„Wir müssen zu altem Pioniergeist zurückfinden“
Wie beeinflusst die Transformation der Automobilindustrie die Lasertechnik? Welche Zukunftsfelder sollte die Photonik ins Visier nehmen und wie bestehen Anbieter aus Europa im globalen Wettbewerb? – Prof. Thomas Graf, seit 2004 Leiter des Instituts für Strahlwerkzeuge (IFSW) der Universität Stuttgart und zuletzt auch Präsident der WLT – Wissenschaftlichen Gesellschaft Lasertechnik, sowie der stellvertretende IFSW-Leiter und Inhaber des Lehrstuhls Lasertechnik in der Fertigung, Prof. Andreas Michalowski, geben im Interview Antworten. Michalowski forscht am InnovationsCampus Mobilität der Zukunft (ICM) unter anderem zu KI und Machine Learning in Laserprozessen – und hat dort tiefe Einblicke in die Trends und Entwicklungen im Automobilbau.
Herr Prof. Graf, Sie sind seit 22 Jahren IFWS-Direktor. Was hat Sie in Ihrer Amtszeit besonders beeindruckt?
Prof. Thomas Graf: Der zielstrebige, erfolgreiche Transfer wissenschaftlicher Erkenntnisse aus der Lasertechnik in die Entwicklungen der Industrie hier in Deutschland. Das war letztlich der Grund, warum ich aus der Schweiz hierhergekommen bin. Lasertechnisch gesehen hat hier die Musik gespielt, auch weil Wissenschaft, Industrie und Politik so eng verzahnt sind. Dieser Transfer ist keine Einbahnstraße: Industrielle Herausforderungen fließen auch in wissenschaftliche Fragestellungen ein – es gibt ein fruchtbares Zusammenspiel aus Push und Pull zwischen Wissenschaft und Industrie. Das war ein sehr gut gelebter Prozess, der gerade in den 1980er und 1990er Jahren politisch stark gefördert wurde. Die Universität Stuttgart hat diesen Dialog mit der in der Exzellenzinitiative eingerichteten Graduate School of Advanced Manufacturing Engineering (GSaME) institutionalisiert: Industrielle Partner bringen regelmäßig Fragen aus ihrer Forschung und Entwicklung als Promotionsthemen ein, die hier mit den Qualitätsstandards einer Universität strukturiert vorangetrieben werden.
Als WLT-Präsident waren Sie zuletzt am Puls der Laserindustrie. Wie bewerten Sie die Perspektiven in Deutschland und Europa?
Graf: Die WLT ist zwar eine professorale Gesellschaft ohne Industriemitglieder, doch pflegen die Mitglieder in ihren Bereichen engen Austausch mit der Wirtschaft. Lasertechnik hat den Vorteil, dass sie sehr vielseitig einsetzbar ist. Daher leidet sie aktuell nicht ganz so heftig wie andere Branchen. Die laufende Transformation der Automobilindustrie birgt viele spannende Laseranwendungen, etwa in der Fertigung von E-Motoren, Batterien und Leistungselektronik. Das Anwendungsspektrum wird also eher breiter. Und natürlich wird der Laser weit über die Automobilindustrie hinaus eingesetzt. Daher sehe ich ungebrochen gute Perspektiven für die Branche. Allerdings dürfen sich weder die Wissenschaft noch die Industrie auf vergangenen Erfolgen ausruhen. Zuweilen sehe ich die Gefahr, dass der zur Jahrtausendwende spürbare Pioniergeist Schwung verliert. Wir müssen in Europa zu dieser Begeisterung zurückfinden, Chancen erkennen und mit Vollgas in neue Richtungen investieren, statt den zunehmenden globalen Wettbewerb zu beklagen.
Herr Prof. Michalowski, wie wirkt sich die Transformation der Automobilindustrie auf Ihre Arbeit am InnovationsCampus Mobilität der Zukunft (ICM) aus?
Prof. Andreas Michalowski: Sehr deutlich! Denn es gibt eine klare Verschiebung weg von klassischen Antriebskomponenten hin zu Batterien, Elektromotoren und Leistungselektronik. Dabei geht es vermehrt um die Laserbearbeitung von Materialien wie Kupfer und Aluminium, mit der neue Fragestellungen für die Lasertechnik und Prozessüberwachung einhergehen. Zugleich gewinnen die Digitalisierung und Fragen der Nachhaltigkeit an Bedeutung. Damit tun sich neue Forschungsfelder auf. Wir müssen interdisziplinärer arbeiten und in der Lehre künftige Anforderungen der Industrie berücksichtigen. Der ICM ist die richtige Plattform für die standortübergreifende, interdisziplinäre Zusammenarbeit zwischen Wissenschaft und Industrie, die neue Ansätze und Lösungen schnell in die Anwendung bringt.
