Fokus Forschung: Dreizehn Partner, sieben Arbeitspakete, ein Forschungsvorhaben

Fokus Forschung: Dreizehn Partner, sieben Arbeitspakete, ein Forschungsvorhaben

Forschung, Forschungsprojekte, EU-Forschung

EU-Projekt PULSE wurde erfolgreich abgeschlossen, die Hochschule Mittweida war einer von 13 Partnern aus sechs Ländern

Logo des PULSE-Projektes, schematische Darstellung

PULSE – der Projekttitel steht für High-Power Ultrafast Lasers using Tapered Double-Clad Fiber, frei übersetzt: Hochleistungs-Ultrakurzpulslaser mit konischen Doppelmantelfasern.

Der Laser als Werkzeug hat sich schon über viele Jahre hinweg vollumfänglich in der Industrie etabliert. Trotzdem bedarf es einer kontinuierlichen Weiterentwicklung in Bezug auf die Lasergeräte- und -prozesstechnik, um die Verfahren immer effektiver und qualitativ hochwertiger zu gestalten.

Für das Laserschweißen, -schneiden und -strukturieren sollte im EU-Projekt Pulse, welches im Januar 2019 startete, ein neuer Laser in Verbindung mit dem am Laserinstitut Hochschule Mittweida (LHM) entwickelten Polygonscanner gebaut werden. 13 Partner, sowohl aus Unternehmen als auch Forschungseinrichtungen, aus sechs verschiedenen Ländern haben gemeinsam an diesem Projekt mitgewirkt.

Die Aufgaben im Projekt wurden in sieben Arbeitspakete aufgeteilt. Die Gesamtfördersumme betrug rund 5 Mio. Euro.

Das Ziel des Vorhabens war die Entwicklung eines neuen Lasersystems in Kombination mit der notwendigen Prozesstechnik, um unglaublich schnelle Bearbeitungsgeschwindigkeiten zu ermöglichen. Hierbei war die Hochschule Mittweida mit ihrer besonderen Polygonscannertechnologie gefragt, um solche Laserleistungen effektiv auf der Werkstückoberfläche umzusetzen. Aber nicht nur mit der notwendigen Technik, sondern auch mit der am LHM vorhandenen Expertise in den Lasertechnologien und den gut ausgestatten Laboren konnte sich die Hochschule erfolgreich am Projekt beteiligen.

Das geplante Lasersystem sollte über eine Durchschnittsleistung von 2,5 kW und ultrakurze Laserpulse mit einer zeitlichen Dauer von wenigen Pikosekunden bis in den Femtosekundenbereich verfügen. Mittels des am LHM entwickelten Polygonscanners sollte der Laserspot mit Geschwindigkeiten von bis zu einem Kilometer pro Sekunde über die Werkstückoberfläche geführt werden. In Verbindung mit dem Laser und der entsprechenden Anlagentechnik werden damit die industriellen Anwendungen auf das nächste Level gehoben. Das LHM war dabei nicht nur fachlich mit der Scannertechnik involviert, sondern unterstützte die Partner ebenso im Rahmen des EU Horizon 2020-Programms mit der vor Ort verfügbaren Ausrüstung.

Beteiligung der Hochschule Mittweida im Projekt

Projektleiter an der Hochschule Mittweida war Professor André Streek, fachlich involviert war die Hochschule Mittweida über die folgenden Fachgebiete:

Scannertechnik
Hier wurde der in Mittweida entwickelte Polygonscanner weiter ausgebaut und auf eventuelle Belastungsgrenzen getestet, um einen zerstörungsfreien Einsatz im geplanten Gesamtsystem zu gewährleisten.

Lasertechnik und Anlagentechnik
Die in Mittweida vorhandene Lasertechnik wurde bei mehreren Aufgaben des Konsortiums genutzt. Beispielsweise war das LHM aufgrund seiner vielfältig vorhandenen Lasersysteme in der Lage, die Partner bei der Charakterisierung und dem Test einer neuartigen Single-Mode Transportfaser zu unterstützen und Kopplungs- und Belastungstests durchzuführen.

Integration
Das in Mittweida entwickelte Scannersystem sollte in eine Industrieanlage integriert und alle notwendigen Schnittstellen für einen industriellen Einsatz des Systems realisiert werden.

