Laser Community - 03:08

03:08
w w w.trumpf - l a ser .com
Profiliert
Formenvielfalt für jede Fassade
Minimiert
Nanopartikel — das
kleinste Laserprodukt
Der Pakt
Warum Laser-Hybridschweißen jetzt
vor dem Durchbruch steht → Seite 10
Treffsicher
Dr. Markus Merk
vertraut dem ersten
gedanken → Seite 15
Herausgeber TRUMPF GmbH + Co. KG, Johann-Maus-Straße 2, 71254 Ditzingen, Deutschland, www.trumpf.com V.i.s.d.p. Jens Bleher Chefredaktion Holger Kapp, Telefon +49 (0) 7156 303 - 31559, [email protected]
Vertrieb Telefon +49 (0) 7422 515 - 121, Telefax +49 (0) 7422 515 - 175, [email protected] Beratung Helmut Ortner, Dr. Eckhard Meiners Redaktion pr+co. gmbh, Stuttgart, Norbert Hiller, Martin Reinhardt,
Steffen Beck Autoren Niko Baersch, Dr. Stephan Barcikowski, Jürgen Eberl, Catherine Flynn, Prof. Andrzej Klimpel, Dr. Markus Merk,
Martin Reinhardt, Ralf Schluricke, Julie Steinen, Monika Unkelbach Fotografie Krzysztof Bialy, KD Busch, Brent Haywood,
Angelika Grossmann, Udo Loster, Gernot Walter Gestaltung und Produktion pr+co. gmbh, Stuttgart, Gernot Walter, Markus
Weißenhorn, Martin Reinhardt Reproduktion Reprotechnik Herzog GmbH, Stuttgart Herstellung frechdruck GmbH, Stuttgart
Titel: KD Busch
Titelfoto: KD Busch
03 : 2008
Editorial
iele in der Branche glauben, ausschließlich dem Faserlaser gehöre die Zukunft, auch bei
Multikilowatt-Anwendungen. Wir sind aus gutem Grund anderer Meinung und haben
unsere Position in der Vergangenheit oft und deutlich begründet. Ganz klar setzen wir für
Multikilowatt-Anwendungen auf den Scheibenlaser. Mit dieser Philosophie unterscheiden wir
uns markant vom Angebot der meisten Mitbewerber — und wir tun dies sehr erfolgreich.
Seit Oktober 2008 gehört nun der englische Faserlaser-Spezialist SPI Lasers zur TRUMPF
Gruppe. Bedeutet diese Akquisition der weltweiten Nummer zwei auf dem Gebiet der indus­
triellen Faserlaser die Abkehr von unserer Philosophie ? Die Antwort ist ein klares Nein. Wir sind
weiterhin der Überzeugung, dass der Scheibenlaser für Multikilowatt-Anwendungen das richtige
Werkzeug ist. Aber: Der Markt für Faserlaser, die bei Anwendungen im unteren Leistungsbereich
eingesetzt werden, wächst rasch und die breite und schnelle Partizipation an diesem Wachstum
wäre aus eigener Kraft nur schwer möglich gewesen. Daher haben wir SPI Lasers übernommen.
Unsere Branche bleibt farbig und lebendig!
Die Übernahme symbolisiert somit keine technologische Trendwende. Wohl aber beleuchtet sie
einen nachhaltigen Trend in der Laserbranche: Die Großen im Lasergeschäft ergänzen ihr An­gebot
systematisch über Akquisitionen, entweder um wichtiges technologisches Fachwissen zu erwerben
oder um ihren Marktzugang zu verbessern. Die Liste der Beispiele ist lang. Erst kürz­lich hat ein
großer deutsch-amerikanischer Laserhersteller ein chinesisches Unternehmen über­nommen, um
einen besseren Marktzugang zu erhalten. Ein wichtiges russisches Laser­­­unter­nehmen wiederum
hat sich mit der Übernahme eines Anbieters von CO₂-Lasern techno­logi­sches Fachwissen beschafft.
Der beschriebene Trend, dass große Laserhersteller kleinere Mitbewerber übernehmen,
bedeutet aber nicht, dass eine Konsolidierungswelle im Lasergeschäft ansteht. Vielmehr führt die
rasante technologische Weiterentwicklung des Werkzeugs Laser zu weiteren Neugründungen und
einer großen Breite an Anbietern von Laserstrahlquellen und Lasersystemen. Unsere Branche
bleibt dynamisch, farbig und lebendig. Aus meiner Sicht ist dies ein Grund zur Freude.
p e t e r l e i bi n g e r
Stellvertretender Vorsitzender der Geschäftsführung
Vorsitzender des Geschäftsbereichs Lasertechnik / Elektronik
[email protected]
3
03:2008
7
9
15 statement
Laser und Leute
im Überblick
Seite 06
Energie am Kap // Zeitfresser-Uhr // 50 Jahre Herzschrittmacher Seite 07 // Mit Kunststoff zu Gold
// Grenzgänger // Der Golf VI // Die Gewinner des
Berthold Leibinger Innovationspreises // So war
die Semicon Europa Seite 09
10
laser-hybridschweissen
titel
Vereinte
Kräfte
Leistungsfähige Festkörperlaser und
Automatisierungskonzepte:
Laser-Hybridschweißen ist auf dem
Weg aus der Nische. Seite 10
Laser Hybridschweißen
08 netzknoten
09 Kalender
29 Menschen + Ideen
30 Marktansichten
4
Wie Laser und Lichtbogen
zusammen­arbeiten. Seite 12
Blick in die Zahlen
Kosten, Produktivität, Nacharbeiten –
was Hybridschweißen bringt. Seite 14
„Vertraue
dem ersten
Gedanken !“
Schiedsrichter Dr. Markus Merk plädiert
für gelassene Entscheidungen. Doch die
sollten schnell fallen. Seite 15
montanstahl
16
cymer
19
24 science
22 isi automotive
26 prof. seiji katayama
Der
direkte
Weg
„Wir Japaner
forschen anders“
Die Profil-Profis
aus Stabio
„Montanstahl” – sogar Stararchitekt Frank Gehry
merkt sich diesen Namen. Seite 16
„Wir testen Grenzen“
Dr. Bill Partlo, Chef-Entwickler von Cymer, über die
Jagd auf eine Zahl: 13,5 Nanometer. Seite 19
Wiener Wechseltakt
Der andere Weg zu neuen
Nano-Werkstoffen führt über
den Laser. Seite 24
Prof. Seiji Katayama kann sich keinen
besseren Arbeitsplatz vorstellen als die
Universität von Osaka. Seite 26
Fragen an …
… Prof. Reinhart Poprawe SEITE 29
Dichthalten ist Ehrensache: iSi sperrt selbst
Helium für 10 000 Jahre ein. Seite 22
5
--- Vom Coil zum Rohr
Ganz der Rohrbearbeitung verschrieben hat
sich Weil Engineering aus Müllheim. Firmen­
gründer Wolfgang Weil und sein 110 Köpfe
starkes Team feierten jetzt zwanzigjähriges
Jubiläum. Weil sieht sich als Weltmarktführer
bei der Edelstahl-Kurzrohrherstellung.
www.weil-engineering.de
--- Master in Optics
Einen neuen interdisziplinären Masterstu­dien­gang „Optische Technologien“ hat die LeibnizUniversität Hannover eingerichtet. Die Mit­­initiatoren sind im HOT — dem Hannoverschen Zentrum für optische Tech­nologien
— orga­nisiert. www.uni-hannover.de
--- Litauen goes science
Das Laserforschungszentrum der Universität
Vilnius reklamiert für sich eine führende
Rolle in der Lasergrundlagenforschung. Mit
ihrer Methodik zur Verstärkung sehr kurzer
Lichtpulse unterstützen die Balten erfolgreich
Labore rund um den Globus. www.vu.lt/en
--- Laser verbindet
Für Kunststoff-Metall-Hybridbauteile bietet
das Fraunhofer Institut für Lasertechnik ILT
eine lasergestütztes Fügeverfahren. Es erwärmt
das Metallbauteil durch den zu fügenden
Kunststoffpartner hindurch mit Laserstrahlung
und presst es dann mit mechanischem Druck
in den Kunststoff. www.ilt.fraunhofer.de
„Es geht darum,
Südafrika eine
führende Position
in der Photonik
zu sichern.“
Dr. Thulani Dlamini,
Bereichsdirektor des CSIR
Energie am Kap
Südafrika will mit einer eigenen Initiative in der Photonik vorangehen
Die Photonik-Initiative in Südafrika (PISA) gewinnt an Dynamik. Federführend im Projekt
sind das National Laser Center des Council for Scientific and Industrial Research (CSIR) sowie
das Laser Research Institute an der Universität Stellenbosch. Die Initiative zielt darauf ab, eine
fachübergreifende Forschung anzuregen, Fachkräfte heranzuziehen und Südafrikas Wirtschaft
damit einen Schub zu verleihen. „Wir brauchen eine schlüssige, verständliche und interdisziplinäre Strategie zur Forschung und Entwicklung der Photonik“, betont Dr. Thulani Dlamini,
Bereichsdirektor des CSIR. Angesichts des Fachkräftemangels im Land wurde eigens ein „Task
Team“ eingesetzt, um einen Studiengang für Photonik-Techniker einzurichten. Denn die Ziele
des Projekts sind hoch: „Wir müssen die Industrie mit ins Boot holen, damit Südafrika eine
weltweit führende Position in der Photonik einnimmt.“ www.csir.co.za
Zeitfresser
Eine Uhr der besonderen Art
--- Carl Zeiss investiert
Der Optikkonzern Carl Zeiss hat knapp 40
Pro­zent am Karlsruher Start-up Nanoscribe
erworben. Das 2007 aus der Arbeitsgruppe
von Prof. Martin Wegener ent­standene
Unter­nehmen hat ein innovatives Laser-DirectWrite-Verfahren zur 3-D-Nanostrukturierung
entwickelt. www.nanoscribe.de
--- Fügetechnologie für Keramik
Wie Hochleistungskeramiken mit Laser gefügt
werden können, zeigt ein Team der TU
Dresden. Das Institut für Energietechnik
präsentierte industrietaugliches Hochtempe­
raturlöten, das nur Minuten dauert.
www.tu-dresden.de
6
Dr. John Taylors mechanischer
Chronograf misst die Zeit mit Licht.
Prof. Stephen Hawkins enthüllte auf dem Campus des
englischen Corpus Christi College Cambridge eine ungewöhnliche Uhr — Zeitmesser und Kunstwerk zugleich.
Anstelle eines Zifferblatts und der dazugehörigen Zeiger
dient ein rundes, 1,5 Meter großes Edelstahlblech mit von
TRUMPF Lasern geschnittenen Schlitzen der Zeitmessung. Hinter den Schlitzen angebrachte LED-Leuchten
geben vergehen­de Sekunden und die genaue Uhrzeit an.
Das normalerweise im Uhrwerk befindliche Hemmungsrad dient der zusätzlichen Visualisierung vergehender
Zeit: Eine riesige Heuschrecke frisst sich mit pendelnden
Bewegungen unaufhaltsam voran — und soll laut Erfinder
und Uhrmacher Dr. John Taylor so vor verschwendeter
Zeit warnen. www.corpus.cam.ac.uk
„Den Herzschrittmacher kann
derzeit keine andere Technik
ersetzen”, so Dr. Gerhard
Dohnt, Leiter des Bereichs
Herstellung aktiver Implantate bei Biotronic.
Vom reinen Impulsgeber zum innovativen Diagnostikgerät —
und die Entwicklung des Herzschrittmachers ist noch
nicht zu Ende.
„Ein ideales Therapiegerät“
50 Jahre Herzschrittmacher: Warum sich die Technologie
immer noch weiterentwickelt, erklärt Dr. Gerhard Dohnt
AP Images, Biotronic GmbH & Co. KG, Council for Scientific and Industrial Research CSRI, Fraunhofer IWS, Volker Junior & Tobias Tacke GbR
Der Herzschrittmacher wird 50. Wann trat der Laser in sein Leben ?
