TV Beitrag: Deutscher Zukunftspreis des Bundespräsidenten – Bosch bändigt die Kraft des Lasers

Laserfertigung bei Bosch

Berlin/München (ots) –

   - Mitarbeiter von Bosch, Trumpf, Universität Jena und Fraunhofer 
     IOF nominiert
   - Bundespräsident Gauck: "Innovationskraft sichert Wohlstand und 
     Wohlergehen"
   - Neues Werkzeug zur präzisen Materialbearbeitung 
   - Laserpulse überwinden Grenzen der industriellen Fertigung 
   - Vom Labor in die Werkhalle - Schlüsseltechnologie im globalen 
     Einsatz

Grenzüberschreitung: Weil sie völlig neue Perspektiven in der industriellen Fertigung erschlossen haben, sind Mitarbeiter von Bosch, Trumpf, der Universität Jena und dem Fraunhofer IOF für den Deutschen Zukunftspreis, den Preis des Bundespräsidenten nominiert. Durch das Zusammenspiel der Partner haben ultrakurze Laserpulse erstmals den Weg aus dem Labor in die Werkhallen geschafft. Dort setzt das neue Werkzeug die Ideen der Ingenieure in Produkte um, die bislang nicht möglich waren – wenn man es wie bei Bosch versteht, die Kraft des Lasers für seine Zwecke zu bändigen.

Erfolg für Bosch, Trumpf und die Universität Jena: Weil sie durch extrem kurze Laserpulse neue Perspektiven in der industriellen Serienproduktion eröffnen, sind Dr. Jens König, Prof. Stefan Nolte und Dr. Dirk Sutter für den Deutschen Zukunftspreis des Bundespräsidenten nominiert. Das gab das Bundespräsidialamt am Mittwoch in München bekannt. Mit der konzentrierten Energie der Laserpulse lassen sich Werkstoffe schnell, präzise und in hoher Stückzahl wirtschaftlich bearbeiten.

Grundlagenforschung für neue Produkte

Grundlagenforschung und Entwicklung fanden in Deutschland statt. Auch Produktion und neue Arbeitsplätze wurden hier angesiedelt. Damit kommt auch der wirtschaftliche Nutzen in Deutschland zum Tragen. Mit dieser Fertigungstechnik werden viele neue Produkte möglich, deren bessere Funktion schon jetzt viele Menschen im Alltag nutzen. Dazu zählen emissionsärmere und kraftstoffsparende Motoren und Heizungen. Auch eine Verschleißreduzierung an Oberflächen ist möglich. Zudem werden besser verträglichere medizinische Implantate möglich, die verengte Adern länger als bisher offen halten. Smartphones profitieren ebenfalls: Deren zunehmend dünnere und kratzfestere Gläser von Display und Kamera lassen sich fast nur noch mit diesen Lasern schneiden.

Die Auszeichnung

Der Deutsche Zukunftspreis – Preis des Bundespräsidenten für Technik und Innovation – ehrt wissenschaftliche Höchstleistungen mit einem großen wirtschaftlichen Potenzial. „Genau diese Kombination macht die Innovationskraft unseres Landes aus und sichert unseren Wohlstand und unser Wohlergehen“, erklärte Bundespräsident Joachim Gauck im Vorfeld zu seinem Preis. Der viel beachtete Preis wird seit 1997 jährlich vergeben. Es ist die höchste deutsche Auszeichnung auf diesem Gebiet. Mitglieder der hochrangigen Jury sind unabhängige Fachleute aus Wissenschaft und Praxis. Der Gewinner des Zukunftspreises wird am 4. Dezember bekanntgegeben.

