Der Einsatz von Laserstrahlung (Photonik) in der industriellen Produktion hat zu einem Wandel geführt, bei dem klassische Fertigungsverfahren durch laserbasierte Prozesse ersetzt werden. Seit einigen Jahren ist nun eine neue Klasse von Lasern am Markt verfügbar, die Laserstrahlung in extrem kurzen Pulsen emittiert. Die so genannten UKP-Laser emittieren dabei ultrakurz gepulste und hochenergetische Laserstrahlung, die in der Lage ist nahezu jedes Material selektiv zu verdampfen, ohne dabei schädigenden Einfluss auf das umgebende Material zu nehmen. Mit diesen Lasern steht nun ein hochpräzises Werkzeug für die Mikrobearbeitung mit enormer Anwendungsbreite zur Verfügung. Heute werden vor allem Werkzeuge, Präzisionsbauteile, medizintechnische Produkte und Bauteile für die Halbleiterindustrie, Elektronik- und Display-Produktion mit UKP-Laserprozessen bearbeitet. „Die von unseren Maschinen bearbeiteten Bauteile oder Werkzeuge sind in der Regel flach und können gebohrt, geritzt, geschnitten, strukturiert oder beschriftet werden. Es sind also immer abtragende 2,5D-Fertigungsschritte, die mit unseren UKP-Maschinen durchgeführt werden“, beschreibt Dr. Joachim Ryll, Mitgründer und Geschäftsführer von Pulsar Photonics, die Prozesse.

Die digitale Produktion ist schon lange da und heißt Photonik 4.0
Die Prozessführung war für Pulsar Photonics dabei schon immer digital. So werden die von den Kunden übermittelten Fertigungsunterlagen in der Arbeitsvorbereitung am PC in 3D-Modelle umgesetzt, in einer CAD-CAM-Kette in Maschinendaten übertragen und können als Aufträge in der Maschinensteuerung hinterlegt werden. Dann legt der Maschinenbediener das Werkstück in den Arbeitsraum der UKP-Maschine. Ein Kamerasystem erfasst das Werkstück, der Bediener verriegelt am Touch-Screen die Maschinentür und startet den Software-Assistenten. Der übernimmt nun das Antasten und die Zentrierung des Werkstückes unter der Laseroptik, aktiviert die Absaugung und das Lasersystem, errechnet die voraussichtliche Prozesszeit und speichert alle Einstellungen in der Datenbank. Am Ende der Bearbeitung sendet die UKP-Lasermaschine eine Nachricht an den Bediener und prüft stichprobenartig die Bearbeitungsqualität mit einem hochauflösenden Topographie-Messgerät. „So haben wir uns die Maschinenlösungen von Beginn an gedacht“, erinnert sich Dr. Joachim Ryll. „Ein ständiges Ziel von Pulsar Photonics ist es, die Komplexität der Maschinenbedienung auf das Niveau der konventionellen CNC-Bearbeitung zurückzuführen. Wir möchten, dass CNC-Techniker sich bei der Maschinenbedienung auf die sinnvolle Programmierung von Prozess- und Prüffolgen konzentrieren können und ansonsten von der Maschine bestmöglich unterstützt werden. Photonik 4.0 bedeutet also an dieser Stelle nicht einen steigenden Bedarf an Fachspezialisten an der Maschine“, betont Dr. Joachim Ryll mit Blick auf die laufende Fachkräfte-Diskussion.

Die Strahlform macht morgen den Unterschied
Während heute die Bearbeitung mit einem runden Laserstrahl und Laserleistungen bis 50W der absolute Fertigungsstandard ist, werden zukünftig vielfältigere, variable und leistungsfähigere Laserwerkzeuge die Produktion bestimmen. Denn die UKP-Technologie muss trotz häufig überlegener Bearbeitungsqualität grundlegend die Produktivität nachweisen. So stehen zwar Laser mit Leistungen oberhalb von 150W bereit, die heutigen Prozesse lassen sich aber nicht einfach mit skalieren. Denn anstatt mehr Material abzutragen, treten bei höheren Leistungen Abschirmeffekte auf, die das Bauteil aufheizen und zu dramatisch verschlechterter Bearbeitungsqualität führen.