Der Laser wird seit den Achtzigerjahren eingesetzt, seit Titangehäuse aufkamen. Titan
löst keine allergischen Reaktionen aus und ist dauerhaft resistent gegen Körperflüssig­
keiten. Allerdings schmilzt es erst bei 1 650 Grad Celsius und die Komponenten im Gehäuseinnern sind hitzeempfindlich. Deshalb schweißen wir mit dem Laser, dem einzigen
Verfahren, bei dem Energie so fein dosiert und genau fokussiert werden kann.
Martin Teuber
hat gezeigt,
wie aus Ehr­geiz
und Kunst­s toff
gleich zwei­mal Edel­metall
werden kann.
Siegertypen
Mit eisernem Willen und lasergesinterten Kunststoff-Orthesen hat sich Radrennfahrer Michael Teuber bei den Paralympics in Peking eine Gold- und
eine Silbermedaille erkämpft. Zum Stabilisieren seiner Fußgelenke und der gelähmten Unterschenkel
benutzte der Radprofi bislang Carbon-Orthesen.
Die neue Lösung: lasergesinterte Kunststoff-Orthesen. Exakt an seine Beinform angepasst, bieten sie
nicht nur besseren Tragekomfort und hohe Stabilität,
sondern sind auch sehr leicht. Eine Leichtigkeit, die
im Wettkampf die Sekunden bringt, die über Sieg
oder Niederlage entscheiden. www.ortema.de
Welche Entwicklungsfortschritte wurden in den letzten Jahren gemacht ?
Ein großer Fortschritt ist der sensorgesteuerte Schrittmacher. Früher waren die Schrittmacher starre Schaltungen mit festen Takten. Heute sind sie in der Lage, Signale so zu
verarbeiten, dass eine individuelle Antwort entsteht. Sie verhalten sich weitgehend so,
wie sich der Körper verhalten würde — reagieren zum Beispiel mit einem schnelleren
Herz­schlag auf physische oder psychischer Belastung. Umgesetzt haben wir dies durch
komplexe Algorithmen, verbunden mit fortschreitender Miniaturisierung. Und hier
kommt wieder der Laser ins Spiel, denn die winzigen Verbindungen zwischen den
Kom­ponenten des Gerätes sind laserpunktverschweißt. Beschriftet wird übrigens auch
mit Laser. Er kommt ohne Fremdmaterialien aus — das verhindert allergische Reaktionen.
Wie entwickelt sich der Herzschrittmacher in den nächsten 50 Jahren ?
Herzschrittmacher werden die Ärzte noch viele Jahrzehnte einsetzen. Sie sind leicht zu
handhaben, relativ kostengünstig und gut verträglich. Erweitern werden wir die Intelligenz der Geräte und ihre diagnostischen Fähigkeiten. Mit der von Biotronic entwickelten
automatischen Fernübertragung — dem „Home Monitoring“ — werden Herzdaten per
Mobilfunk übermittelt. EKGs, Blutdruckwerte, Pulsraten: Fast das gesamte Herz-Kreislauf-System kann der Arzt künftig auf diesem Weg diagnostizieren.
Ansprechpartner: Dr. Gerhard Dohnt, Biotronic GmbH & Co. KG,
Telefon +49 (0) 6 89 05 2800, [email protected], www.biotronic.com
Eröffnung in Wroclaw durch Prof. Ulrich Buller und
Prof. Edward Chlebus (von rechts)
Grenzgänger
Gemeinsam die Zukunft gestalten — das ist das
Ziel der deutschen und polnischen Ingenieure und
Wissenschaftler, die künftig am Fraunhofer Project Center for Laser Integrated Manufacturing in
Wroc­law zusammenarbeiten. Dieses soll Vorreiter
für die deutsch-polnische Zusammenarbeit in der angewandten Forschung sein. www.iws.fraunhofer.de
7
Internationales Laser Center (ILC)
der Moskauer Staatsuniversität
Beim ILC in Moskau
gehen Studium und
Forschung Hand in Hand.
Das Institut bietet seinen Studenten gut aus-­­
gestattete Laserlabore und international
renommierte Wis­senschaftler. Organisatorisch
ist das ILC eine Abteilung der Moskauer
Staatsuniversität. Seine Forschungsbereiche
umfassen primär Gebiete der Laser­­physik,
wie Laserprozesse, nichtlineare Optik und
Spektros­kopie, Interaktion von Laserstrahlung
mit Materie, sowie unter­schiedliche Laseran­
wendungen. Sowohl an der Lehre als auch
an der Organisation wissenschaftlicher Treffen
und Konferenzen sind internationale Laser­
experten und Referenten beteiligt. So ist das
ILC verantwortlich für die Organisation der
internationalen Konferenzen über kohärente
und nichtlineare Optik (ICONO) sowie jener
über Laseranwendung im Bereich der Life
Sciences (LALS). Eine bedeutende Aktivität in
der Lehre ist die Laser Graduate School. Sie
findet jährlich statt und umfasst Vorlesungen
zu den dringendsten Fragestellungen der
Laserphysik. www.ilc.msu.ru
Zuverlässig und robust
In Wolfsburg schweißen Festkörperlaser an der nächsten Generation Golf
Laserschweißen beim neuen Golf VI
Auch die Karosserie des neuen Golf wird
mit Festkörperlasern geschweißt. Zuverlässigkeit und Robustheit eines 4 Kilowatt Lasers
haben VW in den vergangenen fünf Jahren
der Produktion des Golf V überzeugt. Daher
haben sich die Wolfsburger entschlossen, die
Laser auch beim Nachfolgemodell weiter einzusetzen. Rund 70 Meter Schweißnaht pro
Fahrzeug fügen die über 200 Festkörperlaser beim Golf VI in Wolfsburg, darunter Dachnaht und
B-Säule. Mit dem ersten Einsatz im Jahr 2003 hat sich so
die Produktivität deutlich erhöht: Das Schweißen mit den
Lasern verbraucht weniger Material, bringt eine höhere Torsionssteifigkeit — und spart zusätzlich noch Platz
im Karosseriebau. www.volkswagen.de
Helle Köpfe, glänzende Ideen
Die Gewinner des Berthold Leibinger Innovationspreises 2008
Leistungshoch
Auf dem Weg zum
Werkzeug: CO²-Laser
überschreiten die
1-kW-Schwelle.
1969
8
Für die Entwicklung einer Technologie zur
hochpräzisen Fertigung kleinster Bauteile in
der Großserie erhielten die Bosch-Mitarbeiter Dr. Jens König, Dr. Thorsten Bauer, Ulrich
Graf und Dr. Markus Willert den Innovationspreis 2008 der Berthold Leibinger Stiftung.
Das Team setzt Ultrakurzpulslaser ein, die mit
nur Pikosekunden dauernden und das Material exakt verdampfenden Impulsen extrem dünne Löcher bohren — etwa die feinen Benzinkanäle der Common-Rail-Einspritzdüsen. Den
zweiten Preis erhielten Dr. Richard Sandstrom
und Dr. William Partlo, Cymer Inc., für ihre
Entwicklung von EUV-Lasern für die Chipfertigung. Platz drei teilen sich Dr. Cary Gunn,
Luxtera Inc., für seine Arbeit in der SiliziumPhotonik, und Prof. Jürgen Czarske, Dr. Lars
Büttner und Dr. Thorsten Pfister von der TU
Dresden. Sie entwickelten einen Lasersensor,
Dr. Markus Willert, Ulrich Graf, Dr. Thorsten
Bauer und Dr. Jens König, Robert Bosch AG
der per Dopplereffekt sowohl Geschwindigkeit
als auch Position des Messobjekts bestimmen
kann. Den seit 2006 ausgelobten Zukunftspreis erhielt der Biochemiker Xiaoliang Sunney Xie für seine Arbeiten zur EinzelmolekülBiophysik und der nicht-linearen optischen
Mikroskopie. www.leibinger-stiftung.de
„Viele gute Seminare
und Workshops, aber
zu wenig Zeit“, sagt
Allan Jaunzens von
Evatec Process Systems.
semicon korea
20. – 22. Januar, Seoul, Korea
Über 500 Aussteller auf der größten
Technology-Messe der Region
www.semiconkorea.org
S PIE P h o t o n i c s W e s t K o n f e r e n z
Kleine Gemeinde
Die SEMICON EUROPA, Messe für Halbleitertechnik, Nanoelektronik und Fotovoltaik, fand im
Oktober 2008 in Stuttgart statt. Wir fragten Atllan
Jaunzens, Geschäftsführer UK & Irland bei Evatec
Process Systems, ob sich der Besuch gelohnt hat.
24. – 29. Januar, San José, USA
www.spie.org/photonics-west.xml
EALA
SPIE Photonics West
Konferenz: Nordamerikas
größte Photonik-Messe
für Laserfertigung im Automobilbau
www.automotive-circle.de
MD&M West
Würden Sie nächstes Jahr wieder kommen ?
Auf jeden Fall ! Die Messe hat mir gut gefallen. Unser
Stand für 2009 ist bereits gebucht. Auf der SEMICON
sind alle wichtigen Firmen der Branche vertreten. Die
Halbleiterindustrie ist klein, man kennt sich unterein­
ander. Die Messe ist somit ein Ort, um alte Freunde
zu treffen, neue Bekanntschaften zu machen und zu
schauen, was der Wettbewerber macht. Außerdem
bietet sie ein interessantes Begleitprogramm. Für die
zahlreichen Symposien, Workshops und Seminare hatte
ich dieses Jahr leider keine Zeit. Aber ich habe von
Kollegen nur Gutes über das Programm gehört. Für
nächstes Jahr habe ich es mir auch fest vorgenommen.
03. – 04. Februar, Bad Nauheim
Europäische Anwenderkonferenz
10. – 12. Februar, Anaheim, USA
Weltgrößte Messe für Entwicklung und
Fertigung in der Medizintechnik
www.mdmwest.com
MEDTEC
03. – 05. März, Stuttgart
www.medtecstuttgart.com
Salon industrie
10. – 13. März, Lyon, Frankreich
MEDTEC : Fachmesse für Hersteller
medizinischer Produkte
Messe für Produktionstechnologien mit rund
1 000 Ausstellern
www.industrie-expo.com
Berthold Leibinger Stiftung, Canon Communications, Evatec Process Systems, GL-Events, SPIE, Volkswagen AG
LA S ER W o r l d o f
Photonics China
17. – 19. März, Shanghai, China
Weltleitmesse für optische Technologien
Photonics West
Mit zahlreichen Superlativen lockt die größte
Photonik-Messe Nordamerikas, die SPIE Photonics West, vom 24. bis 29. Januar 2009 geschätzte 17 500 Fachbesucher aus 50 Nationen
und 1 100 Aussteller nach Kalifornien. Die begleitenden Symposien BIOS, LASE, OPTO und
MOEMS-MEMS geben in 75 Fachkonferenzen
und 70 Technologiekursen einen interdisziplinären und daher einzigartig umfassenden Einblick in Forschung und Entwicklung. Kontakte
knüpfen, sich informieren und das große Ganze
sehen: Das alles bietet ein Besuch im San Jose
Convention Center.
www.world-of-photonics.net
E u r o S ta m p i
19. – 21. März, Parma, Italien
Internationale Messe für Matrizen und
Formen, Pressen und Spritzmaschinen
www.senaf.it
Korean Welding Show
21. – 24. April, Changwon, Korea
Schweißgeräte und -materialien
www.weldingshow.co.kr
Salon industrie: Messe für
Produktionstechnologien
Laser
15. – 18. Juni, München
Weltleitmesse für optische Technologien
www.world-of-photonics.net
9
Thema
Automatisiert schweißen ?
Mit hoher Geschwindigkeit ?
Trotz dicker Bleche, großer
Bauteile, widerspenstiger Werkstoffe ? Laser-Hybridschweißen
könnte die Antwort sein.
10
Vereinte Kräfte
Lichtbogen und Laserstrahl arbeiten schon seit Jahren eng zusammen.
Jetzt eröffnen leistungsstarke Festkörperlaser und Automatisierungslösungen
der Nischentechnologie Laser-Hybridschweißen neue Einsatzmöglichkeiten.
