08.05.2018

„Dann wird die Technologie buchstäblich fliegen“

Prof.  Reinhart Poprawe

Prof. Reinhart Poprawe ist Leiter des Fraunhofer-Instituts für Lasertechnik ILT Aachen. Zudem leitet er den Lehrstuhl für Lasertechnik LLT der RWTH Aachen, ist Board-Mitglied des Laser Institute of America und Honorarprofessor an der Tsinghua University Peking. Im Interview spricht er über Laserverfahren in der Industrie 4.0, technologische Perspektiven der Additiven Fertigung sowie über Fortschritte bei Ultrakurzpulslasern und der Extreme-UV-Lithographie.

Herr Prof. Poprawe, die Lasermaterialbearbeitung zählt zu den Kernaktivitäten Ihres Instituts. Welche Rolle kann und wird sie in der Industrie 4.0 spielen?

Prof. Reinhart Poprawe: Laser bieten Energie in höchster Qualität. Die Entropie, also das Maß der Unordnung im System, ist gleich Null. Das erlaubt es, die Energie extrem präzise in Raum und Zeit zu bündeln und fokussieren. Dadurch sind Laser für die Materialbearbeitung so interessant. Zumal die hemmend wirkenden Kosten sinken: Faserlaser kosten heute circa 50.000 EUR pro Kilowatt – vor fünf Jahren war es das Achtfache! Das Anwendungsspektrum wird umso breiter, je besser es gelingt, die Freiheitsgrade der Energieform an die jeweilige Anwendung zu adaptieren. Zumal sie masselos und damit schneller als jedes mechanische Werkzeug bewegbar ist. Damit drängen sich Laser als Werkzeug für elektronisch gesteuerte Fertigungsprozesse der Industrie 4.0 auf.

Was sind die Vorteile?

Die Digital Photonic Production kann Bauteile ohne Aufpreis individualisieren und komplexe Strukturen realisieren. Und da Laser zugleich als Sensoren nutzbar sind, läuft die Erzeugung digitaler Zwillinge gleich mit. Wobei wir mittlerweile eher auf „digitale Schatten“ setzen: Wir nutzen eine Projektion des digitalen Zwillings, um nur die tatsächlich benötigten Kenndaten zu gewinnen. Voraussetzung für solche durchgängigen Prozessketten der Industrie 4.0 ist eine eindeutige Datenübergabe von Station zu Station: Auch dies ist mit Laserprozessen einfacher als mit mechanischen Verfahren, da ja alle Prozessdaten digital verfügbar sind. Lasermaterialbearbeitung ist für Industrie 4.0 prädestiniert.

Am Aachen Center for Additive Manufacturing sind viele Konzerne und Mittelständler aktiv. Wird Additive Manufacturing (AM) zum industriellen Serienverfahren?

Poprawe: In einigen Branchen ist es das schon. In Medizintechnik, Flugzeugbau oder im Pumpenbau setzen Hersteller für Kleinserien auf den industriellen 3D-Druck. Und auch die Automobilindustrie schaut sich die Verfahren genau an: BMW wird im Mai auf unserem Campus das erste Serienbauteil vorstellen, dass im Selektiven Laserschmelzprozess (SLM) gefertigt wird. Es wird in einem elektrisch angetriebenen Cabriolet eingesetzt, also in einem Kleinserienmodell. In solchen Projekten prüft die Branche, inwieweit die Zuverlässigkeit und Robustheit schon für die breitere Anwendung genügen. Insgesamt steigen die Stückzahlen stetig, was an der wachsenden Produktivität additiver Verfahren liegt.

Wohin geht die Reise?

Wir haben im Fraunhofer-Verbund das Fokusprojekt „future-AM“ mit dem Ziel aufgesetzt, die Produktivität binnen drei bis fünf Jahren um den Faktor 20 zu erhöhen. Die Prozesskosten steigen zwar, doch die hohe Produktivität und Fertigungsgeschwindigkeit werden das weit überkompensieren. Unser Ziel ist es, im Vergleich zu heute um den Faktor 10 günstiger zu werden. Die additive Fertigung komplexer Bauteile lohnt sich bereits. Nun geht es darum, den Breakeven in Richtung Großserie mit Stückzahlen größer 100.000 zu verschieben. Auch im Kunststoffbereich ist das Potential längst nicht ausgeschöpft: Wir arbeiten hier an neuen Verfahren wie der „Thiol-ene click Chemie“, einer photoinduzierten Polymerisation, die von der Qualität her an den Spritzguss heranreicht.

Wie stellen Sie sich den typischen AM-Prozess für Metallbauteile im Jahr 2030 vor?

