Eine Publikation der Swissprofessionalmedia AG
Ausgabe 09/2015, 10.09.2015

Auf Laser-Tour durch die Schweiz

Die Vereinten Nationen riefen das Jahr 2015 zum Internationalen Jahr des Lichts und lichtbasierter Technologien aus. Besonders der Laser prägt unseren Alltag, ob in Medizin oder Unterhaltung, in Industrie und Materialbearbeitung, Mess- und Regeltechnik, Wissenschaft und Forschung. Die Schweiz ist in diesem Bereich weltweit führend. Unsere Autorin Elsbeth Heinzelmann hat sich auf die Reise gemacht und faszinierende Anwendungen entdeckt.

Autor: Elsbeth Heinzelmann Elsbeth Heinzelmann, Journalistin Wissenschaft und Technik, Bern

Sie haben Pulsdauern von einigen Pikosekunden (10-12 s) bis wenigen Femtosekunden (10-15 s) und lösen damit in der Mikromaterialbearbeitung eine Revolution aus. Ultrakurzpulslaser (UKP) erreichen sogar bei kleinen Pulsenergien enorme Spitzenleistungen. Im Visier sind besonders metallische Werkstoffe, bei denen diese Laser eine hoch präzise Bearbeitung ermöglichen, ohne umliegendes Material thermisch oder mechanisch zu schädigen.

«Extrem kurze und leistungsstarke Pulse lassen dem Material keine Zeit zu schmelzen, da es ohne starken Hitzeeintrag verdampft», erklärt Janko Auerswald, ehemaliger Head of Production Services am CSEM (Centre Suisse d'Electronique et de Microtechnique SA) und heute Leiter Applikationszentrum Trumpf Maschinen AG. «Dank verminderten thermisch induzierten mechanischen Spannungen sinkt die Gefahr von Versprödung und Rissbildung.»

Entsprechend rege ist das Interesse an Ultrakurzpulslasern in der Telekommunikationsbranche, der Uhrenindustrie und der Medizinaltechnik. Mit UKP sind fast alle Werkstoffe zu bearbeiten, ob Metalle, Gläser oder Keramiken, selbst temperatursensitive Materialien wie kohlenstofffaserverstärke Kunststoffe.

Dies erschliesst dem UKP ein breites Anwendungsspektrum mit lukrativem Potenzial. «Bevor teure photo-lithographische Fertigungslinien entstehen, kann man das Prototyping und die Produktion von Pilotserien preiswert mit UKP realisieren», so Alexander Stein­ecker, Business Development CSEM. Dies betrifft beispielsweise Beschleunigungssensoren aus spröden Materialien, lasergeschnittene Sensorsubstrate mit laserstrukturierten Elektroden oder mikrofluidische Lab-on-Chip-Systeme aus Glas oder Polymer.

Er arbeitet mit Hochleistungskurzpulslasern «TruMicro» von Trumpf für schnelle Mikrobearbeitung. Es entstehen unglaublich feine Strukturen wie rasterförmig angeordnete Mikrobohrungen von 70 µm Durchmesser in 0,2 mm dünner Keramik, zerbrechlich wirkende Silizium-Zahnräder von 2 mm Durchmesser oder wie Filigran wirkende Armbanduhrzeiger. «Da die mechanische Belastung des Materials auf ein Minimum reduziert ist, entstehen beispielsweise in Glas keine Risse an den Kanten, womit sich ein Nachschliff erübrigt.»

Ein wichtiges Thema für industrielle Unternehmen ist heute die Rückverfolgbarkeit von Werkstücken, um die ISO-Qualitätsstandards einzuhalten. Das Mittel der Wahl heisst Lasermarkierungstechnologie. Dazu wird ein stark fokussierter Laserstrahl mit Spiegeln auf das Werkstück gelenkt, wo er eine Wechselwirkung mit dem Werkstoff auslöst: Das Gravieren führt zu einem Materialabtrag, die Karbonisierung erzielt einen gewünschten Kontrast, oder der Werkstoff verändert sich an der Oberfläche dank Aufschäumen.

Die Markierungen sind clever: Sie können Produktionsdaten enthalten wie den Zeitpunkt der Fertigung, Bearbeitungsstation, Lieferanten- und Auftragsnummer oder Referenznummern, aber auch Serien- und Batchnummern. Damit diese Markierung im Sinne der Vision «Industrie 4.0» eine effizientere und flexiblere Fertigung unterstützt, lancierte Trumpf den sehr kompakten Markierlaser ML1, der industrielle Fertigung und Informationstechnologie verknüpft.

«Das Gerät umfasst Laser, Scanner, Steuerung und Anwendungs-Know-how», erklärt Andreas Conzelmann, Geschäftsführer Trumpf Laser Marking Systems AG. «Das Beschriftungssystem ist auf eine einfache und vollständige Integration hin konzipiert, bietet alle wichtigen industriellen Schnittstellen, sogar einen Druckertreiber zur Markierung direkt aus MS Office-Anwendungen und arbeitet Hand-in-Hand mit Handlingsrobotern.»

