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„Wir bauen unsere Produktionskapazitäten aktuell mit Hochdruck aus“

Mit ihrem patentierten Laser MicroJet (LMJ) Verfahren hat SYNOVA aus der Nähe von Nyon am Genfer See ein „nasses“ Laserbearbeitungsverfahren etabliert. Der Laser wird dabei in einem haarfeinen Wasserstrahl auf das Werkstück geführt. Diamanten und Juwelen werden ebenso in Form gebracht, gebohrt und geschnitten wie Werkzeuge, Turbinenschaufeln oder Halbleiter. Im Interview spricht Dr. Bernold Richerzhagen, Gründer und CEO des 1997 gegründeten Spin-offs der École Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL), über die Anfänge des Verfahrens, das Medium Wasser in hochpräzisen Laserprozessen und über die wichtigsten Wachstumsmärkte für die Lasermaterialbearbeitung.

Herr Dr. Richerzhagen, möchten Sie uns Ihre SYNOVA S.A. kurz vorstellen?

Dr. Bernold Richerzhagen: SYNOVA hat heute über 100 Mitarbeiter, die Hälfte davon an unserem Hauptsitz in der Schweiz, die andere in unseren Niederlassungen in den USA, Japan, China, Indien, Südkorea und ab Mai 2021 auch in Deutschland. Wir bauen in Rottweil, Baden-Württemberg, einen neuen Produktionsstandort auf. Seit 2015 ist mit De Beers der weltgrößte Rohdiamant-Lieferant mit 33,4 Prozent an SYNOVA beteiligt. Ich selbst bin Mehrheitsaktionär und Geschäftsführer. 23 Jahre nachdem ich 1997 gegründet habe, erleben wir einen Nachfrageboom. Die Pandemie beschleunigt Innovationen auf Basis neuer Produkte, Materialien und Verfahren, für die wir passende Lösungen bieten. Immer mehr Branchen erkennen die Vorteile unseres Laser MicroJet-(LMJ)-Verfahrens, in dem wir gepulste Laser in einen feinen Wasserstrahl einkoppeln.

Wie kam es zu der Idee, den Laserstrahl statt in einer Faser in einem Wasserstrahl zu führen?

Richerzhagen: Nach meinem Maschinenbaustudium mit Schwerpunkt Medizintechnik in Aachen bin ich als Stipendiat nach Lausanne gegangen, um meine Diplomarbeit in einem Kunstherzprojekt zu erarbeiten. An der École Polytechnique Fédérale de Lausanne bin ich auch auf mein Promotionsthe-ma gestoßen: Die Entwicklung eines Lasers für die schmerzfreie Zahnbehandlung. Um die Einwirkzone des Lichts zu kühlen, wollte ich ursprünglich mit Wasserspray arbeiten, was jedoch an der Streuung des Laserstrahls im Sprühnebel scheiterte. Stattdessen griff ich auf eine Idee von Prof. Jean-Daniel Colladon zurück, der schon 1840 an der Uni Genf Licht im Wasserstrahl geführt hatte; das Prinzip dahinter ist die totale Reflexion. Sie wirkt auch in optischen Fasern. Colladon legte mit seiner Forschung die Basis der heutigen Fasertechnologie und letztlich auch für unser LMJ-Verfahren. Vor mir gab es diverse erfolglose Versuche, Laser in Wasserstrahlen einzukoppeln. Und auch uns gelang es erst drei Jahre nach den Anfängen des Projekts, die Machbarkeit nachzuweisen. 1993 habe ich erstmals mit einem in Wasser eingekoppelten Laser Material abgetragen. Ein wunderbarer Moment! Ich hatte so oft gehört, dass es nicht funktionieren kann.

Worin bestehen die zentralen Vorteile der „nassen Laserbearbeitung“?

Richerzhagen: Wie in anderen Laserbearbeitungsprozessen entsteht in der Bearbeitungszone ein starkes Plasma. Glücklicherweise hält es dem Wasserstrahldruck stand. Wo die Lichtenergie auf das Material einwirkt, bildet sich bei jedem Laserpuls eine Plasmablase. Zwischen den Pulsen kühlt das Wasser und spült die Materialreste fort. Dank der Kühlung und der hohen Frequenz von zehntausend bis hunderttausend Laserpulsen pro Sekunde ist das Verfahren schnell und effizient. Zugleich ist es dank des parallelen Laserstrahls hochpräzise. Wegen der Einkopplung in den feinen, kerzengeraden Wassersstrahl gibt es keinen Brennpunkt, wodurch auch einige Zentimeter tiefe Schnitte glatte, grat-freie Schnittkanten aufweisen. Denn die Strahlführung funktioniert auch im Schnittspalt. Jüngst haben wir 100 Millimeter starkes Siliziumkarbid damit geschnitten. Dank seiner Präzision und intrinsischen Kühlung ist das Verfahren für hochempfindliche und sehr harte Materialien prädestiniert: Diamanten und andere Juwelen, Halbleiter oder auch technische Keramiken.

Es hat Jahre gedauert, die Idee zum industrietauglichen Verfahren zu entwickeln. Was waren dabei die größten Herausforderungen?

