Rapid Micro - Hochrate-Laserbearbeitung - Mittweida

Die InnoProfile-Initiative "Rapid Microtooling" (2006-2011) will ihr regionales Innovationsprofil mit dem folgenden Vorhaben stärken und weiterentwickeln:

Die InnoProfile-Transfer-Initiative

Im vorangegangenen InnoProfile-Projekt „Rapid Microtooling mit laserbasierten Verfahren“ gelang es am Laserinstitut der Hochschule Mittweida weltweit erstmals, die Lasermikrobearbeitung und die Applikation hoher Laserleistungen durch die Anwendung ultraschneller Strahlablenkungstechniken miteinander zu kombinieren. Die bisher gesammelten technologischen Erfahrungen bilden die Basis für das gestartete Anschlussforschungsprojekt InnoProfile-Transfer, dessen Forschungsschwerpunkte nicht mehr nur auf Mikrotechnologien beschränkt sind, sondern die das Potenzial der Hochrate-Laserbearbeitung breiter ausschöpfen wollen. Mithilfe der bereits erforschten und entwickelten Prinzipien werden viele neue Technologiefelder, wie z.B. das 2-D-Hochgeschwindigkeitsschneiden von Blechen oder die ultraschnelle Beabeitung großer Flächen erschlossen und damit die Effizienz und Konkurrenzfähigkeit der Laserbearbeitungstechnologien im Vergleich zu konventionell etablierten Verfahren deutlich erhöht. Hinzu kommt der in der Regel geringere Energieverbrach der Hochrateverfahren gegenüber z.B. Ofenprozessen. Durch die enge Zusammenarbeit mit den kooperierenden Firmen können diese neuen Technologien zeitnah in die Industrie, insbesondere in die regionalen KMU, überführt werden und diesen Firmen die Möglichkeit geben, neue Märkte zu erobern und damit ihre Position im nationalen und internationalen Wettbewerb zu stärken, auszubauen und zu verstetigen.

Das Forschungsvorhaben wird von einer Stiftungsprofessur geleitet, die sich deutschlandweit erstmals umfassend mit Themen der Hochrate-Laserbearbeitung beschäftigt und von den kooperierenden Firmen im InnoProfile-Transfer-Projekt „Rapid Micro – Hochrate-Laserbearbeitung“ vollständig finanziert wird.

Die Ziele

Das InnoProfile-Transfer-Projekt „Rapid Micro – Hochrate-Laserbearbeitung“ hat sich zum Ziel gesetzt, durch eine vertiefte Zusammenarbeit zwischen dem Laserinstitut der Hochschule Mittweida und regionalen Firmen und Instituten die hoch innovativen Technologieansätze der InnoProfile-Nachwuchsforschungsgruppe weiterzuentwickeln. So sollen zum einen Technologien, wie beispielsweise das Lasermikrosintern oder das 2-D-Abtragschneiden mit Dauerstrichlaserstrahlung hoher Leistung, die bereits Weltspitzenpositionen halten und zurzeit eine wachsende Nachfrage erfahren, fortentwickelt und produktiver werden. Darüber hinaus sind auch neue Verfahren Forschungsgegenstand, wie u.a. die effiziente Laserbearbeitung großer Flächen, z.B. für schnelle Durchlaufprozesse, oder das extrem schnelle und präzise Ausschneiden von 2-D-Konturen aus Blechen, das in der Industrie zunehmend an Interesse gewinnt. Alle Technologien dienen der zukunftsträchtigen Hochrate-Laserbearbeitung und sollen nach Projektende möglichst vollständig in der industriellen Produktion umgesetzt werden. Dies wird vorrangig durch die kooperierenden Firmen geschehen. Außerdem ist zu erwarten, dass perspektivisch auch die unterstützenden Konzerne diese Technologien nachfragen. Desweiteren soll es zur Ausgründung von Firmen in den bislang technologisch und wirtschaftlich unerschlossenen Teilbereichen der Hochrate-Technologie kommen.
 