Wenn Dr. Frank Riedel Laser-Hybridschweißen erklärt, benutzt er gerne ein Sprichwort: „Gegensätze ziehen sich an, weil jeder im anderen die Stärken sucht, die ihm selbst
fehlen.“ Riedel arbeitet am Fraunhofer Institut für Werkzeugmaschinen und Umformtechnik IWU in Chemnitz. Seine Arbeitsgruppe „Thermisches Fügen“ wurde vor zwei
Jahren eingerichtet. Ein besonderer Schwerpunkt der Arbeit liegt dabei auf Laser-Hybridschweißen. Eine Technologie, die in der Regel das Lichtbogenschweißen — Metall­
aktivgas- oder Metallinertgasschweißen (MAG / MIG) — mit Laserschweißen verbindet.
Riedel geht wie viele andere davon aus, dass das Verfahren für Applikationen in vielen
Branchen, vor allem aber in der Schwerindustrie enormes Produktivitätspotenzial besitzt. „Laser-Hybridschweißen wird dann interessant, wenn Sie dickere Bauteile mit
hoher Geschwindigkeit, geringem Wärmeeintrag und hochwertigen Nähten maschinell
schweißen wollen — die Umstände aber gegen Sie sind“, erklärt Riedel und gibt Beispiele:
„Die Komponenten sind groß und unhandlich, die Bleche sehr dick, die Schweißnahtvorbereitungen für den Laser oder für Verfahren wie Metallschutzgasschweißen (MSG)
aufwendig und der Wärmeeintrag hoch. Oder Sie wollen Materialien wie hochfeste
Stähle verarbeiten, die sich mit den gängigeren Verfahren nur mit großem fertigungstechnischem und zeitlichem Aufwand schweißen lassen.“
Das wachsende Interesse am Laser-Hybridschweißen beruht vor allem auf der Entwicklung der Festkörperlaser in den vergangenen Jahren. Die Kombination mit der neuen
Laserstrahlquelle birgt das Potenzial, das Verfahren aus seinem bisherigen Nischendasein
zu befreien. Entstanden war es in den 1980er-Jahren, als CO₂-Laser die Leistungsausbeute
für das oft auch Keyhole-Schweißen genannte Tiefschweißen erreichten. Hier verdampft
der Laserstrahl den Werkstoff teilweise. So entsteht in der Metallschmelze um den Strahl
herum eine tiefe, schlanke Dampfkapillare. In diesem Effekt liegen Stärken und Schwächen
11
Laserstrahl
MIG-/MAG-Brenner
Tropfenübergang
Zusatzwerkstoff
Schutzgas
Lichtbogen
Schmelzzone
SchweiSSnaht
SchweiSSfuge
Keyhole
des Verfahrens. Einerseits lassen sich so auch sehr dicke Bleche in einem
Durch­gang über die gesamte Stoßfläche hinweg verschweißen — was mit
anderen Verfahren meist wirtschaftlich oder technisch nicht machbar ist.
TLC 308
Andererseits braucht
der Strahl aber einen feinen Fokus, um die nötige
THEMA Hybridschweißen
-- Prinzipdarstellung
Stand 2008
10 29
Leistungsdichte
zu erreichen. Also muss der Fügespalt so präzise vorbereitet
die
Komponenten
so exakt
dass36die
Toleranzen der
rotwerk und
visuelle
kommunikation
| gernot
walter gespannt
| aichwald werden,
| +49 (0)711
30 750
Stöße auf der gesamten Werkstücklänge im Zehntelmillimeterbereich liegen.
Das lohnt sich nur, wenn die Bauteile handlich und die Bleche dünn sind
sowie Produktivitätsgewinn oder Anforderungen an das spätere Produkt Arbeitseinsatz und Ausrüstung aufwiegen.
So entstand die Idee, einen elektrischen Lichtbogen mit dem Laser­
strahl zu kombinieren. Das Metallschutzgasschweißen schmilzt mehr Material in der Breite auf, bringt mehr Zusatzwerkstoffe in die Naht ein und
kann damit Spalten besser überbrücken. Die Einschweißtiefe ist jedoch vergleichsweise gering. Werden die Bleche dicker, bleibt nichts anderes übrig,
als die Stöße v-förmig anzufräsen und das entstehende „Tal“ beim MSGSchweißen mit mehreren Schweißraupen in mehreren Lagen zu schließen.
Doch das Lichtbogenschweißen bringt schon bei ein, zwei Lagen viel Energie
in die Werkstücke ein und beim Abkühlen schrumpfen die Schweißraupen,
was zu großen Verformungen und Eigenspannungen führt. Und schließlich
sind da die Kosten für Fertigungszeiten und Zusatzwerkstoffe.
Laser-Hybridschweißen löst diese Probleme: Während der Lichtbogen für eine bessere Spaltüberbrückung sorgt, steigert der Laser Schweißtiefe und Schweißgeschwindigkeit und senkt somit deutlich den Wärmeeintrag. Die Naht lässt sich trotz größerer Toleranzen in einem Durchgang
12
ziehen. Außer­dem ist bei hoher Prozessgeschwindigkeit das geschmolzene
Schweißvolu­men wesentlich geringer, sodass viel weniger Wärme in den
umgebenden Werkstoff eingebracht wird. Dennoch gibt es einen Haken,
der die Verbreitung des Verfahrens bremste und den Kunden von Dr. Thomas Harrer, Leiter des Laser-Applikationszentrums bei TRUMPF in Ditzingen, Kopfzerbrechen machte. Zwar baut TRUMPF selbst keine eigenen
Laser-Hybridschweißmaschinen, doch arbeiten dessen Laser in verschiedenen Appli­kationen. Da die Leistung der Festkörperlaser lange nicht reichte, waren es im Dickblechbereich immer CO₂-Laser. Harrer umreißt das
Problem so: „Der Lichtbogen braucht Plasma für seine Arbeit. Das ist für
den CO₂-Laser jedoch hinderlich, da Plasma dessen Strahlen absorbiert.“
Hinzu kommt, dass der CO₂-Laser selbst Plasma produziert — er inionisiert die Metalldampfwolke aus dem Keyhole. Beim Schweißen mit CO₂Lasern wird dieses Plasma mit schwer ionisierbaren Gasen wie Helium
‚verdünnt’. Eine nicht ionisierbare Heliumwolke allerdings ist das Letzte,
was ein MAG-Schweißbrenner zwischen Elektrode und Werkstück braucht.
„Schon das macht den Hybridprozess mit CO₂-Laser schwer beherrschbar,“
erklärt Harrer. „Der CO₂-Laser bringt jedoch noch weitere Einschränkungen mit sich. Weil sich dessen Strahl nicht per Laserlichtkabel leiten lässt,
sind keine Netzwerke möglich. Zudem geht es ja meist um Bauteile mit
außer­ordentlichen Dimensionen. Daher sind die Verfahrwege groß und
die Strahlbeherschung im Strahlengang wird zur Herausforderung.“
Das alles änderte sich, als mit dem Scheibenlaser der Durchbruch
in die hohen Leistungsbereiche gelang. Das Licht der Festkörperlaser ionisiert den Metalldampf nicht oder kaum. Ohnehin wird es von Plasma nicht
Thema
Laser-HybridschweiSSen
Laser-Hybridschweißen verbindet Laser- und Lichtbogen­
schweißen. Prinzipiell addieren sich dabei die Stärken beider Verfah­
ren und gleichen die Schwächen des jeweils anderen aus.
Der Lichtbogen wirkt an der Oberfläche und sorgt für eine
breitere Naht und damit für die Spaltüberbrückung. Er transportiert
außerdem Zusatzwerkstoffe in die Schmelze. Mit diesen lassen sich
die metallurgischen Eigenschaften und die Flankenhaftung der Naht
gezielt beinflussen.
Der Schweißlaser sorgt für die Schweißtiefe und hohes
Typisches Bild: Wo der MIG-Brenner das Aufschmelzen
unterstützt, hat die Naht einen breiten Kopf. In der Tiefe
bleibt die schlanke Form des Laser-Keyholes sichtbar.
Dr. Frank Riedel vom
Fraunhofer Institut für
Werkzeugmaschinen und
Umformtechnik in Chemnitz
Dr. Frank Riedel; Udo Loster; Illustration: Gernot Walter
„Gegensätze ziehen
sich an. Hier ist es
genauso.“
„Zwei Verfahren
in einem. Aber
jedes lässt sich
separat steuern.“
Christian Paul, Leiter
Anwendungstechnik bei Cloos
Schweißtechnik in Haiger
Prozesstempo, senkt den Wärmeeintrag und reduziert
damit den thermischen Verzug gegenüber dem reinen
Lichtbogenschweißen.
absorbiert, so dass das Lichtbogenplasma ebenfalls kein Problem mehr ist.
Außerdem lässt es sich über ein LaserNetwork verteilen und die Distanz
des Bearbeitungskopfs zur Strahlquelle oder Verfahrwege spielen auch keine Rolle mehr. Cloos Schweißtechnik in Haiger beispielsweise hat 2002 einen eigenen Hybridbrenner vorgestellt, der sich mit einem Roboter führen
lässt. Über dessen frei programmierbare Roboterachse lassen sich optimale
Anstellwinkel für beide Prozesse einstellen. Seit der Premiere entwickelt
das Unternehmen seine Technologie beständig weiter. Christian Paul, Leiter Anwendungstechnik bei Cloos, beschreibt die Herausforderung: „Sie
haben auf kleinstem Raum zwei komplette Arbeitsköpfe — eine Laseroptik
und den Metallschutzgas-Brenner, die Zuführungen für Zusatzwerkstoffe
und die Medienführung beider Verfahren. Da wird es eng.“ Und es wird
noch enger. „Unsere Kunden wünschen sich zunehmend Inline-Lösungen
für Qualitätssicherung und Nahtüberwachung, wie sie auch in anderen
Verfahren eingesetzt werden.“ Also müssen Sensoren, die den Naht­verlauf
während des Schweißprozesses verfolgen, integriert werden.
Tatsächlich ist das Verfahren Tatsächlich ist das Verfahren zur Auto-
matisierung prädestiniert. Bei dünneren Blechen erreicht es hohe Schweißgeschwindigkeiten. Bei dickeren Blechen kann wiederum die Nahtvorbereitung komplett entfallen. Auch hier unterstützen sich Laser und Lichtbogen
gegenseitig, wie Paul betont: „Durch die Intensität und Leistungsdichte des
Laserstrahls ist ein entsprechender Einbrand am Nahtanfang garantiert.“
Der Laser sorgt für eine poren- und rissfreie, glatte Naht und der MSGBrenner bringt Zusatzwerkstoffe ein, über die sich die Metallurgie und
Flankenhaftung der Naht beeinflussen lässt. Kommt eine automatisierte
13
Thema
Prozesssteuerung hinzu, kann das Verfahren sein
überlegenes Tempo voll ausspielen und in Produktivitätsgewinn ummünzen. Die entsprechenden Systeme sind bereits in der Cloos-Robotersteuerung integriert. So lässt sich oft die Produktivität noch einmal deutlich erhöhen. Für Christian
Paul eine logische Entwicklung: „Obwohl Hybridschweißen zwei Verfahren verbindet, lässt sich
jedes davon separat steuern. Damit lassen sich alle
Parameter jederzeit gezielt beeinflussen. Vorausgesetzt, Sie wissen, an welchem Rädchen Sie gerade drehen müssen.“
Noch finden sich komplette Inline-Automati­sie­
r­ungslösungen hauptsächlich in großen, ein- oder
zweiachsigen Anlagen, die für hohen Durchsatz
konstruiert werden. Auch wenn es schon Lö­
sungen gibt, bleiben noch viele Fragen offen. Dr.
