20. Februar 2018

„Produktion mit Licht: Der Schlüssel zur Industrie 4.0“


				
					Prof. Michael Schmidt

Prof. Michael Schmidt ist Geschäftsführer des Bayerischen Laserzentrums (blz), er leitet den Lehrstuhl für Photonische Technologien der Uni Erlangen, ist obendrein amtierender Präsident der Wissenschaftlichen Gesellschaft Lasertechnik (WLT) und in der Photonik international weit vernetzt. Im Interview spricht er über Perspektiven der Photonik 4.0 in Gesundheitswesen und Industrie, die Potentiale des Additive Manufacturing sowie über Ultrakurzpulslaser in Materialbearbeitung und biomedizinischen Anwendungen.

Herr Prof. Schmidt, was verstehen Sie unter dem Schlagwort Photonik 4.0?

Die Antwort darauf führt über den Umweg der Industrie 4.0 – also den Trend zu intelligenten, selbstkonfigurierenden Prozessketten, in denen vernetzte Maschinen die Werkstücke erkennen und individuell durch den Fertigungsprozess leiten. Hinzu kommt die Zustands- und Prozessüberwachung mit Big-Data-Methoden. Diese Visionen entstammen der IT-Welt und sind mit heutiger Umform- oder Fügetechnik nur bedingt machbar. Die Photonik 4.0 ist hingegen flexibel genug. Einen Laser programmieren Sie um, dann fertigt er das nächste Produkt. Produktion mit Licht ist der Schlüssel zur Industrie 4.0. Denn Licht bearbeitet nicht nur, sondern es misst, detektiert und liefert Bilder. Mess-, Sensor- und Imagingdaten sind in der Industrie 4.0 unverzichtbar, um Prozesse zu steuern und Maschinenzustände zu überwachen. Und auch in Medizin tragen optische Methoden und bildgebende Verfahren zur stetigen Verbesserung der Diagnose- und Therapiemöglichkeiten bei. Photonik 4.0 ist die intelligente Kombination optischer Technologien mit smarter Software.


Wird die softwaregestützte Vernetzung von photonischen Technologien künftig wichtiger, als Neuentwicklungen im Hardwarebereich?

Nein, keinesfalls. Wir brauchen Beides. Die Manipulation von Werkstücken oder Geweben mit Licht schöpft bei Weitem noch nicht alle Möglichkeiten des Lichts aus. Ein gutes Beispiel sind die Ultrakurzpuls-(UKP)-Laser, die erst seit Mitte der 2000er Jahre auf dem Vormarsch sind, weil sie es ermöglichen, Material kalt zu bearbeiten. Es wird weitere Entwicklungen geben: beispielsweise die Nutzung der Polarisation des Lichts in der Bearbeitung für präzisere Lasermaterialbearbeitung. Oder die intelligentere Steuerung von UKP-Lasern, um die Abfolge der Wellenlängen zu beeinflussen und so Einfluss auf den Materialbearbeitungsprozess zu nehmen. Ich beschreibe es immer so, dass wir in der Lasertechnik bisher vor allem mit dem Vorschlaghammer gearbeitet haben und erst langsam zum Skalpell kommen. Aber die intelligente Vernetzung der neuen und der bisher eingesetzten Hardware wird ebenfalls immer wichtiger – um datenbasierte optische Prozesse zu ermöglichen.


Die Vielfalt medizinischer Bildgebungsverfahren steigt. Ärzten fällt es heute schwer, das richtige Verfahren zu wählen und die Aufnahmen zu deuten. Kann Photonik-4.0 das Dilemma lösen?

Dass wir bei optischen Verfahren immer besser darin werden, geometrische und funktionelle Bildgebung zu verbinden, ist zunächst einmal positiv. Ein OCT (Optischer Kohärenz-Tomograph) liefert beim Blick ins Auge sehr genaue Informationen über den geometrischen Gewebeaufbau. In der Kombination mit Zwei-Photonen-Prozessen oder künftig mit der Pump-Probe-Spektrometrie bietet sich die Chance, gleichzeitig die Funktion dieser Gewebe zu untersuchen. Ich bekomme also wesentlich genauere Informationen zu Störungen im Körper. Ideal wäre es, wenn wir allgemeine Datenbanken hätten, in die alle Aufnahmen aller Patienten weltweit anonym gespeichert werden, und die wir dann mit Big-Data-Methoden und Deep-Learning-Ansätzen krankhafte von gutartigen Veränderungen im Gewebe zu unterscheiden lernen – möglichst weitgehend automatisiert…


…aus Datenschutzgründen sind selbst anonymisierte Bilddaten Tabu. Sind Gesetzänderungen nötig, um die nötige Datenbasis für lernende Systeme zu erschließen?

