Laserstrahlen lassen moderne Uhren noch präziser ticken

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„Kalte“ Materialbearbeitung durch ultrakurze Laserpulse

Die Bearbeitung mit ultrakurzen Laserpulsen verläuft jedoch grundlegend anders: Die kurze Pulsdauer liefert sehr hohe Pulsspitzenleistungen. Bei geeigneter Fokussierung entstehen extreme Leistungsdichten auf dem Werkstück von durchaus 10¹⁸ W/cm². Zum Vergleich: Beim Tiefschweißen von Stahlblech reichen circa 10⁶ W/cm².

Durch diese extremen Intensitäten wird das Material quasi instantan ionisiert und somit in den Plasmazustand überführt. Das entstehende Plasma steht unter einem sehr hohen Druck und expandiert daher von der Werkstoffoberfläche. Dadurch kommt der Materialabtrag zustande. Die überschüssige Energie wird dabei im Plasma- oder Materialdampf abtransportiert und kann sich so nicht durch Diffusion im umliegenden Material als Wärme auswirken.

Nacharbeitsfreie Mikrozahnräder

Die Entstehung einer Wärmeeinflusszone kann zumindest stark reduziert werden, sodass man bei ultrakurzen Laserpulsen auch von „kalter Bearbeitung“ spricht. Mit deutlich höherer Präzision schneiden und bohren diese Laser oder tragen Material ab, wenngleich die Prozessgeschwindigkeiten geringer sind als mit Nano-, Mikro- oder Milisekundenpulsen. Bei mehreren Anwendungen in der Uhrenindustrie kann der Pikosekundenlaser seine Vorteile mittlerweile ausspielen: So werden Zahnräder schon teilweise von Lasern der Trumicro-Serie 5000 mit Pulsdauern von 10 ps geschnitten. So können sie präzise und nacharbeitsfrei gefertigt werden. Eine weitere Anwendung ist das Schneiden von Sekundenstoppfedern. Diese Stahlblechfedern sind nur 0,01 bis 0,05 mm stark und werden ohne jeglichen Verzug ausgeschnitten.

Keramische Werkstoffe können präzise bearbeitet werden

Außer einer Steigerung der Präzision ermöglichen ultrakurze Laserpulse auch die Bearbeitung von Werkstoffen, die mit längeren Pulsen nicht oder kaum machbar sind. Dazu gehören vor allem sehr harte und spröde Materialien, die nicht spanend bearbeitet werden können, sowie transparente oder hitzeempfindliche Werkstoffe. Hemmungen etwa, bei denen Anker und Ankerrad wegen der sonst drohenden Magnetisierung nicht aus Stahl, sondern aus Silizium geschnitten werden. Diese filigranen Leichtgewichte lassen sich nur mit diesem Laser in vergleichbarer Genauigkeit herstellen.

Lünetten oder komplette Uhrengehäuse werden heute auch aus Keramik statt aus Stahl gefertigt. Die hohe Materialhärte hat den Vorteil, dass die Teile unempfindlich gegen Dellen und Kratzer sind.

Der Laser ersetzt den Glasschneider

Das Bohren oder Gravieren von Oberflächenstrukturen durch Materialabtrag sind Verfahren, für die ultrakurze Laserpulse prädestiniert sind. Außerdem lassen sich Uhrengläser und Ziffernblätter aus Saphirglas nicht nur schneiden und bohren, sondern mit dem Pikosekundenlaser auch im Volumen markieren: Mit einer Moshärte von neun ist Saphir das zweithärteste transparente Material und sehr widerstandsfähig gegen Kratzer. Darum lässt es sich mechanisch kaum bearbeiten – das kann nur der Laser. Chemisch vorgespannte, kratzbeständige Gläser, die etwa für Tablet-Computer und Smartphones oder eben für Uhrengläser genutzt werden, sind stark im Kommen. Der präzise und wirtschaftliche Zuschnitt dieser Glasscheiben gelingt mit dem Pikosekundenlaser.

Individualisierung leistet generativen Laseranwendungen Vorschub

Ein weiterer laserbasierter Fertigungsprozess könnte auch bald in den Fokus der Uhrenindustrie rücken – die additive Fertigung mittels Laserstrahlschmelzen. Teile können schichtweise aus einem Pulverbett aufgebaut werden, wenn das Pulver mit einem fokussierten Laserstrahl selektiv aufgeschmolzen und so verbunden wird. Dem Designer sind kaum Grenzen gesetzt, da auch komplexe, dreidimensionale Strukturen mit Einschlüssen und Hinterschnitten machbar sind.

Verglichen mit Gießverfahren oder subtraktiven Prozessen, ist die additive Fertigung oft langsamer und so für die Massenfertigung nur bedingt geeignet. Bei einer immer höheren Variantenvielfalt, getrieben vom allgemeinen Trend zur Produktindividualisierung, kann das Verfahren aber schnell wirtschaftlich werden. Auch für Kleinserien oder sogar Einzelstücke. MM

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