01:13
Licht Eine Solarzellen-Minifabrik für Dow Corning
Leben Die Medizintechnik treibt generative Verfahren voran
Pimp my Circuits! Kleinere und immer intelligentere
Mikrochips: Die Laserkur weist den Weg
HeiSSe Chance Gerardo Oaxaca macht mit dem Hot-formingboom sein Glück
→ Seite 20
Herausgeber TRUMPF GmbH + Co. KG, Johann-Maus-Straße 2, 71254 Ditzingen, Deutschland, www.trumpf.com V.i.s.d.p. Dr.-Ing. E.h. Peter Leibinger Chefredaktion Verena Buttler, Telefon +49 7156 303 – 31559,
[email protected] Vertrieb Telefon +49 7156 303 – 31559,
[email protected], www.trumpf-laser.com/laser-community Beratung Helmut Ortner Redaktion pr+co GmbH, Stuttgart, Norbert Hiller, Martin Reinhardt Autoren Florian Burkhardt, Olaf Meier, Christian Nölke, Martin Reinhardt, Julian Stutz, Julia Graf, Prof. Thomas Südmeyer
Fotografie KD Busch, Simon Koy, Adam Wiseman Gestaltung und Produktion pr+co GmbH, Stuttgart, Gernot Walter, Markus Weißenhorn, Martin Reinhardt Übersetzung Burton van Iersel & Whitney GmbH, München
Reproduktion Reprotechnik Herzog GmbH, Stuttgart Herstellung frechdruck GmbH, Stuttgart
Titel: kirstypargeter / Fotolia
01: 2013
Editorial
or einem halben Jahrhundert erklärte Gordon Moore, dass sich die Leistung von Prozessoren etwa alle zwei Jahre verdoppeln werde. Trotzdem wäre er 1965 sicherlich nie darauf gekommen, dass eines Tages Laserpulse 50.000-mal pro Sekunde fallende Zinntröpfchen ionisieren und die so erzeugten Plasmablitze nanometerfeine Transistoren belichten könnten. Aber das brauchte er auch nicht. Er hatte eine ungefähre Vorstellung davon, wie Intel die nächsten fünf Iterationen der folgenden zehn Jahre angehen würde. Im Übrigen vertraute er auf den Fortschritt und den Erfindergeist der Menschen und beide geben ihm seit fast 50 Jahren recht. Beim Fortschritt sind Wunder die Ausnahme. Fortschritt ist harte Detailarbeit — Tausende Menschen, die an Tausenden kleinen Problemen arbeiten. Fortschritt ist Crowdsourcing, könnte man sagen. Wir wissen zum Beispiel seit den 70er-Jahren, dass Autos weniger Kraftstoff verbrauchen müssen. Seither finden sich immer wieder neue Wege zu diesem Ziel. Einer davon sind höchstfeste Stähle: Die Ideen von Autokonstrukteuren, Stahlherstellern, Fertigungstechnikern und Maschinenbauern haben aus schier unverarbeitbarem Stahl einen Zukunftswerkstoff für leichtere Fahrzeuge geschaffen.
Vertrauen wir dem Fortschritt! Ähnlich sieht es auf dem Gebiet der generativen Verfahren etwa in der Medizintechnik aus: Implantate, die sich parallel zum Heilungsprozess wieder auflösen ? Geformt aus Licht und Metallstaub nach Patientendaten ? Woran Forscher und Ingenieure heute arbeiten, erschiene einem Arzt aus den 60er-Jahren wie Magie. Es stimmt, die Menschheit steht vor großen Herausforderungen und wir haben heute noch keine Vorstellung davon, wie die Lösungen von übermorgen aussehen werden. Aber wenn wir zurückblicken, sehen wir eines: Immer, wenn wir glauben, die Grenzen des Möglichen zu erreichen, hat irgendwer irgendwo eine Idee, die diese Grenzen öffnet oder verschiebt.