Die thematischen Schwerpunkte

Aufgrund des hohen Anspruches des Projektes ergibt sich eine große Komplexität bezüglich der Arbeitsziele des Vorhabens. Die Arbeitsziele sind in fünf thematisch abgegrenzte Teilaufgaben gegliedert:
 

  1. Hochratebearbeitung mit Dauerstrich-Laser
    Im ersten Arbeitspaket wird erforscht, wie sich Dauerstrich-Laserleistungen von bis zu 5 kW mit hoher Strahlgüte in den Laserprozessen Schneiden, Bohren, Schweißen und der Strukturierung von Oberflächen metallischer und keramischer Werkstoffe mit dem Ziel höchstmöglicher Bearbeitungseffizienz umsetzen lassen. Dabei liegen die Einzelstrukturgrößen, wie beispielsweise Schnittspalte, Bohrlochdurchmesser oder Grabenbreiten im Millimeter- und Mikrometerbereich. Außerdem sind Untersuchungen zur Bearbeitung größerer Flächen (Quadratmeter-Bereich) geplant. Es werden im Detail folgende Prozesse untersucht:
     
    • 2-D-Hochgeschwindigkeits-Abtragschneiden
    • Hochrate-Laserbohren
    • Hochgeschwindigkeits-Laserschweißen
    • Hochrate-Oberflächenbearbeitung im Millimeter- und Mikrometerbereich
  2. Hochratebearbeitung mit Femtosekundenlaser
    Innerhalb des zweiten Teilprojektes wird der Einsatz innovativer Ultrakurzpuls-Lasertechnologien mit Laserleistungen bis zu 500 W zur Hochrate-Laserbearbeitung intensiv erforscht. Im vordergründigen Interesse der Arbeiten stehen insbesondere die Erzeugung von Mikrostrukturen in Metall und Keramik z.B. zur Modifizierung von Oberflächen (gereinigt, wasser- und schmutzabweisend, besser zu verarbeiten, fälschungssicher gekennzeichnet, langlebiger usw.), der ultraschnelle Abtrag von dünnen Schichten beispielsweise für die Kostenreduzierung bei Photovoltaik-Anwendungen, das schnelle Trennen von sprödharten Materialien wie Silizium für Photovoltaik- oder Mikroelektronikanwendungen oder die für mikrosystemtechnische Anwendungen sehr bedeutenden Silizium/Pyrex-Verbünde sowie die großflächige Erzeugung von Nanostrukturen ebenfalls zur Modifizierung der Oberfläche (z.B. Farbänderung durch Interferenzeffekte), jeweils unter der Maßgabe, wesentlich höhere Abtragraten und Bearbeitungsgeschwindigkeiten als bisher zu erreichen. Im Einzelnen umfassen die Untersuchungen folgende Prozesse:
     
    • Hochrate-Strukturierung
    • Hochrate-Bearbeitung mit hohen mittleren Laserleistungen bis 500 W
    • Hochrate-Schichtabtrag
    • Hochrate-Trennen
    • Hochrate-Oberflächenbearbeitung im Mikro- und Nanometerbereich
  3. Hochrate-Generierung
    Als wissenschaftliches Arbeitsziel steht zunächst die tiefgründige Untersuchung des Lasermikrosinter-Prozesses zur Herstellung von 3-D-Mikrobauteilen aus Metall und Keramik mit gepulster Laserstrahlung hoher mittlerer Leistung im Vordergrund. Ziel ist es, deutlich höhere Baugeschwindigkeiten als derzeit zu erreichen. Damit soll das Verfahren zum Produktionsverfahren weiterentwickelt werden. Weiterhin sollen die ultraschnelle Schichterzeugung mit dem Laser und ergänzend auch das schnelle Verfüllen von Mikrolöchern Untersuchungsgegenstand sein – Anwendungen dafür finden sich in der Photovoltaik und der Mikrosystemtechnik. Folgende Prozesse werden erforscht:
     
    • Hochrate-Lasermikrosintern
    • Hochrate-Schichterzeugung mittels gedruckter Schichten oder mit Laser Induced Forward Transfer (LIFT)-Verfahren
    • Hochrate-Verfüllen von Mikrolöchern

Übergreifend werden im vierten und fünften Arbeitspaket detaillierte Untersuchungen zum zu erwartenden Einfluss hoher mittlerer Laserleistungen auf die räumlichen Strahleigenschaften durchgeführt und ein Polygonspiegelscanner-Demonstrator entwickelt, der in Hard- und Software an die speziellen Anforderungen der Hochrate-Laserprozesse angepasst ist.
 

