Ein Laser für alle Fälle in der Kunststoffbearbeitung

BMBF-Verbundprojekt SUMER demonstriert auf Meilensteintreffen einen auf den jeweiligen Arbeitsprozess umschaltbaren Laser für die direkte Bearbeitung von PA- und PMMA-Kunststoffen und für alle laserbasierten Prozessschritte der Polymerbearbeitung.
Rundes Bild. In der Mitte ist der grüne Laser punktförmig erkennbar.

Intensitätsverteilung der eingesetzten LISA-Doppelkernfaser des Thulium-Verstärkersystems. ©LISA laser products OHG

15.10.14

BMBF-Verbundprojekt SUMER

Die Bearbeitung von TROGRAMID (PA) und PLEXILAS (PMMA) hat in den letzten Jahren für viele zukunftsweisende Anwendungen stark an Bedeutung gewonnen. Diese Kunststoffe überzeugen durch Materialeigenschaften wie hervorragende Lichtdurchlässigkeit, hohe Witterungsbeständigkeit, hohe Oberflächenhärte, gute Kratzfestigkeit, Klarheit und Farblosigkeit, hohe Steifigkeit, gute Chemikalienbeständigkeit und leichte Wiederverwertbarkeit.

Die Anwendungsgebiete von PA- und PMMA-Kunststoffe (Polymeren) sind dementsprechend breit gefächert, sie finden beispielsweise als Linsen und Brillengläser, Automobilscheinwerfer und Leuchten, schmutzabweisende Oberflächen, Lichtleitern in Backlight-Unit-Modulen für Notebooks und Flachbildschirme oder auch als LCD Schutzgläser Anwendung. Bearbeitungsmethoden wie Funktionalisieren, Bohren, Trennen und Fügen stellen somit eine Schlüsseltechnologie dar. Bis heute fehlen allerdings universelle Bearbeitungswerkzeuge, die alle Laserbearbeitungsmethoden der genannten Materialien vereinen und dabei eine hohe Energieeffizienz gewährleisten.

Die Bearbeitung von Polymeren kann heutzutage mittels verschiedener kommerziell verfügbarer Lasersysteme durchgeführt werden. Dabei müssen mehrere Lasersysteme kombiniert werden, um ein Werkstück, z. B. mikrofluidische Elemente, herzustellen. Dies stellt bis heute eine technische und wirtschaftliche Herausforderung dar. Darüber hinaus ist es erforderlich, das Polymer-Rohmaterial mit additiven Stoffen zu modifizieren, damit es mit den verfügbaren Lasersystemen bearbeitet werden kann.

Im März 2014 haben sich mit den fünf Partnern LISA laser products OHG aus Katlenburg-Lindau, dem Laser Zentrum Hannover, der LPKF Laser & Electronics AG aus Fürth und der Evonik Industries AG aus Darmstadt sowie der PicoQuant GmbH aus Berlin vier führende Unternehmen und das Forschungsinstitut Laser Zentrum Hannover verbunden und sich das gemeinsame Ziel gesetzt, einen Laser mit einer Wellenlänge von 2 µm im Rahmen des SUMER-Projekts zu entwickeln.

Dieser Laser ermöglicht einen deutlich effizienteren Fertigungsprozess, da die Polymere ohne additive Stoffe und somit direkt bearbeitet werden können. Der anvisierte umschaltbare Betrieb wurde darüber hinaus so konzipiert, um sämtliche Prozessschritte mit ein und demselben Laser zu erledigen.

Kürzlich wurden beim SUMER-Meilensteintreffen die bisher erzielten Resultate vorgestellt. Dem Konsortium ist es gelungen, einen digitalen Pulstreiber zu demonstrieren, der arbiträre Pulsformen im Pulsdauerbereich zwischen 100 ps (1 Pikosekunde = 10-12 Sekunden) und 100 ns (1 Nanosekunde = 10-9 Sekunden) ermöglicht. Für die Leistungsskalierung dieser Signale wurde ein Konzept für die Stromversorgung und die Kühlung von Pumpdioden erfolgreich umgesetzt. Bei der Energieskalierung von Pulsen mit einer Dauer von 100 ps wurde eine Pulsenergie oberhalb von 3 µJ bei einer Wiederholrate von 2,5 MHz und einer mittleren Leistung von 7,5 W erreicht. Alle Meilensteine im Verbundprojekt wurden somit erfolgreich umgesetzt.

Die Fortführung der Arbeiten wird neben einer Skalierung der Laserparameter auf eine Pulsenergie von 4 µJ und einer kontinuierlichen Leistung von 10 W in einer Integration des Funktionsmusters in eine Materialbearbeitungsanlage münden, mit der Applikationsexperimente durchgeführt werden.

Das Verbundprojekt SUMER (Strahlquelle für die Polymerbearbeitung) ist Anfang März 2013 gestartet und läuft bis Ende Februar 2016. SUMER wird vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) im Rahmen der Initiative „KMU-innovativ: Photonik / Optische Technologien“ mit über einer Million Euro gefördert.

Weitere Informationen

Download Steckbrief BMBF-Verbundprojekt SUMER (PDF)

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