Richerzhagen: Das Verfahren ist komplex und reagierte anfangs sensibel auf Störeinflüsse. Das liegt daran, dass ein Wasserstrahl ein physikalisch instabiles Phänomen ist. An der Grenzfläche zur Luft möchte er seine Kontur fortwährend ändern und Kugelform annehmen. Um diesen Effekt zu bändigen, mussten wir den richtigen Druck, geeignete Düsen sowie optimale Wasserstrahldurchmesser finden und zugleich die Pulsfrequenz, Pulsdauer und Leistung der Laser im Sinne der Prozesseffizienz und Wiederholbarkeit bei gleichbleibender Qualität optimieren. Heute ist der Wasserstrahl je nach Anforderung 20 bis 80 Mikrometer (µm) dünn. Zum Vergleich: Ein menschliches Haar hat etwa 60 µm Durchmesser. Das Wasser wird vorab in unseren Anlagen ultra-gereinigt und unter Druck gesetzt. Mit diesen Parametern ist es gelungen, ein stabiles industrielles Verfahren zu entwickeln, das sich selbst in stark regulierten Branchen etabliert hat. Heute werden mit unserem LMJ-Verfahren wichtige Triebwerkskomponenten der neuesten Flugzeuggeneration von Boeing und Airbus bearbeitet – und leben tausende Patienten mit LMJ-bearbeiteten Stents.

Steigt durch den Einsatz von Wasser der Reinigungsaufwand – und muss das genutzte Wasser anschließend entsorgt werden?

Richerzhagen: Die Wassermengen sind minimal. Und weil wir hochreines Wasser verwenden, bringt es keinerlei Partikel und Fremdstoffe in den Prozess. Vielmehr erhöht es die Präzision, indem es das gelöste Material aus der Bearbeitungszone spült. Da wir das Wasser in unseren Anlagen aufbereiten, können wir jedes Wasser weltweit verwenden – ob in Indien, China oder Afrika. Für einen Kunden haben wir jüngst sogar eine Kreislaufführung des Wassers realisiert. Wegen der sehr geringen Men-gen von etwa einem Liter pro Stunde ist dieser Sonderaufwand meist nicht erforderlich.

Viele Ihrer aktuellen Veröffentlichungen thematisieren die Bearbeitung von Diamanten. Ist das Ihr wichtigster Markt?

Richerzhagen: Es ist ein sehr wichtiger Markt, der aktuell sowohl bei synthetischen als auch bei den Naturdiamanten viele Veränderungen durchläuft. Unser neues CNC-gesteuertes LMJ-Laserschneid- und Polierverfahren verarbeitet Rohdiamanten binnen einer Stunde vollautomatisch zu Brillanten mit 57 Facetten. Bisher dauerte es Wochen, die geforderte µm-Präzision zu erreichen. Zusätzlich nutzt unser Verfahren die Kontur der Rohdiamanten optimal aus, minimiert so den Verschnitt und es bleiben nutzbare Schnittreste statt Schleifpulver. Ein weiterer Treiber sind die rasanten Fortschritte bei der Herstellung synthetischer Diamant-Materialien. Die Entwicklung ist vergleichbar mit den Anfängen der Nutzung von Aluminium. Das war auch mal sehr teuer – und dient heute als Verpackungsmaterial. Je günstiger sich Diamanten erzeugen lassen, desto breiter wird das Anwendungsspektrum. Das ist eine sehr gute Entwicklung für Laserbearbeiter, weil nur sie Diamanten verschleißfrei bearbeiten kön-nen.

In welchen Regionen und Branchen sehen Sie außerdem Wachstumspotenzial für die Laser-Materialbearbeitung?

Richerzhagen: Neben der Diamantindustrie zählt die Halbleiterindustrie zur den wichtigsten Kunden. Und auch in der restlichen industriellen Materialbearbeitung wird der Lasereinsatz zunehmen. Bei uns reicht das Spektrum von technischen Keramiken, Turbinenschaufeln und Uhren bis zum Automobil- und Werkzeugbau. Ein wachsendes Anwendungsfeld ist besagte Bearbeitung keramischer Bauteile für Flugzeugtriebwerke. Im Sinne des Leichtbaus setzen Hersteller auf Siliziumkarbid-Werkstoffe: Teils Siliziumkarbid-Fasern in einer Siliziumkarbid-Matrix. Damit erreichen sie höchste Festigkeiten bei nur einem Viertel des Gewichts bisheriger Inconel-Legierungen. Doch diese anspruchsvollen Materia-lien zu bearbeiten ist eine Herausforderung. Oft kommen Kunden zu uns, die nicht mehr weiterwissen. Wir betreiben in allen unseren Niederlassungen Labors, in denen wir den LMJ-Prozess mit diesen Kunden auf ihre jeweilige Anwendung auslegen. Ich denke, dass sich die neuen Werkstoffe in vielen Branchen durchsetzen werden. Siliziumkarbid und Diamant in der Halbleiterbranche, technische Dia-manten und hochfeste Keramiken im Flugzeug-, Automobil- und Werkzeugbau oder in der Medizintechnik. Überall sind hocheffiziente und präzise Bearbeitungsverfahren für diese Werkstoffe gefragt. Aktuell laufen bei uns auch Projekte mit Batterie- und Brennstoffzellenherstellern. Wir erleben es nun – zwei Jahrzehnte nach unserer Gründung – dass unser Verfahren in diesen materialgetriebenen Innovationsfeldern in aller Welt auf enorme Nachfrage stößt. Die Pandemie hat den Wandel in vielen Branchen zusätzlich beschleunigt. Darum bauen wir unsere Produktionskapazitäten aktuell mit Hochdruck aus. Wir bauen in der Schweiz eine Montagehalle, die dreimal so groß ist, wie die bisherige und schaffen zusätzlich in Rottweil und in China ein Mehrfaches unserer bisherigen Kapazitäten. Und tatsächlich kommt es uns aktuell zugute, dass sich der Fachkräftemarkt infolge der Pandemie entspannt hat. Fitte Bewerber sind weiterhin herzlich willkommen.

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