Können Sie eine dieser Fragestellungen exemplarisch erläutern?
Michalowski: Viele Laserprozesse erfolgen in der Batteriefertigung zu einem relativ späten Zeitpunkt in einer Prozesskette. Durch die vorgelagerten Prozesse haben die bearbeiteten Komponenten oft schon einige hundert Euro Wert. Gleichzeitig gibt es hohe Anforderungen an Schweißverbindungen. Geht etwas schief und wird eine Komponente dadurch in diesem Stadium irreparabel zerstört, ist der Schaden groß. Deshalb braucht es verlässliche Inline-Prozessüberwachung und intensives Qualitätsmanagement. Aber wenn ein Fehler erkannt wird, ist er schon passiert. Besser ist es, ihn durch sehr robuste, nachregelbare Prozesse von Anfang an zu vermeiden. Wenn das nicht gelingt, brauchen wir Möglichkeiten für eine effiziente Reparatur. Ist ein Laserschweißfehler passiert, müssen wir die Stelle ein zweites Mal anfahren und den Fehler automatisiert beheben können. Das setzt voraus, dass wir die Prozesse präzise überwachen und dokumentieren.
Machen die Laseranwendungen in der Produktion von Batterien, Brennstoffzellen und Elektromotoren die wegfallenden Prozesse an Verbrennungsmotoren wett?
Michalowski: Bei Batterien, Brennstoffzellen und E-Motoren gibt es sehr viele Schweißnähte und oft besonders hohe Qualitätsanforderungen. Hier werden Laserprozesse definitiv eine zentrale Rolle spielen. Mit Blick auf die gesamte Wertschöpfung ist der Anteil des Lasers in der Elektromobilität vermutlich sogar höher als bei Verbrennungsmotoren. Aus Perspektive der Forschung eröffnet die laserbasierte Fertigung damit ein sehr facettenreiches Spektrum hochrelevanter Fragestellungen mit erheblichem Potenzial für industrielle Anwendungen.
Welche Rolle spielen Künstliche Intelligenz (KI) und Machine Learning (ML) heute und in Zukunft der Lasermaterialbearbeitung?
Michalowski: ML und KI haben das Potenzial, die laserbasierte Fertigung auf ein neues Niveau zu heben. Moderne Bearbeitungsanlagen bieten zwar bereits die Möglichkeit der dynamischen und zeitabhängigen Variation von Prozessparametern. Dieses Potenzial wird bisher aber nicht annähernd ausgeschöpft. Das liegt in erster Linie daran, dass physikalische Modelle die Wechselwirkungen in Prozessen noch nicht genau genug beschreiben. Hinzu kommt die Größe des Parameterraums, die es erschwert, das Potenzial auszuschöpfen. Wir haben am IFSW gezeigt, dass mit ML-Algorithmen auch in großen Parameterräumen viel weniger Experimente nötig sind, um optimale Prozessfenster zu identifizieren. Kombiniert mit automatisierter Versuchsauswertung geht die Reise hin zu selbstoptimierenden Anlagen, die in sehr kurzer Zeit selbstständig geeignete Parameterfenster finden. Daran arbeiten wir.
Ein weiterer Forschungsschwerpunkt nimmt hochdimensionale Parameterräume ins Visier, und kombiniert datengetriebene Modelle mit jenen physikalischen Modellen, die in all den Jahren entstanden sind. Ich sehe großes Potenzial darin, die mächtigen ML- und KI-Algorithmen in hybriden Ansätzen mit physikalischen Modellen zu kombinieren. Der Vorteil liegt darin, dass es bisher aufwändiger Versuche bedarf, um an die benötigten Daten für das Training der KI zu kommen. Der hybride Ansatz ist deutlich effizienter, weil er unser Vorwissen ausschöpft, um die Modelle zu trainieren. Diese Modelle erlauben es physikalisch begründet in Bereiche zu extrapolieren, in denen noch keine Daten vorliegen...
…um mit sehr wenigen Experimenten zu optimalen Prozessparametern zu gelangen.
Michalowski: Exakt. Ich sehe auch viele Einsatzmöglichkeiten in der Prozessüberwachung und -regelung. Dort kann KI aus sensorisch erfassten Prozesssignalen Rückschlüsse auf die Qualität ziehen. Ich vermute, dass Lasermaschinen der Zukunft durch Integration lernfähiger Modelle umfassendes Expertenwissen über Prozesse aufbauen und dieses untereinander austauschen werden. Was die einzelne Maschine im Prozess lernt, gibt sie an alle anderen weiter. Solche Maschinen können dann neben der Fertigung auch die Prozessentwicklung selbstständig durchführen. Sie wären also weitgehend autonom. In meiner Forschung geht es auch um die Frage, ob solche Systeme das menschliche Prozessverständnis übertreffen werden und wir am Ende von den Maschinen lernen können. Die Maschine könnte dann auf Basis des Erfahrungswissens aller Laseranlagen des Herstellers verschiedenste Materialien, Legierungen und Geometrien auf Anhieb fehlerfrei bearbeiten. Menschliches Expertenwissen ist für die Industrie in Zeiten des Fachkräftemangels eine teure Ressource mit schwankender Qualität, die beim Ausscheiden von Beschäftigten immer wieder verloren geht.
