Ultrakurzpulslaser für Deutschen Zukunftspreis nominiert

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Bereits 1999 schlossen sich die beiden Unternehmen in einer Entwicklungskooperation zusammen, wie es heißt. Die Universität Jena habe die theoretischen Modelle und die grundlegenden Experimente geliefert und Bosch den industriellen Prozess entwickelt, während Trumpf die Anforderungen an eine industrietaugliche Strahlquelle umgesetzt habe. Insgesamt 51 Patentfamilien meldeten die Partner während des Projekts an und setzten dabei auf einen anderen Lasertyp als alle anderen, den Scheibenlaser. Heute hätten sie die mittlere Leistung der Ultrakurzpulslaser weit mehr als verzehnfacht, entscheidend für die wirtschaftlich notwendigen Durchsatzraten.

Laserpulse im Pikosekundentakt übernehmen die kalte Bearbeitung

„Die Fertigung hochpräziser Bauteile verlangt von unserem Gehirn, alle alltagstauglichen Vorstellungen über die Dimension ‚Dauer‘ auszublenden“, sagt der nominierte Trumpf-Experte Dr. Dirk Sutter. „Denn mit dem Ultrakurzpulslaser ist die Produktion in beinahe unvorstellbar winzige Zeitdimensionen vorgestoßen. ,Ultrakurz‘ bedeutet hier: Pulse mit Pikosekunden-Dauer (10^–12 s).“ Während ein Lichtstrahl für die Strecke von der Erde bis zum Mond gut 1 s benötigt, gelangt er in einer Pikosekunde gerade einmal 0,3 mm weit. Die Konzentration der Laserstrahlung auf derart kurze Momente führe zu enormen Spitzenleistungen.

Hunderttausende solcher Laserblitze würden pro Sekunde erzeugt – die Folge: Unter dem Pikosekundenbeschuss habe Materie quasi keine Zeit zu schmelzen, sondern sie sublimiere. Durch die geschickte Wahl von Pulsdauer, Pulsenergie, Taktrate und der richtigen Fokussierung werde das Material so schnell und so stark erhitzt, dass es ohne Schmelze herausgeschleudert wird und verdampft. Und dann einfach mit einem Luftstrom abgesaugt werden kann. So ließen sich feinste Bereiche in der Größe von nur wenigen Nanometern abtragen, ohne gratbildende Schmelzreste und qualitätsmindernde Materialerwärmung. In der Fertigung nennt man das „kalte Bearbeitung“; der Prozess bringe keine Wärme ein und hinterlasse keine Rückstände.

Ultrakurzpulslaser finden Weg von der Universität in die Fabrik

Bis vor wenigen Jahren sei dies nur unter Laborbedingungen in universitären Forschungskammern geschehen. Heute produziere Bosch Bauteile etwa für die Automobilindustrie mit dem Ultrakurzpulslaser millionenfach in Serie.

Zum Beispiel ein Benzin-Direkteinspritzventil: Hier bohre der Ultrakurzpulslaser geometrisch komplexe Einspritzlöcher mit glatten Wänden. Dadurch verteile sich das Benzin besser im Brennraum, was dazu beitrage, bis zu 20 % Kraftstoff zu sparen. Dank des neuen Fertigungsprozesses könne diese Optimierung auch in Motoren mit mittleren, kleinen und kleinsten Hubräumen erreicht werden. Die Vorteile der Benzin-Direkteinspritzung seien damit für alle Fahrzeugklassen verfügbar.

Ultrakurzpulslaser eignen sich darüber hinaus für die hochpräzise Bearbeitung fast aller Materialien, etwa Keramik, Saphir, Karbonfaser, Kunststoffe oder Glas, wie Trumpf berichtet. Ein zweites Praxisbeispiel seien die Deckgläser von Smartphones.

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