Laser material processing at Bosch: trends, challenges and
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Laser material processing at Bosch: trends, challenges and
Photonics 21 - WG2 Laser material processing at Bosch: trends, challenges and perspectives Robert Bosch GmbH Corporate Sector Research and Advance Engineering 1 CR/APJ2 | 30.04.2013 | © Robert Bosch GmbH 2013. Alle Rechte vorbehalten, auch bzgl. jeder Verfügung, Verwertung, Reproduktion, Bearbeitung, Weitergabe sowie für den Fall von Schutzrechtsanmeldungen. Dr. Jens König Photonics 21 - WG2 Outline 2 Application review Laser in the Bosch production Successfully implemented applications Trends in focus topics Laser welding & joining Laser micro processing Challenges & Perspective Summary CR/APJ2 | 30.04.2013 | © Robert Bosch GmbH 2013. Alle Rechte vorbehalten, auch bzgl. jeder Verfügung, Verwertung, Reproduktion, Bearbeitung, Weitergabe sowie für den Fall von Schutzrechtsanmeldungen. Photonics 21 - WG2 3 CR/APJ2 | 30.04.2013 | © Robert Bosch GmbH 2013. Alle Rechte vorbehalten, auch bzgl. jeder Verfügung, Verwertung, Reproduktion, Bearbeitung, Weitergabe sowie für den Fall von Schutzrechtsanmeldungen. 2008 2001 1997 1992 1988 1985 1981 1976 Application review Photonics 21 - WG2 Trimming on ceramic substrate Speed sensor with CO2 (1983) 2008 2001 1997 1992 1988 1985 1981 1976 Application review Injection valve, solenoid armature/seat holder, pw (1984) Aluminum fuel filter (1994) Lasers have been used successfully at Bosch for more than 35 years 4 CR/APJ2 | 30.04.2013 | © Robert Bosch GmbH 2013. Alle Rechte vorbehalten, auch bzgl. jeder Verfügung, Verwertung, Reproduktion, Bearbeitung, Weitergabe sowie für den Fall von Schutzrechtsanmeldungen. Photonics 21 - WG2 2008 2001 1997 1992 1988 1985 1981 1976 Application review Cut Inscribing and marking Hardening of components in starter drive Laser soldering Lasers have been used successfully at Bosch for more than 35 years 5 CR/APJ2 | 30.04.2013 | © Robert Bosch GmbH 2013. Alle Rechte vorbehalten, auch bzgl. jeder Verfügung, Verwertung, Reproduktion, Bearbeitung, Weitergabe sowie für den Fall von Schutzrechtsanmeldungen. Photonics 21 - WG2 Precision cutting and drilling Plastics welding 2008 2001 1997 1992 1988 1985 1981 1976 Application review Escape groove, ultrashort pulse machining (2008) Lasers have been used successfully at Bosch for more than 35 years 6 CR/APJ2 | 30.04.2013 | © Robert Bosch GmbH 2013. Alle Rechte vorbehalten, auch bzgl. jeder Verfügung, Verwertung, Reproduktion, Bearbeitung, Weitergabe sowie für den Fall von Schutzrechtsanmeldungen. Photonics 21 - WG2 Lasers in current Bosch applications 20 Lasers for welding in the Bosch production CAGR~20% 15 10 5 year Laser for micro processing applications Number of lasers (only picosecondpulse duration) increased by a factor of 4 between 2009 and 2012 CACR expected for next years ~ 40% Strongest growing laser field CAGR = compound annual growth rate Pav = average laser power 7 CR/APJ2 | 30.04.2013 | © Robert Bosch GmbH 2013. Alle Rechte vorbehalten, auch bzgl. jeder Verfügung, Verwertung, Reproduktion, Bearbeitung, Weitergabe sowie für den Fall von Schutzrechtsanmeldungen. CAGR~40% 15 20 13 20 11 20 09 20 07 20 05 20 03 20 01 20 99 19 97 19 95 0 19 Lasers for welding apps. in relation to 1996 Laser for metal welding applications Number of lasers increased by a factor of 15 between 1996 and 2011 CAGR over the last 15 years ~20% More than 90% of all welds are carried out with solid state lasers with an average power Pav < 1 kW Photonics 21 - WG2 Laser welding in typical Bosch products 8 Direct gasoline pressure pump 7 laser welds Direct gasoline piezo injection valve 19 laser welds intake-manifold injection