Die Produktivität ist daher einer der wichtigsten Aspekte der Forschungsarbeit am Fraunhofer-Institut für Lasertechnologie ILT. Damit sind nicht einfach höhere Bearbeitungsgeschwindigkeiten gemeint, sondern eine ausgewogene Kombination aus Durchsatz, Prozessstabilität und reproduzierbarer Qualität. Signifikante Gewinne werden selten durch isolierte Technologiesprünge erzielt. Vielmehr resultieren sie aus der intelligenten Kombination von Prozessen, der parallelen Ausführung von Schritten und der Skalierung bestehender Ansätze. Die Reduzierung unproduktiver Zeiten und die effektivere Nutzung verfügbarer Ressourcen haben oft eine größere Wirkung als die Optimierung einzelner Parameter.
Was Produktivität heute bedeutet – mehr als nur höhere Leistung
Die Produktivität in der Lasertechnologie lässt sich nicht allein auf Laserleistung und Vorschubgeschwindigkeit reduzieren. Sie zeigt sich im Gesamtprozess: kurze Zykluszeiten, geringe Nebenzeiten, minimales Umspannen, wenig oder keine Nacharbeit und eine gleichbleibend stabile Qualität. Ein Prozess ist nur dann wirklich produktiv, wenn er im täglichen Betrieb zuverlässig läuft, ohne dass ständige manuelle Anpassungen erforderlich sind.
Gleichzeitig hat sich eine grundlegende Voraussetzung geändert. Laserenergie ist in vielen Anwendungsbereichen keine knappe oder unerschwinglich teure Ressource mehr. Hochleistungsquellen sind weit verbreitet und zusätzliche Watt tragen oft nur wenig zu den Gesamtkosten des Systems bei. Die entscheidende Frage ist daher nicht, wie viel Leistung zur Verfügung steht, sondern wie effizient sie in echte Produktivität umgewandelt werden kann. Hier liegen die Herausforderungen der Moderne. Nur wenn Laserquelle, Strahlführung, Prozessstrategie und Systemintegration aufeinander abgestimmt sind, lässt sich die verfügbare Leistung in einen höheren Durchsatz umsetzen. Ohne diese Umsetzung bleibt hohe Leistung nicht viel mehr als eine Zahl auf einem Datenblatt.
Laser-Kombinationsprozesse als Hebel für Produktivität
Laserkombinationsprozesse sind in diesem Zusammenhang die Königsdisziplin, da sie im Idealfall ein reibungsloses Zusammenspiel aller Prozesse ermöglichen. Sie vereinen Ansätze, bei denen mehrere Bearbeitungsschritte innerhalb eines Systems, in einer eng aufeinander abgestimmten Abfolge oder sogar gleichzeitig durchgeführt werden. Der Kerngedanke dabei ist ein produktiverer Gesamtworkflow. Durch die Integration zuvor getrennter Schritte können solche Konzepte herkömmliche Prozessketten verkürzen, Schnittstellen und Übergaben reduzieren und wiederholte Rüstvorgänge oder Umspannvorgänge vermeiden.
Diese Integration hat zwei direkte Auswirkungen auf die Produktivität. Erstens reduziert sie unproduktive Zeiten: weniger Transfers zwischen Maschinen, weniger Zwischenkontrollen, weniger nachträgliche Korrekturen. Zweitens ermöglicht sie es, Laserenergie und Prozesszeit genau dort einzusetzen, wo sie einen Mehrwert schaffen, anstatt durch Übergänge, Wartezeiten oder redundante Vorgänge verloren zu gehen. In vielen Fällen resultiert der Produktivitätsgewinn weniger aus dem Ausreizen eines Parameters bis an seine Grenzen, sondern vielmehr aus der Gestaltung des Prozessablaufs, sodass jeder Schritt effizient auf dem vorherigen aufbaut.
Parallelisierung: mehr Wirkung im gleichen Zeitfenster
Prozesse parallel ablaufen zu lassen, ist eine der direktesten Methoden, die Produktivität zu steigern. Anstatt einzelne Schritte nacheinander auszuführen, entstehen mehrere Bearbeitungsergebnisse gleichzeitig. Dies verkürzt Zykluszeiten und nutzt Energie, Geräte und Arbeitszeit besser aus. Parallelisierung greift daher direkt an der Kernidee der Produktivität an: Mehr Wertschöpfung innerhalb des gleichen Zeitfensters.
Ein gutes Beispiel ist SCaRB (Simultaneous Coating and Roller Burnishing): Das Verfahren kombiniert das extreme Hochgeschwindigkeits-Laserbeschichtung (EHLA) mit Walzglätten in einem einzigen Arbeitsschritt. Während die aufgebrachte Schicht noch warm ist, fährt ein Walzwerkzeug über die resultierende Oberfläche, verdichtet sie plastisch und glättet Rauheitsspitzen. Dies erzeugt eine dichte, druckgesättigte Oberflächenschicht mit hoher Oberflächenqualität ganz ohne Abtrag oder zusätzlichen Aufbau.
