Zukunftspreis­verdächtig

Forscher von TRUMPF, Bosch und Universität Jena gewinnen den Deutschen Zukunftspreis 2013 des Bundespräsidenten. Das Team brachte den Ultrakurzpulslaser in die industrielle Großserienfertigung.

Die Nominierung für den Deutschen Zukunftspreis ist eine große Ehre“, sagt Dr.-Ing. E.h. Peter Leibinger, Vorsitzender des Geschäftsbereichs Lasertechnik/ Elektronik bei TRUMPF. „Wir freuen uns sehr, dass der Bundespräsident damit unseren unternehmerischen Mut würdigt, das hoch komplexe Forschungsthema der Ultrakurzpulslaser über viele Jahre bis zur Industriereife vorangetrieben zu haben.“

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Lochplatte

Ultrakurzpulslaser haben sich in den letzten Jahren vom prestigeträchtigen Forschungsobjekt zum industriellen Werkzeug entwickelt. So sind sie aus den Dreischichtproduktionen von Smartphones, Computerchips und Solaranlagen nicht mehr wegzudenken. Neueste Anwendungen erstrecken sich vom Bohren und Schneiden sprödharter Materialien wie Glas, Keramik und Saphir über das Trennen von Siliziumwafern und das Bohren von Leiterplatten bis hin zum Schneiden dünner Polyimid-Folien.

Hintergründe, Applikationen und Prognosen lesen sie in unserem Special UKP-Laser.

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Nanosekundenlaser für schnellen, großflächigen Abtrag

TruMicro Serie 7000 und TruMicro Serie 3000 zum Beispiel für:

  • schnellen, großflächigen Abtrag – etwa von Verunreinigungen oder Funktionsschichten in der Fügevorbereitung für Schweiß- oder Klebeverbindungen
  • Gezielten Abtrag von Schichten im komplexen Schichtaufbau von Photovoltaikmodulen
  • Patterning P1, P2 und P3 von Photovoltaikmodulen

Picosekundenlaser für höchste Qualität und Wirtschaftlickeit auf Mikroebene

TruMicro Serie 5000 und TruMicro Serie 2000 zum Beispiel für

  • Präzises und nachbearbeitfreies Trennen von Siliziumwafern
  • Präzises Trennen und Bohren von spröden Werkstoffen wie Glas und Keramik
  • Grat- und nacharbeitfreies Schneiden von wärmeempfindlichen Werkstoffen wie etwa Nitinol für Stents
  • Bohren von Platinen
  • Abtragen von Schichten im Nanometerbereich

TRUMPF ist der weltweit größte Hersteller von Lasern für die industrielle Fertigung. Ein wichtiger und wachsender Markt sind Ultrakurzpulslaser für die Mikrobearbeitung verschiedenster Materialien, vom Handyglas über medizinische Implantate bis zu Einspritzventilen. Dass der Ultrakurzpulslaser in dieser Breite eingesetzt werden kann – und dabei wohl noch immer am Anfang seiner Möglichkeiten steht – ist im Wesentlichen der gemeinsamen Forschungs- und Entwicklungsarbeit von TRUMPF, Bosch und der Universität Jena zu verdanken.

„Der Weg des Ultrakurzpulslasers ist ein Lehrbuchbeispiel für das deutsche Forschungsmodell“, erklärt Dr. Peter Leibinger. „Universitäten übernehmen die Grundlagenforschung, Unternehmen entwickeln die Ergebnisse nach Marktbedürfnissen weiter, die Wertschöpfung bleibt in Deutschland“. Dr. Jens König, Bosch, Dr. Dirk Sutter, TRUMPF und Professor Dr. Stefan Nolte, Universität Jena und Fraunhofer IOF, sind deshalb gemeinsam und gleichwertig für den vom Bundespräsidenten verliehenen Deutschen Zukunftspreis nominiert.