In hochintegrierten Automatisierungslösungen werden alle relevanten Daten aus Fertigung und Qualitätsprüfung für jede einzelne Komponente in einer Datenbank gespeichert. Damit braucht der Code keine Produktionsdaten mehr zu registrieren, sondern verlinkt einfach auf die Datenbank. Das sind bereits heute ganz konkrete Beispiele für Industrie 4.0.

Auf Ultrakurzpulslaser setzt die Ewag AG in Etziken als Antwort auf die Entwicklung zu stets härteren Schneidstoffen wie CVD-Diamant. Ihre Anlage «Laser Line Ultra» beseitigt die Einschränkungen beim Schleifen und Erodieren, die Werkzeugbearbeitung ist flexibler, qualitativ hochstehender und produktiver. Zudem kommt der Laser ohne mechanischen Krafteinsatz und ohne Kühlschmiermittel aus. Ewag schuf damit die weltweit erste Laserbearbeitungsanlage für die 5-achsige Komplettbearbeitung von Diamantschneiden und 3D-Kavitäten in einer Aufspannung mit UKP und integrierter Scanner-Technologie.

Angesichts besserer Standzeiten und Bearbeitungsresultate kommen in gewissen Anwendungen nur noch gelaserte Diamantwerkzeuge zum Einsatz. Hier wittern Werkzeughersteller ihre Chance, indem sie die gesamte Fertigungskette auf die neue Herstellmethode umstellen, um so rasch mit neuen Produkten im Markt zu punkten. «Wer Schneidwerkzeuge lasergerecht konzipiert und Produktionsprozesse auf die neue Fertigungstechnik abstimmt, profitiert vom Laserprozess, weil er leistungsfähigere, anpassungsfähigere und hochwertigere Schneidwerkzeuge fertigen kann», erklärt Ewag-CTO Christoph Plüss.

Damit das Unternehmen auch in Zukunft mit innovativen Laserbearbeitungsverfahren die Werkzeugherstellung revolutionieren kann, kooperiert sie eng mit der ETH Zürich. «Hier setzen die Forscher am Institut für Werkzeugmaschine und Fertigung die Grenzen des Machbaren in der Laserbearbeitung von Schneidwerkzeugen laufend neu fest», so Christoph Plüss.

Er verweist auf eine lasertechnisch erzeugte Mikrogeometrie in polykristallinem Diamant (PKD). Dank Laserprozess entstehen neuartige Hochleistungsschneidstoffe, wo Korngrössen und elektrische Leitfähigkeit keine Rolle mehr spielen, Härte oder Werkzeugdimensionen nicht von Belang sind. «Der Laserprozess ist kräftefrei. Filigrane Werkzeuge und Geometrien sind selbst aus härtestem Werkstoff realisierbar», bilanziert Plüss.

Eine Ewag-Laserbearbeitungsanlage ist beispielsweise im Einsatz in dem von der europäischen Union geförderten Diplat-Projekt (Diamond and other ultra-hard materials by Integrated Pulsed Laser Ablation Technologies). Leiter des Projekts ist Maximilian Warhanek, wissenschaftlicher Assistent MSc an der ETH Zürich, dessen Schwerpunkt die UKP-Bearbeitung ist.

Ein Projektabschnitt untersucht die Schnitteigenschaften galvanisch belegter Diamantwerkzeuge mit lasergenerierten Freiwinkeln. Ausgangsbasis der Arbeit ist die Tatsache, dass konventionelle Schleifscheiben und Abrichtwerkzeuge unter problematischen Spanungsbedingungen leiden, hervorgerufen durch negative Freiwinkel bei Mikro-Schneidkanten.

Maximilian Warhanek konnte feststellen, dass die Erzeugung von lasergenerierten Freiwinkeln an Schneidwerkzeugen eine vielversprechende Ergänzung zu bestehenden Werkzeugaufbereitungsverfahren ist: «Die Abrichtzeit lässt sich dank des Laserprozesses gegenüber konventionellen Abrichtverfahren mehr als halbieren.» In weiteren Untersuchungen klärt er ab, inwieweit sich der Prozess auf die Vorbereitung von Schleifkörpern, komplexe Werkzeuggeometrien und andere Schleifmittel anwenden lässt.

Auch in der Prüftechnik schickt sich der Laser an, Verfahren zu revolutionieren. Die Nachfrage nach hochpräzisen taktilen Messungen kleiner, mechanischer Komponenten führt zu Tastkugeln von sehr geringem Durchmesser. Setzt man eine Kugel von wenigen µm ein, funktioniert sie wie eine Nadel, welche die Oberfläche der Probe verletzen kann, besonders wenn der Werkstoff heikel ist. Um die Kontaktkraft zu reduzieren, entwickelten Ingenieure des Messgeräteherstellers Werth Messtechnik eine Fasersonde aus einer flexiblen Befestigungsvorrichtung mit einer dünnen Faser und schmolzen darauf eine Kugel von 20 µm Durchmesser an. Dieses Design reduziert die Antastkräfte auf unter 1 µN und ermöglicht dieselbe geringe Kontaktstärke in allen drei Richtungen des Koordinatensystems.