Frank Riedel in Chemnitz zählt einige auf: „Da
ist zum einen der Raumbedarf. Und selbst wenn
Sie den Raum haben, müssen Sie dicht an zwei
unterschiedliche Energiequellen ranrücken, was
auch oft durch die Zugänglichkeiten der Bauteile beschränkt wird“, sagt er. „Sie haben den
Lichtbogen, dessen Wellenspektrum viele Sensoren stört, und Sie haben einen sehr hellen
Brennfleck von Laser und Lichtbogen, der eine
optische Erfassung der Schweißbereiche fast
unmöglich macht. Und dann wäre da noch der
Preis.“ Noch sind deshalb die Automatisierungslösungen meist individuell aufgebaut und entsprechend teuer. Doch Riedel ist zuversichtlich,
dass der wachsende Markt das richten wird. Und
bis dahin ? „Es muss ja nicht gleich das InlineRundumpaket sein“, sagt Riedel, „das Verfahren
ist auch so schon ziemlich überzeugend.“
Ansprechpartner:
Fraunhofer IWU, Dr. Frank Riedel, Telefon +49 (0) 371 5397 – 1300
[email protected]
Carl Cloos Schweißtechnik GmbH, Christian Paul,
Telefon +49 (0) 2773 85 – 565 , [email protected]
14
Hier wird gleich mehrfach gespart: Das Laser-Hybridschweißen sorgt für Produktivität im Prozess und
Sandwichpaneele wie dieses Testpaneel für niedrige Arbeits- und Materialkosten.
Der Blick in die Zahlen
Was bringt es wirklich ? Natürlich ist jede Anwendung anders.
Doch unter dem Strich ist Laser-Hybridschweißen vielversprechend.
Kosten und Produktivität, das sind zwei
ganz handfeste Gründe für das neue Interesse
am Laser-Hybridschweißen. Es eröffnet nicht
nur den Weg zu neuen konstruktiven Lösungen. Sandwichpaneele oder geschweißte Träger
können beispielsweise im Stahl- oder Schiffsbau
Material und Arbeitskosten im zweistelligen
Prozentbereich sparen. Oft zahlt sich das Verfahren auch ganz unmittelbar aus. Insbesondere
dann, wenn zuvor mit Metallschutzgasschweißen gearbeitet wurde und lange Nähte gezogen
werden. So gehen die Anbieter der Schweißanlagen derzeit von Produktivitätsgewinnen von
300 bis 500 Prozent sowie Kosteneinsparungen
von rund der Hälfte aus.
Verbrauchskosten Das Laser-Hybridschweißen senkt in diesen Rechnungen die
Kosten für Verbrauchsmaterialien um rund die
Hälfte. Die Energiekosten für das Schweißen
einer Kehlnaht — zum Beispiel an einem T-Trä-
ger — sinken demnach um rund ein Viertel. Die
Kosten für Schweißdraht sinken um zwei Fünftel und Kosten für Prozessgase um vier Fünftel.
Produktivität Die Produktivitätsgewinne
entstehen vor allem, wenn das Laser-Hybridschweißen sein Tempo voll ausspielen kann. Bei
einer Kehlnaht in fünf Millimeter dickem Blech
erreicht Hybridschweißen eine Geschwindigkeit von knapp 3,5 Metern pro Minute gegenüber 0,5 Metern mit Metallaktivgasschweißen.
Bei einer Stoßnaht in Zehn-Millimeter-Blech
sind es zwei Meter pro Minute gegenüber 0,5
Metern mit Unterpulverschweißen.
Thermischer Verzug Die Verformung von
geschweißten Komponenten zu beheben, verursacht beachtliche Folgekosten ohne Beitrag
zur Wertschöpfung. Im Schiffsbau beispielsweise wird mit rund 450 Euro pro Quadratmeter gerechnet.
Applied Thermal Sciences, Inc.
Der Weg in die volle
Automatisierung
hat erst begonnen.
STATEMENT
Aus jahrelanger
Erfahrung auf dem
Fußballplatz weiß
Dr. Markus Merk,
wie man souveräne
Entscheidungen trifft.
„Vertraue dem
ersten Gedanken!“
Auch schnelle Entscheidungen können die Basis für sichere und überzeugende Entscheidungen
sein, sagt der ehemalige Fußball-Weltschiedsrichter Dr. Markus Merk. Die nötige Souveränität
Dr. Markus Merk
dafür lässt sich lernen.
Es gibt geborene Entscheider. Doch auch die verfeinern ihre Entscheidungsfindung in einem ständigen Lernprozess und erkennen, dass es ihre
Entscheidungsfähigkeit fördert, wenn sie spontanen Eingebungen folgen.
Entscheider brauchen Mut zur Verantwortung und Entschlossenheit. Dies
ist die Basis, um überhaupt eine Führungstätigkeit ausüben zu können,
denn Entscheidungen müssen konsequent, aber auch mit großer Gelassenheit getroffen werden. Nur so erreiche ich Nachhaltigkeit, Berechenbarkeit
und persönliche Glaubwürdigkeit. Zwar muss ich mich dazu von einer hohen
fachlichen Kompetenz leiten lassen, doch eine große Anzahl an Entscheidungen führt dazu, dass sich situationsgerechte Muster abspeichern, die
dann kontinuierlich abrufbar sind.
Die schnelle Entscheidung galt für mich lange als Alibi für strittige oder
falsche Entscheidungen. Heute sehe ich darin umso mehr ihre Chancen.
Der Volksmund hat recht: „Der erste Gedanke ist der beste !“ Für mich ist
die schnelle Entscheidung die Basis einer sicheren und überzeugenden
Entscheidung, sie stärkt die Persönlichkeit, Souveränität und Akzeptanz
der Führungskraft. Schnelle Entscheidungen ersparen außerdem Stunden
und Tage der inneren Anspannung und dokumentieren im Umfeld ein
hohes Maß an Sicherheit.
Den Wert der getroffenen Entscheidung spüre ich spontan, davon unbeeinflusst muss aber weiter entschieden werden. Denn jede Entscheidung
ruft eine Reaktion der betroffenen Partei hervor und verlangt eine angemessene Antwort. Von Sympathien und Antipathien darf man sich dabei
nicht leiten lassen. Gerechtigkeit ist der immerwährende Anspruch, wohl
wissend, dass Entscheidungen vom Betroffenen oft als ungerecht empfunden werden. Zu Konzessionen dürfen Entscheider dabei nie neigen. Einen
Fehler mit einem Fehler auszugleichen, bedeutet, zwei Fehler gemacht zu
haben ! Dadurch wird die Glaubwürdigkeit nachhaltig gestört. Natürlich
muss ich zu Fehlentscheidungen stehen. Entscheidungen müssen und dürfen
korrigiert werden, wenn es auf dem Weg zum Ziel nützlich ist. Leider legt
unser Umfeld dies meist als Unsicherheit aus. Die Toleranz bei korrigierten
Entscheidungen ist gering, dies führt oft zu einem starren Festhalten. Korri­
giere ich eine Entscheidung und stehe zu meinen Fehlern, werde ich aber
anerkannt — beim ersten Mal. Doch wer will schon Entscheider, die sich
permanent korrigieren ? Aus Fehlern zu lernen, ist der beste Lernprozess,
allerdings auch der schmerzhafteste.
Wichtig ist dabei eine gute Kommunikation im Team. Gemeinsam lassen
sich kritische Entscheidungen treffen. Als Mannschaft eine gemeinsame
Sprache zu sprechen, lässt die Entscheidung sicher wirken und führt somit zu einer hohen Akzeptanz. Habe ich die Möglichkeit, werde ich mich
beraten, da schnell entscheiden nie übereilt entscheiden heißt. Der erste
Gedanke bleibt aber auf diesem Weg der Entscheidungsfindung immanent
vorhanden. Bei unsicherer Entscheidungslage greife ich stets auf ihn zurück.
Sichere Entscheidungen werden im Doppelpass zwischen Ratio und Intuition getroffen.
Kontakt zum Autor: www.merk-es-dir.de
15
Report
Die
Profil-Profis
aus Stabio
Kurz hinter Bellinzona, rechts der Autobahn E 35 nach Italien,
wartet die Zukunft. Michael und Wolfgang Stumm walzen
und schweißen sie dort in ihrem Unternehmen Montanstahl.
Alpen, Banken, Schokolade — typische Antworten auf die Frage „Was ver­
binden Sie mit der Schweiz? “. Zugegeben, die Bergpanoramen sind grandios,
die Süßigkeiten köstlich und die Banken verschwiegen. Doch der Alpenstaat offeriert noch ganz andere Glanzstücke. Bestes Beispiel: die Montan­
stahl AG. Ein Familienunternehmen mit Wurzeln im Ruhrgebiet und Firmensitz in Stabio, im italienischen Teil der Schweiz, im Kanton Tessin. Vor
allem aber ein Stahlprofilhersteller, der mit Präzisionsprodukten Kunden
in aller Welt überzeugt.
1983 als Profilwalzwerk gegründet, formten die Geschäftsführer Michael
und Wolfgang Stumm aus ihrem Unternehmen einen der weltweit reno­m­­
miertesten Anbieter für Spezialprofile aus Stahl und Edelstahl. Eine Erfolgs16
geschichte, die auf Qualität, Fachwissen, Service, Flexibilität — und auf
Schnelligkeit basiert, so Michael Stumm, zuständig für den kaufmänni­schen
Part. Wolfgang Stumm, der die Bereiche Technik und Controlling verantwortet, ergänzt: „Qualität steht für uns an erster Stelle.“
In seinen frühen Jahren produzierte das Unternehmen Stahlprofile
ausschließlich im Warmwalzverfahren. Heute setzen die Schweizer auf unterschiedliche Techniken: Je nach Qualitätsanforderung wird kaltgezogen,
kaltgewalzt oder lasergeschweißt, außerdem kommt in Kürze die Fertigung
per Rollfügen hinzu. Den entscheidenden Qualitätssprung machte Montan­
stahl dann Anfang des Jahrtausends. „ ,Invent the Future‘ — das ist die
„Erfinde die Zukunft — das ist die
sichers­te Methode, sie vorauszusagen !“
KD Busch
Michael und Wolfgang Stumm
zeigen ihre Profile.
sicherste Methode, sie vorauszusagen !“ Der Unternehmensslogan war für
die passionierten Segler bereits damals Programm: immer hart am Wind.
Ausgangspunkt war München. Genauer gesagt die „Laser 2001. World of
Photonics“. Auf der Suche nach innovativen Lösungen hatte Montanstahl
bis dahin diverse neue Herstellungstechniken geprüft und verworfen. Keine
erfüllte die hohen Qualitäts- und Flexibilitätsansprüche bezüglich Verarbeitung, Toleranzen und Losgrößen. Bis zur Messe in Bayern. Dort entdeckte
Wolfgang Stumm die Lasertechnik. Seither bietet das Schweizer Unternehmen seinen Kunden ein komplettes Programm genormter Handelsprofile
in Edelstahl rostfrei, wie Winkel-, Träger-, T- und U-Profile, geschlossene
Profile, wie Kasten- und Hohlprofile, sowie zahlreiche weitere Spezialprofile
nach Kundenzeichnung. Die Spezialisten bieten für ihre Produkte zudem
alle denkbaren Aussparungen, engste Toleranzen, minimierte Kantenradien und makellose Oberflächen. Ab Ende 2008 strebt Montanstahl für alle
Laserprofile Lieferzeiten von maximal vier Wochen an. Von so einem Tempo zwischen Auftragseingang und Auslieferung können die Mitbewerber
meist nur träumen. Maßgeblich beteiligt in dieser flotten Präzisionsfertigung sind — neben TRUMPF Lasern zum Schneiden und Schweißen — die
cleveren Zuführungen. Ausgetüftelte Eigenkonstruktionen, in die Wolfgang
und Michael Stumm viel Zeit investierten, die sich heute auszahlt. Mittels
ausgefeilter Führungstechnik lässt sich das Vormaterial in allen nur denkbaren Positionen, Anordnungen und Kombinationen den Lasern zuführen,
17
Report
die diese dann zu den georderten Profilformen verschweißen. Diese euro­pa­
weit einzigartigen Spezialmaschinen ermöglichen Profillängen bis maximal
15 Meter und Abmessungen zwischen 30 und 1 000 Millimeter. Zusatzeffekt
des Laserschweißens: Die Profile können anwendungsbezogen optimiert
werden. Profilzonen, die einer geringen Belastung ausgesetzt sind, werden
demnach mit reduzierten Materialstärken und Zonen hoher Belastung mit
entsprechend größeren Materialstärken produziert, ganz nach den Angaben
der Ingenieure und Statiker.