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Das Team hinter der industriereifen Ultrakurzpulslasertechnik (Galerie)

Innovation ohne Einschränkung

Die wichtigsten technischen Innovationen der Geschichte waren Mittel zum Zweck – Werkzeuge. „Mehr als einzelne Produkte haben Werkzeuge den Lauf der Technikgeschichte verändert“, so Dr. Peter Leibinger. „Denn sie entscheiden darüber, was überhaupt herstellbar ist, in welcher Stückzahl und zu welchem Preis. Der Ultrakurzpulslaser ist ein solches Werkzeug.“ Von Experten in der Theorie schon seit längerem gefeiert, zeigt er dank TRUMPF und Bosch nun, was er in der Fertigung tatsächlich kann und wie er die industrielle Massenproduktion verändert.

Bereits 1999 schlossen sich die beiden Unternehmen in einer Entwicklungskooperation zusammen. Die Universität Jena lieferte die theoretischen Modelle und die grundlegenden Experimente. Bosch entwickelte den industriellen Prozess, während TRUMPF die Anforderungen an eine industrietaugliche Strahlquelle umsetzte. Insgesamt 51 Patentfamilien meldeten die Partner während des Projekts an und setzten dabei auf einen anderen Lasertyp als alle anderen, den Scheibenlaser. Heute haben sie die mittlere Leistung der Ultrakurzpulslaser weit mehr als verzehnfacht – entscheidend für die wirtschaftlich notwendigen Durchsatz-Raten.

Kleine Wunder in Serie

„Die Fertigung hochpräziser Bauteile verlangt von unserem Gehirn, alle alltagstauglichen Vorstellungen über die Dimension ‚Dauer‘ auszublenden“, sagt der nominierte TRUMPF Experte Dr. Dirk Sutter. „Denn mit dem Ultrakurzpulslaser ist die Produktion in beinahe unvorstellbar winzige Zeitdimensionen vorgestoßen. ,Ultrakurz‘ bedeutet hier: Pulse mit Pikosekunden-Dauer
(10-¹² Sekunden).“ Während ein Lichtstrahl für die Strecke von der Erde bis zum Mond gut eine Sekunde benötigt, gelangt er in einer Pikosekunde gerade einmal 0,3 Millimeter weit. Die Konzentration der Laserstrahlung auf derart kurze Momente führt zu enormen Spitzenleistungen.

Hunderttausende solcher Laserblitze werden pro Sekunde erzeugt – eine Pulsfolge mit Konsequenzen: Denn unter dem Pikosekundenbeschuss hat Materie quasi keine Zeit zu schmelzen, sondern sie sublimiert. Durch die geschickte Wahl von Pulsdauer, Pulsenergie, Taktrate und der richtigen Fokussierung wird das Material so schnell und so stark erhitzt, dass es ohne Schmelze herausgeschleudert wird und verdampft. Und dann einfach mit einem Luftstrom abgesaugt werden kann. So lassen sich feinste Bereiche in der Größe von nur wenigen Millionstel Millimetern (Nanometer) abtragen – ohne gratbildende Schmelzreste und qualitätsmindernde Materialerwärmung. In der Fertigung nennt man das „kalte Bearbeitung“; der Prozess bringt keine Wärme ein und hinterlässt keine Rückstände.

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Bohren der Einspritzdüsen aus Edelstahl bei Bosch: Höchste Präzision, schwierige Werkstoffe… alles kein Problem für den Ultrakurzpulslaser (Galerie)

Beitrag zum Spritsparen

Bis vor wenigen Jahren geschah dieses kleine Wunder nur unter Laborbedingungen in universitären Forschungskammern. Heute produziert Bosch Bauteile etwa für die Automobilindustrie mit dem Ultrakurzpulslaser – millionenfach in Serie. Zum Beispiel ein Benzin-Direkteinspritzventil: Hier bohrt der Ultrakurzpulslaser geometrisch komplexe Einspritzlöcher mit glatten Wänden. Dadurch verteilt sich das Benzin besser im Brennraum, was dazu beiträgt bis zu 20 Prozent Kraftstoff zu sparen. Dank des neuen Fertigungsprozesses kann diese Optimierung auch in Motoren mit mittleren, kleinen und kleinsten Hub¬räumen erreicht werden. Die Vorteile der Benzin-Direkteinspritzung – weniger Verbrauch und Emissionen – sind damit nun für alle Fahrzeugklassen verfügbar.

