Neuartiger 2D-Laser-Scanner von Fraunhofer-Spin-off verspricht Effizienzschub in der Materialbearbeitung

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Mit dem planaren, hoch-integrierten XY-Scanner für den industriellen
Einsatz (PIXIE) will ein zukünftiges Spin-off des Fraunhofer-Institut für
Lasertechnik ILT in Aachen neue Performance-Maßstäbe setzen. Das 2D-Laser-
Ablenksystem ist schneller und viel kompakter als heutige
Galvanometerscanner. Das prädestiniert es für die parallelisierte
Materialbearbeitung mit Multi-Scanner-Anlagen oder mit
Hochleistungslasern, deren Strahl dafür in viele unabhängige
Einzelstrahlen geteilt wird. Das multidisziplinäre, diverse
Gründerquartett hinter PIXIE hat weitere Anwendungsmärkte im Blick.

Der planare Galvanometer-Scanner (PGS) braucht knapp 90 Prozent weniger
Bauraum und wiegt nur ein Zehntel heutiger Galvanometerscanner, reduziert
die Größe der Laserspots um mehr als zwei Drittel und lenkt diese gut 50
Prozent schneller über Werkstücke. Solche Technologiesprünge gibt es nicht
allzu oft. Daher lag es für die Köpfe hinter der neuartigen Scan-
Technologie – Lazar Bochvarov, Christina Giesen, Dr. Milena Žurić und
Alexander Hohle – nahe, deren Kommerzialisierung selbst in die Hand zu
nehmen. Mit einer frisch bewilligten Phase-I-Förderung im »exist-
Forschungstransfer« des Bundesministeriums für Wirtschaft und Energie
(BMWE) haben sie nun 18 Monate Zeit, ihr Gründungsvorhaben PIXIE
umzusetzen.

PGS schließt Lücke zwischen zwei etablierten Scan-Verfahren

Das Quartett hat die bereits patentierte Technologie am Fraunhofer ILT
entwickelt. Die Idee des planaren Galvanometers geht auf Bochvarov zurück.
Im Zuge seiner Promotion im Bereich Lasermikrochirurgie stieß er auf den
Mangel an zugleich hoch-performanten und kompakten Scannern. »Die heute
verfügbaren Galvanometerscanner stoßen mit ihrer Baugröße an Grenzen.
Dagegen sind Mikro-Opto-Elektro-Mechanische Scanner (MOEMS) mit ihren mm-
kleinen Spiegeln für viele laserchirurgische und industrielle Anwendungen
ungeeignet«, erklärt er. Um dieses Dilemma zu lösen, hat Bochvarov ein
System erdacht, das das Beste beider Technologien vereint: Wie MOEMS
integriert der planare, hoch-integrierte XY-Scanner für den industriellen
Einsatz (PIXIE) Antrieb und Spiegel in einer Rotoreinheit.

Der Schlüssel dazu war die Miniaturisierung des elektromechanischen
Antriebs. Anstelle der Spiegelausrichtung mit einem separaten Motor ist
das Spiegelsubstrat selbst Teil eines Antriebssystems auf Basis der
Lorentzkraft. Dieses macht sich die exakt steuerbare Kraftwirkung eines
Magnetfelds auf stromdurchflossene elektrische Leiter zunutze, um den mit
zwei Präzisionskugellagern auf einer Achse gelagerten Spiegel zu kippen.
Die Kipprichtung ist durch Umpolen der Stromrichtung sehr schnell und
präzise umkehrbar. »In dem hochintegrierten Antrieb bilden Spiegel und
Motor eine kompakte Einheit. Das Prinzip lässt sich gut zu großen
Aperturen skalieren«, erklärt der Gründer. Damit seien Spiegelgrößen
deutlich oberhalb von 100 mm möglich, was für Hochleistungslaser und die
Parallelisierung industrieller Prozesse hochrelevant sei. Im Zuge mehrerer
Re-Designs sei bereits eine drastische Bauraum- und Gewichtsreduktion
gelungen, was die äußerst dynamische Ausrichtung der Laserstrahlen
begünstigt. Diese Vorteile möchte das Team nun auf breiter Front für die
industrielle Lasermaterialbearbeitung und für chirurgische Eingriffe
nutzbar machen. Vorerst wird Bochvarov wie seine Mitgründerinnen Žurić und
Giesen im Forschungsfeld Lasermedizintechnik des Fraunhofer ILT tätig
bleiben. Parallel treibt er seine Promotion im Maschinenwesen der RWTH
Aachen University voran.

Geballte Kompetenz

Žurić wird im Spin-off das System Engineering und den Aufbau einer
automatisierten Kleinserienfertigung verantworten. Sie bringt nach einem
interdisziplinären Studium der Elektro- und Informationstechnik, ihrer
Promotion im Maschinenwesen der RWTH Aachen und der Leitung diverser
Forschungs- und Industrieprojekte am Fraunhofer ILT geballte Expertise
mit. Das gilt auch für Giesen. Die studierte Medizinphysikerin forscht
ebenfalls im Bereich Lasermedizintechnik. Sie bringt Kompetenzen in
Optikdesign und Sensorik sowie Qualitätsmanagement und Zertifizierung ein,
um die Industrialisierung der Scan-Technologie voranzutreiben. Auch für
den betriebswirtschaftlichen Part ist mit Alexander Hohle ein Experte an
Bord: Er ist Physiker, hat ein MBA-Studium am Collège des Ingénieurs Paris
und verschiedene Industriestationen hinter sich und wird sich um
Strategieentwicklung, Finanzcontrolling, Marketing und Human Resources
kümmern.