valve 6 laser welds Transmission control unit more than 50 laser welds CR/APJ2 | 30.04.2013 | © Robert Bosch GmbH 2013. Alle Rechte vorbehalten, auch bzgl. jeder Verfügung, Verwertung, Reproduktion, Bearbeitung, Weitergabe sowie für den Fall von Schutzrechtsanmeldungen. Direct gasoline injection valve 7 laser welds ABS8/ESP8 more than 39 laser welds Photonics 21 - WG2 Laser micro processing in typical Bosch products Broad band lambda Probe Trimming structures 9 Diesel injector 1800 bar Drainage groove CR/APJ2 | 30.04.2013 | © Robert Bosch GmbH 2013. Alle Rechte vorbehalten, auch bzgl. jeder Verfügung, Verwertung, Reproduktion, Bearbeitung, Weitergabe sowie für den Fall von Schutzrechtsanmeldungen. Direct gasoline injection valve Spray holes Photonics 21 - WG2 Outline 10 Application review Laser in the Bosch production Successfully implemented applications Trends in focus topics Laser welding & joining Laser micro processing Challenges & Perspective Summary CR/APJ2 | 30.04.2013 | © Robert Bosch GmbH 2013. Alle Rechte vorbehalten, auch bzgl. jeder Verfügung, Verwertung, Reproduktion, Bearbeitung, Weitergabe sowie für den Fall von Schutzrechtsanmeldungen. Photonics 21 - WG2 Global trends Trends in products Volatility of markets Dynamics in variants Dynamics in demands Dynamics in product live cycle Trends in production 11 Function increase Miniaturization Lightweight Digital product development Flexible production Modularization concepts Individualization at end of process chain Scalable production Material & precision Multi-material mix Functionalized materials Precision requirements Simulation Tools CR/APJ2 | 30.04.2013 | © Robert Bosch GmbH 2013. Alle Rechte vorbehalten, auch bzgl. jeder Verfügung, Verwertung, Reproduktion, Bearbeitung, Weitergabe sowie für den Fall von Schutzrechtsanmeldungen. Photonics 21 - WG2 The IIW White Paper – R&D needs 12 The IIW White Paper; Improving Global Quality of Life Through Optimum Use and Innovation of Welding and Joining Technologies; International Institute of Welding 2012 CR/APJ2 | 30.04.2013 | © Robert Bosch GmbH 2013. Alle Rechte vorbehalten, auch bzgl. jeder Verfügung, Verwertung, Reproduktion, Bearbeitung, Weitergabe sowie für den Fall von Schutzrechtsanmeldungen. Photonics 21 - WG2 The IIW White Paper – Hot topics 13 The IIW White Paper; Improving Global Quality of Life Through Optimum Use and Innovation of Welding and Joining Technologies; International Institute of Welding 2012 CR/APJ2 | 30.04.2013 | © Robert Bosch GmbH 2013. Alle Rechte vorbehalten, auch bzgl. jeder Verfügung, Verwertung, Reproduktion, Bearbeitung, Weitergabe sowie für den Fall von Schutzrechtsanmeldungen. Photonics 21 - WG2 Trends: laser micro processing Source: Prof. Dr. Poprawe RWTH Aachen Production System Customer individualization at end of process chain by flexible ablative laser processes in finishing process Dynamic decision unit Supplier … Supplier Supplier Customer individualization in process chain by joined modular components CPE: Cyber Physical Engineering // CPS: Cyber Physical System 14 CR/APJ2 | 30.04.2013 | © Robert Bosch GmbH 2013. Alle Rechte vorbehalten, auch bzgl. jeder Verfügung, Verwertung, Reproduktion, Bearbeitung, Weitergabe sowie für den Fall von Schutzrechtsanmeldungen. Photonics 21 - WG2 Outline 15 Application review Laser in the Bosch production Successfully implemented applications Trends in focus topics Laser welding & joining Laser micro processing Challenges & Perspective Summary CR/APJ2 | 30.04.2013 | © Robert Bosch GmbH 2013. Alle Rechte vorbehalten, auch bzgl. jeder Verfügung, Verwertung, Reproduktion, Bearbeitung, Weitergabe sowie für den Fall von Schutzrechtsanmeldungen. Photonics 21 - WG2 Challenges in welding & joining