Ultrakurzpulslaser eignen sich darüber hinaus für die hochpräzise Bearbeitung fast aller Materialien, etwa Keramik, Saphir, Karbonfaser, Kunststoffe oder Glas. Ein zweites Praxisbeispiel sind die Deckgläser von Smartphones. Sie sind gleichzeitig extrem dünn und sehr hart. Werden sie mit Diamantsägen oder anderen Verfahren herausgetrennt, entstehen oft Mikrorisse im Glas. Mit dem Ultrakurzpulslaser kann diese Gefahr umgangen werden – weshalb er sich für die großen Hersteller zum Werkzeug der Wahl entwickelt hat.

Auch in der Medizintechnik geht es minimalinvasiv zu, etwa bei der Fertigung von Stents, die Blutgefäße offen halten. Damit sie die Gefäße nicht verletzen und sich auch nichts anlagern kann, müssen die Stents absolut gratfrei sein. Gefertigt werden solche Stents heute z. B. aus Nitinol, einer Formgedächtnislegierung. Während der bisherige Schmelzschnitt ein ausschussbehaftetes Entgraten erforderte, lassen sich Stents mit dem Ultrakurzpulslaser nachbearbeitungsfrei herstellen – das vergünstigt das Produkt wesentlich. Zurzeit laufen klinische Studien zu bioresorbierbaren Koronarstents aus Polymeren, die sich nach einer gewissen Zeit im Körper auflösen. Die Produktion derartiger Stents ist nur noch mit Ultrakurzpulslasern möglich.

Am Puls der Zeit

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Die Reise durch den Resonator (Galerie)

Bereits diese drei Beispiele zeigen, wie die Industrie den Ultrakurzpulslaser einsetzt. TRUMPF hat die Laserquellen standardisiert und bietet sie industriefertig an. Und die Hersteller sind am ultrakurzen Puls der Zeit: Branchen wie die Automobilindustrie, die Halbleiterfertigung, Industrietechnik, Medizintechnik, Photovoltaik, Elektronikindustrie – alle entwickeln sie Anwendungen für Ultrakurzpulslaser. Allein Bosch wird bis Ende 2013 insgesamt rund 30 Millionen mit dem Laser gefertigte Teile ausgeliefert haben. Bis 2020 soll sich die Zahl der bei Bosch eingesetzten Pikosekundenlaser mehr als verdreifachen.

TRUMPF ist hinsichtlich mittlerer Leistung, Modulierbarkeit und Pulsstabilität dieses Lasers weltweit führend. „Einzigartig ist neben der Scheibenlaser-Technologie vor allem die präzise und sichere Steuerungstechnik: Die patentierte doppelte Regelschleife überwacht jeden einzelnen Pikosekunden-Puls und hält die Leistung und Pulsenergie unabhängig von äußeren Einflüssen exakt auf dem benötigten Niveau.“, erklärt Dr. Dirk Sutter. Dies erfolgt über einen externen Modulator, der den Pulsaufbau von der Leistungsregelung entkoppelt und damit immer exakt die eingestellte Leistung und Pulsenergie liefert. Und das bei gleichbleibender Strahlqualität und Pulsdauer.

Durch diese Entwicklung bietet TRUMPF ein äußerst robustes Laserkonzept, das ohne Einschränkungen für den Einsatz in einer modernen Dreischichtfertigung ausgelegt ist. Dabei muss für die Qualität nicht auf Wirtschaftlichkeit verzichtet werden. Mit mittleren Leistungen von über 150 Watt gehören die TRUMPF Laser zu den schnellsten und leistungsstärksten Pikosekundenlasern der Welt.

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