AACHEN, 8. September 2022 – Das Fraunhofer-Institut für Lasertechnik (Fraunhofer ILT) hat zusammen mit Hamamatsu ein Anwendungslabor für fortschrittliche Lasermaterialbearbeitung mit ultrakurz gepulster Laserstrahlung (USP) mit Sitz in Aachen, Deutschland, eröffnet. Die Partner haben gemeinsam einen Spatial Light Modulator (SLM)-Kopf für die industrielle Verarbeitung entwickelt, der eine benutzerdefinierte dynamische Strahlformung in Kombination mit großen mittleren Laserausgangsleistungen für eine Vielzahl von Anwendungen verwenden kann.

Laut Fraunhofer ILT kann der neue SLM von Hamamatsu mit einer durchschnittlichen Ausgangsleistung von bis zu 150 W betrieben werden.

Um den wirtschaftlichen Nutzen der UKP-Bearbeitung zu erhöhen, verwendet die Forschung verschiedene Hardwareansätze zur Verarbeitung von hohen durchschnittlichen hohen Laserleistungen mit mehr als 100 W, was die Bearbeitungsgeschwindigkeit erhöht und die Stückkosten senkt. Ein beliebtes Verfahren zum Implementieren dieser großen Laserleistungen besteht darin, die hochenergetische Strahlung in mehrere einzelne Strahlen aufzuteilen. Industriell genutzt wird dieser Ansatz laut Fraunhofer ILT insbesondere zur Bearbeitung von Materialien mit 2D-Lasern oder zur Erzeugung von periodischen Mustern wie Filtern.

Phasenmasken werden verwendet, um aus einem einfallenden Strahl parallelisierte Strahlmuster mit einer Vielzahl von Teilstrahlen zu erzeugen. Es arbeitet dynamisch mit SLMs oder statisch mit diffraktiven optischen Elementen (DOEs) aus Glas. SLMs können das Phasenmuster – und damit auch die Strahlmatrix – dynamisch ändern, während statische DOEs laut Institut höheren mittleren Leistungen standhalten können.

Im „Joint Application Lab“ von Hamamatsu und Fraunhofer ILT können Fertigungsprozesse mit einem Scanner-basierten Prozesskopf mit integriertem Hochleistungs-SLM untersucht werden. Mit freundlicher Genehmigung des Fraunhofer ILT.

SLMs eignen sich besonders für die Entwicklung von Fertigungsprozessen mit UKP-Laserstrahlung, da Strahleigenschaften einfach angepasst und kundenspezifisch angepasst werden können. Dies gilt sowohl für das Strahlprofil als auch für die Anordnung der einzelnen Strahlen in einem Muster. In der Serienfertigung sind SLMs von Vorteil, wenn Strahlmuster während des Prozesses dynamisch verändert werden müssen. Bei bekannten und statischen Strahlparametern sind DOEs aufgrund ihrer Unempfindlichkeit die beste Wahl.

Heute wird im gemeinsamen Anwendungslabor ein industriereifer Prototyp für die Entwicklung von Fertigungsprozessen definiert, so das Fraunhofer ILT. Dazu gehört ein Scanner-basierter Prozesskopf, in dem der Hochleistungs-SLM von Hamamatsu integriert ist. Der Kopf ist integriert in eine 3-Achs-Maschine mit einem 150-W-USP-Laser, der SLM wurde für hohe mittlere Leistung optimiert und befindet sich derzeit in der Markteinführung, in Aachen ist jedoch das System mit dem neuen SLM in Einsatz für verschiedene Prozesse und Anwendungen seit Mai.

Das Team von Hamamatsu und dem Fraunhofer ILT untersuchte Oberflächen- und Volumenabtrag mit unterschiedlichen Strahlprofilen und Fokusdurchmessern. Der flexible Fluidmodulator macht Werkzeugwechsel überflüssig. Die Wärmeverteilung am Werkstück wird immer wichtiger, da große durchschnittliche Laserleistungen angewendet werden und USP-Prozesse in Bezug auf Geschwindigkeit und Effizienz skaliert werden. Mit weiteren Mitarbeitern hat das Fraunhofer ILT die Prozesse vollständig simuliert. Auf diese Weise kann die Energieverteilung und damit der Wärmeeintrag in einer parallelisierten Strahlverteilung optimiert werden.

Hamamatsu erhielt Mittel von der japanischen Regierung, um das neue Labor im Rahmen des interministeriellen Programms zur Förderung strategischer Innovation einzurichten.