Forscher schaffen einen Durchbruch im Bereich der Laser-Technologie

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Stephan Brüning und Gerald Jenke haben drei Jahre lang mit anderen Forschern zusammengearbeitet. Nun können sie aus einem Laser 16 individuell steuerbare Strahlen machen.

Vreden

, 01.11.2020, 17:00 Uhr / Lesedauer: 3 min

Warum sind 16 Laserstrahlen besser als 200 Laserstrahlen? Was auf den ersten Blick paradox wirkt, ist tatsächlich eine Innovation im Bereich der Lasertechnik. Mit dem Thema haben sich Dr. Stephan Brüning und Dr. Gerald Jenke gemeinsam mit anderen Forschern drei Jahre lang beschäftigt. Für das Ergebnis gab es jetzt den Wissenschaftspreis „Forschung im Verbund“ des Stifterverbandes, der mit 50.000 Euro dotiert ist.

„Das ist ein sehr großer Preis, mit dem wir gar nicht wirklich gerechnet haben“, sagt Stephan Brüning. Er arbeitet bei der Vredener Firma Schepers im Bereich Technologie, Gerald Jenke ist als Laserphysiker bei Saueressig tätig.

Das Forschungsteam (v.l.): Stephan Brüning, Manfred Jarczynski, Gerald Jenke, Johannes Finger und Martin Reininghaus

Das Forschungsteam (v.l.): Stephan Brüning, Manfred Jarczynski, Gerald Jenke, Johannes Finger und Martin Reininghaus © Piotr Banczerowski

Den Preis haben sie aber nicht alleine bekommen. Das Forschungsprojekt „Multi-Surf“ haben sie zusammen mit dem Fraunhofer-Institut für Lasertechnik (ILT), Dr. Keming Du von der Firma Edge-Wave in Würselen und Dr. Manfred Jarczynski von der Firma Limo in Dortmund durchgeführt.

Bisheriges Verfahren ist umweltbedenklich

Um das Projekt zu verstehen, braucht man ein wenig Grundwissen, wie Gerald Jenke erklärt. Dafür beschreibt er, wie im Moment Druckzylinder hergestellt werden. „Auf einen Zylinder wird ein Lack aufgebracht. Das gewünschte Motiv wird auf den Zylinder übertragen, indem man mit einem Laser den Lack entfernt. Bei einem anschließenden Ätzprozess werden die Bereiche ohne Lack geätzt und somit vertieft.“ Doch dieses Verfahren sei zum einen umweltbedenklich, zum anderen mit zu vielen Produktionsschritten verbunden.

Eine Alternative ist die Arbeit mit Lasern, die das Muster direkt auf den Zylinder bringen können. Aber: „Bislang dauert das einfach viel zu lange“, sagt Stephan Brüning und nennt ein Beispiel. Das Gravieren einer ein mal ein Meter großen Druckplatte mit einer Tiefe von 100 Mikrometern (in etwa die Dicke eines menschlichen Haares) dauert mit dieser Technik rund acht Tage. Mit ihren Forschungsergebnissen lasse sich diese Zeit auf acht Stunden reduzieren.

Aus einem Laser werden mehrere Strahlen

Das geht, indem man aus einem Laser mehrere Strahlen macht. Bildlich gesagt: Wenn mehr Arbeiter an einem Projekt arbeiten, sind sie auch schneller fertig. So ist es eben auch bei Lasern.

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Tatsächlich ist es bereits seit einiger Zeit möglich, einen Laser auf 200 Strahlen aufzuteilen. „Das ist allerdings ein statisches System. Das heißt, dass alle Strahlen das Gleiche tun. Alle Strahlen gehen synchron an beziehungsweise aus. So entsteht auf einer Fläche 200 Mal die gleiche Gravur“, erklärt Stephan Brüning.

Das Forscherteam hat diese Technologie nun weiterentwickelt. Dafür teilen sie den Laser in 16 Strahlen, die allerdings einzeln steuerbar sind. „Jeder Strahl macht also etwas anderes, individuelles. So als ob 16 separate Laser ein Werkstück unterschiedlich bearbeiten. Man verwendet aber nicht 16 Laser sondern einen Hochleistungslaser, der sich wie 16 einzelne verhält“, sagt Stephan Brüning.