Hat die Industrie Vorbehalte gegen KI-unterstütze Laserverfahren in Serienprozessen?
Graf: Die eben aufgezeigte Vision dürfte ein zentraler Treiber dafür sein, dass die Industrie diesen Lösungen gegenüber sehr aufgeschlossen ist.
Michalowski: Tatsächlich sehe ich keinerlei Zurückhaltung bei unseren Industriepartnern. Es gibt ein sehr starkes Interesse am Einsatz dieser Methoden. Die zentrale Voraussetzung ist aber die Zuverlässigkeit; insbesondere, wenn Algorithmen in Fertigungsprozesse eingreifen. Es muss ausgeschlossen sein, dass KI un- oder zu spät bemerkt teure Fehlentscheidungen trifft. Vor dem Hintergrund, dass Firmen heute abertausende Arbeitsstunden investieren, um Parametersätze abzufahren, ist diese Aufgeschlossenheit nicht verwunderlich. Es gibt nichts Langweiligeres, als Tag für Tag an der Maschine zu stehen und Parametersätze abzufahren. Diese Stunden lassen sich in Zukunft mit spannenderen, produktiveren Tätigkeiten füllen.
Laserleistungen steigen. Erste Ultrakurzpuls-(UKP)-Laser liefern mittlere Leistungen im Kilowatt-(kW)-Bereich. Wie wird das die Lasermaterialbearbeitung verändern?
Graf: Bei cw-Lasern sind wir doch schon länger im Multi-kW-Bereich. Und auch die ersten Demonstrationen von UKP-Lasern mit kW-Leistungen liegen einige Jahre zurück, auch wenn sie erst jetzt im Markt ankommen. Es gab vor nicht allzu langer Zeit die Einschätzung in der Industrie, dass niemand solche Leistungen braucht; auch, weil man nicht damit umzugehen wusste. Das ist zum Glück Geschichte. Die große Disruption in diesem Zusammenhang erwarte ich allerdings nicht nur aufgrund der Leistungssteigerung. Interessanter wird es, wenn man sich den Aufbau der Hochleistungs-UKP-Laser genauer anschaut. Sie bauen auf einem kleinen Seed-Laser mit geringer Leistung auf, dessen Strahl dann eine mehrstufige Verstärkerkette durchläuft. Wichtig ist nun, dass diese Verstärkung für ultrakurze wie lange Pulse oder sogar kontinuierliche Strahlung genau gleich gut funktioniert. Es braucht also gar nicht mehr viel, um einen Laser zu bauen, der von UKP bis CW alles kann. Wir haben solche Demonstratoren bereits im Betrieb. Ich gehe davon aus, dass Anwender über kurz oder lang nicht mehr verschiedene Laser für unterschiedliche Anwendungen kaufen müssen, sondern hochflexible Universalmaschinen für unterschiedlichste Prozesse nutzen werden. Das ist keine allzu ferne Zukunftsmusik.
Wofür braucht es diese Universallaser?
Graf: Ein Beispiel ist die Additive Fertigung. Durch Kombination unterschiedlicher Strategien mit verschiedenen Pulsdauern und Leistungen während des Druckens ist der gezielte Abtrag von Material in jeder Schicht möglich. So lassen sich Luftschlitze, Hohlräume und Kanäle viel präziser in Bauteile einbringen als allein mit Aussparungen beim selektiven Laserschmelzen. Das gedruckte Bauteil kommt mit fertigen Endkonturen aus der Anlage. Aber generell sind alle bekannten Laserverfahren kombinierbar. Ich sehe hier Riesenpotenzial, da wir so Dinge herstellen können, die bis jetzt undenkbar waren. Wir veröffentlichen demnächst eine Studie zu solchen Universalmaschinen, die mehrere Laserprozesse vereinen. Es ist in vielen Fällen ökologisch und ökonomisch ratsam, statt beispielsweise drei spezialisierter Maschinen eine Universalmaschine zu betreiben, die sich dann auch besser auslasten lässt. Zumal sich mit flexiblen Leistungen und Strategien auch Prozesse parallelisieren lassen, um die Dauer der Bearbeitung verkürzen und Wärmeakkumulation im Bauteil vorbeugen zu können.
Welche Effekte erwarten Sie infolge der Leistungszuwächse, Herr Prof. Michalowski?