dr .-i ng. e. h. p e t e r l e i bi n g e r Stellvertretender Vorsitzender der Geschäftsführung Vorsitzender des Geschäftsbereichs Lasertechnik / Elektronik
[email protected]
3
6
förderung
9
laserkombi
15
ukp-laser
Laser und Leute im Überblick
Seite 06
Seite 06 ESA will AdditivE Manufacturing //
Projekt Digital Photonic Production Seite 07 Köpfe: Katharina Doblhoff-Dier, Sandile Ngcobo, Dr. Kathrin Sandner Seite 08 ScheibenlaserRekorde // Laser-Handschweißen für die NASA // Konzepte: Sicherheitsglas schneiden, Schweißbahn-Optimierer, Wobbeln wie Volkswagen Seite 09 LaserFräsen und andere Kombinationen
07 kalender 30 BonusTracks 32 Rekord
4
10
Intel
01: 2013
mikrochipfertigung
TITEL
U nterwegs zum Nanochip In der Mikrochipfertigung wird es eng für mechanische Verfahren. Der Laser verspricht neuen Spielraum. Seite 10
Viermal kleiner Mikrobearbeitung für den großen Maßstab. Seite 12
Die Femtos kommen! Professor Südmeyer sieht die neue Generation Femtosekundenlaser auf dem Sprung in Forschung und Praxis. Seite 15
16
induktion
18
photovoltaik
Heißkalte Affäre Der Laser, die Induktion und die Zukunft einer perfekten Beziehung. Seite 16
Minifabrik Wie IPTE eine Laserfertigung für Solarzellen in eine einzige Kiste packt. SEITE 18
20
hot forming5
Christian Nölke
Heilung in 3-D
Generative Verfahren erobern die Medizin. Seite 24
24
science
26
dietrich v. dobeneck
„Laser hatte ja jeder“ Dr. Dietrich Freiherr von Dobeneck führte das Elektronenstrahlschweißen zum Erfolg. Seite 26
Bosca78/iStockphoto
Erster! Gerardo Oaxaca sah die Hot-Forming-Welle rollen und tauchte ein. Seite 20
WIG vs. Laser
Wie lassen sich die Lamellenpakete für die Motoren in Millionen von Elektroautos am wirtschaftlichsten fertigen ? www.laser-community.de/5976
5
--- Kristallkugel Analysten von MarketsandMarkets prophezeien dem Markt für Additive Manufacturing bis 2017 ein jährliches Wachstum von 13,5 Prozent, um dann ein Volumen von fast 3,5 Milliarden Dollar zu erreichen. www.marketsandmarkets.com --- Lichtschubser Ein Team der japanischen Gakuin-Universität schubste eine magnetisch schwebende Grafitscheibe per Laser an und ließ sie rotieren. Das Licht ändert die Temperatur und damit die magnetische Eigenschaft. www.aoyama.ac.jp --- 3-D-Pinzette Wissenschaftler der Universität Freiburg konstruierten eine optische Falle, mit der sie kleinste Einzeller nicht nur festhalten, sondern auch dreidimensional abscannen können. www.uni-freiburg.de --- Wunderwerkstoff Iranische Forscher entwickelten eine Methode, per Laserablation große Mengen Graphen in flüssigem Stickstoff zu gewinnen. Graphen gilt als Elektronikmaterial der Zukunft. www.aut.ac.ir --- Stabilster Laser Die kalifornische National Ignition Facility feuerte zur Erforschung der Kernfusion einen Laser mit der Leistung von 500 Terawatt ab. Solche Laser sollen irgendwann eine Fusions reaktion zünden. lasers.llnl.gov --- Laserchip Eine deutsch-amerikanische Forschergruppe baute einen Silizium-Resonator, der die Laserfrequenz so stabil hält wie nie zuvor. Damit verbessern sie optische Atomuhren. www.ptb.de --- Viruslaser Einen viruskleinen Laser entwickelten Forscher der amerikanischen Northwestern University. Er funktioniert bei Raumtemperatur und könnte Daten übertragen. www.northwestern.edu
6
„Bis 2017 wird sich Additive Manufacturing als Industrieprozess etablieren.“ Prof. David Jarvis koordiniert das europäische Forschungsprojekt AMAZE.