»Wir möchten, dass CNC-Techniker sich bei der Maschinenbedienung auf die sinnvolle Programmierung von Prozess- und Prüffolgen konzentrieren können und ansonsten von der Maschine bestmöglich unterstützt werden.«
Dr.-Ing. Joachim Ryll, Mitgründer und geschäftsführender Gesellschafter der Pulsar Photonics GmbH

„Auch käme wohl niemand in einer CNC-Fertigung auf die Idee, Fräsbauteile ohne Werkzeugwechsel nur mit dem kleinsten und präzisesten Radiusfräser herzustellen. In der UKP-Lasertechnik ist das aber der absolute Technologie-Standard“, fasst Dr. Joachim Ryll die Technologie-Unterschiede zusammen. Die Entwicklung eines vollständigen und nach Möglichkeit digitalen Werkzeugsatzes hatte daher seit Beginn der Unternehmensgründung 2013 Priorität für die Gründer von Pulsar Photonics. „Die Schaft- oder Walzenstirnfräswerkzeuge der UKP-Lasertechnik heißen bei uns Multi-Beam oder Bessel-Beam. In unserem Strahlformungssystem FBS (Flexible Beam Scanner) können diese Werkzeuge nun per Knopfdruck und im Bruchteil einer Sekunde aktiviert werden.“ Das gelingt dank moderner Lichtmodulatoren, die – wie ein programmierbarer Spiegel – den Laserstrahl in beliebige 3-dimensionale Muster, Bilder oder parallele Teilstrahlen aufteilen können.

Die Vorteile der Strahlform erfahren die Kunden bereits in der laufenden Fertigung. War es noch vor Jahren undenkbar, großformatige Filtereinsätze zu akzeptablen Stückkosten zu fertigen, werden heute die Maschinen mit Multistrahl-Werkzeugen gerüstet und produzieren innerhalb von Stunden prozesssicher bei voller Laserleistung Filtereinsätze mit mehreren Millionen Bohrungen. „Tatsächlich sind wir nicht die einzigen, die heute die herausragende Bedeutung der Strahlformung für die Lasertechnik erkannt haben. So existieren neben den Hochrate-Bohrverfahren auch Glasschneid-Prozesse für gehärtete Displays, die erst durch entwickelte Strahlformen möglich wurden. Im Bereich der dynamischen Strahlformung mit dem FBS sind wir sicher einer der weltweiten Technologieführer und das wollen wir ausbauen.“ 

UKP-Lasertechnik aus NRW in China und Korea
Neben dem europäischen Markt bedient Pulsar Photonics den asiatischen Markt und hat früh den direkten Vertrieb vor Ort für Korea und China organisiert. Viele Laserprozesse in der Mikrobearbeitung zielen auf Anwendungen in der Elektronik und im Bereich Display. Deren Produktion ist schon vor Jahren nach Asien abgewandert und sorgt dort mit dem Smartphone- und Tablet-Boom für einen anhaltenden Innovationsdruck auf die Fertigungsprozesse. Die allgemeine Miniaturisierung, steigende Präzision und Werkstoffvielfalt spielt dabei dem UKP-Laser in die Hände. Dr. Stephan Eifel, Mitgründer und CEO der Pulsar Photonics GmbH ergänzt: „Wir haben uns also schon als junge Firma dazu entschlossen, strategische Partner zu suchen, und vor Ort die Partner bei der Installation unserer Multistrahlsysteme zu unterstützen.“

Über die Pulsar Photonics GmbH

Die Pulsar Photonics GmbH, mit Sitz in Herzogenrath bei Aachen, ist spezialisiert auf die Herstellung von UKP-Laser-Maschinen und Prozessen zum Abtragen, Mikrobohren und Schneiden im Mikrometermaßstab. Technologischer Schwerpunkt sind Strahlformsysteme, die neue Maßstäbe für eine hocheffiziente Prozessführung und automatisierte Produktion setzen. Für die Kunden aus Elektronik, Feinwerktechnik, Medizin- und Werkzeugtechnik werden Prozesse entwickelt und auf Basis der eigenen Maschinenplattform als Produktions- und Pilotanlagen realisiert.     www.pulsar-photonics.de

Bildunterschriften

• Nahaufnahme eines lasergebohrten Filtereinsatzes mit Mikrobohrungen als Beispiel für die UKP-Lasermikrobearbeitung. Dank Multistrahltechnik lassen sich die Filter wirtschaftlich fertigen. © Pulsar Photonics GmbH
• Maschinensystem für die UKP-Materialbearbeitung mit Strahlformungssystem und maschinenintegrierter Messtechnik zur Entwicklung und Darstellung effizienterer Laserprozesse.