Wir müssen uns mit Alternativen zufrieden geben. Vielleicht genügt es, bestimmte Extrakte mit krankhaften Merkmalen statt ganze Bilder in eine solche Datenbank zu laden. Dafür müssten wir aber zunächst wissen, wonach genau wir suchen. Möglicherweise werden wir an Patienten in Zukunft bei Untersuchungen immer mehr Screening-Methoden auf einmal anwenden. Eine solche multimodale Bildgebung hätte den Vorteil, dass wir seltener zum Arzt müssten und für jeden Patienten eine Datenbasis vorläge, an der Algorithmen dann künftige Aufnahmen abgleichen und Auffälligkeiten aufspüren könnten.


Ihr Lehrstuhl, das blz und auch die WLT engagieren sich im Bereich Additive Manufacturing. Welches Potential bieten 3D-Druck-Technologien für die Laserindustrie?

Das Potential ist riesig – gerade bei additiven Verfahren im Metallbereich. Noch ist das Elektronenstrahlverfahren schneller und die Mikrostrukturen der Bauteile lassen sich genauer beeinflussen. Doch die Laserverfahren stehen erst am Anfang: Eine Schwachstelle sind bisher die Scannerspiegel, durch die die Bearbeitungsgeschwindigkeiten auf wenige 100 Meter pro Sekunde begrenzt sind. Hier läuft die Forschung nach Alternativen auf Hochtouren: Es gibt erste Ansätze, den Laserstrahl masselos mit Licht abzulenken oder ihn als Ganzes zu formen. Letzteres setzt neue, sehr leistungsstarke Laser voraus, die das gesamte Pulverbett durch eine entsprechend programmierbare Maske auf einmal belichten. Bauteile würden weiter Schicht für Schicht aufgebaut, aber nicht mehr mit „tanzenden Laserstrahlen“ sondern einem hochenergetischen „Laserblitz“ pro Schicht. Möglicherweise werden wir auch Kombinationen unterschiedlicher Wellenlängen sehen. Möglicherweise tun sich hier etwa im Bereich leistungsstarker Direktdioden- oder Quantenkaskadenlaser neue Optionen auf. Und in der Prozesssteuerung gibt es natürlich ebenfalls noch viel zu verbessern.


Neben Photonik 4.0 und 3D-Druck liegen UKP-Laser im Trend. Wo sehen Sie die wichtigsten Einsatzfelder für Ultrakurzpulslaser?

Die zentralen Vorteile sind die Möglichkeit zur sehr exakten kalten Bearbeitung sowie zur gezielten Bearbeitung transparenter Medien, weil ich sehr lokal ein Plasma erzeuge, das über den Umweg der Elektronen Energie absorbiert. Das ist für die Augenchirurgie wertvoll und wird ja auch schon auf breiter Basis gemacht, wobei hier Femtosekunden- und zunehmend UV-Femtosekunden-Laser im Einsatz sind. Was für großflächige industrielle Anwendungen fehlt, sind einerseits Systeme mit mittleren Leistungen im Kilowattbereich, um die Leistung pro Puls zu erhöhen. Damit das nicht zu unerwünschter Erwärmung führt, braucht es auch hier – wie im Additive Manufacturing – neue Ideen für die Strahlumlenkung oder entsprechende Möglichkeiten der Strahlformung, um mit UKP-Lasern große Bereiche auf einmal mit Megahertzraten kalt bearbeiten zu können. Entsprechende Ansätze und Ideen gibt es – doch wird dieser Vorstoß in Makrobereiche noch einige Jahre dauern. Fazit: Wir brauchen in allen Bereichen neue Möglichkeiten, Licht mit hoher Leistung sehr schnell abzulenken – und zwar idealerweise mit masselosen Methoden. Das wäre ein echter Durchbruch, der wie immer beim Licht in beide Richtungen wirkt, zur Bearbeitung, aber auch für Imaging und Sensorik.

 
 
 
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