Neuer Spatial Light Modulator für die dynamische Strahlformung bei industriellen High-Power-UKP-Prozessen

Werkstoffe 06. 11. 2022
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Gemeinsam mit Hamamatsu hat das Fraunhofer-Institut für Lasertechnik ILT in Aachen ein Labor für die Prozessentwicklung zur Lasermaterialbearbeitung mittels ultrakurz gepulster Laserstrahlung aufgebaut. Dort wurde gemeinschaftlich ein industrieller Bearbeitungskopf entwickelt, der Lasermaterialbearbeitung mit maßgeschneiderter, dynamischer Strahlformung und großen mittleren Leistungen für unterschiedlichste Anwendungsbereiche ermöglicht. Der neue ­Spatial Light Modulator (SLM) von Hamamatsu kann dabei Laserleistungen bis 150 Watt dauerhaft umsetzen.

Multistrahlsysteme sind der Schlüssel zur Skalierung

Ultrakurz gepulste (UKP) Laserstrahlung kann so gut wie jedes Material mit höchster Präzision bearbeiten. Um die Wirtschaftlichkeit der UKP-Bearbeitung weiter zu steigern, wurden Systeme mit mehr als 100 Watt entwickelt, sodass eine Skalierung der Prozesse zu höheren Geschwindigkeiten und niedrigeren Stückkosten möglich wird. Eine ­populäre Lösung zur Umsetzung der großen Laserleistungen ist dabei die Aufteilung der hochenergetischen Strahlung in viele Einzelstrahlen. Dieser Ansatz findet insbesondere bei der flächigen Lasermaterialbearbeitung oder bei periodischen Mustern wie Filtern bereits industrielle Anwendung.

Um aus einem einfallenden Strahl ein parallelisiertes Strahlbündel mit einer Vielzahl von Teilstrahlen zu erzeugen, werden Phasenmasken genutzt. Das funktioniert dynamisch mit Spatial Light Modulatoren (SLM) oder statisch mit diffraktiven optischen Elementen (DOE) aus Glas. SLM können das Phasenmuster und damit auch die Strahlmatrix dynamisch ändern, die statischen DOE halten dafür größere mittlere Leistungen aus.

Besonders für die Entwicklung von Fertigungsprozessen mittels UKP-­Laserstrahlung bieten sich die SLM an, da sich mit ihnen die Strahleigenschaften sukzessive anpassen und maßschneidern lassen. Das betrifft sowohl das Strahlprofil als auch die Anordnung der Einzelstrahlen. In der Serienfertigung sind die SLM vorteilhaft, wenn im Prozess Strahlmuster dynamisch verändert werden müssen. Sind die Strahlparameter bekannt und statisch, dann sind DOE die bessere Wahl.

Joint Application Lab am Fraunhofer ILT

Gemeinsam mit dem SLM-Hersteller Hamamatsu wurde am Fraunhofer ILT ein Joint Application Lab eingerichtet. Dort steht ein industrietauglicher Prototyp zur Entwicklung von Fertigungsprozessen bereit. Dazu gehört auch ein scannerbasierter Prozesskopf, in den der neue Hochleistungs-SLM von Hamamatsu integriert ist. Der Kopf ist in eine 3-Achs-Maschine mit einem 150-Watt-UKP-Laser ­integriert.

Der neue SLM wurde auf hohe Durchschnittsleistungen optimiert und wird derzeit in den Markt eingeführt. Hamamatsu wurde beim Aufbau des neuen Labors im Rahmen des SIP-Programms von der japanischen Regierung gefördert.

SLM für hohe ­Leistungen in der Anwendung

In Aachen wird das System mit dem neuen SLM seit Mai 2022 für verschiedene Prozesse eingesetzt. Dabei wurde der Flächen- und Volumenabtrag mit verschiedenen Strahlprofilen und Fokusdurchmessern untersucht. Mit dem flexiblen Flüssigkeitsmodulator entfällt der Aufwand eines Werkzeugwechsels.

Bei der Umsetzung von großen mittleren Laserleistungen und der Skalierung von UKP-
Prozessen ist die Wärmeverteilung im Werkstück von zunehmender Bedeutung. Mit Unterstützung des Lehr- und Forschungsgebiets für Nichtlineare Dynamik der Laser-Fertigungsverfahren NLD der RWTH Aachen University können am Fraunhofer ILT die Prozesse komplett simuliert werden. So kann die Energieverteilung und damit der Wärmeeintrag innerhalb einer parallelisierten Strahlverteilung optimiert werden.

Im Joint Application Lab unterstützt das Fraunhofer ILT seine Kunden bei der Entwicklung von Fertigungsprozessen. Darüber hinaus werden das Wissen und die entwickelte Technik auch in neuen Forschungsprojekten eingesetzt.

Kontakt:

Martin Kratz, Gruppe Mikro- und Nanostrukturierung,
E-Mail: martin.kratz@ilt.fraunhofer.de

Martin Reininghaus, Gruppenleitung Mikro- und Nanostrukturierung,
E-Mail: martin.reininghaus@ilt.fraunhofer.de

Text zum Titelbild: Im Joint Application Lab von Hamamatsu und dem Fraunhofer ILT können Fertigungsprozesse mit einem scannerbasierten Prozesskopf mit integriertem Hochleistungs-SLM untersucht werden (© Fraunhofer ILT, Aachen)

 

Die Multistrahltechnik erlaubt die Skalierung von UKP-Laserprozessen (© Fraunhofer ILT, Aachen)

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