miniaturisation higher local loads function integration materials high strength steels fiber reinforced plastics lightweight Aluminium (Al) power electronics Copper (Cu) e-mobility e-drive efficiency magnetic materials * GFR: glass fiber reinforced plastics 16 CR/APJ2 | 30.04.2013 | © Robert Bosch GmbH 2013. Alle Rechte vorbehalten, auch bzgl. jeder Verfügung, Verwertung, Reproduktion, Bearbeitung, Weitergabe sowie für den Fall von Schutzrechtsanmeldungen. combinations High strength steels Composites (GFR*) - steel Composites (GFR*) - Al Al -Steel Al -Al Al -Cu Cu -Cu electrical sheets Structure Simulation Enabler for fast development push factors Photonics 21 - WG2 Challenges in laser micro processing Average power of ultra short pulsed laser systems [Nolte et. al.; „Faserlaserkonzepte für UKP-Strahlquellen“ ; UKP-Workshop (2011)] Scientific Industrial Strong increase of laser power (by a factor 10 in 5 years) 17 Productivity increase lower than increase of laser power Main Limitations: system technology (e.g. scanner speed for pulse repetition rates) thermal load on workpiece Target: Productivity increase by factor 50 CR/APJ2 | 30.04.2013 | © Robert Bosch GmbH 2013. Alle Rechte vorbehalten, auch bzgl. jeder Verfügung, Verwertung, Reproduktion, Bearbeitung, Weitergabe sowie für den Fall von Schutzrechtsanmeldungen. Photonics 21 - WG2 Main development needs 1) Reduction of invest costs - Laser systems & optical system technology (scanner, heads, security equipment, ….) 2) Simulation tools - Structure simulation (FEM) & material (synthetic material data) & process (usable tools based on standard solver) 3) Quality assurance - monitored processes close-loop controlled processes “Intelligent optics” for close-loop control (or measurement) of Focus position related to workpiece (including thermal shift; ~ 0,5 zR) Power at workpiece (including debris on protective glass; ± 3% RMS) Intensity distribution at workpiece (differences > 10%) 4) Productivity & usability in laser micro processing - scanner / beam steering technologies & ultra short pulsed laser systems > 300 W – transport fibers 5) Increase of wall-plug-efficiency - especially for brilliant lasers (BBP ≤ 4 mm·mrad) 18 CR/APJ2 | 30.04.2013 | © Robert Bosch GmbH 2013. Alle Rechte vorbehalten, auch bzgl. jeder Verfügung, Verwertung, Reproduktion, Bearbeitung, Weitergabe sowie für den Fall von Schutzrechtsanmeldungen. Photonics 21 - WG2 Outline 19 Application review Laser in the Bosch production Successfully implemented applications Trends in focus topics Laser welding & joining Laser micro processing Challenges & Perspective Summary CR/APJ2 | 30.04.2013 | © Robert Bosch GmbH 2013. Alle Rechte vorbehalten, auch bzgl. jeder Verfügung, Verwertung, Reproduktion, Bearbeitung, Weitergabe sowie für den Fall von Schutzrechtsanmeldungen. Photonics 21 - WG2 Summary Laser material processing will be a „hot topic“ in the future Invest costs of laser equipment is the highest barrier (and in most cases showstopper for laser processes) Simulation tools (structure, material, process) are necessary for shorten time to market and enabling full potential of laser processes Picures: wikipedia.org; Erwin Wodicka - [email protected] 20 CR/APJ2 | 30.04.2013 | © Robert Bosch GmbH 2013. Alle Rechte vorbehalten, auch bzgl. jeder Verfügung, Verwertung, Reproduktion, Bearbeitung, Weitergabe sowie für den Fall von Schutzrechtsanmeldungen. Photonics 21 - WG2 Thank you for your attention Dr. Jens König Robert Bosch GmbH 21 Corporate Sector Research and Advance Engineering Laser material processing, electronic packaging and interconnection technology (CR/APJ) CR/APJ2 | 30.04.2013 | © Robert Bosch GmbH 2013. 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