs und Scheiben erprobt, erklärt Hoffmann.
Leistungen von 5 bis 10 kW werden zum Beispiel für die Strukturierung von Batterieelektroden erprobt. Im Aachener Applikationslabor gibt es dafür 30 bis 50 mJ Pulse bei Repetitionsraten um 1 MHz. Interessierte Anwender aus der Industrie können erste Applikationsversuche mit den Prototyplasern direkt vor Ort testen.
Bei den UKP-Lasern wird derzeit auch an neuen Wellenlängen gearbeitet, so stellte Sebastian Nyga vom Fraunhofer ILT ein System bei 3 µm für die Bearbeitung von Polymer- und Carbonfasermaterialien vor. Systeme für 2 µm bis 6 µm oder sogar bis 14 µm Wellenlänge wurden in weiteren Vorträgen im Rahmen des AKL‘22 präsentiert. Die Wellenlängen sind für die Bearbeitung transparenter Materialien von Relevanz.
Grün oder blau – was braucht der Markt?
Für die Elektromobilität wird oft Kupfer bearbeitet, was mit blauen oder grünen Lasern deutlich stabiler geht als mit infraroten Lasern. Beim AKL’22 wurde der Unterschied zwischen blau und grün als marginal dargestellt. Viel wichtiger ist derzeit die Verbesserung der Strahlqualität. Für die Skalierung der Prozesse wird sehr viel mehr Leistung bei den Strahlquellen benötigt. Im kW-Bereich ist derzeit noch keine Obergrenze erkennbar.
Laserdioden bieten hohe Leistungen und enorme Effizienzgewinne. Zudem sollen sie einen erheblichen Teil der Innovation in der Branche darstellen. Ralf Hülsewede (Jenoptik Optical Systems) präsentierte so eine Innovation: Passiv gekühlte Einzelbarren mit 400 W Ausgangsleitung und bis zu 60 % Effizienz. Mit aktiver Kühlung sind noch höhere Leistungen pro Barren möglich. Von ams Osram gab es blaue Laserbarren mit 100 W zu sehen, ein Ergebnis des Effilas-Verbundprojekts.
Quelle und Bild: www.ilt.fraunhofer.de