Prozessentwicklung
Mit der jahrelangen Erfahrung hinsichtlich verschiedener Laserprozesse war das LHM auch bei der Prozessentwicklung im Rahmen des EU-Projektes stets gefragt. Es wurden Schneid-, Schweiß- und Strukturierungsprozesse an den in Mittweida verfügbaren Lasersystemen in Verbindung mit dem Polygonscanner getestet und optimiert.

Das Referat Forschung unterstützte in Zusammenarbeit mit der Europäischen Kommission die finanzielle Abwicklung des EU-Projektes.

Was wurde erreicht? - Die wichtigsten Ergebnisse im Überblick

Als direkte Einsatzmöglichkeit des neuen Verfahrens konnte ein Prozess entwickelt werden, der es ermöglicht, mittels Lasergravur großflächige Spritzgussformen für die Automobilindustrie herzustellen. Diese werden anschließend zur Herstellung von Kunststoffteilen für die Innenverkleidung von Fahrzeugen genutzt.

Zur Herstellung von Solarthermieabsorbern wurden Schweißtests mit dem neuen Laser durchgeführt. Ziel war es unter anderem Thermische Spannungen zu reduzieren und die Anbindung der Materialien zu verbessern.

Für den Mittweidaer Polygonscanner konnten durch die Arbeit im Projekt neue Anwendungsfelder erschlossen werden. Besonders beim Gravieren konnte die Polygonscanntechnik ihre Vorzüge, im Vergleich zum Stand der Technik, eindrucksvoll unter Beweis stellen.

Die im Projekt gebauten Polygonscanner können jetzt für andere Versuchsaufbauten genutzt werden. In beiden Scannern sind neuartige Galvanometerscanner-Motoren verbaut, welche die Präzision des Scansystems deutlich verbessern. Die Belastungsgrenzen des Polygonscanners wurden bestimmt und erlauben so eine bessere Einschätzung der Risiken bei der Verwendung kleinerer Rohstrahldurchmesser.

Die kohärente Strahlkopplung war essenzieller Bestandteil des Projektes, da die Gesamtleistung von 2,5 kW aus mehreren Einzelverstärkern kombiniert werden muss. Diese sehr knifflige Aufgabe erforderte mehrere Anpassungen an Strahlgeometrie, Strahlqualität und zeitlicher Überlagerung, um eine Verstärkung der Pulse zu erreichen. Kurz gesagt mussten die einzelnen Verstärker synchronisiert werden.

Die Faserverstärker sowie die Laserarchitektur mussten auf das Vorhaben angepasst werden. Dies machte es notwendig, neue Systeme miteinander zu kombinieren, wie die neuartigen konischen Fasern, um solch hohe Leistungen überhaupt zu ermöglichen. Diese Faserverstärker verstärken die bereits vorhanden Laserpulse geringer Energien sogenannter Seedlaser. „Seed“ steht im Englischen für Samen und bildet somit das Saatkorn des Laserpulses. Auch das Erreichen der ultrakurzen Pulsdauern ist kein Kinderspiel, was Designrichtlinien für die richtigen Seedlaser notwendig macht.

Die oben genannten Ergebnisse sowie weitere Publikationen sind unter folgenden Links zu finden: Publications | PULSE Laser Project und News | PULSE Laser Project

Ein Erklärvideo ist unter folgendem Link abrufbar: https://www.pulselaser.tech/about

Rückmeldung der Europäischen Kommission

Am 12. Juni 2024 fand schließlich das Final Review Meeting des Projektes mit Vertreter:innen der Europäischen Kommission in Finnland statt, bei dem die Arbeit der letzten Projektperiode (Januar 2023 bis März 2024) und die Gesamtergebnisse des Projektes vorgestellt wurden. Die Prüfer:innen gratulierten dem Projektkonsortium ausdrücklich zu den Ergebnissen.

Text: Marcel Wolf
Bilder: PULSE (1), Laserinstitut Hochschule Mittweida (2,3)

Dieses Projekt wurde durch das Rahmenprogramm Horizon 2020 – Forschung und Innovation der Europäischen Union, H2020, unter der Fördervereinbarung Nr. 824996 finanziert.