„Bei blauen Lasern kommt es auf die Brillanz an“

NUBURU Inc. aus Denver, Colorado, hat sich als Anbieter leistungsstarker blauer Lasern innerhalb kürzester Zeit weltweit einen Namen gemacht. Mitgründer Jean-Michel Pelaprat ist in der vierköpfigen, branchenerfahrenen Geschäftsführung für Vertrieb und Marketing verantwortlich. Im Interview spricht er über die wichtigsten Anwendungsfelder, Marktperspektiven und Entwicklungspotentiale blauer Laser – sowie über die Vorteile von chipbasierten Lasersystemen, die Einzeldioden kombinieren. Zudem gibt er eine Einschätzung des Marktpotenzials für Laser in der Elektromobilität.

Herr Pelaprat, können Sie uns NUBURU Inc. bitte kurz vorstellen?

Jean-Michel Pelaprat: Wir sind ein vier Jahre junges Unternehmen, hinter dem aber Laser-Veteranen stehen. Die Ur-Gründer sind Mark Zediker und ich. Mit Dr. Jean-Phillip Feve und Denis Brisson ergänzen zwei erfahrene Photonik-Spezialisten unser Management-Team. NUBURU beschäftigt einige Dutzend Mitarbeiter und hat den klaren Fokus auf der Entwicklung und Herstellung blauer Hochleistungslaser auf Basis von Gallium-Nitrid (GaN). Wir sind Pioniere auf diesem Gebiet. Seit 2013 haben wir ein Portfolio von über zehn Patenten entwickelt, mehrere Dutzend weitere sind in Bearbeitung. Wir haben 2017 unseren ersten chipbasierten 150-Watt-(W)-Laser auf den Markt gebracht...

...der prompt für den PRISM-Award nominiert war. Zwei Jahre später bieten Sie einen 500 Watt- und einen Kilowatt-Laser an. Ist die Leistung weiter skalierbar?

Pelaprat: Trotz unserer kurzen Geschichte sind es sogar schon fünf Auszeichnungen. Unter anderem waren wir Finalist des Innovation-Awards der LASER World of PHOTONICS in München. Jüngst hat Frost & Sullivan uns mit dem North American Technology Innovation Award 2019 ausgezeichnet und unsere blauen Laser als "Game-Changer für das Schweißen von Metallen" bezeichnet. Um die Frage nach der Leistung zu beantworten: Unsere Laser sind von Haus aus auf sehr hohe Leistungen skalierbar – perspektivisch bis in den mittleren zweistelligen Kilowatt-Bereich. Wir werden schon bald ein 1,5 kW-System auf den Markt bringen. Unsere aktuelle Roadmap zielt auf 5 kW.

Was sind die wichtigsten Anwendungen für blaue Laser im Wellenlängenbereich um 445 nm?

Pelaprat: Unser wichtigster Markt ist die Materialbearbeitung: Schweißen, Schneiden, Beschichten oder additive Fertigung (3D-Druck). Erste Kunden gehen aktuell Nichtmetalle an, was wir bei der Entwicklung unserer Technologie nie gedacht hätten. Die Hauptanwendungen liegen daher klar im Metallbereich. Nichteisenmetalle wie Kupfer und Gold absorbieren blaue Wellenlängen deutlich besser als Infrarot oder Grün. Verglichen mit Infrarot absorbiert Gold ein 66-Faches an blauem Lichts, Kupfer ein 13-Faches und bei Aluminium ist der Faktor drei. Auch bei Nickel, Edelstahl oder Titan ist die Absorption um 30 bis 80 Prozent höher. Das resultiert in deutlich höheren Verarbeitungsgeschwindigkeiten und Effizienz. Auch ermöglicht die minimierte Reflexion spritzerfreie Prozesse und signifikant höhere Qualität der Materialverbindungen in Bezug auf die mechanische Festigkeit, Langzeitstabilität und die Sicherheit. Darüber hinaus ebnen blaue Laser den Weg zu bisher unerreichter Qualität in der Kupfer-Kupfer-Bearbeitung sowie bei Schweiß- und Beschichtungsprozessen mit verschiedenen Metallen.

Sind Ihre Laser schon im industriellen Einsatz?

Pelaprat: Da wir erst vier Jahre existieren, befinden wir uns in einem frühen Stadium. Wir haben eine ganze Reihe von Lasern ausgeliefert, die unsere Kunden für verschiedene Anwendungen qualifiziert haben. In Märkten wie der Automobilindustrie dauert es jedoch oft mehrere Jahre, bis neue Prozesse qualifiziert sind. Derzeit befinden wir uns in der Applikationsphase. Die Hersteller sind neugierig. Sie testen unsere Laser und überzeugen sich von ihren Vorteilen. Wenn wir diese Stufe nehmen, kommen als nächstes das Engineering, die Produktion und schließlich die Massenproduktion. In einigen Branchen haben wir bereits die endgültige Fertigungsqualifikation erreicht. Als Faustregel gilt: Die Unterhaltungselektronik ist schneller als der Automobilsektor, und in China sind die Hürden niedriger als in Japan, der EU oder den USA. Aber eins ist klar: NUBURU ist bereit, die Bühne zu betreten.

Was sind die zentralen Vorteile gegenüber grünen oder infraroten Lasersystemen?