Dachkonstruktion
Neue Messe Stuttgart
Lasergeschweißte
Edelstahlprofile
Die hohe Flexibilität der Fertigungsanlagen ermöglicht es auch, kleine
Projekte mit geringen Losgrößen bis hin zur Prototypenfertigung zu bedienen. „Unsere Bestrebungen gehen dahin, dem Kunden ein qualitativ hochwertiges Produkt zu liefern“, sagt Michael Stumm, weshalb eine hundertprozentige Schweißnahtkontrolle zum Herstellungsprogramm gehört. Das
Kontrollsystem überprüft lückenlos die gesamte Verbindung eines Profils
auf komplette Durchschweißung und erkennt eventuelle Unregelmäßigkeiten
automatisch. Ob im Maschinenbau, in der petrochemischen Industrie oder
in der Architektur von Fassaden: Montanstahl-Laserprofile gewährleisten
jederzeit ein konstantes Stärkenmaß, parallele Flansche, exakte Kanten und
eine homogene Oberflächenstruktur, was sich von herkömmlichen Stahlprodukten nicht behaupten lässt. Abgesehen von der präzisen Produktion
und hochwertigen Vormaterialien ist für die Produkte in Edelstahl rostfrei ein Passivierungsverfahren mit eigens entwickelter Beize für die hohe
Montanstahlqualität verantwortlich. Dass die Edelstahl-Oberflächen zuverlässig von allen Ablagerungen befreit werden, versteht sich von selbst.
Besser geht’s kaum. Diese Qualität bleibt nicht unbeachtet. Neben treuen
Industriekunden ruft sie seit geraumer Zeit mehr und mehr Architekten auf
den Plan. Stahlprofile dieser Fertigungsgüte offerieren für den sichtbaren,
repräsentativen Fassadenbau ganz neue Gestaltungsmöglichkeiten, sodass
selbst Stars der Szene sich bereits dafür interessieren, beispielsweise Frank
O. Gehry, Architekt des bekannten Guggenheim-Museums in Bilbao. Auf
die Frage, wofür die Schweiz steht, könnte die Antwort dann künftig lauten:
„Alpen, Banken, Schokolade und Laserprofile.“ Ein schönes Lob.
Ansprechpartner:
Montanstahl AG, Michael Stumm, Telefon +41 (0) 91 641 68 00, [email protected]
Flexible Fassaden
Die Montanstahl AG hat sich auf Profile und Träger aus Edelstahl
spezialisiert. Dank dem Laser als Schneide- und Fügewerkzeug stel­
len sie T- und U-Profile, Kasten- und Hohlprofile sowie zahlreiche
Spezialprofile nach Kundenzeichnung her, auch in kleinen Losgrö­
ßen. Dabei sind Profillängen bis 15 Meter möglich.
18
Auch für Europas modernstes Messezentrum war dieses Fachwis­
sen gefragt: In den neun Hallen der neuen Messe Stuttgart und
dem dazugehörenden Internationalen Congress Center, auf bei­
nahe 150.000 m² tragen Profile von Montanstahl Dächer und
Glasfronten.
Report
Auf der Suche nach dem
Dünner-Schneller-Stärker
braucht man auch eine
gute Portion Humor, sagt
Dr. Bill Partlo von Cymer.
„Wir testen Grenzen“
Brent Haywood
Für Cymers Senior Vice-President und Chief Technical Officer Bill Partlo dreht sich alles um eine Zahl:
13,5 Nanometer. Hier erklärt er, wie er sie erreichen will — und warum sie jeden etwas angeht.
Erzählen Sie mir etwas über Cymer
Violet-(DUV-)Lithografie, die Chips mit 248
und seine Anfänge.
Nanometer Wellenlänge bearbeitet. Die DUVCymer liefert Excimer-Laserlichtquellen für Litho­ Technologie setzte sich bereits in der Prototypen­
grafiesysteme. Diese werden weltweit von Mikro­ phase durch und Cymer konnte dem Markt eine
chip-Produzenten und Scannerherstellern ein- 248-Nanometer-Lichtquelle bieten, als dieser dagesetzt, um die winzigen Strukturen der integ- nach verlangte.
rierten Schaltkreise auf den Chips zu „schrei­ben“.
Das Unternehmen wurde 1986 als kleiner Anbie- Warum ist die Wellenlänge für die
ter von Forschungs- und Entwicklungsleistungen Mikrochip-Fertigung so wichtig ?
gegründet und hatte rund 100 Mitarbeiter. Wäh- Mikrochips werden im Prinzip mit Scannern auf
rend der ersten zehn Jahre konzentrierte sich die die Wafer „fotografiert”: Das Licht trifft auf eine
Forschungsarbeit auf die damals neue Deep-Ultra- lichtempfindliche Schicht auf dem Wafer. Diese
19
Vakuumkammer für
das Plasmalicht: Cymer
treibt die Entwicklung
der EUV-Lithografie
zur Massen­­produktion
von Wafern voran.
wird „entwickelt” und bildet beim Ätzen die Schablone für die Chipstruktur. Die Größe der Strukturen, die sich auf den vielen Chips des Wafers
abbilden lassen, hängt ganz direkt von der Wellenlänge des Lichts ab. Je kürzer die Wellenlänge,
desto feinere Strukturen kann es erzeugen.
Weshalb sind kleinere Strukturen so entscheidend ?
Bei Speicherchips bedeuten kleinere Strukturen,
dass Informationen dichter gepackt werden können. Bei Prozessoren drücken sie sich in höheren
Verarbeitungsgeschwindigkeiten aus. Um die heute gefragte Rechenleistung oder Speicher­dichte
zu erzielen, werden die Schaltkreise dichter gepackt denn je. Aber die Leistungssteigerungen
sollen ja weitergehen. Deshalb benötigen die
Hersteller immer kurzwelligeres Licht. So stoßen
wir immer tiefer in den ultravioletten Bereich vor
und stehen jetzt an der Schwelle zum nächsten
techno­logischen Schritt: dem Sprung von den
tief-ultravioletten DUV-Lichtquellen zu den extrem ultravioletten EUV-Lichtquellen.
Welche Rolle spielt der Laser bei EUV-Licht ?
DUV-Licht in der gewünschten Wellenlänge erzeugen wir direkt im Laser. Das EUV-Licht mit
20
einer Wellenlänge von 13,5 Nanometern dagegen geführt, das den Strahl formt und auf eine Masgewinnen wir aus einem lasererzeugten Plasma. ke richtet, die es auf die Schablonenschicht des
In einer Vakuumkammer trifft in schneller Folge Wafers reflektiert. Auf diese Weise wandeln wir
der Laserpuls eines CO₂-Lasers jeweils auf Laserenergie über ein Plasma in Licht um.
einen mikroskopisch kleinen Tropfen ge­schmol­
zen­­­en Zinns. Der Laserpuls erhitzt den Tropfen Weshalb wurde dafür ein CO₂-Laser gewählt ?
und verdampft ihn. Die Zinn-Atome geben dabei In Verbindung mit Zinn zeichnet sich ein CO₂Elektronen ab und werden hochgradig ionisiert. Laser durch eine ausgeprägt hohe Effizienz bei
Das so entstehende Plasma beginnt, Photonen der Umwandlung aus. Das wiederum ermöglicht
abzustrahlen. Ein Spiegel fängt diese auf und re- eine besonders kostengünstige Lösung. Diese Efflektiert sie als Licht mit der exakten Wellenlänge fizienz erlaubt es, das technisch Machbare auch
von 13,5 Nanometern. Eine Blende fokussiert das wirtschaftlich einzusetzen.
Licht in den Scanner, mit dem unsere Kunden
dann die Chips belichten.
Cymer hat sowohl die Erzeugung von Plasma
über Gasentladung als auch per Laser
Worin unterscheidet sich EUV von bisherigen
untersucht, um eine EUV-Quelle
lithografischen Technologien ?
zu finden. Was sprach für den Laser ?
Der EUV-Prozess spielt sich vollständig im Va- Ganz einfach: Mit dem lasererzeugten Plasma
kuum ab. Nötig macht das die extrem kurze (Laser Produced Plasma, LPP) erreichen wir höWellenlänge. Luft ist für dieses Licht nicht mehr here Leistungen. Das macht diese Alternative
transparent. Sie würde es einfach absorbieren. ein­deutig zur überlegenen Technik. Dieses LeisDas Gleiche gilt für Glas. Deshalb können wir tungspotenzial ist der Grund, warum wir uns auf
im Strahlengang keine Linsen einsetzen, son- die LPP-Technologie konzentrieren. Denn wir
dern arbeiten mit Blenden und Spiegeln, um das sind davon überzeugt, dass sich die LeistungsLicht von seiner Quelle zum Ziel zu transportie- ausbeute im Laufe zukünftiger EUV-Gerätegeneren. Das Licht wird durch ein optisches System rationen weiter steigern lässt und wir damit auf
Report
„Lithografie macht nur Sinn, wenn sich damit in kürzester Zeit
viele Silizium-Wafer herstellen lassen.“
eine sehr entwicklungsfähige Technologie setzen. Ließen sich die Hürden überwinden ?
Zyklen, die das Mooresche Gesetz festschreibt.
Dazu kommt, dass es sich bei LPP um eine deut- Wir haben erst kürzlich einen entscheidenden Deshalb ist die Geschwindigkeit, mit der eine
lich reinere Lichtquelle handelt als bei einem per Meilenstein erreicht. Wir haben es geschafft, über neue Technologie eingeführt wird, genauso
Gasentladung erzeugten Plasma. Unser laserer- 1,5 Stunden Dauerbetrieb eine durchschnittliche entscheidend wie die Technologie selbst. Beides
zeugtes Plasma ist eine nahezu punktförmige EUV-Leistung von 25 Watt zu erzeugen. Das ist muss da sein, wenn es gebraucht wird. Sonst ist
Quelle und das ist sehr vorteilhaft bei der Licht- ein Viertel auf dem Weg zu der Leistung, die wir es zu spät.
brauchen, um 100 Wafer pro Stunde zu produführung durch die abbildende Optik.
zieren. Bisher waren wir mehrere Hundert Fak- Wie haben Sie es geschafft, Schritt zu halten,
toren von diesem Ziel entfernt. Jetzt fehlt uns nur ohne dabei durchzudrehen ?
Was war die größte Hürde, mit der Cymer
noch eine Steigerung um den Faktor vier, und Ein gesunder Humor gehört zu den Grundweres bei der Entwicklung der EUV-Lithografie
wir gehen davon aus, dass wir unser Ziel in Kür- ten bei Cymer. Wir sind entschlossen, Großes zu
zu tun bekam ?
leisten. Immer und immer wieder. Dabei stehen
Entscheidend war die Erzeugung hoher Leistun- ze erreichen.
gen. Lithografie wird wirtschaftlich dann sinnunsere Ingenieure jeden Tag vor extremen Hevoll, wenn sich damit innerhalb kürzester Zeit Wie gelingt es Ihnen, die Grenzen des Möglichen
rausforderungen. Sie arbeiten an den Grenzen
möglichst viele Silizium-Wafer strukturieren las- immer weiter zu verschieben ?
der Physik und den Grenzen des menschlichen
sen. Das System musste daher ausreichend Leis- Unsere kreativen Physiker und Ingenieure geben Wissens. Um mit diesem Stress fertig zu werden,
tung erzeugen, um innerhalb einer bestimmten sich mit dem Status quo einfach nicht zufrieden. braucht man einfach einen ausgeprägten Sinn für
Zeit Hunderte von Wafern zu belichten. In un- Sie beweisen jeden Tag aufs Neue ihre Leiden- Humor. Sie wären überrascht, welch raffinierte
serer Applikation arbeiten wir nicht mit einem schaft, Probleme zu lösen und jede Herausfor- Aprilscherze hier die Runde machen !
kontinuierlichen Strahl, sondern mit Pulsen, mit derung anzunehmen, um Lösungen für unsere
einer Taktrate zwischen 50 und 100 Kilohertz. Kunden zu entwickeln. So gelingt es uns immer Ansprechpartner:
Wir haben intensiv daran gearbeitet, mit dem La- wieder neu, Technologien auf den Markt zu brin- Cymer Inc., Julie Walker, Telefon +1 858.385.5532
ser die nötige Energiemenge in der angestrebten gen und sie schnell auf Volumen zu trimmen. [email protected]
Betriebsart zu erreichen.
