Großflächige Bearbeitung der Oberfläche mit Laser

Eine Vision motivierte die Gründer von Pulsar Photonics, einem Spin-off des Fraunhofer-Instituts für Lasertechnik ILT in Aachen, von Anfang an. „Uns hat die Lasermikrobearbeitung von größeren Flächen zusammengebracht“, erklärt Pulsar-Geschäftsführer Dr. Joachim Ryll.

Ultrakurzpuls-Laser im Kommen

Die Oberflächenstrukturierung ohne chemische Substanzen ist in vielen Branchen im Kommen – auch wegen der zunehmenden Restriktionen für energieintensive Unternehmen oder Verordnungen zur Beschränkung des Einsatzes von Chemikalien. Gefragt ist sie als nachhaltige Alternative zu chemischen Fertigungsverfahren der Ultrakurzpuls-Laser (UKP-Laser). Bisher überwiegen kleinflächige Anwendungen etwa bei Motorkomponenten, Implantaten oder Sensoren. Einige Lösungen für Flachglas, Foliensubstrate und Prägewalzen realisieren bereits Quadratmeteranwendungen.

„Wir sind zwar nicht die Einzigen bei der großflächigen Lasermikrobearbeitung“, erläutert der Pulsar-Geschäftsführer. „Doch wir haben einen vollkommen neuen Ansatz. Das Ziel ist die individualisierte Strukturierung im großflächigen Maßstab. Es geht darum, auf einer großen Anlage parallel Flächen zu strukturieren.“

Bis zu fünf Stationen parallel

Hier kommt das modulare Gantry-System RDX2800 mit seinen Maschinenmodulen ins Spiel: Jedes dieser Module ermöglicht die präzise Bearbeitung von maximal 2,5 mal 1,5 Meter großen Flachbauteilen mit UKP-Lasern. „Durch Hintereinanderreihen mehrerer Module können wir größere Bauteile bearbeiten, aktuell für Anwendungen mit Bauteilen deutlich oberhalb von zehn Quadratmetern“, erklärt Ryll.

Innerhalb eines Maschinenmoduls kommen mehrere Arbeitsstationen zum Einsatz, wobei jede Arbeitsstation je nach Anwendung für eine individualisierte Einzelstrahl- oder für die Multistrahlbearbeitung genutzt werden kann. Im Ergebnis können mehr als tausend Laserstrahlen gleichzeitig für die Bearbeitung eines Bauteils eingesetzt werden. „Diese Skalierung und Multistrahltechnik machen die Bearbeitung auf großen Flächen wirtschaftlich effizient“, ergänzt der Geschäftsführer.

Im EU-Infrastrukturprojekt „NextGenBat“ haben die Aachener bereits bewiesen, wie sich die Produktivität der Lasermikrobearbeitung signifikant steigern lässt. Es entstand eine industriell einsetzbare Rolle-zu-Rolle-Anlage zum Trocknen und Strukturieren von Elektroden für Lithiumionen-Zellen.

Eine wichtige Aufgabe übernimmt die „MultiBeamMultiScanner“-Optik, mit der sich die Leistung des Lasersystems auf eine Vielzahl von Teilstrahlen aufteilen lässt. Das Verfahren hat sich besonders bei UKP-Lasern bewährt, deren Leistung sich bei Einzelstrahlprozessen unter anderem wegen der zu hohen thermischen Belastung vom Werkstück sonst nur begrenzt steigern lässt.

Bei einem parallel arbeitenden Lasersystem arbeitet jeder einzelne Teilstrahl am Effizienzmaximum. Die Spezialoptik fächert die infrarote, gepulste Laserstrahlung in 24 Teilstrahlen auf, die ein rund 300 Millimeter breites Band einer Batterieanode strukturieren.

Flexibel und ganzheitlich

Systemische Vorgehensweise – so lautet das Zauberwort, mit dem die Aachener derartige Projekte angehen. Pulsar Photonics versteht sich als One-Stop-Shop, der von der Entwicklung kleinformatiger Einzelbauteile bis zur Applikations- und Prozessentwicklung alles im Haus abdeckt, einschließlich Effizienzbewertung und Musterteilherstellung.

Start mit Pilotkunden

Den ersten Schritt hin zum Modulbaukasten geht das Unternehmen jedoch nicht in einem Forschungsprojekt an, sondern mit einem Pilotkunden. „Die industrielle Umsetzung im großen Maßstab ist der besondere Reiz“, betont Ryll. „Wir trauen uns das gemeinsam zu, weil die von uns eingesetzten Technologien ein wirkliches hohes Maß an TRL aufweisen.“ Die drei Buchstaben stehen für „Technology Readiness Level“.

Gegencheck in Echtzeit

Die Präzision steht und fällt auch mit einem ausgeklügelten Daten- und Wärmemanagement. Die Arbeitsstationen müssen in Echtzeit mit den korrekten Daten versorgt werden – eine besondere Herausforderung für die Computerinfrastruktur.

Video: Pulsar

Große Flächen im Visier

Schlussendlich sieht Ryll ein großes Potenzial für die Weiterentwicklung der Lasertechnologie: „Wir arbeiten bereits jetzt schon in Dimensionen, die zehn Quadratmeter deutlich überschreiten. Ziel ist die Entwicklung von Technologien, mit denen sich Flächen von 100 Quadratmetern oder sogar mehr bearbeiten lassen.“ Der Geschäftsführer nennt die Vielfalt der Anwendungsmöglichkeiten: von der Vorbereitung von Oberflächen für Klebe- und Beschichtungsprozesse über die großflächige Werkzeugbearbeitung und Mikro- sowie Nanostrukturierung bis hin zur Herstellung großformatiger Siebe.