E s werde Standard EU und ESA fördern Additive Manufacturing Die Europäische Union und die Europäische Weltraumorganisation ESA wollen Additive Manufacturing mit dem vierjährigen 18-Millionen-Euro-Projekt AMAZE vorantreiben. Dazu schlossen sich 31 Partner aus Industrie und Forschung zusammen, darunter auch TRUMPF. Das Ziel ist, Methoden zu entwickeln, um Metallkomponenten unter anderem für Luftfahrt und Automobilbau bis zu einer Größe von zwei Metern additiv herzustellen — und zwar ganz ohne Abfall. Außerdem sollen die Produktionskosten am Ende nur halb so hoch sein wie bei bisherigen, konventionellen Verfahren. Für die Entwicklungsarbeit richten die Partner vier Pilotfabriken ein. Damit Additive Manufacturing sich als industrieller Standardprozess etablieren kann, legen die Projektförderer hohen Wert auf Normierung und Zertifizierung. www.esa.int
Bit, Photon, Atom Projekt „Digital Photonic Production“ gegründet
Belastungs- und ressourcenoptimiert: additiv hergestelltes Radlager
Im sogenannten Forschungscampus schließen sich Industrie, Hochschule und Forschung zu einem nationalen Zentrum für digitale photonische Produktion in Aachen zusammen. Ziel ist es, neue Verfahren zu entwickeln, um auf der Basis digitaler Daten per Laser Bauteile kostengünstig und in geringer Losgröße herzustellen. Dazu sollen etwa lasertechnische Fertigungsprozesse stärker mit der Konstruktionsplanung verkettet werden. „Manche hier sprechen bereits von einer neuen industriellen Revolution“, so der Koordinator des Projekts Prof. Reinhart Poprawe. Das Bundesforschungsministerium fördert das Projekt 15 Jahre lang mit insgesamt 30 Millionen Euro. www.bmbf.de
„Das ist der Weg in die Laserchemie“ Katharina Doblhoff-Dier
Moleküle gezielt zerbrechen — das gelang Katharina Doblhoff-Dier gemeinsam mit einem Forscherteam der Technischen Universität Wien mit ultrakurzen Laserpulsen bei Molekülstrukturen von bis zu zehn Atomen. Die Laserpulse sind speziell geformt und versetzen die raschen Elektronen in einen anderen Zustand. Diese wiederum bewegen dann die viel größeren, trägeren Atomkerne. „Die Experimente und Simulationen zeigen, wie man gezielt in den Ablauf chemischer Prozesse eingreifen kann. So können wir Molekülverbindungen kontrolliert initiieren oder unterdrücken“, sagt Doblhoff-Dier. www.tuwien.ac.at
„Wir verändern die Strahlenform per Knopfdruck“
David Jarvis / privat; Fraunhofer Institut für Lasertechnik ILT; Katharina Doblhoff-Dier / privat; Sandile Ngcobo / privat; Dr. Kathrin Sander / privat
Sandile Ngcobo
Ein Wissenschaftlerteam um Sandile Ngcobo konstruierte an der südafrikanischen KwaZulu-NataleUniversität einen Laser, dessen Strahlform sich elektronisch ändern lässt. Der Trick dabei: Der Ausgangsspiegel selbst fungiert bereits als räumlicher Lichtmodulator und ersetzt so das übliche System aus optischen Bausteinen, das sonst den Strahl formt. Der Strahl erhält so seine gewünschte Form schon während der Verstärkung, noch bevor er die Kavität verlässt. Ngcobo: „Wir nennen es Digitallaser, denn wir können den Strahl per Computer modellieren, ohne die Optik zu kalibrieren.“ www.ukzn.ac.za
„Ein Laser ohne Strom ist möglich“ Dr. Kathrin Sandner
Ein Laser, der seine Energie aus einem konstanten Temperaturgefälle bezieht ? Kathrin Sandner von der Universität Innsbruck hat dafür die theoretische Grundlage geschaffen. Sie sagt vorher, dass ein Quanten-Kaskadenlaser sich ohne eigene Stromquelle aufrechterhalten könne, wenn man die Dicke von Halbleiterschichten verändert und bei beständigem Temperaturgefälle warme von kalten Bereichen räumlich trennt. Der Laser kühlt sich selbst, indem er die entstehende Wärme ebenfalls in Licht umsetzt. Mit dieser Idee ließen sich zum Beispiel Temperaturunterschiede in Mikrochips nutzen. www.uibk.ac.at