Die Partner

Die Kooperationspartner im Forschungsvorhaben Rapid Micro – Hochrate-Laserbearbeitung erfahren breite Unterstützung zu den wissenschaftlichen und technologischen Forschungsschwerpunkten, die auf ihren Bedarf und auf die zu erwartenden aktuellen Nachfragen zugeschnitten sind. Zu den Partnern gehören acht regionale KMU und fünf überregionale Konzerne:
 

  • 3D Micromac AG Chemnitz: Entwicklung, Produktion, Vertrieb und Service von kompletten Anlagen zur Lasermikromaterialbearbeitung
  • ACSYS Lasertechnik GmbH Mittweida: Entwicklung, Produktion, Vertrieb und Service von Maschinen zum Lasergravieren/-markieren und zur Mikrostrukturierung von Werkzeugen
  • Laservorm GmbH Altmittweida: Entwicklung, Produktion, Vertrieb und Service von Maschinen zur Lasermaterialbearbeitung und Laserbearbeitungsdienstleistungen
  • SITEC Industrietechnologie GmbH Chemnitz: Entwicklung, Produktion, Vertrieb und Service von kompletten Systemen im Bereich flexibler Montageanlagen, Laseranlagen und Anlagen zur elektrochemischen Metallbearbeitung und Laserbearbeitungsdienstleistungen
  • IMM Holding GmbH Mittweida: Entwicklung, Produktion, Applikation und Vermarktung elektronischer Baugruppen und Geräte
  • LIM Laserinstitut Mittelsachsen GmbH Mittweida: Dienstleistungen aller Art zu innovativen Verfahren und Geräten, insbesondere in den Bereichen Lasertechnik, Lasermaterialbearbeitung, Lasermesstechnik und Laseranalytik, Lasermedizin, Laserchemie und Laserprozesssimulation sowie Herstellung und Vertrieb der Geräte
  • fiberware Generalunternehmen für Nachrichtentechnik GmbH Mittweida: Hersteller optischer Spezialfasern, Spezialkabel, faseroptischer Sensoren, Faserbündel, Kapillaren und anderer faseroptischer Produkte für Standard und Spezialanwendungen
  • Micro Ceram GmbH Meißen: Produzent von Keramikteilen und Laserbearbeitung von Keramik
  • VW AG Wolfsburg: einer der führenden Automobilhersteller weltweit
  • ThyssenKrupp Electrical Steel GmbH: einer der globalen Marktführer von kornorientierten und nicht kornorientierten Hightech Elektroband-Produkten PowerCore®
  • EOS GmbH Krailling: Weltmarktführer im Bereich Laser-Sintern, Hersteller von Laser-Sinteranlagen, Softwareentwickler/-anbieter für Sinteraufgaben
  • KOKI TECHNIK Transmission Systems GmbH Niederwürschnitz: Entwickler und Großserienlieferanten von komplizierten Bauteilen und komplexen Baugruppen der Getriebetechnik
  • KSG Leiterplatten GmbH Gornsdorf: einer der technologisch führenden Leiterplattenhersteller in Europa, Hersteller von doppelseitigen Leiterplatten, Multilayer, HDI-Schaltungen, starrflexiblen Leiterplatten, semiflexiblen Leiterplatten, Dickkupferleiterplatten und Hochfrequenzschaltungen

Kontakt

Prof. Dr.-Ing. Udo Löschner und Prof. Dr.-Ing. Dr. h.c. Horst Exner
Hochschule Mittweida - University of Applied Sciences
Laserinstitut
Technikumplatz 17
09648 Mittweida
Tel.: 03727 58-1336 bzw. -1413
E-Mail: udo.loeschner[at]hs-mittweida.de und exner[at]hs-mittweida.de
www.laser.hs-mittweida.de/43_rapidmicro/ 
www.laserinstitut.org


Nähere Informationen zum vorangegangenen InnoProfile-Projekt "Rapid Microtooling" finden Sie hier. Weitere Informationen zu dem ebenfalls aus dieser InnoProfile-Initiative hervorgegangenen InnoProfile-Transfer-Verbundvorhaben „Hochrate Cladding“ finden Sie hier.

Aktuelle Berichterstattung aus dem "Blickpunkt" finden Sie hier.