Laser-Highspeed Dresdener Forscher nutzen superschnellen Faserlaser

Redakteur: Peter Königsreuther

Tausend mal schneller als spiegelbasierte Systeme schafft der „Dynamic Beam“ aus Israel die Strahlformung. Das könnte die Materialbearbeitung regelrecht revolutionieren.

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Der Laser „Dynamic Beam“ stammt aus Jerusalem und ist jetzt im Fraunhofer-IWS in Dresden installiert. Das Institut ist nun die erste Forschungseinrichtung, die einen solchen hat. Die Strahlformung übernimmt der fleixbel einsetzbare Faserlaser tausendmal schneller, als andere.
Der Laser „Dynamic Beam“ stammt aus Jerusalem und ist jetzt im Fraunhofer-IWS in Dresden installiert. Das Institut ist nun die erste Forschungseinrichtung, die einen solchen hat. Die Strahlformung übernimmt der fleixbel einsetzbare Faserlaser tausendmal schneller, als andere.
(Bild: Fraunhofer-IWS / R. Jungnickel)

Gemeinsam mit dem Kooperationspartner Civan Lasers erhoffen sich die Dresdener Forscher von der Arbeit mit dem Highspeed-Laser nicht zuletzt neue Anwendungsszenarien. Dieser Laser wird die bestehenden Grenzen in der Materialbearbeitung zum Beispiel in der Medizintechnik sowie in der Luft- und Raumfahrt durchbrechen, prognostiziert Dr. Andreas Wetzig, der am Fraunhofer-IWS das Technologiefeld Trennen und Fügen leitet. Das geschieht im Rahmen des sächsisch-israelischen Forschungssprojekts „ShapeAM“, das zum europäischen Netzwerkprogramm „M-era.Net“ gehört.

Tausendmal schneller, als andere Laser

Genutzt wird dabei das sogenannte „Coherent Beam Combining“, was sich mit „Kohärente Strahlkombination“ übersetzen lässt, wie die Forschenden erklären. Denn der schnelle Faserlaser vom Civan Advanced Technologies kombiniert Dutzende von Einzelstrahlen, zu einem leistungsstarken Laserstrahl mit hoher Qualität. Durch kleine Phasenverschiebungen (Optical Phased Array = OPA) der Wellentäler und -berge in den Teilstrahlen kann der Laser sehr flott ganz verschiedene Energieverteilungsmuster im resultierenden Bearbeitungslaserstrahl erzeugen. Das mache ihn besonders, denn während ein klassischer Laser das Gros Energie in der Strahlmitte freisetzt, könne das neuartige System auf den Werkstücken beispielsweise Muster in Form eines Rings, einer Acht oder eines Hufeisens erzeugen. Prinzipiell nichts Neues, wenn man mit strahlablenkenden Optiken oder schnell schwingenden Spiegeln arbeitet, doch der Dynamic-Beam-Faserlaser schafft das Tausendmal schneller – binnen Mikrosekunden.

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Es winken Verbesserungen für viele Branchen und Verfahren

Diese Geschwindigkeit macht es erstmals möglich, die dynamische Strahlformung für die additive Fertigung von Metallen einzusetzen, merken die Experten an. Jetzt testet man das neue System, um etwa verbesserte Werkstoffeigenschaften zu erzielen. Konkret geht es um die additive Fertigung von Titan- und Aluminiumlegierungen, wie sie für Raumfahrtbauteile, Implantate und Leichtbaukomponenten eingesetzt werden. Dabei will man die dynamische Strahlformung einsetzen, um Defekte zu eliminieren und so die Qualität von 3D-Bauteilen erhöhen. Die Israelis planen außerdem, neuartige Strahlformen und Steuerungsfrequenzen zu verwenden, die mit anderen Methoden nicht erreichbar sind. Das könne sich bei der Fertigung von Bauteilen aus rissempfindlichen Materialien auszahlen. Auch soll getestet werden, wie gut das System diverse Werkstücke aus sonst schwer bearbeitbaren Werkstoffen und Werkstoffverbünden trennen, fügen oder additiv fertigen kann.

Schon absehbar sei, dass sich mit dem neuen Laser die Schmelzbaddynamik bei vielen additiven Fertigungsprozessen und Fügeverfahren schneller und präziser steuern lasse, übrigens nicht nur in der Fläche, auch in der Tiefe. Auch beim Laserschneiden verspricht sich das IWS Vorteile in Hinblick auf gratfreie Schnitte bei hoher Kantenqualität. Außerdem punkte der Laser in dieser Anwendung mit einem verdoppeltem Arbeitstempo, im Vergleich zu herkömmlichen Faserlasern.

Reger Austausch zwischen Dresden und Jerusalem

Aus dem gemeinsamen Projekt soll sich ein fruchtbarer wissenschaftlicher und personeller Austausch zwischen Israel und Sachsen entwickeln. Das IWS wird die Testergebnisse nach Jerusalem weiterleiten. Auch ist angedacht, zeitweise Austauschwissenschaftler nach Israel zu entsenden. Umgekehrt werden die Civan-Experten voraussichtlich im Laserlabor in Dresden eigene Versuche durchführen.

Ob der neue Laser diese Erwartungen auch in der Praxis erfüllt, werde sich in der Erprobungsphase in Dresden zeigen. Die Qualitäts- und Geschwindigkeitsvorteile, die sich bereits abzeichnen, machen die Technik jedenfalls für den Einsatz in der metallverarbeitenden Industrie, der Medizintechnik und Elektromobilität sowie in der Luft- und Raumfahrtindustrie hochinteressant, weiß man jetzt schon.

Online-Webinar und -Konferenz bieten Einblicke in erste Ergebnisse

Das IWS wird am 14. September 2021 den am Dynamic-Beam-Faserlaser interessierten Partnern aus Industrie und Forschung in einem Webinar vorstellen. Dann wird es möglich sein, den Einsatz des CBC-Faserlasers für eigene Anwendungen beim Fraunhofer IWS zu erproben. Erste Erkenntnisse aus ihren Testreihen stellen die Fraunhofer-Wissenschaftler vom 7. bis 9. Dezember 2021 einem breiteren Fachpublikum bei der kombinierten Online-Veranstaltung Laser Symposium/ISAM 2021 in Dresden vor.

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