Laser müssen trotzdem ihre Präzision behalten

Die Herausforderung dabei war, dass die Laser ihre Leistungsstärke und Präzision behalten. Genutzt werden sogenannte Ultrakurzpulslaser. Diese laufen nicht durchgängig, sondern in sehr, sehr kurzen Impulsen. Der Pulsbereich liegt ungefähr bei 900 Femtosekunden. Eine Femtosekunde ist eine Billiardstel Sekunde oder anders ausgedrückt 0,000 000 000 000 001 Sekunden.

„Das kurze Pulsen führt dazu, dass der Werkstoff im Grunde genommen gar nicht mitkriegt, dass Energie deponiert wurde“, heißt es in einem Imagevideo zu dem Projekt. Dadurch gibt es nicht so große Probleme mit der Wärmeentwicklung.

Vredener Firmen wenden die neue Technik bereits an

Aber wofür braucht man all das eigentlich? An dieser Stelle kommt Saueressig ins Spiel. Das Unternehmen hatte in der Gruppe den Part des Anwenders. „Wir haben also gesagt, was wir in der Praxis eigentlich brauchen und wie es funktionieren muss“, erklärt Gerald Jenke.

Saueressig stellt Druckzylinder her und arbeitet dabei auch mit Lasern. „Wir haben schon mehrere Maschinen mit dieser Technik im Einsatz“, sagt Gerald Jenke. Schepers stellt die Maschinen her, die momentan noch sehr teuer sind. Deswegen habe man schauen müssen, in welchem Industriezweig sie Sinn machen.

Die Maschinen mit der neuen Technik werden bei der Firma Schepers bereits gebaut.

Die Maschinen mit der neuen Technik werden bei der Firma Schepers bereits gebaut. © Fraunhofer/Banczerowski

Bei Saueressig macht es Sinn, denn hier werden Druckzylinder für den Tiefdruck hergestellt, womit kilometerweise Verpackungsmaterial bedruckt wird. Dadurch ist die Nutzung der Technik wirtschaftlich. Dass die Forschungsergebnisse direkt Eingang in die Produktion gefunden haben, war einer der Aspekte, die die Preisjury beim Stifterverband überzeugt haben.

Oberflächenstrukturen werden immer bedeutender

Aus dieser Entwicklung ergeben sich aber auch neue Anwendungen für Saueressig und Schepers. Denn es wird immer wichtiger, winzig kleine Strukturen auf Werkzeuge aufzubringen. Durch die richtige Strukturierung kann man zum Beispiel Oberflächen schaffen, auf denen sich Keime und Bakterien nicht vermehren können. Auch Filter gegen Mikroplastik im Wasser oder effizientere Großbauteile für Flugzeuge, Schiffe oder Windräder können so hergestellt werden.

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Das Fraunhofer-Institut möchte die Technik auch auf andere Produktionsbereiche übertragen. So sollen zukünftig mechanische Fertigungsverfahren wie drehen oder fräsen immer häufiger durch eine „photonische Fräse“ ersetzt werden.

Von 2015 bis 2018 hat das Forschungsteam an dem Projekt gearbeitet. Die Preisverleihung des Stifterverbandes sollte eigentlich im Frühjahr stattfinden, musste aber aufgrund der Pandemie verschoben werden. Mitte Oktober gab es dann eine Veranstaltung im kleinen Kreis. „Wir saßen hier bei Saueressig in der Lounge und wurden online nach Berlin geschaltet“, erzählt Stephan Brüning. Das haben sich die beiden natürlich anders gewünscht, aber stolz sind sie so oder so.

zum hintergrund

  • Gemeinsam mit der Fraunhofer-Gesellschaft vergibt der Stifterverband alle zwei Jahre den Wissenschaftspreis „Forschung im Verbund“.
  • Ausgezeichnet werden Projekte, bei denen Fraunhofer-Institute mit der Wirtschaft und/oder anderen Forschungsorganisationen zusammen gearbeitet haben.
  • Der Preis ist mit 50.000 Euro dotiert, was im Vergleich zu anderen Auszeichnungen ein sehr hohes Preisgeld ist.
  • Die Gesamtkosten des Projektes „Multi-Surf“ liegen bei 4,5 Millionen Euro. Das Bundesministerium für Bildung und Forschung hat es mit 2,5 Millionen Euro gefördert. Die beteiligten Firmen bringen je nach Größe 50 oder 60 Prozent der Kosten selber auf.
  • Saueressig stellt Druck- und Prägezylinder sowie Spezialmaschinen für Prägeanwendungen her und bietet zahlreiche Serviceleistungen für das grafische Gewerbe.
  • Die Firma Schepers entwickelt und vertreibt Lasergravuranlagen für Druck- und Prägeanwendungen weltweit.
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