Flexibler Faserlaser für die flinke Materialbearbeitung

Fraunhofer IWS erprobt tausendfach schnellere Strahlformung
Laser-Experten aus Sachsen und Israel erproben derzeit gemeinsam am
Fraunhofer-Institut für Werkstoff- und Strahltechnik IWS in Dresden einen
neuartigen Laser für den Industrieeinsatz. Das System basiert auf der für
Hochleistungslaser noch jungen Methode des »Coherent Beam Combinings«
(CBC). Der 13-Kilowatt-Laser kann im laufenden Betrieb besonders schnell
verschiedene Energieverteilungsmuster erzeugen und dadurch selbst
anspruchsvolle Hightech-Materialien sehr präzise und schnell bearbeiten.
Die Fraunhofer-Forscher wollen die innovative Lasertechnik aus Israel
demnächst auch weltweit Unternehmen zur Verfügung stellen. Innerhalb eines
europäischen Netzwerkprojekts untersucht das Fraunhofer IWS bereits mit
dem Laserhersteller Civan Lasers und A. Kotliar Laser Welding Solutions
die um ein Tausendfaches beschleunigte Strahlformung erstmals für das
Additive Manufacturing.

Der Laser »Dynamic Beam« aus Jerusalem ist inzwischen im Fraunhofer IWS in
Dresden installiert. Das Institut ist damit die weltweit erste
Forschungseinrichtung, die eine solche Laserlösung im Einsatz hat.
Gemeinsam mit dem Kooperationspartner Civan Lasers erhoffen sich die
Forscher von der Erprobung in Sachsen nicht zuletzt neue
Anwendungsszenarien. »Dieser Laser wird die Grenzen der
Materialbearbeitung, zum Beispiel in der Medizintechnik sowie in der Luft-
und Raumfahrt weiter hinausschieben«, prognostiziert Dr. Andreas Wetzig,
der am Fraunhofer IWS das Technologiefeld Trennen und Fügen leitet. Er
verweist dabei auf das sächsisch-israelische Forschungssprojekt »ShapeAM«
im Rahmen des europäischen Netzwerkprogramms »M-era.Net«, in dem dieser
neue Laser eine zentrale Rolle spielen wird und das im Juli 2021 gestartet
ist.

Tausendmal schneller

Im Einsatz ist dabei das Coherent Beam Combining, was sich mit »Kohärente
Strahlkombination« übersetzen lässt. Denn der Dynamic Beam Faserlaser vom
israelischen Unternehmen Civan Advanced Technologies kombiniert Dutzende
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 rasch ganz
verschiedene Energieverteilungsmuster im resultierenden Bearbeitungs-
Laserstrahl erzeugen: Während ein klassischer Laser die meiste Energie nur
in der Strahlmitte freisetzt, kann das System aus Israel auf den
Werkstücken beispielsweise Energiemuster in Form eines Rings, einer Acht
oder eines Hufeisens erzeugen. Prinzipiell war dies zwar auch früher schon
mit strahlablenkenden Optiken oder schnell schwingenden Spiegeln möglich.
Doch selbst die schnellsten Schwingspiegel brauchen noch Millisekunden, um
die Energiemuster im Strahl neu auszurichten. Der Dynamic Beam Faserlaser
schafft das dagegen Tausendmal schneller, binnen Mikrosekunden.
Diese Geschwindigkeit macht es erstmals möglich, die dynamische
Strahlformung für die additive Fertigung von Metallen einzusetzen. Im
Rahmen von »ShapeAM« testen die Forscher das neue CIVAN-System, um
verbesserte Werkstoffeigenschaften zu erzielen. Konkret geht es um die
additive Fertigung von Titan- und Aluminium-Legierungen, wie sie für
Raumfahrtbauteile, Implantate und Leichtbau-Komponenten für die Mobilität
gebraucht werden. Dabei wollen die Partner die dynamische Strahlformung
einsetzen, um Defekte zu eliminieren und somit eine höhere Qualität der
3D-Druckergebnisse zu erzielen. Dr. Eyal Shekel, CEO von Civan, freut sich
auf das Projekt: »ShapeAM macht es uns möglich, die Vorteile des Dynamic-
Beam-Shapings in der additiven Fertigung von Metallen zu explorieren.« Dr.
Elena Lopez, Abteilungsleiterin Additive Fertigung am Fraunhofer IWS, fügt
hinzu: »Wir planen, neuartige Strahlformen und Steuerungsfrequenzen zu
verwenden, die mit anderen Methoden nicht erreichbar sind, um die
Herausforderungen bei rissempfindlichen Materialien zu überwinden.«

Reger Austausch zwischen Dresden und Jerusalem

Aus dem gemeinsamen Projekt soll sich ein fruchtbarer wissenschaftlicher
und personeller Austausch zwischen Israel und Sachsen entwickeln: Das
Fraunhofer 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.
Die Tests am Dresdner Institut sollen die Möglichkeiten und Grenzen des
Dynamic Beam Lasers ermitteln. Vorgesehen sind zunächst Basisversuche mit
verschiedenen Strahlprofilen, Werkstoffen und Verfahren. Dann testen die
Forscher konkrete Anwendungen aus, beispielsweise, wie gut das System
diverse Werkstücke aus sonst schwer bearbeitbaren Werkstoffen und
Werkstoffverbünden trennen, fügen oder additiv fertigen kann.

»Dynamic Beam« verdoppelt Arbeitstempo

Schon absehbar ist, dass sich mit dem neuen Laser die Schmelzbad-Dynamik
bei vielen additiven und Fügeprozessen schneller und präziser steuern
lässt – und dies nicht nur in der Fläche, sondern auch in der Tiefe. Auch
beim Laserschneiden verspricht sich das Fraunhofer IWS Vorteile in
Hinblick auf gratfreie Schnitte bei hoher Kantenqualität – bei doppeltem
Arbeitstempo im Vergleich zu herkömmlichen Faserlasern.
Ob der neue Laser diese Erwartungen auch in der Praxis erfüllt, wird 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.
Online-Webinar und -Konferenz bieten Einblicke in erste Ergebnisse
Das Fraunhofer 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.

Über CIVAN
Civan Advanced Technologies Ltd. wurde im Jahr 2008 gegründet und ist das
einzige Unternehmen, das Dynamic Beam Laser anbietet. Mit den Dynamic Beam
Lasern von Civan können Hersteller Strahlform, Frequenz, Sequenz und
Fokussteuerung steuern, um Spritzer zu eliminieren und die Schweißleistung
und -geschwindigkeit zu erhöhen. Mit ihren fortschrittlichen Fähigkeiten
öffnen die Dynamic Beam Laser die Tür zu unzähligen neuen Anwendungen.
Mehr Infos: https://www.civanlasers.com/