Poprawe: Vorne kommt das Pulver rein, und hinten kommen die fertigen Bauteile heraus. Komplett automatisiert vom Pulverhandling bis zur Nachbearbeitung. Die Anlagen werden, wenn es gut läuft, weit mehr Laser als heute haben. Statt den Umweg über diodengepumpte Festkörperlaser zu gehen, also viele Strahlquellen zu einem Strahl zu fusionieren, der extrem schnell über das Pulverbett geführt wird, können wir die vielen Strahlquellen direkt zur Belichtung nutzen. Konzepte mit fasergekoppelten Diodenlasern versprechen sehr viel höhere Produktivität, weil die Laser viel höher ausgelastet werden und eine Parallelbelichtung des Pulvers ermöglichen. So wird der Prozess zudem beliebig skalierbar. Segmentierte Bauräume in Größenordnungen von 1,5 x 3 m werden dann normal sein, das übliche Maß in der Metallverarbeitung.

Themenwechsel: Im Halbleitermarkt steht die Extreme-UV-Lithographie nun endlich vor dem Durchbruch. Was waren aus Sicht des EUV-Experten die größten Hürden?

Poprawe: Drei Hersteller werden 2019 in die EUV-Serienfertigung einsteigen, darunter Intel und Samsung. Allerdings wehren die Entwickler herkömmlicher Belichtungsverfahren sich nach Kräften: Sie sind mit Excimer-Lasern in nie für möglich gehaltene Größenordnungen von 15 Nanometern (nm) vorgestoßen. Wohlgemerkt mit 193-nm-Strahlquellen! Das ist höchst beeindruckend. Die EUV-Technologie wird zunächst mit CO²-Lasern in einstellige nm-Bereiche vorstoßen. Hemmschuhe waren die Komplexität, Kosten – und die erfolgreiche Gegenwehr der klassischen Technologie.

Wo hat die EUV-Technologie über die Halbleiterbranche hinaus Potential?

Poprawe: Inkohärente EUV-Strahlung mit 2,5 nm Wellenlänge bietet die Chance extrem hochauflösender Transmissionsmikroskopie. Biologen könnten damit das Verständnis von lebenden Zellen vertiefen, auch wenn die Zellen im Moment der Aufnahme in dem extremen UV-Licht sterben. Daneben besteht die Möglichkeit der kohärenten EUV-Strahlenerzeugung. Damit wäre Laserstrahlung mit Wellenlängen von 10 nm verfügbar, die im einstelligen nm-Bereich fokussierbar ist. Das sind Dimensionen, die für die Quantentechnik sehr interessant sind, weil Qubits damit einzeln adressierbar wären. Auch für die Messtechnik sind solche Wellenlängenbereiche höchst interessant. Aus der Nachfrage im Halbleitermarkt entwickelt sich also eine neue Enabler-Technologie für wichtige Zukunftsfelder der Photonik!

Ultrakurzpulslaser nehmen aktuell eine rasante Entwicklung. Wo sehen Sie – auch mit Blick auf internationale Märkte – die wichtigsten Einsatzfelder der UKP-Technologie?

Poprawe: Ist Ihnen aufgefallen, dass Flugzeugtragflächen anders aussehen, als vor zehn Jahren? Sie sind jetzt an den Spitzen umgebogen. Sogenannte Winglets minimieren die Querbewegung und damit Turbulenzen, die einige Prozent mehr Kerosinverbrauch verursachten. Jetzt haben Flugzeugbauer die nächsten Turbulenzen im Fokus: Wo der schnellere Luftstrom auf den Tragflächen auf die langsamere Strömung unter der Tragfläche trifft, gibt es einen enormen Abwärtswirbel. Dieser geht auf Kosten der Effizienz. Warum erzähle ich das? Mit Ultrakurzpulslasern ist es nun möglich, die Grenzflächen an der Tragflächenoberseite so zu bearbeiten, dass ein Teil des Luftstroms abgesaugt wird. Mit UKP-Technik werden dafür rund 10 Milliarden Löcher in eine zweite Haut der Tragfläche eingebracht, durch die ein Unterdruck die Luft ansaugt und ableitet.

Mit welchem Effekt?

Die Minimierung der Wirbel hinter den Tragflächen verspricht laut NASA 10 bis 15 Prozent (!) Kerosineinsparung. Das motiviert uns, UKP-Laser mit 10 kW mittlerer Leistung zu entwickeln. Wir haben ein Fraunhofer-Cluster aufgesetzt, das dieses Ziel verfolgt. Heute sind 100-Watt-Systeme üblich, bald werden es zwei kW und in drei bis fünf Jahren zehn kW sein. Anwender brauchen solche produktiven Systeme, damit UKP-Prozesse nicht mehr Wochen und Tage sondern nur noch Stunden und Minuten brauchen. Dann wird die Technologie buchstäblich fliegen, wo immer es gilt, Oberflächen zu strukturieren und strömungstechnisch zu optimieren. Aber auch Anwendungen in der Oberflächentechnik für Windkraft oder im Korrosionsschutz sind in Vorbereitung. Sie zeichnen sich durch extreme Präzision im Bereich von 100 nm aus – und sollen von bekannten Mikroverfahren wie der Augenkorrektur mit Femtosekunden-Lasern in den Makrobereich überragen werden.

 
 
 
 
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