Wir gehen ja im Takt mit den 18- bis 24-MonatsTLC 308
Cymer -- Prinzipdarstellung
Stand 2008 10 22
Ein Spiegel fängt die Photonen auf und reflektiert
Licht mit einer Wellenlänge von 13,5 Nanometern.
Illustration: Gernot Walter
EUV-Lithografie
Die Lithografie mit extrem ultraviolettem
Licht bedeutet einen großen technologi­
schen Sprung. Die aktuell eingesetzte Litho­
grafie mit tief-ultraviolettem Licht (DUV)
nutzt Laserlicht, um die Chips zu struktu­
rieren. Das extrem ultraviolette Licht für die
EUV-Lithografie dagegen wird von einem
lasererzeugten Plasma abgestrahlt. Weil
Luft das extrem kurzwellige Licht einfach
absorbiert, herrscht im kompletten Strah­
lengang ein Vakuum. Außerdem kann das
Licht nicht mit optischen Linsen, sondern
nur mit Spiegeln und Blenden gelenkt und
geformt werden.
Tropfen
geschmolzenen
Zinns
Im Takt der
Tropfen gepulster
CO² -Laserstrahl
Das Zinn verdampft im
Laserstrahl. Das daraus entstehende
Plasma sondert Photonen ab.
rotwerk visuelle kommunikation | gernot walter | aichwald | +49 (0)711 36 30 750
21
Der CO ² -Laser verschweißt
Auslöseeinheit und Druckflasche zum Kaltgasgenerator.
Ist die Naht fertig, lenkt das
System den Strahl auf den
zweiten Arbeitsplatz, wo
bereits die nächste Flasche
vorbereitet wurde.
Wiener
Wechseltakt
22
Report
KD Busch
Schweißen an einer Gasflasche, die mit 620 bar Helium gefüllt ist ? Kein Problem für den CO² -Laser.
Bei iSi Automotive funktioniert dies sogar im Wechseltakt.
15 Millisekunden — das entspricht etwa einem Viertel LidVom Gasdruckbehälter zum Cool
schlag. In dieser Zeit kann ein Cool Inflator Leben retten: Auf
Inflator: Dietmar
ein Signal der Sensorik zündet eine elektronische Steuerung
Schäfer hält die
einen kleinen pyrotechnischen Zünder. Dieser öffnet eine
WertschöpfungsMembrane auf einer mit 620 bar Helium gefüllten kleinen
kette im Haus.
Kaltgasflasche. Helium strömt blitzartig aus und befüllt einen
30 Liter fassenden Ballon: den Airbag. Seit Mitte der 90er-Jahre fertigt das in Wien ansässige Unternehmen iSi Automotive
Kaltgasflaschen und liefert diese für die Weiterverarbeitung zu
Airbagmodulen an Automobilzulieferer. „Die Verdichtung von
Gas und vor allem seine langfristig zuverlässige Speicherung
waren lange Zeit ein ungelöstes Problem. Selbst heute verfügen nur wenige Unternehmen über dieses Know-how“, erklärt
Dietmar Schäfer, der für den Aufbau des Betriebs verantwortlich war und seit mittlerweile zehn Jahren die Geschäfte leitet. gut zugänglich betrieben werden können. Zudem haben die
„Als Unternehmen der iSi Gruppe hatten wir Zugang zu jahr- Wiener mit Standardkomponenten zur Strahlumleitung eine
zehntelanger Erfahrung in der Fertigung von Gasdruckbehäl- äußerst effiziente Anlage mit maximaler Auslastung der Laser
tern für den Lebensmittelbereich. Darauf konnten wir aufbau- realisiert. So arbeitet jeder der vier CO₂-Laser von TRUMPF
en, als wir schließlich eine Lösung auf Helium-Basis für die ho- an jeweils zwei Arbeitsplätzen im Wechseltakt. Während der
Laser an einem Arbeitsplatz schweißt, wird am anderen das
hen Anforderungen der Automobilindustrie entwickelten.“
„Um unsere Wertschöpfungskette zu verlängern, haben wir geschweißte Bauteil ausgegeben und ein neues eingespannt.
Heute fertigt iSi Automotive mit 130 Mitarbeitern im Dreischon im Jahr 2001 begonnen, nicht mehr nur Gasdruckbehälter zu produzieren, sondern auch einen eigenen Kaltgas- schichtbetrieb und stattet pro Jahr etwa 7,5 Millionen Fahrzeugenerator, den Cool Inflator, zu entwickeln“, berichtet Schäfer. ge mit diesen Sicherheitsprodukten aus. Alle Messdaten zur
„Schon Ende 2005 hat uns das die ersten Serienkontrakte mit Qualitätskontrolle, Dichtigkeit und Prüfung der Schweißnähder Automobilindustrie eingebracht.“ Dazwischen lag inten- te sind mit den zugehörigen Prozess- und Anlagenparametern
sives Forschen und Entwickeln. Eine der zentralen Heraus- lückenlos dokumentiert. Bar­codeaufkleber mit individueller
forderungen beim Aufbau der Produktionsanlage: Die im Seriennummer gewährleisten eine exakte Rückverfolgbarkeit.
Haus entwickelte und weltweit patentierte Auslöseeinheit auf „Da wir die komplette Wertschöpfung im Haus haben, sind wir
den mit bis zu 620 bar Helium gefüllten Gasdruckbehälter zu in der Lage, alle individuellen Bedürfnisse unserer Kunden
schweißen. „Diverse Tests zeigten schnell, dass nur der CO₂- zu realisieren. Volumen von 15 bis 120 Liter, Gasabströmung
Laser unsere extremen Anforderungen zu vertretbaren Kos- wahlweise radial oder axial — die Anzahl der Varianten ist unten erfüllt: Nur ein Laser hat diese hohe Präzision bei einem begrenzt“, erläutert Dietmar Schäfer. Auch für die Zukunft
gleichzeitig minimalen Energieeintrag“, erklärt Schäfer. So- sieht Schäfer keine Alternative zum CO₂-Laser: „Wir fertigen
wohl die Gasdruckbehälter als auch die geschweißten Kaltgas- alle Teile im laseroptimierten Design. Außerdem haben wir
generatoren werden Dichtigkeitsprüfungen unterzogen. Diese intern viel spezifisches Know-how aufgebaut. So sichern wir
Anlagen prüfen gegen Leckraten von weniger als 10-⁹ mbar/s uns mit dem CO₂-Laser auch weiterhin einen Vorsprung im
auf. „Heute verlassen nur Behälter und Cool Inflator unsere Markt.“ Einen Vorsprung, der durch Produktinnovationen
Hallen, deren rechnerischer Druckverlust maximal fünf Pro- Bestand haben soll: „Für den Einsatz unserer Kaltgasgenezent in 10 000 Jahren beträgt.“
ratoren gibt es kaum Grenzen. So werden diese inzwischen
Neben seiner Exaktheit beim Schweißprozess bietet der sogar für Airbags in Motorradhelmen eingesetzt.“
CO₂-Laser aus Schäfers Sicht noch eine Reihe weiterer Vorteile. Aufgrund der geschlossenen Strahlführung müssen kei- Ansprechpartner: iSi Automotive GmbH, Dietmar Schäfer,
ne besonderen Vorkehrungen für den Strahlenschutz getrof- Telefon +43 664 1616 753, [email protected]
fen werden, sodass die Produktionsanlagen transparent und
23
Von Dr.-Ing. Dipl.-Chem.
Stephan Barcikowski
und Dipl.-Ing. Niko Bärsch
Der direkte Weg
Wenn der Laserstrahl auf den Werkstoff trifft, entstehen immer auch Nanopartikel. Das Laser Zentrum
Hannover verwandelte diesen Nebeneffekt in ein neues Verfahren zu ihrer gezielten Gewinnung.
Die Nanotechnologie gilt als ein wichtiger Zukunftsmotor für Technologie­
branchen wie die Energie- und die Informationstechnik sowie die Biomedi­
zin­technik. Die meisten mechanischen, chemischen oder biologischen
„Nano-Effekte“ werden dabei mithilfe winziger Partikel erzielt. Viele Substanzen werden überraschend „aktiv“, sobald ihre Oberfläche im Verhältnis
zur Masse stark zunimmt. Eine Reaktion, die auftritt, wenn aus Sub­stanzen
derart kleine Partikel gewonnen werden, dass der Anteil der Atome, die
sich an der Oberfläche befinden, signifikant größer wird. Dann sprechen
wir von Nanopartikeln. Bereits jetzt sorgen beispielsweise unsichtbare Nano­
partikel aus Keramiken, deren Durchmesser kleiner ist als die Wellenlänge
des sichtbaren Lichts, für kratzfeste Autolacke.
Um Nanopartikel herzustellen, gibt es viele Möglichkeiten. Ein
üblicher Ansatz ist die Synthese auf chemischem Weg. So ermöglicht die
Gasphasensynthese die Erzeugung freier Nanopartikel im Tonnenmaßstab. Sie ist jedoch vorwiegend für Metalloxide qualifiziert und führt leicht
zu Verklumpungen des Nanopulvers. Das Sol-Gel-Verfahren ist das am
häufigsten eingesetzte nasschemische Verfahren zur Erzeugung von Kolloiden. Das sind Flüssigkeiten, die mit Nanopartikeln durchmischt sind.
Die anschließend notwendige Aufreinigung, um chemische Rückstände
zu entfernen, ist jedoch sehr aufwendig. Angesichts dieser komplizierten
Herstellungsverfahren verwendet das Laser Zentrum Hannover einen — eigentlich — naheliegenden Ansatz: Nanopartikel werden direkt vom Ausgangsmaterial abgelöst, ohne den Umweg über chemische Reaktionen zu
nehmen. Hierfür verwenden wir in Hannover einen Laserabtragprozess
in flüssiger Umgebung. So bilden sich keine Stäube, die erzeugten Partikel sind gut handhabbar und die Flüssigkeiten können entsprechend der
gewünschten Weiterverarbeitung ausgewählt werden. Das Laserverfahren
kann mehrere Probleme auf einmal lösen: Wir können Nanopartikel her24
stellen, die aus neuen Materialien bestehen — seien es Metalle, Keramiken,
Legierungen oder Materialkombinationen. Die Anpassung des flüssigen
Mediums trägt zu ihrer Stabilisierung bei und vermeidet Agglomerationen.
Zudem sind die entstehenden Nanopartikel geladen, was für ihre Stabilisierung und weitere Verwendung von Vorteil ist. In den meisten Fällen
sind die Laserabtragprodukte von vornherein nanopartikulär. Durch Einstellen relevanter Bearbeitungsparameter, wie der Bestrahlungsintensität
oder der Fluenz (der auf die bestrahlte Fläche bezogenen Energie), der
Repetitionsrate und des Pulsüberlapps, lassen sich verschiedene Partikelgrößen herstellen. Prinzipiell können alle Lasertypen eingesetzt werden.
Gepulste Laser mit für das jeweilige flüssige Medium geeigneter Wellenlänge bieten meist Vorteile für die kontrollierte Erzeugung kleiner Partikel.
Ultrakurze Pulse (im Femto- bis Picosekundenbereich) ermöglichen
sogar die Erzeugung von Partikeln in brennbaren Flüssigkeiten, ohne diese
zu entzünden, weil sie keine Wärme in das umgebende Material einbringen. Solch kurze Pulse werden bereits seit einem Jahrzehnt im Bereich der
Mikrobearbeitung genutzt, um die Bildung von Schmelze zu vermeiden,
und tragen hier dazu bei, Nanopartikel auf direktem Weg etwa in organischen Lösungsmitteln produzieren zu können. Die Möglichkeit, während des Herstellprozesses auch direkt chemische Gruppen anzubinden,
erschließt den lasererzeugten Nanopartikeln schließlich auch den Einsatz
in vielen biotechnologischen Anwendungen. Das Verfahren wird insbesondere genutzt, um neuartige Kolloide mit frei wählbarer Zusammensetzung
herzustellen. Interessant ist es aufgrund seiner Materialvielfalt und Kombinierbarkeit auch deswegen, weil es Nanopartikel mit mehreren Funktionen erzeugen kann — etwa zur Erzeugung von Nanomaterial, das sowohl
verschleißfest als auch antibakteriell wirkt.