Das nominierte Team

„Wir sind sehr stolz auf diese Nominierung und entwickeln das riesige Potenzial dieser Technik ständig für neue Anwendungen weiter. Innovationen wie diese sichern unseren technischen Vorsprung am Standort Deutschland. Und sie schaffen neue Arbeitsplätze“, erklärte das dreiköpfige Team. Dessen offizieller Sprecher ist Dr. Jens König aus der Forschung von Bosch. Dr. Dirk Sutter leitet bei der Trumpf Laser GmbH + Co. KG die Forschung und Entwicklung bei den Ultrakurzpulslasern. Dr. Stefan Nolte arbeitet als Professor für Experimental- und Laserphysik an der Friedrich-Schiller-Universität sowie am Fraunhofer-Institut für Angewandte Optik und Feinmechanik in Jena. Mit Kreativität und Beharrlichkeit haben sie diese Technologie zum ersten Mal für die industrielle Fertigung nutzbar gemacht. Grundlagen dafür wurden durch die vom Bundesministerium für Bildung und Forschung geförderten und von Bosch koordinierten Projekte PRIMUS und PROMPTUS erarbeitet. Inzwischen wurden damit allein bei Bosch bereits fast 30 Millionen Produkte hergestellt. Die Partner sind gemeinsam und gleichwertig nominiert.

Die Kooperation

Die Arbeiten von Stefan Nolte legten die wissenschaftlichen Grundlagen dieser Technik und sind weltweit schon mehr als 2 000 Mal von Experten zitiert. Zu Beginn der anschließenden Zusammenarbeit zwischen Bosch und Trumpf war noch nicht genau bekannt, wie gepulste Laserstrahlen beschaffen sein müssen, um die hohen Anforderungen der industriellen Fertigung zu erfüllen. Wie sollten beispielsweise Pulslänge, -zahl und -energie ausgelegt sein, um einen wirklich präzisen und produktiven Materialabtrag zu erreichen, und das zuverlässig über hunderte Milliarden Pulse hinweg? Jens König und seine Kollegen erforschten und beschrieben diese Anforderungen und Spezifikationen an das Laserlicht in geduldiger Detailarbeit – zum Beispiel, um feinste Löcher für die Benzin-Direkteinspritzung in Metall zu bohren. In enger Zusammenarbeit mit Trumpf entstanden nach und nach immer bessere Laser. Zugleich entwickelte sich damit auch die Ultrakurzpuls-Technologie bis zum heutigen hohen Stand weiter. Bosch gelang es schließlich weltweit erstmals, den Laser in seinen selbst entwickelten Maschinen so präzise zu führen, dass damit eine verlässliche industrielle Serienproduktion mit allen Vorteilen möglich wurde.

Dem Labor entwachsen

Damit war dieses neue Werkzeug dem Labor von Professor Nolte endgültig entwachsen und zum Teil der Industrietechnik geworden. Inzwischen orientieren sich viele andere Hersteller an diesem Erfolgsmodell – auch im Ausland. Trumpf hat als Markt- und Innovationsführer auf diesem Gebiet die momentan stärksten Laser am Markt. Bosch produziert in hohen Stückzahlen für einen Markt, der höchste Qualität fordert. Die Beteiligten haben bisher mehr als 40 Patente veröffentlicht. Der Umsatz durch diese Lasersysteme und der damit hergestellten Produkte wird voraussichtlich im nächsten Jahr bereits eine Milliarde Euro überschreiten. Darüber hinaus zeichnen sich weitere Anwendungen ab, sowohl bei Bosch als auch in anderen Branchen. Auch der Maschinenbau – ein wichtiger Umsatzträger in Deutschland – profitiert auf Dauer.

Besser als Schmelzen: kontrolliertes Verdampfen

Trifft ein herkömmlicher Laserstrahl zum Beispiel auf Metall, wird es typischerweise aufgeheizt, es schmilzt und verdampft teilweise. Das Verhalten von geschmolzenem Material ist aber nur schwer zu beherrschen. Oft führt das sowohl zu Rändern der erstarrten Schmelze als auch zu Unebenheiten und damit zu verminderter Präzision. Dann muss das Werkstück nachbearbeitet werden – das kostet Zeit und Geld. Diamant und Saphir lassen sich so gar nicht bearbeiten.