MACH TOOL 2013 4. – 7. Juni 2013, Posen, Polen; Messe für Maschinen und Werkzeuge www.machtool.mtp.pl/en EPHJ und EPMT 2013 11. – 14. Juni 2013, Genf, Schweiz; Fachmesse für Zulieferer der Uhrenindustrie und Unternehmen der Mikrotechnologie www.ephj.ch Beijing ESSEN Welding & Cut ting Fair 2013 18. – 21. Juni 2013, Shanghai, China; Fachmesse für Schweißtechnik www.beijing-essen-welding.com Laser Korea 2013 10. – 12. Juli 2013, Seoul, Korea; einzige Lasertechnik-Messe in Korea www.laserkorea.or.kr MF Tok yo 2013 24. – 27. Juli 2013, Tokio, Japan; Metal Forming and Fabrication Fair www.mf-tokyo.jp Marine Maintenance World Expo 2013 10. – 12. September 2013, Brüssel, Belgien; internationale Messe für Wartungstechnologien im Schifffahrtsbereich www.marinemaintenanceworldexpo.com Schweissen und Schneiden 2013 16. – 21. September 2013, Essen, Deutschland; Weltmesse für Fügen, Trennen und Beschichten www.schweissen-schneiden.com K 2013 16. – 23. Oktober 2013, Düsseldorf, Deutschland; International Trade Fair for Plastics and Rubber www.k-online.de Blechexpo 2013 5. – 8 . November 2013, Stuttgart, Deutschland; internationale Fachmesse für Blechbearbeitung www.blechexpo-messe.de Produc tronic a 2013 12. – 15. November 2013, München, Deutschland; Weltleitmesse für innovative Elektronikfertigung www.productronica.com
7
KONZE P TE
Neue Scheibe
Laserstrahl Sicherheitsglas
Folie
Beim Scheibenlaser
-- Sicherheitsglas zuschneiden Die reißfeste Folie zwischen den Platten von Verbundsicherheitsglas macht zwar das Glas sicher. Beim Trennen ist sie aber ein Hindernis. Ein Laser trennt nun zuerst die Folie im Glas. Danach lässt sich die Scheibe problemlos ritzen und brechen. www.iwm.fraunhofer.de
hagelt es Rekorde Neu entwickelte Laserkristalle verschieben die Leistungsgrenze des Scheibenlasers bis zum Horizont. Das wissen besonders die Forscher am Institut für Strahlenwerkzeuge in Stuttgart. Sie knackten in den letzten Monaten gleich mehrere Scheibenlaser-Leistungsrekorde mit unterschiedlichen Kristallstoffen. Besonders ihr neu gezüchteter Scandium-Siliziumoxid-Kristall gilt wegen seiner thermo-mechanischen Eigenschaften als Hoffnungsträger für UltrakurzpulsScheibenlaser. „Das Scheibenlaserkonzept ist geradezu prädestiniert für Ultrakurzpulssysteme mit mittleren Ausgangsleistungen“, sagt Forschungsgruppenleiterin Birgit Weichelt. www.ifsw.uni-stuttgart.de
Geschwindigkeit Laser
schnell
langsam
schnell
-- SchweiSSbahnen Ein neues 3-D-Programmiersystem für Laserauftragschweißen berechnet die optimalen Schweißbahnen: Das CAM-System modifiziert Laserleistung und Verfahrensgeschwindigkeit auf äquidistanten oder parallelen Bahnen passend zur Geometrie des Werkstücks. www.ilt.fraunhofer.de
Fügepartner 1
Spacig NASA stellt Handgerät zum Laserschweißen her
Wobbel-Zone
Fügepartner 2
-- RührschweiSSen Das sogenannte Wobbeln ermöglicht es, für MIG/MAG-Schweißen konstruierte Komponenten remote und ohne Fülldraht zu schweißen. Der Strahl kreist und schmilzt dabei zusätzlichen Werkstoff ab. So überbrückt Wobbeln beim Golf VII Fügespalten bis 0,5 Millimeter. Analyse im Web: http://bit.ly/LC_wobbeln
8
Die NASA entwickelte einen handgeführten Laser mit dynamisch-variablem Fokusfleck zum Schweißen und Löten von Metallkomponenten. Das Gerät ist ungefähr so groß wie ein PCGehäuse, das Handstück wie ein dicker Stift. Es enthält ein Linsensystem, das sich über bewegliche Kameras justiert. Damit kann der Benutzer den Winkel des Laserstrahls flexibel ändern — der Fokusfleck folgt in Echtzeit. Erst kurz zuvor hatte die NASA den internen Einsatz des Laserschweißens erlaubt, da die Technik mittlerweile auch ihre höchsten Sicherheitsvorgaben erfüllt. www.nas.gov
Ungefährlicher als ein Kugelschreiber: der Handlaser, wie die Patentschrift ihn zeigt
Kombiniere: —laser— Was ist besser: konventionelle Verfahren oder Laser? Manchmal lautet die Antwort: beides. Friedemann Lell von DMG / MORI SEIKI erklärt,
Friedemann Lell ist Vertriebsleiter der Sauer GmbH, einer Tochter von DMG / MORI SEIKI. Der Ingenieur war an der Entwicklung einer Maschine beteiligt, die das Fünfachsfräsen mit Laser-Oberflächenstrukturierung kombiniert.