Michalowski: Der sehr starke Leistungszuwachs bei den Systemen mit 50 kW und teilweise sogar deutlich darüber hinaus wird dem Laser neue Anwendungsfelder öffnen. Also nicht nur heutige Prozesse beschleunigen, sondern Anwendungen, in denen Lasertechnik bisher nicht wirtschaftlich war oder schlicht nicht in Frage kam. Im Schiffsbau oder in der Schwerindustrie können Hochleistungslaser zentimeterdicke Bleche schneiden und konventionelle Verfahren wie das Plasmaschneiden ersetzen. Auch für die Bearbeitung sehr großer Flächen, etwa bei Reinigungsprozessen oder der Strukturierung großformatiger Bauteile eignen sich Laser mit hoher mittlerer Leistung. Im Tunnelbau oder bei Tiefbohrungen könnten Laser dafür sorgen, dass Bohrer leichter und verschleißärmer durchs Gestein kommen. Und es wird viele neue Anwendungen geben, die wir heute noch nicht einmal erahnen.
Sehen Sie weitere Märkte, in denen die Photonik noch keine Rolle spielt, aber durch technologische Weiterentwicklungen Fuß fassen könnte?
Graf: Die Lasertechnik hat in den letzten Jahrzehnten sämtliche in der DIN 8580 genannten Hauptgruppen der Fertigungsverfahren vom Urformen und Umformen über das Trennen und Fügen bis zum Beschichten und Verändern der Stoffeigenschaften erschlossen. In diesem Bereich ruht noch viel Potenzial, um Marktanteile zu gewinnen und konventionelle Verfahren zu ersetzen und ergänzen. Und es gibt Branchen, wo der Laser noch gar nicht vertreten ist. Und die Produktionstechnik ist ja nur einer von sehr, sehr vielen Märkten. Der Bausektor, die Landwirtschaft, Gastronomie, Haushalts- und Küchengeräte und viele andere mehr werden in Zukunft ebenfalls vermehrt photonische Lösungen nutzen. Die zunehmende Leistung und Flexibilität, sinkende Preise sowie die dank KI und ML immer einfachere Handhabung ebnen dem Laser den Weg zu neuen Anwendungen.
Michalowski: Besonders spannend ist aus meiner Sicht auch das photonische Computing, also die Verarbeitung und Übertragung von Informationen mit Licht. Hier gibt es in Hinblick auf energieeffiziente Hochleistungsrechner und spezialisierte KI-Hardware noch gigantisches Entwicklungspotenzial. Gleiches gilt für das Quantencomputing. Mit photonischen Methoden lassen sich Quantenzustände erzeugen, kontrollieren und manipulieren. Und die Photonik ist auch der Schlüssel, um integrierte photonischen Komponenten für die Sensorik zu fertigen. Diese integrierte Photonik verspricht ebenfalls enormes Marktpotenzial – und ist eines der vielversprechenden Zukunftsfelder für die photonische Industrie in Deutschland. Zentral sind skalierbare Fertigungstechnologien, um diese Komponenten in hoher Stückzahl fertigen zu können. Mit Quantensensoren ließe sich beispielsweise die Navigation ganz ohne Satelliten realisieren, doch müssen sie dafür klein, robust und günstig werden.
Die Abschlussfrage geht an Sie, Herr Prof. Graf. Hatten Sie zu Beginn Ihrer Karriere in der Photonik eine Vorstellung davon, wie breit Lasertechnik heute einsetzbar ist?
Graf: Ja, wenn auch nicht in jedem Detail. Ich war fasziniert von der Lasertechnik – und ihre Vielseitigkeit war während meines Studiums in den 1980er und 90er Jahren eigentlich schon bekannt. Wir haben disruptive Chancen gesehen. Das war meine wesentliche Motivation, mich weiter mit der Lasertechnik zu beschäftigen und mein Physikstudium in diese Richtung zu treiben. Meine ursprüngliche Idee, in der Elementarteilchenphysik zu forschen, war dann schnell obsolet. Denn die Lasertechnik mit den praktischen Versuchen und ihrem gewaltigen Potenzial war viel faszinierender. Aber Andreas, wie war das eigentlich bei Dir? Wie bist Du zur Lasertechnik gekommen?
Michalowski: Es war zufälliger. Ich habe mich mit der optisch detektierten Kernspinresonanz (ODNMR) beschäftigt. Diese Methode kommt als Quantentechnologie aktuell im großen Stil in der Industrie an. Das war damals Grundlagenforschung und hat viel Spaß gemacht. Doch der Weg zur Anwendung war noch weit – und ich wollte anwendungsbezogener arbeiten. Ich habe mich in Richtung Laser für die Produktionstechnik orientiert und da erst nach und nach verstanden, wie weit das Spektrum der Laseranwendungen aufgefächert ist.