Nanopartikel aus Silber sind die bislang bekannteste biotechnologische Anwendung. Sie verhindern Biofilmbildung und schützen damit vor
science
Silber, Titan, Keramik:
Der Laser erzeugt Nanopartikel aus
fast beliebigen Materialien.
Infektionen. Verschiedenen Metallpartikeln
werden solch bioaktive
Wirkungen zugeschrieben.
Setzen sich Metallionen an
der großen Oberfläche von Nanopartikeln frei, kann dies das Anwachsen
von biologischem Gewebe beeinflussen. Für medizinische Implantate kann
dies von großem Nutzen sein. Sollten Implantate also mit Nanopartikeln
„lackiert“ werden ? Es gibt gute Gründe, die dagegensprechen: Lacke können abplatzen und auch andere Arten von Beschichtungen nutzen sich ab.
Ein Ablösen ganzer Partikel, die zuvor eine kontinuierliche, geringe Dosis
an Metallionen freigesetzt haben, wäre in fast allen Fällen toxisch. Zudem
enthalten die am Markt erhältlichen Kolloide neben den gewünschten Partikeln auch Reste von Additiven oder von Zwischenprodukten (sogenannte
Precursor), aus denen bei der chemischen Synthese die Nanopartikelnukleation erfolgt. Diese Ausgangssituation hat die Gruppe Nanomaterialien
am Laser Zentrum Hannover zu einem ganz anderen Ansatz gebracht: Die
freie Wahl der Trägerflüssigkeit im Laserabtragprozess ermöglicht auch
die Produktion von Nanopartikeln in Monomeren, also Flüssigkeiten, die
zu Kunststoffen vernetzt werden können. Aus derartigen lasererzeugten
Kolloiden werden auf direktem Weg gießfähige Biomaterialien synthetisiert, in denen die gewünschten Partikel sehr gleichmäßig eingebettet sind.
Implantate, die aus solchen Kunststoffen bestehen oder damit ummantelt
sind, enthalten die Nanopartikel fest und sicher umschlossen, erlauben
aber dennoch die medizinisch wirksame Freisetzung von Metallionen aus
Partikeln nahe der Bauteiloberfläche.
Im Rahmen eines laufenden Projektes sollen Cochlea-Implantatelektroden, die bei gehörlosen Neugeborenen die Nervenanbindung im
Illustration: Gernot Walter
Portkatheter:
Nanowerkstoffe
machen beispielsweise Implantate
biokompatibel.
Innenohr herstellen, mit Kunststoffen ummantelt werden, die bestimmte
Konzentrationen verschiedener metallischer Nanopartikel enthalten. Diese wirken selektiv auf bestimmte Zellgewebstypen. So lässt die Oberfläche
des Cochlea-Implantates bei einem geeigneten Zusammenspiel der Partikel die Hörnervzellen wachsen und unterdrückt zugleich wucherndes
Gewebe. Mit keinem anderen Verfahren kann man ähnlich mühelos beliebige Nanopartikel erzeugen, kombinieren und einbetten. Für derartige
Studien ist diese Methode ebenso prädestiniert wie für die anschließende
Materialproduktion.
Die Produktion mit Lasern steht dabei nicht in Konkurrenz zu chemischen Verfahren, die Nanopartikel im Tonnenmaßstab produzieren. Produktionsraten beim Laser liegen je nach Typ und Verfahren in Größenordnungen von Milligramm bis Gramm pro Stunde. Doch Nanopartikel ist
nicht gleich Nanopartikel: Während ein Gramm Titandioxidpartikel umgerechnet für einen Cent erhältlich ist, beträgt der rechnerische Marktpreis
für ein Gramm Halbleiterpartikel 1 000 Euro. Da der Markt an Nanopartikeln nur von wenigen Sorten dominiert wird, bietet sich das Laserabtragverfahren auch über Entwicklungsprojekte hinaus für alle Materialien an, für
die die chemische Industrie keine Syntheseverfahren kennt oder ihren Entwicklungsaufwand scheut: Das „richtige“ Material ist ein wertvolles Gut, sei
es in Energiespeichern, Mikrosystemen oder medizinischen Implantaten.
Ansprechpartner:
Dr.-Ing. Dipl.-Chem. Stephan Barcikowski, Dipl.-Ing. Niko Bärsch,
Laser Zentrum Hannover e.V., Gruppe Nanomaterialien,
Hollerithallee 8, 30419 Hannover, [email protected], [email protected]
25
Menschen
„Wir Japaner
forschen anders“
Der Laser ist das Werkzeug der Zukunft, sagt Prof. Seiji Katayama.
Seit 35 Jahren arbeitet er daran, es in die Gegenwart zu holen.
Wann sind Sie zum ersten Mal auf das Thema
Das JWRI wurde 1969 gegründet, um Japans
Professor Katayama, Sie sind seit rund
Laser gestoßen ?
35 Jahren Mitglied der Universität von Osaka.
Führungsposition im Bereich der SchweißIch begann mit Forschungen zum Thema Laser- technologie zu sichern. Begeistert Sie diese
Haben Sie nie daran gedacht, zu wechseln ?
Ich hatte mehrere Angebote, eine neue Aufgabe materialbearbeitung während meiner Zeit als As- Zielsetzung immer noch ?
oder eine höhere Position außerhalb der Univer- sistenzprofessor bei Prof. Matsunawa, der heute Ich glaube, dass Schweiß- und Verbindungstechsität Osaka anzunehmen. Osaka ist jedoch eine emeritiert ist. Das war 1981, am Joining and Wel- niken die wichtigsten Technologien sind, wenn
der besten und angesehensten Universitäten und ding Research Institute (JWRI). Er verfügte über es um die Herstellung von Strukturen und Proweltweit bekannt für den Bereich Schweißtechnik. einen gepulsten YAG-Laser mit einer maximalen dukten geht. Dabei ist vor allem der Laser als das
Die Arbeitsbedingungen sind großartig und ich Durchschnittsleistung von 200 Watt. Wir konzen- Werkzeug der Zukunft für die Materialbearbeimöchte daher so lange wie möglich hier bleiben.
trierten uns damals auf Themen wie zum Beispiel tung bekannt. Aus diesem Grund bin ich vom
Laser begeistert. Mir gefällt die Forschungsarbeit
„Interaktion zwischen Laserstrahl und Material“.
Seit Beginn Ihrer Karriere forschen Sie im
im Bereich Laserschweißen, da es hier noch viele
Gibt es eine typisch japanische Forschung,
Felder zu erforschen gilt und zahlreiche Probleme
Bereich der Materialbearbeitung. Haben Sie
gelöst werden müssen.
die sich von der Vorgehensweise in anderen
sich schon in der Kindheit damit beschäftigt,
Ländern unterscheidet ?
Materialien zu untersuchen ?
Nein, eigentlich nicht. Als ich noch zur Schule Ich denke ja. An den Universitäten und Institu- Wie wird die Laserschweißtechnik in zehn
ging, bestand mein Ziel darin, Mathematikleh- ten in Japan, wie zum Beispiel am JWRI, kann oder zwanzig Jahren aussehen ?
rer zu werden, sodass ich in der Nähe meiner ein Professor praktisch alles erforschen, was er Ich gehe für die nächsten Jahre von einer deutlich
Eltern wohnen und im Alter für sie sorgen könnte. möchte. Dabei arbeiten jeweils ein Professor, ein zunehmenden Verbreitung aus. Damit diese ErIch bin der älteste Sohn, und nach der japanischen Assistenzprofessor und ein Student als Team zu- wartung Wirklichkeit wird, muss ich mich auf unTradition ist es meine Pflicht, mich um meine El- sammen und führen unterschiedliche Experi­men­ terschiedliche Zielsetzungen konzentrieren. Der
tern zu kümmern und unser Reisfeld zu bestellen.
te im Rahmen eines Projektes durch. In Deutsch- Laser ist noch immer kostspielig, und wir sollten
land und anderen europäischen Ländern besteht in der Lage sein, schneller und tiefer zu schweiWeshalb haben Sie Ihre Meinung geändert ?
das Team für ein bestimmtes Projekt aus mehre- ßen. Mikroschweißtechniken, die noch kleinere
Als ich die Senior High School abgeschlossen ren Spezialisten eines bestimmten Bereiches, zu Formate abdecken als heute, müssen entwickelt
hatte, gab es an der Universität von Tokyo keine denen auch graduierte Studenten gehören. Sie werden. Auch sollten gute, hochwertige LaserAufnahmeprüfung. Außerdem wurde mir be- führen Experimente in ihrem ganz speziellen Be- schweißnähte zum Standard werden. Was hoch
wusst, dass das Ingenieurwesen in Japan Zu- reich durch, geben sich aber nicht mit Experi- funktionale Schweißungen angeht, zählt auch das
kunft hat. Unser Land verfügt über keine eigenen menten ab, die auch nur leicht außerhalb dieses Verschweißen ungleicher Materialien — wie zum
Ressourcen. Also änderte ich meine Pläne und Bereiches liegen. Das ist der Unterschied zu der Beispiel von Metallen mit Kunststoffen — zu den
begann mit dem Ingenieurstudium.
Lasertechnologien der Zukunft. →
japanischen Art, Forschung zu betreiben.
26
Prof. Seiji Katayama fühlt
sich der Tradition verbunden und treibt die Zukunft
des Laserschweißens voran.
27
Menschen
Leben
Der 1951 geborene Seiji Katayama will Mathematiker werden,
um in der Nähe seiner Eltern bleiben zu können: Als ältester
Sohn soll er sich um das Reisfeld der Eltern kümmern. 2002
wird er in Osaka Professor für Ingenieurwesen.
Laser
1980 begegnet er als Forschungsreferent am Joining and
Welding Research Institute in Osaka erstmals dem Laser.
Leistung
„Zwischen Metall und
Kunststoff können
wir feste mechanische
Verbindungen herstellen.“
Einer Ihrer Wünsche ist es, dass die von Ihnen
entwickelte Lasertechnik zur Verbindung
ungleicher Materialien größere Verbreitung
findet. Worauf kommt es an, um dieses
Ziel zu erreichen ?
Wir befinden uns noch am Anfang der Entwicklung und dieses Verfahren ist in der japanischen
Industrie noch nicht weit verbreitet. Was zum
Beispiel die Verbindung von Stahl und Aluminiumguss angeht, informiere ich durch Vorlesungen viele Ingenieure und Forscher über die Möglichkeiten dieser Technologie und demonstriere
den Schweißprozess. Bei der direkten Laserverbindung von Metall und Kunststoff können wir
mechanisch feste Verbindungen zwischen Metallen, wie Edelstahl, unlegiertem Stahl und Titan, mit Aluminiumguss und Kunststoff nachweisen. Einige Unternehmen sind auch an ganz
bestimmten neuen Kombinationen interessiert.
28
Für die Herstellung von Verbindungen, die ho- Worauf sind Sie besonders stolz, wenn Sie auf
hen thermischen oder mechanischen Belastun- Ihre erfolgreiche Karriere zurückblicken ?
gen standhalten können, müssen Bedingungen Das ist vielleicht die Konstruktion und Fertigung
festgelegt werden. Wir sind momentan damit be- eines mobilen mikrofokussierten Röntgen-Überschäftigt, solche Bedingungen zu definieren, und tragungssystems zur Echtzeitüberwachung des
sie werden schon in wenigen Jahren für den in- Fließverhaltens beim Laserschweißen. Damit
dustriellen Einsatz bereit sein.
konnten wir umfangreiche Einblicke in das Laserschweißen und Hybridschweißen erhalten und
die Verfahren zur Reduzierung von Porosität
Was sind Ihre aktuellen Herausforderungen ?