Ein ähnlicher Ansatz liegt dem Verfahren SMaC (Simultaneous Machining and Coating) zugrunde, das mechanische Bearbeitung mit EHLA in einem Arbeitsschritt kombiniert. Ebenfalls am Fraunhofer ILT entwickelt, löst SMaC ein grundlegendes Problem hochfester Schutzbeschichtungen, die vor Korrosion und Verschleiß schützen: Je härter die Beschichtung, desto besser der Schutz, aber desto komplexer die Nachbearbeitung. Das Besondere an SMaC ist die Nutzung der Restwärme, die im EHLA-Prozess entsteht.
Parallele Prozesse verkürzen Zykluszeiten, verbessern die Prozesszuverlässigkeit und nutzen Ressourcen effizienter. Produktivitätsgewinne entstehen nicht durch schnelleres Arbeiten in isolierten Abschnitten, sondern durch das kontrollierte und stabile Erzeugen mehrerer Bearbeitungsschritte gleichzeitig.
Hochleistungs-Ultrakurzpulslaser für Flächenbearbeitung
Neben der Parallelisierung spielt die Skalierung etablierter Prozesse eine zentrale Rolle bei der Verbesserung der Produktivität. Viele Laserprozesse sind im kleinen Maßstab gut verstanden, werden jedoch erst wirtschaftlich attraktiv, wenn sie auf größere Flächen oder höheren Durchsatz übertragen werden können. Dieser Wandel zeigt sich derzeit im Bereich der Ultrakurzpulslaser (UKP-Laser).
Ultrakurzpulstechnologie wurde lange Zeit vor allem mit hoher Präzision und geringer Materialbelastung in Verbindung gebracht, typischerweise bei moderater mittlerer Leistung. Heute verändert sich dieses Bild. UKP-Laser im Kilowattbereich werden verfügbar und eröffnen neue Möglichkeiten für die produktive Oberflächen- und Volumenbearbeitung. Anwendungen, die bisher durch lange Bearbeitungszeiten begrenzt waren, bewegen sich nun in einem Bereich, der für die industrielle Fertigung relevant ist.
Doch höhere Leistung allein führt nicht automatisch zu höherer Produktivität. Entscheidend ist, wie diese Leistung auf das Werkstück gebracht wird. Geeignete Strahlformung, schnelle und präzise Strahlablenkung sowie angepasste Prozessstrategien sind essenziell, um die Energie effizient zu verteilen und unerwünschte Effekte wie Wärmeanhäufungen oder Instabilitäten zu vermeiden. Nur wenn diese Elemente aufeinander abgestimmt sind, entfaltet die Hochleistungs-Ultrakurzpulstechnologie ihr volles Produktivitätspotenzial. Ohne diesen systematischen Ansatz bleiben zusätzliche Watt ungenutzt, anstatt zu effektivem Durchsatz zu führen.
Beschleunigung durch neue Prozessprinzipien: Optisches Stempeln
In vielen Laseranwendungen wird die Produktivität nicht durch den Laser selbst begrenzt, sondern durch die Art und Weise, wie Energie auf die Oberfläche übertragen wird. Scanstrategien sind äußerst flexibel und präzise, doch wenn große Flächen oder repetitive Mikrostrukturen benötigt werden, wird das Scannen schnell zum dominierenden Zeitfaktor. Jeder zusätzliche Pfad verlängert die Gesamtprozesszeit, selbst wenn ausreichend Laserleistung verfügbar ist.
Hier bietet das optische Stempeln einen grundlegend anderen Ansatz. Anstatt eine Struktur Punkt für Punkt oder Linie für Linie zu scannen, formt ein räumlicher Lichtmodulator den Strahl so, dass ein gesamtes Muster mit einem einzigen Laserpuls auf die Oberfläche übertragen wird. Komplexe Mikrostrukturen können so in einem Schritt erzeugt werden, anstatt durch Tausende einzelner Bewegungen.
Dieses Konzept ist ein Laser-Kombinationsprozess verstanden, bei dem Optik, Laserquelle und Prozessstrategie eng miteinander verbunden sind. Der klassische Bearbeitungspfad wird effektiv aus der Prozesskette entfernt. Produktivitätsgewinne entstehen nicht durch höhere Geschwindigkeit entlang eines Pfads, sondern durch das Ersetzen vieler einzelner Schritte durch eine kontrollierte Interaktion. So zeigt das optische Stempeln, wie neue Prozessprinzipien Produktivität erzeugen können, indem die Anwendung von Laserenergie in Zeit und Raum neu gedacht wird.
Fraunhofer-Institut für Lasertechnik ILT