warum er auf die Kombination setzt.
Gernot Walter; Institut für Strahlforschung IFSW; NASA; Blickfang Fotografie; DMG / MORI SEIKI
Sie haben eine Fräs-und-Laser-Kombimaschine entwickelt. Warum eigentlich?
Nur funktionieren reicht nicht. Weil der Motor unsichtbar ist, soll die sichtbare Motor-Akustikhaube umso besser aussehen.
Die hohe Flexibilität der neuen, fasergeführten Laser ermöglicht es ja, sie in eine Vielzahl unterschiedlicher Systeme zu integrieren. Das hilft, immer neue Einsatzgebiete zu finden. In unserem Fall ging es darum, dass die Zeit einfacher Ledernarbungen im Autoinnenraum und von Einheitsoberflächen für Konsumgüter vorbei ist. Die Endkunden wollen interessante Oberflächenstrukturen und der Laser ist das ideale Werkzeug, um die Negative dieser Muster in die Oberfläche eines Gieß- oder Umformwerkzeugs zu gravieren. Das Licht ist schnell und unterliegt keinen mechanischen Beschränkungen. Also entwickelten wir eine Lösung, die in einer einzigen Aufspannung die Werkzeuge fräst und anschließend die Oberflächentextur einlasert.
Was sind dabei die Herausforderungen ?
Wer eine lasergestützte Lösung anstrebt, sollte beide Prozesse beherrschen. Nur so wird er sie ohne Kompromisse verknüpfen können. Dazu kommt, dass der Bediener vom Laser eigentlich so gut wie nichts merken sollte. In unserem Fall hieß das unter anderem, das Umrüsten von Fräs- auf Laserbetrieb so einfach und schnell zu gestalten wie einen normalen Werkzeugwechsel.
Wie viel muss der Bediener noch über Laser wissen ?
Generell nimmt eine gute Software dem Bediener vieles ab. Bei unseren Maschinen sind die Bearbeitungsparameter in einer Werkstofftabelle hinterlegt. Alles, was der Bediener für seine Praxis über Laser wissen muss, lernt er in unseren Schulungen an einem Tag.
Wie nimmt der Markt die Kombination von Laser- und Zerspanungstechnik an ?
Die Laser-Fräs-Maschine von DMG / MORI SEIKI: Laserkombi hat Zukunft, nicht nur, wenn es ums Fräsen geht.
Da es sich hier um eine völlig neue Technologie handelt, entwickeln wir den Markt über die Designmöglichkeiten. Den einen Markt gibt es in diesem Bereich sowieso nicht. Die Spanne reicht vom Kfz-Armaturenbrett bis hin zur Zahnbürste. Wer hätte vor ein paar Jahren gedacht, dass sich Reifenhersteller mit einer schön anmutenden Struktur auf der Reifenseitenwand einen Wettbewerbsvorteil ergattern können? Ansprechpartner: DMG / MORI SEIKI, Alexander Sauter, Telefon +49 8363 89-2040,
[email protected]
9
KD Busch
Resonator-Montage: Hochleistungs-CO 2 Laser zünden die Strahlquellen, die die Chips der Zukunft belichten.