Für die Laufzeit der exist-Förderung hat sich das Team viel vorgenommen.
»Wir planen mit Blick auf die automatisierte Fertigung ein Re-Design«,
erklärt Žurić. »Auch bei der Positionssensorik gibt es
Optimierungsbedarf«, ergänzt Giesen. Parallel zur Umsetzung dieser
Aufgaben laufen erste Einsätze des Demonstrators bei Pilotkunden, welche
das Gründungsprojekt von Beginn an eng begleiten.

Zudem laufen nun
Langzeittests und der Aufbau der Lieferkette mit ausgewählten Zulieferern
an. Bereits 2027 soll dann der Launch von PIXIE als »kleinstes,
schnellstes Scan-System im Markt« folgen. Auf Basis ihrer Marktanalyse und
von Interessensbekundungen potenzieller Kunden aus diversen
Anwendungsmärkten hofft das Team auf einen schnellen Markthochlauf. »Ein
Break-Even im Jahr 2030 ist möglich, wenn in der Technologieentwicklung
und beim Aufbau der Fertigung alles glatt läuft«, erklärt Hohle.

PIXIE adressiert wichtige photonische Trends

Der Optimismus des Gründungsteams ist nicht unbegründet. Denn als dann
kleinster und schnellster 2D-Scanner im Markt adressiert PIXIE gleich
mehrere aktuelle Trends in der Photonik. Laserstrahlquellen mit hohen
mittleren Leistungen drängen in den Markt; die Branche möchte mit ihnen
ein seit Langem bestehendes Problem lösen: Trotz ihrer überlegenen
Präzision und Energieeffizienz kommen Laser in der Materialbearbeitung
mangels Produktivität nicht flächendeckend zum Zuge. Mit leistungsstarken
Lasern ist eine Parallelisierung der Bearbeitungsprozesse machbar, bei der
deren Energie auf viele einzelne Teilstrahlen gesplittet wird. »Diese gilt
es unabhängig voneinander präzise auf Werkstückoberflächen zu lenken«,
erklärt Bochvarov. Genau dafür brauche es schnelle, kompakte Scanner.
Herkömmliche Galvanoscanner beanspruchen zu viel Bauraum, um die
Effizienzpotenziale der Parallelisierung zu heben. Und mit Blick auf
robotergeführte Anwendungen in der Industrie und Medizin sind sie auch zu
schwer.

Das Team hat Interessensbekundungen von Maschinen- und Anlagenbauern, die
mit PIXIE effiziente additive Fertigungsprozesse umsetzen – oder das
Bohren, Schneiden und Oberflächenbearbeitungsprozesse mit
Hochleistungslasern parallelisieren wollen. Das macht Laserverfahren für
immer mehr Anwendungen interessant, in denen sie umweltbelastende
Verfahren wie das elektrochemische Abtragen, das nasschemische Ätzen oder
Beschichtungen mit den Ewigkeitschemikalien PFAS (Per- und polyfluorierte
Alkyl-Substanzen) ersetzen können. Ob Halbleiterfertigung, ob Turbinenbau,
ob für die Reinigung von muschel- und algenüberwucherten Schiffsrümpfen
oder zur Perforation feinster Wasserfilter: die parallelisierte
Materialbearbeitung mit gesplitteten, von PIXIE schnell und präzise
umgelenkten Hochleistungslaserstrahlen oder mit Multilaser- und
Multiscanner-Anlagen könnte den Weg zu ökologisch und ökonomisch
nachhaltigeren Lösungen ebnen.

Fraunhofer-Kompetenz im Hintergrund

Bei ihrem Gründungsvorhaben stehen dem Team mit Prof. Arnold Gillner,
Prof. Carlo Holly und Dr. Jochen Stollenwerk drei hochrangige Experten für
Lasertechnik und für Digitale hochautomatisierte Laserverfahren zu Seite.
Mit Stollenwerk zählt der aktuelle Institutsleiter des Fraunhofer ILT zum
Mentoren-Kreis. Holly und Gillner waren und sind Abteilungsleiter. Daneben
gehören Dr. Yves Hagedorn, Geschäftsführer des Fraunhofer ILT Spin-offs
Aconity3D, sowie Dr. Claus Schnitzler, Geschäftsführer der ebenfalls aus
dem Aachener Forschungsinstitut hervorgegangenen Amphos GmbH, dem
Beraterkreis an. Und im Fraunhofer Venture Gründungsnetzwerk hat das Team
ebenfalls Zugang zu geballter Kompetenz rund um Gründungsstrategien und
Finanzierungsfragen.