Das Ambiente für das Drei-Königs-Treffen der zündenden Art war perfekt gewählt: Das Fraunhofer-Institut für Lasertechnik ILT aus Aachen, Veranstalter des AKL'16, hatte Ende April in den Krönungssaal des Aachener Rathauses eingeladen. 

Wo bis zum Jahr 1531 Festessen anlässlich der Aachener Königskrönungen stattfanden, ›krönte‹ eine international besetzte Jury des Arbeitskreises Lasertechnik e.V. und des European Laser Institutes ELI die Sieger des Wettbewerbs um den Innovation Award Laser Technology 2016. Eingegangen waren bei dem Wettbewerb 15 Bewerbungen, von denen drei ins Finale kamen. 1. Preis: ›Revolution‹ in der Oberflächentechnik Den ersten Preis erhielten Dr. Ir. Armand Pruijmboom, General Manager der Philips GmbH Photonics Aachen, und sein Team für die VCSEL-Hochleistungslasertechnologie zur ›digitalen Wärmebehandlung‹, die eine ›Revolution‹ in der Oberflächentechnik einleiten könnte. Im Mittelpunkt stehen neue Laserdioden (VCSEL: Verticalcavity surface emitting laserdiodes), dank derer sich Oberflächen sehr exakt erhitzen lassen. Üblicherweise verwenden industrielle, leistungsfähige Produktionsanlagen zum Erhitzen großer Flächen Gasbrenner, Heißluftgebläse sowie elektrisch oder mit Halogenlampen betriebene Bandöfen. Doch wegen ihrer begrenzten Leistungsdichte, der hohen thermischen Trägheit und der niedrigen räumlichen Selektivität kann der Anwender die Hitze bei diesen Methoden nur langsam an- und ausschalten. 

Die Anlagen arbeiten daher ungenau: Sie erhitzen außerdem nicht nur die zu temperierenden Stellen. Ebensowenig ermöglichen sie es, in einem Werkstück komplexe, räumliche Wärmeprofile zu erzeugen. Konventionelle Lasertechnologie kam bisher überwiegend aus Kostengründen nicht in Frage. Die Behandlung großer Oberflächen mit Strahlquellen hoher Brillanz erfordert komplexe Optik- oder Scanner-Systeme, die technische Einschränkungen besitzen und vor allem hohe Kosten mit sich bringen. VCSEL bieten laut Pruijmboom eine Alternativlösung, weil sich damit "kosteneffektive, kompakte und robuste Systeme" entwickeln lassen, die "nur dann und dort erhitzen, wo es kurz nötig ist. Verglichen mit konventionellen, nicht laserbasierenden Technologien zur Wärmebehandlung bieten VCSEL-Arrays Flexibilität, hohe Effizienz und Langlebigkeit." Und weiter: "Als Festkörpertechnologie befeuern VCSEL den Trend hin zu komplett digitalisierten Fertigungsflüssen. Die Technologie dürfte zahlreiche Fertigungsprozesse durchdringen und fügt der Familie der Hochleistungslaser ein neues und kosteneffektives Mitglied hinzu." 

Die innovative Arbeit des Philips-Teams besteht in der Entwicklung der VCSEL-Array-Chips für Hochleistungsanwendungen, der Aufbautechnik und der thermischen Auslegung der VCSEL-Arrays einschließlich der umfassenden FEM-Modellierung, dem Systemdesign durch das maßgeschneiderte Zusammenbringen verschiedener "Standardbausteine" für spezifische Industrieanwendungen und - last, not least - auch im Entwickeln der eigentlichen Applikation. Pruijmboom: "Durch die Segmentierung großflächiger Arrays können dem Werkstück räumliche Wärmeprofile auferlegt werden, indem die Ausgangsleistung der einzelnen Segmente zwischen 0 und 100 Prozent innerhalb von Millisekunden gesteuert wird." 

2. Preis: Schweißen von Aluminium-Karosserieblechen 

Ebenso innovativ und an der Praxis orientiert ist auch die Entwicklung der Audi AG aus Neckarsulm, die mit dem zweiten Platz ausgezeichnet wurde. Die Innovation hat sich mit einer wegen des Trends zum automobilen Leichtbau sehr drängenden Frage beschäftigt: Wie lassen sich leichte Aluminium-Bleche hochpräzise, prozesssicher und ökonomisch fügen? Während andere auf konventionelle Verfahren wie Widerstandschweißen (Pick-up-Truck F150 von Ford), Elektronenstrahlschweißen unter Atmosphäre (VW) oder Reibrührpunktschweißen (Aachener AMAP-Arbeitskreis P7) setzen, konzentrierte sich das Neckarsulmer Team unter der Leitung von Dr.-Ing. Jan-Philipp Weberpals, Teamkoordinator Laserstrahltechnologie/Sensorik (Abteilung Technologieentwicklung Fügen Leichtbau), auf die Weiterentwicklung des Laserstrahl-Remoteschweißens. Ein Problem bestand bisher darin, dass sich die Vorteile dieses Verfahrens beim Fügen von Stahlkomponenten aufgrund der Materialeigenschaften bisher nicht vollständig auf Aluminiumkarosserien übertragen ließen. "Bisher erfolgte das Laserstrahlschweißen monolithischer Aluminiumverbindungen - insbesondere bei einer Kehlnahtverbindung im Überlappstoß - nur mit taktil geführten Bearbeitungsoptiken", erklärte der Fachmann in einer Schrift. "Dies führt zu längeren Prozesszeiten: Das Laserstrahl-Remoteschweißen weist im Vergleich zum taktilen Laserschweißen Zeitersparnisse von etwa 53 Prozent auf." Für diese Methode spreche, dass sie die kontrollierte Steuerung des Wärmeflusses im Bauteil ermögliche. 