10
Thema
Kleiner, schneller, immer weiter: Seit Jahrzehnten sind Miniaturisierung und Takterhöhung die bestimmenden Trends in der Chipherstellung. Mechanische Verfahren stoßen
U nterwegs zum Nanochip allmählich an ihre
Grenzen. Jetzt übernimmt der Laser.
Die Welt will mehr Mikrochips. Sie will sie kleiner, schneller und billiger. Und Gordon Moore hat uns versprochen: Alle achtzehn Monate wird sich die Zahl der Transistoren auf der gleichen Fläche verdoppeln. Das hat der Intel-Mitbegründer schon 1965 der Halbleiterindustrie ins Lastenheft geschrieben. Seither ficht die Branche einen Milliarden Dollar schweren Kampf um jeden Quadratnanometer. Ein Transistor in einer Smartphone-CPU ist heute so groß wie ein Grippevirus. Und morgen ? Da wird sich ein Virus an einem Transistor höchstens noch das Knie stoßen. Und übermorgen wird der Virus auf Transistoren treten und sich wundern: „Wo kommen denn die Krümel her ?“ Doch wie viel kleiner geht noch ? Die Antwort der hochinnovativen Halbleiterindustrie lautet ganz klar: sehr viel → kleiner. Aber wir brauchen mehr Licht!
11
1
Lithografie: Extrem ultraviolettes Licht belichtet bereits Strukturen unter 16 Nanometern wie diese Knoten eines SRAM-Chips.
2
Mehr Nutzen: Mit Laserschneidgräben rücken die Chips enger zusammen und auf einmal ergibt der gleiche Wafer 210 statt 120 Chips.
Dicing: Ultrakurzpulslaser erzeugen Kanten wie diese und versprechen 40 Mikrometer statt 200 Mikrometer Schneidgrabenbreite.
Das Leben eines Mikrochips beginnt im Licht einer Lithografieanlage. Sie projiziert das tausendfach verkleinerte Bild eines Schaltkreissystems auf den Siliziumwafer und belichtet eine Fotolackschicht. Die sogenannte Abbe’sche Auflösungsgrenze besagt: Eine Lichtquelle kann keine Strukturen abbilden, die kleiner sind als ihre Wellenlänge. Dieses Gesetz erweist sich mittlerweile als dehnbar. Aktuell arbeiten Lithografieanlagen mit einer Wellenlänge von 193 Nanometern, erzeugen aber dank verschiedener Kniffe Strukturen von 22 Nanometer Größe. Doch mit den aktuell eingesetzten Lichtquellen zeigen sich langsam die Grenzen. Für die Belichtung der winzigsten Strukturen auf der untersten Mikrochip ebene riefen die Größen der Halbleiterbranche vor mehr als eineinhalb Jahrzehnten das EUVLithografie-Projekt ins Leben: Ziel war es, eine Quelle für extrem ultraviolettes Licht mit einer Wellenlänge von 13,5 Nanometer zu entwickeln. Die Idee ist verführerisch einfach: In eine Vakuumkammer tröpfelt Zinn, ein Laserpuls trifft ein fallendes Tröpfchen, es ionisiert. Dabei entsteht ein Plasmablitz mit der gewünschten Wellenlänge. Die harte Wirklichkeit verlangt allerdings 50.000 Volltreffer pro Sekunde. Den CO2-Laserpuls für dieses Hightech-Tontaubenschießen liefert der TRUMPF Laser Amplifier. Seit Frühjahr 2012 lieferte das Unternehmen bereits mehrere Lasersysteme der zweiten Gene12
3
TRUMPF, ASML
Dreizehn Komma fünf
Markieren: Immer mehr Informationen immer schneller auf immer kleinere Flächen schreiben ? Lasermarkierer bieten noch viel Spielraum.
ration an den Hersteller der Lithografieanlagen. In diesen steckt jedes Quäntchen Wissen über Hochleistungs-CO2Laser, das TRUMPF in 30 Jahren gesammelt hat. Die EUV-Lithografie zieht nun in die Fertigung ein. Mit ihr konstruieren die Entwickler schon jetzt 13,8-Nanometer-Strukturen — halb so groß wie ein Virus. Der einstellige Nanobereich — so groß wie der Durchmesser eines DNA-Strangs — rückt greifbar nah. Anwender in der Industrie schätzen den TRUMPF CO2-Laser bisher als robusten Arbeitsstrahl. Nun öffnet er die Tore zur Halbleiterproduktion der Zukunft.