Richtig eingesetzt bieten ultrakurze Laserpulse in der Fertigung die Lösung: Durch die geschickte Wahl von Pulsdauer, Pulsenergie und Fokussierung wird das Material so schnell und so stark erhitzt, dass es ohne sichtbaren Umweg über eine Schmelze abgesprengt wird und bei rund 6 000 Grad Celsius direkt verdampft. So lassen sich nach und nach feinste Bereiche in der Größe von nur wenigen millionstel Millimetern (Nanometer) abtragen. Ein vom Computer gesteuertes Spiegelsystem lenkt die Laserpulse dafür blitzschnell an die richtige Stelle. Hunderttausende Pulse pro Sekunde ermöglichen eine schmelzfreie Bearbeitung in höchster Präzision. Das verdampfte Material wird einfach mit einem Luftstrom abgesaugt.

Die selbst entwickelten Fertigungsmaschinen und die Systemtechnik von Bosch konzentrieren den Laserstrahl äußerst präzise auf einen winzigen Bereich, und nur dieser verdampft. Das Material in der Umgebung ermüdet hingegen nicht und wird auch nicht spröde. Die Wärme-Einflusszone reicht nur etwa einen Tausendstel Millimeter ins Material. Die Ingenieure sprechen deshalb vom „kalten“ Materialabtrag. Daher kann man trotz der hoch konzentrierten Energie des Lasers selbst auf einem Streichholzkopf feinste Strukturen herstellen, ohne dass er entflammt.

Was damit möglich wird

Dies alles eröffnet vollends neue Möglichkeiten zur berührungslosen Bearbeitung fast aller Materialien: von Diamanten und harten Gläsern über Stahl und Halbleiter, hin zu Keramiken und empfindlichsten Kunststoffen. Der universell einsetzbare Laser bohrt, schneidet, strukturiert oder fräst fast beliebige Formen. Bosch beherrscht die hohe Kunst, die Kraft des Lasers für die jeweilige Aufgabe bestmöglich zu bändigen. Einmal an seine Aufgabe angepasst, erledigt der gebündelte Strahl seine Arbeit zudem sehr schnell.

Beispiele bei Bosch

Unter anderem bohrt Bosch damit die extrem feinen Düsen seiner Benzin-Direkteinspritzventile und trägt auch damit zur Treibstoffeinsparung von bis zu 20 Prozent in Benzinmotoren sowie zum Erreichen der strengsten Abgasnormen bei. Die so entstehenden Spritzlöcher ermöglichen die präzisere und besonders gut an die Form des Brennraumes angepasste Verteilung des Kraftstoffes. Dies war mit den bisherigen Fertigungsprozessen und Werkzeugen so nicht möglich. Jetzt kann in Motoren mit mittleren, kleinen und kleinsten Hubräumen der Kraftstoff noch besser verteilt werden. Das Ergebnis: Die Vorteile der Benzin-Direkteinspritzung – weniger Verbrauch und Emissionen – sind für alle Fahrzeugklassen verfügbar. Aktuell sind bereits 14 Motorenprojekte bei neun Kunden mit lasergebohrten Einspritzventilen ausgestattet, das entspricht rund zwei Millionen Fahrzeugen. Dieser Trend wird sich fortsetzen.

Ein weiteres Beispiel ist das Sensor-Element in der Lambdasonde LSU- ADV. Der Laser bearbeitet jede einzelne mit jeweils ganz individuellen Strukturen. Das verdoppelt die Messgenauigkeit. Zudem wird eine Verringerung der Warmlaufzeit der Sonden nach dem Motorstart von 20 auf drei Sekunden möglich. Die Folge: eine deutliche Reduktion der Emissionen, insbesondere kurz nach dem abgasintensiven Kaltstart des Motors. Der Laser kommt zudem bei den Diesel-Einspritzventilen von Bosch zum Einsatz. Auch beim ganz neuen Einspritzventil für den Ölheizkessel Logano plus 145 von Buderus sorgt diese 3D-Mikrobearbeitung für die extrem feine Zerstäubung des Brennstoffes: Das Öl brennt dann ähnlich leicht wie Gas. Dies führt zu einer flüsterleisen Verbrennung bei bis zu 15 Prozent weniger Heizölverbrauch. Zudem forscht Bosch an vielen weiteren Produkten, die durch diese Fertigung neue oder bessere Funktionen erhalten. Noch lassen sich gar nicht alle Einsatzmöglichkeiten absehen.