Pelaprat: Bei Infrarot ist die Antwort einfach: Wir lösen aktuelle Probleme, die bei Schweißprozessen von hochreflektierenden Metallen auftreten - Spritzer, Defekte oder geringer Wirkungsgrad durch geringe Energieaufnahme. Dünne Folien oder ungleiche Metallen lassen sich mit Infrarotwellenlängen oft gar nicht schweißen. Hier sind unsere blauen Laser im wahrsten Sinn „Gamechanger“. Sie verbessern die Leistung, öffnen neue Prozessfenster und minimieren die Wärmeeinwirkung auf das umgebende Material – etwa auf empfindliche Beschichtungen. Hauptvorteile gegenüber grünen Lasern sind die höhere Absorption, die erwähnten Potenziale zur Skalierung der Ausgangsleistung und die geringere Systemkomplexität. Grüne Laser sind ja eigentlich Infrarot-Laser, die mit einem Frequenzdoppler als Konverter kombiniert werden. Diese Technologie ist nach 30 Jahren im Markt ausgereift. Die Systeme sind komplex und wegen der diversen Konvertierungsstufen findet nur knapp 20 Prozent der Energie den Weg in die Faser. Dagegen sind blaue Laser einfach: GaN-Dioden verwandeln Elektronen in Photonen, die sie direkt an einen Combiner und weiter an die Faser abgeben. Der Wirkungsgrad liegt bei rund 30 Prozent, und wir sind zuversichtlich, ihn noch auf mindestens 50 Prozent steigern zu können. In Bezug auf den Energieverbrauch sind blaue Laser der grünere Ansatz als grüne Laser.

Warum setzt NUBURU auf Chip-basierte Laser mit Einzeldioden statt auf vermeintlich simplere Systemaufbauten mit Laserbarren?

Pelaprat: Die chipbasierte Technologie kombiniert hohe Leistung mit sehr hoher Brillanz. Das führt zu viel höheren Leistungsdichten am Werkstück, als bei vergleichbaren barren-basierten Systemen. Das führt zu einer deutlichen Steigerung der Geschwindigkeit und Qualität in der Materialbearbeitung. Wir haben uns bewusst für den chipbasierten Ansatz entschieden, weil wir damit die Strahlrichtung jedes einzelnen Chips mit einer eigenen Linse steuern können. Entscheidend für präzise Schweißprozesse ist die Brillanz. Unsere Laser liefern die doppelte Leistungsdichte vergleichbarer Produkte im Markt – 30 mm/mrad statt 60 mm/mrad. Mit unserer neuen 1,5 kW Produktlinie werden wir diesen Wert noch einmal auf 11 mm/mrad erhöhen. So verbessern wir innerhalb einer Produktgeneration die Leistung um Faktor drei (500 W auf 1.500 W) und erhöhen zugleich die Brillanz und Spotgröße von 30 auf 11 mm/mrad, was nahezu Faktor drei entspricht. Die Zahlen veranschaulichen das Potenzial der jungen Technologie. Wir können damit ein Leistungsniveau von rund 10 Megawatt / cm² realisieren – und so einen entscheidenden Vorteil verwirklichen: Wir können blaue Laser mit Scan-Systemen kombinieren und Spotgrößen von ca. 400 µm erreichen. Viele unserer Kunden aus den Bereichen Batterieproduktion, Leistungselektronik oder Additive Manufacturing warten auf eine solche Lösung.

Die Elektromobilität eröffnet neue Chancen für die Laserindustrie. Wie schätzen Sie die Markt- und Entwicklungsdynamik ein?

Pelaprat: Die Elektrifizierung und der Übergang von fossilen Brennstoffen zu regenerativen Energien nehmen Fahrt auf. Elektroautos, -roller, -fahrräder oder auch E-Busse und E-Lastwagen sind weltweit im Kommen. Und die Entwicklung geht weit über die Mobilität hinaus: Computer, Smartphones, Elektrowerkzeuge, Energiespeicher und vieles mehr. Diese Elektrifizierung auf breiter Front löst enormen Bedarf an Batterien aus. Die Industrie sucht dringend Lösungen zur Steigerung der Leistungsdichte der Batterien, zur Fertigung von Elektromotoren, Leistungselektronik und so weiter. Laser sind ein Teil der Lösung. Etwa zum Schweißen von Kupfer und Aluminium. Bei Batterien bieten unsere Lösungen mit blauen Lasern bessere Langzeitstabilität und einen Schlüssel zur Erhöhung der Energiedichte. Bisher hat die Industrie für die Elektroden 12-µm-Kupferfolien verarbeitet. Wegen der weit präziseren Bearbeitung mit blauen Lasern wird es möglich, die Folienstärke auf 6 µm zu reduzieren, mehr aktives Material aufzutragen und die Energiedichte so deutlich zu steigern. In Smartphones mancher Hersteller gibt es mehr als 200 Schweißnähte, teils Kupfer, teils verschiedene Metalle. Um die Effizienz und Qualität zu steigern, sind Laser der Schlüssel. Sie bieten allen angesprochenen Branchen enormen Mehrwert – und anders als noch vor 20 Jahren müssen ihre Entscheider nicht mehr vom Potenzial der Lasertechnik überzeugt werden.

Gibt es bei dieser Transformation nach Ihren Beobachtungen große Unterschiede zwischen in den USA, Asien und Europa?

Pelaprat: Die Nachfrage nach innovativen Lösungen ist allen Regionen sehr groß - insbesondere für die Verarbeitung von Kupfer. In China ist der politische Wille, in der Elektromobilität führend zu sein, deutlich zu sehen. Auch die EU tut viel, um nachhaltige Mobilität voranzutreiben. Der Markt ist noch in einer frühen Phase, entwickelt sich aber bereits enorm. Wir haben das Gefühl, zur richtigen Zeit die richtigen Lösungen anzubieten.

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