Die Position der Faserspitze lässt sich von einer CMOS-Kamera abbilden. Die laterale Position der Faserkugel (X und Y) wird direkt aus der Bildposition der Kugel auf dem Kamerachip bestimmt. Um die Z-Position besser als 0,1 µm zu bestimmen, realisierten die Forscher am NTB Buchs ein Interferometer, ausgerüstet mit zwei Laserquellen verschiedener Wellenlänge, die eine synthetische Wellenlänge generieren. Mit dieser lässt sich die absolute Position bestimmen und gleichzeitig die hohe Präzision eines Einzel-Wellenlänge-Interferometers erhalten.

«Die Interferometer-Technik war gut, doch es gab Probleme in der praktischen Anwendung, wo wir kostengünstige Komponenten eingesetzt hatten», so Professor Andreas Ettemeyer. «Die Knacknuss bei Interferometern ist die Schwierigkeit, die absolute Position zu bestimmen.»

Das Layout des Interferometers reagierte sehr empfindlich auf winzigste Instabilitäten in der Wellenlänge. «Zur Lösung benutzten wir deshalb eine aufwändigere, aber stabilere Lichtquelle in Form von stabilisierten DFB-Laserdioden. Zudem integrierten wir einen zusätzlichen Referenzspiegel in das Interferometer, um die Temperaturdrift zu kompensieren.

Darauf basierend realisierte das NTB-Team in einem KTI-Projekt mit Schweizer Herstellern von Präzisionskomponenten (maxon motor und SPT Roth) neuartige Sensoren, die nun eine Auflösung besser als 0,0001 mm erreichen.

CSEM Centre Suisse d'Electronique et Microtechnique SA
2002 Neuchâtel, Tel. 032 720 51 11
www.csem.ch

Ewag AG
4554 Etziken, Tel. 032 613 31 31
info@ewag.com

NTB Buchs, Institut für Produktionsmesstechnik, Werkstoffe und Optik pwo
9471 Buchs, Tel. 081 755 34 50
pwo@ntb.ch, www.ntb.ch/pwo


ETH Zürich, Institut für Werkzeug­maschinen und Fertigung (IWF)
8092 Zürich, Tel. 044 632 63 90
info@iwf.mavt.ethz.ch

Trumpf Lasermarking Systems AG
7214 Grüsch, Tel. 081 307 61 61
info@ch.trumpf.com



Ultrakurzpuls­laser heisst das Zauberwort: Mit einer Pulsdauer von 10-12 s oder 10-15 s lassen sich filigranste Teile schneiden (im Bild: Glas). (Bild: Trumpf)


UKP und PKD: Gelaserte, ausbruchsfreie Schneidenqualität einer konkaven PKD-Schneidplatte; oben: geläppte Spanfläche, unten: gelaserte Freifläche ohne thermische Schädigungen und Graphitlayer. (Bild: Ewag)


Lasermarkieren für Industrie 4.0: Der Markierlaser «ML1» ist ein komplettes Beschriftungssystem inklusive Applikations-Know-how und wichtigen industriellen Schnittstellen. (Bild: Trumpf)


Unglaublich: Der am NTB Buchs entwickelte 3D-Fasertester mit angeschmolzener Miniaturkugel erzielt Antastkräfte unter 1 µN. (Bild: NTB)

Round Table «Laserausbildung»

Die Technische Rundschau nimmt das Jahr des Lichtes zum Anlass, um die Laserausbildung in der Schweiz näher unter die Lupe zu nehmen. Denn die Zeichen verdichten sich, dass es in der Schweiz damit nicht zum Besten steht. Unter dem Motto «Laserausbildung in der Schweiz  – einer Zukunftstechnologie geht der Nachwuchs aus» diskutieren deshalb am 15. Oktober 2015 in der FHNW Brugg-Windisch namhafte Wissenschaftler, Firmen- und Verbandsvertreter die Thematik. Ziel ist, eine Handlungsempfehlung für das weitere Vorgehen zu erarbeiten.

Schweizer Unternehmen und Forschungsinstitutionen verfügen in Lasertechnologien und -Anwendungen über international anerkannte Fachkompetenz. Damit wir diese Hightech-Position auch in Zukunft im globalen Umfeld halten können, brauchen wir ausgebildete Spezialisten, an denen es derzeit in der Indu­strie bitter mangelt. Dringend gesucht sind attraktive Ausbildungsmöglichkeiten für Ingenieure zwischen 20 und 30 Jahren, die ihnen das nötige Rüstzeug für ihren Einsatz in industrieller Lasertechnik verschaffen. Ob in der Qualitätsprüfung, der medizinischen Therapie und Diagnostik, ob Solar- oder Sensortechnik, Elektronik oder Elektrotechnik – Fachleuten bietet sich ein Spektrum an herausfordernden Aktivitäten hoher Wertschöpfung mit interessanten Entfaltungsmöglichkeiten.