Die Forschungsarbeiten zum Thema Hybrid- interpretieren. Zur Entwicklung dieses Systems
Laser­schweißen sind nahezu abgeschlossen. Ein führten die Verbesserung des Bildverstärkers, die
Prozess zur Herstellung tief eindringender Ver- Entwicklung einer Highspeed-Videokamera und
schweißungen muss aber noch entwickelt und die Unterstützung von Masami Mizutani, dem
eingeführt werden. Wir müssen das Schmelzver­ technischen Leiter des JWRI. Stolz bin ich auch
halten perfekt interpretieren, um eine zufrieden­ auf die Entwicklung eines Laserschweißprozesses
stellende Mischung im Bodenbereich hybrider zur Verbindung von Stahl und Aluminiumguss
Schweißnähte zu erhalten. Ein System zur Über- unter Berücksichtigung der gleichzeitigen Bilwachung und adaptiven Steuerung des Schweiß- dung einer überlappenden und einer stumpfen
vorgangs zählt zu den nächsten notwendigen Verbindung innerhalb der Materialien bei unterSchritten, um eine größere Einschweißtiefe zu schiedlichen Schmelztemperaturen. Auch bin ich
ermöglichen. Es gibt bereits ein System, bei dem auf die Entwicklung eines direkten Laserverbinein Wärmesignal genutzt wird, um dünne Ble- dungsprozesses von Metall und Kunststoff stolz,
che mit einem gepulsten YAG-Laser oder einem die ich in Zusammenarbeit mit AssistenzprofesLaser mit niedrigerer Leistung und Dauerstrahl sor Yousuke Kawahito realisiert habe. Wir sind
zu verbinden. Momentan sind wir dabei, ein uns sicher, dass dieser neu entwickelte Prozess
Sensorsystem zum Laserschweißen dicker Plat- zahlreiche Anwendungen ermöglichen wird.
ten aus hochfesten Stählen zu etablieren. Ein
weiterer Schritt besteht darin, eine größere Pro- Ansprechpartner:
zessstabilität zu erreichen. Außerdem möchte Prof. Seiji Katayama, Telefon + 81– 66 879 – 8662,
ich das Laser-Hybridschweißen von Stahl und [email protected]
Kupfer angehen.
KD Busch
Katayama hat das Laserschweißen von Aluminium sowie von
Metall-Kunststoff-Verbindungen revolutioniert.
Menschen + IDEEN
„Angenommen, der Laser
wäre nie erfunden worden ?“
Fragen an Professor
Reinhart Poprawe
„US-Telefonate würden
10 Euro pro Minute kosten.“
Welche Laseranwendungen
erschienen Ihnen vor zehn
Jahren noch unmöglich ?
LASIK und PRK sind etablierte Ver­­
fahren zur Korrektur von Fehlsichtigkeit bis zu circa sechs Dioptrien.
Selbst der risikogebende Mikroschnitt wird heute durch Femtosekundenlaser ersetzt. Von dieser
Anwendung profitieren Millionen
Menschen.
Was wünschen Sie sich, was
der Laser können sollte, aber
noch nicht kann ?
Menschliches Gewebe so risikofrei und gezielt zu durchstrahlen,
dass alle Stellen des Körpers erreicht wer­den und mit hoher Genauigkeit nur dort die gewünschte
diagnostische und therapeutische
Wirkung erzeugt wird. Die „nullinvasive The­rapie“ also.
Welche Änderung in der
Lasertechnik empfinden Sie
als die wichtigste ?
Fraunhofer Institut für Lasertechnik; Gernot Walter
Es hat über 20 Jahre gedauert, bis industriell taugliche diodengepumpte
Festkörperlaser mit akzeptablem
Wirkungsgrad aufkamen. Dabei ist
das Designrezept einfach: große
Flächen bei kleinen Volumen für
das aktive Medium. Da bleiben nur:
Faser, Scheibe und Stab.
Welches Ereignis weckte
ihr Interesse am Laser ?
Während meines Physikstudiums
an der California State University
1976 hatte ich Gelegenheit, den
größ­ten Laser der Welt in Livermore zu besichtigen. Als ich den
sah und die heute triviale Antwort
auf meine Frage bekam, warum
die Spiegel bei diesen riesigen Leistungen und Energien nicht kaputtgingen, sagte ich mir: „Das muss
auch industriell nutzbar sein !“
Prof. Reinhart Poprawe studierte
Physik an der Technischen Hochschule Darmstadt und beschäftigt
sich schwerpunktmäßig mit der Entwicklung von Lasern, Plasmatechnik
und Anwendungen. Er ist mehrfacher Firmengründer, Mitglied in
inter­nationalen Lasergesellschaften
und seit 1996 Leiter des Fraunhofer
Instituts für Lasertechnik, des Lehrstuhls für Lasertechnik und Prorektor für Struktur, Forschung und
wissenschaftlichen Nachwuchs der
RWTH Aachen.
Mehr Fragen an Prof. R. Poprawe:
[email protected]
Die Urgewalt von
Blitzen soll der
Mini-Superlaser
„Teramobile“
kontrollieren.
Die Blitz-Maschine
Um Flugzeuge zu schützen, schließen
Hochleistungslaserpulse Himmel und Erde kurz
Flugzeuge waren früher noch
faradaysche Käfige und damit bei
Gewittern ein sicherer Ort für die
Passagiere. Durch den zunehmen­
den Einsatz moderner Verbundwerkstoffe kann der Aufenthalt
im Flieger heute mitunter schon
brenz­liger werden. Um Blitze
künf­tig von Flughäfen und anderen blitzanfälligen Einrichtungen
abzulenken, haben Physiker aus
Berlin, Dresden, Genf und Lyon
einen extrem starken Laser entwickelt und es geschafft, ihn in einen LKW-Container zu packen.
Der Mini-Superlaser „Teramobile“
erzeugt ultrakurze Impulse, die in
nur 100 Fem­tosekunden so viel
Leistung bringen wie 1 000 große
Kraftwerke zu­sam­men: circa vier
Milliarden Kilowatt. Entlang des
Lasers ionisiert die Luft, und es
entsteht ein Strom leitender Plasmakanal, der Gewitterwolke und
Erde „kurzschließt“, die Wolken
damit „entlädt“ und dem Blitz ei-
nen Weg zur Erde vorgibt — weit
weg von den gefährdeten Objekten. Bisher sind diese künstlich
erzeugten Kanäle allerdings noch
zu kurz. 2007 schossen die Wissenschaftler in Neu-Mexiko vom
knapp 3 300 Meter hohen South
Baldy Peak aus mit dem „Teramobile“ Laserlichtblitze in Gewitterwolken und schafften es erstmals,
elektrische Entladungen zu erzeugen — eine Vorstufe zum Blitz.
Durch eine Erhöhung der Laserstärke und der Impulsdichte wollen sie nun versuchen, die Plasma­
kanäle so weit zu „strecken“, dass
sie von den Gewitterwolken bis
zur Erde reichen.
Kontakt:
Dr. Kamil Stelmaszczyk, Freie Universität
Berlin, Institut für Experimentalphysik,
Telefon +49 (0) 30 83 85 6119,
[email protected]
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MARKTANSICHTEN
Schöne Aussichten
Die Lasertechnologie ist ein entscheidender Faktor für die industrielle Entwicklung in Polen und ganz
Osteuropa, meint Professor Andrzej Klimpel von der Technischen Universität Schlesiens in Gliwice.
Laserschweißtechniken haben sich in Polen Materialbearbeitung in der Region befinden sich wendungen wie Laserschneiden von Holzspielund den benachbarten Ländern Ende der 80er- generell in einem starken Aufwärtstrend. Zahl- zeug bis zur Laserlegierung von SchmiedegesenJahre etabliert. Mit Ausnahme von Polen wurden reiche Studien von Universitäten und industri- ken. Was die Anwendung der Lasertechnologie
Laseranwendungen in der Schwerindustrie Ost­ ellen Forschungsinstituten werden von der pol- in den kommenden Jahren angeht, sehen die
europas anfangs lediglich in der Ukraine und an- nischen Regierung oder mit EU-Mitteln geför- Aussichten also durchweg positiv aus.
deren Mitgliedsstaaten der früheren Sowjet­union dert — auch wenn sie oftmals nur unzureichend
eingesetzt. In Osteuropa hat sich die Ent­wicklung koordiniert verlaufen. Im Wesentlichen sind E-Mail an den Autor:
von lasergestützten Verarbeitungstechni­ken und das Schweißinstitut Gliwice und der Bereich [email protected]
vor allem von Schweiß­techniken als entscheiden- Schweißtechnologie an der Technischen Unides Element für die allgemeine industrielle Ent- versität in der Forschung und Entwicklung der
wicklung erwiesen.
Lasermaterialbearbeitung involviert.
Lasertechnologien für die OberflächenbeZahlreiche europäische und nordamerikani­
Prof. Andrzej
sch­e Firmen traten in Polen mit der Übernahme handlung und Legierung befinden sich moKlimpel gibt einen
örtlicher Unternehmen in Erscheinung, so über- mentan noch im Stadium der Forschung, Ent- Überblick über die
nahm zum Beispiel United Technologies WSK wicklung und Einführung in die örtliche In- Zukunft der LaserRzeszów. In der Folge nahmen Entwicklung und dustrie. Laserschneiden und -bohren, dicht technik in Polen
Einführung der Laserschweißtechnik in der ge- gefolgt von Laserschweiß- und Oberflächensamten polnischen Industrie ständig zu — wenn technologien, zählen hingegen in Osteuropa
auch nicht mit der maximal möglichen Ge- zu den häufig­sten industriellen Anwendungen.
schwindigkeit. Auf der einen Seite investieren Allerdings wird das wachsende Interesse polDutzende von kleinen und mittleren polnischen nischer Unternehmen für Laserschweiß- und
Unternehmen derzeit in Laserschneid­technik, um Oberflächen­technologien leider von den hohen
größeren Unternehmen umfangreiche Dienstleis- Investitionskosten für Laser und Robotertungen anbieten zu können. Auf der anderen Sei- anlagen begrenzt. Ich bin jedoch
te setzen größere Unternehmen im Bereich der davon überzeugt, dass jetzt
Fertigung von Automobilkomponenten, die sich der richtige Zeitpunkt ist,
erst vor einigen Jahren auf dem polnischen Markt in Polen zu investieren.
etabliert haben, moderne Schweiß- und Oberflä- Denn mich erreichen
chentechnologie ein, um den Anforderungen ih- täglich Anfragen von
rer Kunden gerecht zu werden. Beispielhaft dafür Unternehmen, wie
ist WSK Rzeszów: Das Unternehmen setzt Laser- sich „klassische“
reparaturtechniken zur Bearbeitung von Ober- Schweißprozesflächenfehlern bei präzisen Gussprodukten aus se durch LaserNickel- und Kobalt-Superlegierungen ein. Die- technologie erse Technik wurde im Übrigen im Rahmen eines setzen lassen.
öffentlich geförderten Projekts in Zusammenar- Dabei reichen
beit mit dem Bereich Schweißtechniken an der die EinsatzbeTechnischen Universität Schlesiens entwickelt. reiche von so
Forschung und Entwicklung von lasergestützter exotischen An30
Wo steckt der Laser ?
Am Ohr der Kuh: Spätestens an der Kühltheke muss der Verbraucher wissen,
auf welcher Wiese die Kuh früher glücklich war. Deshalb braucht auch Fleckvieh
einen Ausweis und trägt diesen zu Lebzeiten am Ohr. Auf der sogenannten Zuchtmarke
befinden sich eine Nummer und ein Barcode, mit denen die Kuh eindeutig identifiziert werden
kann. Da die Schrift auf dem Ausweis wetterfest und haltbar sein muss, ist der Laser das
ideale Beschriftungswerkzeug. Er stellt die „Kuhausweise“ auch in großen Mengen schnell,
dauerhaft und individuell aus. Es muss lediglich für jede Marke ein eigener Datensatz geladen
Krzysztof Bialy; Illustration: Gernot Walter
werden und schon ist die Kuh nicht mehr eine von vielen, sondern eine ganz besondere.
… in zehn Milliarden Jahren geht eine optische
Atomuhr nach. Als Taktgeber dient ein Laser.
Seine Frequenz wird auf den ultraschmalen
optischen Übergang von heruntergekühlten Strontiumatomen stabilisiert.
Die Schwingungen des optischen
Übergangs zeigen, was die Stunde
geschlagen hat.
L a s e r C o m m u n i t y i s t d a s A n w e n d e r m a g a z i n v o n TRUM P F.
J e t z t a b o n n i e r e n : w w w. t r u m pf - l a s e r . c o m / l a s e r-c o m m u n i t y
Angelika Grossmann
Eine
Sekunde ...