Bosch-Chef Dr. Volkmar Denner: „Großartige Bestätigung“

„Diese Nominierung ist eine großartige Bestätigung unserer Arbeit“, sagte Dr. Volkmar Denner, Vorsitzender der Geschäftsführung der Robert Bosch GmbH. „Mit diesem präzisen Werkzeug stellen wir innovative Produkte wirtschaftlich her. Dank der Lasertechnik in unserer Fertigung hat sich zum Beispiel die sparsame Benzin- Direkteinspritzung auf breiter Front durchgesetzt. Das ist ein gutes Beispiel für die nachhaltigen Produkte, die wir bei Bosch schaffen. Wir nennen das Technik fürs Leben.“ Denner ergänzte: „Innovationen wie diese schaffen und erhalten Arbeitsplätze. Das gilt sowohl für Deutschland und andere westliche Regionen als auch für die aufstrebenden Länder Asiens. Damit stärken wir unsere Position als einer der weltweit führenden Automobilzulieferer. Auch in Zukunft werden wir dieses Werkzeug zur Produktion begeisternder Produkte einsetzen.“

Arbeitsreicher Weg

Bosch setzt Laser schon seit mehr als 36 Jahren für die Herstellung von Produkten ein. Trotz dieser Erfahrung war es ein arbeitsreicher Weg, um die Mikrobearbeitung mit Ultrakurzpulslasern von den universitären Labortischen in die Fertigungshallen zu überführen. Dafür betreibt Bosch eine starke Industrieforschung. „Sie nimmt Ergebnisse aus der Wissenschaft auf und trägt mit eigenen Erkenntnissen und langem Atem dazu bei, dass diese für die Industrialisierung reif werden. Die Materialbearbeitung mit ultrakurzen Laserpulsen ist ein gutes Beispiel hierfür“, sagte Dr. Klaus Dieterich, Leiter der Forschungs- und Entwicklungsabteilung bei Bosch. Diese hatte sich rund zehn Jahre lang damit befasst.

Gute Aussichten für Bosch – und andere Branchen

Bosch wird Ende 2013 bereits etwa 30 Millionen Bauteile an Kunden ausgeliefert haben, die mit dieser Technologie gefertigt wurden. Diese Zahl wird auch künftig steigen. Bosch-Produktionswerke in Charleston (US-Bundesstaat South Carolina) sowie im türkischen Bursa setzen diese Technologie ein. Als Leitwerk fungiert der Bosch- Standort Bamberg.

In anderen Bereichen, etwa der Elektronikbranche, trennen die Laserpulse hochpräzise einzelne Chips aus Siliziumwafern oder bohren haarfeine Löcher in miniaturisierte Leiterplatten. Dank der Laser können neuartige Stents aus speziellen Kunststoffen so geschnitten werden, dass sie verengte Blutgefäße länger offen halten und gleichzeitig Medikamente direkt an der richtigen Stelle freigeben. Auch die kleinen, höchst kratzfesten gläsernen Abdeckungen für Handykameras werden mit den Lasern geschnitten. In der Industrietechnik und der Hydraulik trägt diese Fertigungsmethode zur Verschleißreduzierung durch gezielte Oberflächenstrukturierung bei. Das Bearbeiten moderner Carbonfaser-Verbundwerkstoffe ist mit dieser Fertigungstechnik ebenso möglich wie das Bohren von Spinndüsen für Funktionsfasern in der Textilindustrie. In allen diesen Fällen kommt es darauf an, die Energie des Lasers für die industrielle Fertigung zu bändigen.

Quelle: Robert Bosch GmbH

 






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