Die genaue Positionierung des Laserstrahls im Verhältnis zur Schweißkante senke außerdem den Bauteilverzug und das Risiko von Heißrissen. Ein weiterer Pluspunkt sei laut Audi, dass sich die Größe der Lücke zwischen den zu schweißenden Teilen auch während des Fügeprozesses feststellen und durch entsprechende Prozessregelung effektiv schließen lasse. Das sorge für eine Reduktion des wärmebedingten Bauteilverzugs. Außerdem verbessere sich die Prozesseffizienz und es sänken die laufenden Fertigungskosten, da weder zusätzlicher Schweißdraht noch Schutzgase nötig seien. "Es lässt sich außerdem ein Leichtbau-Design mit kürzeren Flanschen realisieren, wie die Schweißnähte im Türrahmen des Audi A8 illustrieren", sagte Weberpals. "Audi setzt als erster Automobilhersteller Laserstrahl-Remoteschweißen zum Verbinden konventioneller Aluminiumlegierungen ein." 

3. Platz: Lasersystem zur Herstellung flexibler Displays 

Auf den dritten Platz kam eine Innovation, die wegen ihres inspirierenden Charakters in Sachen Kunststoffverarbeitung nicht nur für Hersteller von Displays, sondern auch für Branchen aller Art interessant ist: Die Rede ist von einem Verfahren der Coherent LaserSystems GmbH & Co. KG aus Göttingen. Es handelt sich um das neue Lasersystem ›UVblade‹, das die Herstellung von flexiblen Displays in hoher Stückzahl ermöglicht. Von der Innovation profitieren nicht nur Industriebranchen, die sich auf mobile Displays mit zentraler Funktion konzentrieren (also Hersteller von Smartphones, Tablets und tragbaren Displays) sondern alle Branchen, die flexible, an fast jede Geräteform anpassbare Displays einsetzen. Und das können nicht nur Hersteller von OLED-TV, Automobilen oder Flugzeugen sein, sondern auch Unternehmen des innovativen Maschinen- und Anlagenbaus. Doch was verbirgt sich hinter dieser Innovation? Dazu ein Blick in die Bewerbungsschrift, in der Produkt-Marketing-Manager Dr. rer. nat. Ralph Delmdahl das ›UVblade‹-System beschreibt: "Es liefert eine meterlange, dünne Klinge aus UV-Laserlicht, die eine flexible Polymerschicht im sogenannten Lift-off-Prozess sanft von dem starren Glasträger abtrennt." Die abgetrennten Display-Elektronikschichten liegen daher auf einer leichten, biegsamen Polymerfolie, so dass ein papierdünnes und flexibles Display entsteht. Für das Göttinger System spreche, dass es dank der kurzen und schichtselektiven UV-Wellenlänge "reibungslos auch höchst sensible OLED-Displays mit 4K-Auflösung" befreie. Der Anwender könne den auf diese Weise elegant freigegebenen Glasträger für die Herstellung des nächsten Loses flexibler Displays wiederverwenden. Delmdahl: "Durch die Laser-lift-off-Verarbeitung mit dem UV-blade-System ist es zum ersten Mal möglich, Displays auf ein Zehntel so dünne und leichte Polymerträger zu transferieren, die sich der Form eines Verbrauchergerätes anpassen können." 

Fast nach Science-Fiction klingt es, was das Göttinger Unternehmen damit erreichen will. So sei es vorstellbar, die komplette Hardware in einen Griff zu packen und das aufgerollte Display wie eine antike Papyrusrolle auszubreiten. Die Vision von Delmdahl und seinem Team: "Nicht zuletzt werden sich die zentralen Armaturenbretter von Autos in naher Zukunft fundamental verändern. Statt zahlreicher mechanischer Knöpfe und Schalter werden sie ergonomisch gestaltete, multifunktionale Sensordisplays aufweisen." 

Mehr internationale Teilnehmer erwünscht 

Erstaunlich, wie innovativ heutige (technische) Drei-Königs-Treffen doch ausfallen, die in den nächsten Jahren sicherlich noch weitere erfindungsreiche Laserkönige präsentieren. Vielleicht befinden sich dann auch ausländische Bewerber unter den Finalisten. "Einige Unternehmen aus dem Ausland haben schon teilgenommen", so Dr. Paul Hilton, Sprecher der internationalen Jury und Vorstandsvorsitzender des European Laser Institute ELI, auf der AKL'16-Pressekonferenz. "Doch wir möchten den Wettbewerb noch mehr internationalisieren, indem wir die Teilnahme daran auch in anderen Länder populärer machen." Für einen Schub nach vorne sorgt sicherlich auch das Cluster Photonik auf dem RWTH Aachen Campus, das während des AKL'16 offiziell eröffnet wurde. Prof. Reinhart Poprawe, Leiter des Clusters Photonik: "Durch den Cluster Photonik wird unsere internationale Rolle in der Lasertechnik weiter ausgebaut. Das Fraunhofer-Institut für Lasertechnik ILT, RWTH-Institute und Unternehmen forschen zukünftig gemeinsam unter einem Dach an den Möglichkeiten, Laser als vielfältiges Werkzeug zu nutzen."