Je kleiner, desto Laser Die EUV-Litho-
grafie gibt der Moore’schen Spirale Schwung für die nächsten Jahrzehnte. Wenn die Transistoren schrumpfen, schrumpft der Überbau, schrumpfen die Chips. Schon längst liegen die Leiterbahnschichten so eng beieinander, dass die
Gewiss gibt es eine Grenze nach unten. Aber noch keiner ist dagegengestoßen. Chipfertigung heute (Video): http://bit.ly/LC_cpu_d
Thema
4 x
Das Moore’sche Gesetz besagt, dass sich die Zahl der Transistoren auf der gleichen Fläche alle 18 Monate verdoppelt. Deshalb passen heute rund 2.100 Großrechner von 1960 in eine Hosentasche.
kleiner
TRUMPF, IBM
Wie Laser der Halbleitertechnik beim Miniaturisieren helfen.
Hersteller die Rillen zwischen den Bahnen noch auf dem Wafer mit einer Isolierschicht aus Low-K-Material füllen. Doch wenn es dann darum geht, beim sogenannten Dicing, den Wafer in seine Chips zu zersägen, wird der Low-K-Segen zum Fluch. Low-
K-Materialien sind Säge-Zicken: Entweder sie sind spröd und bröseln oder sie sind zäh und verkleben das Sägeblatt. Beim Low-K-Grooving entfernt ein Laser zunächst die wenige Mikrometer dicke Low-K-Schicht. Erst danach fährt die Kreissäge durch. Doch auch für die Säge wird es eng. Früher trennte sie kleine Wafer in eine Handvoll große Chips. Heute trennt sie immer größere Wafer in immer mehr, immer kleinere Chips. Damals kam es auf ein paar Quadratmillimeter Grabenfläche nicht an, heute schon. Ein LED-Chip ist kaum noch zehnmal so breit wie der Schneidgraben. Der misst auch mit dem dünnsten Sägeblatt circa 200 Mikrometer. Hinzu kommt noch eine Schädigungszone, weil die mechanische Belastung Mikrorisse erzeugt. Ein TruMicro Pikosekunden-Laser dagegen schafft locker eine Schneidgrabenbreite von nur 40 Mikrometern, fast ohne SchädigungsLeiterplatten: Ultrakurzpulslaser zone. Auf einmal passen 50 kontaktieren die vielen Schichten Prozent mehr Chips auf den schneller mit mehr und feineren Wafer. Das sind 50 Prozent mehr Löchern als jeder Bohrer. Gewinn. Außerdem: Sägen macht Dreck. In Chipmaßstäben hagelt es Geröll brocken auf den Wafer. Damit die feinen
4
Strukturen das überhaupt überstehen, wird ein Schutzlack aufgebracht. Das Sägeblatt fährt dann mit 10.000 Umdrehungen pro Minute durch das Halbmetall und ein Wasserstrahl kühlt den hitzigen Prozess. Danach kommt der Schutzlack wieder ab. Die diamantbeschichteten Keramik sägeblätter sind ein zusätzlicher Kostenfaktor. Sie verschleißen rasch und müssen ständig ausgewechselt werden. Ein UV-Laser braucht weder Schutzlack noch Wasserkühlung noch verschleißende Werkzeuge. Und die ständig abnehmende Waferdicke kommt ihm dabei entgegen: Unter 100 Mikrometern trennt das Licht viel schneller als die Säge.
Die Guten ins Töpfchen Als der erste Hersteller begann, fertige Chips in der Qualitätskontrolle nach Leistungsklassen zu markieren, trat er eine Vertriebsrevolution los. Die Markierung zeigt dem kameragesteuerten Sortiersystem, welche Chips sich als perfekt, weniger perfekt, noch gut oder als komplett funktionsunfähig erwiesen haben. So ließen sich auf einmal wesentlich mehr Chips pro Wafer verwerten. Das Verfahren ist heute Standard — ebenso wie die beteiligten Lasermarkierer. Und Lasermarkierer müssen es schon sein. Nicht nur Stückzahlen und Produktionstempo steigen. Mit den Ansprüchen an die Rückverfolgbarkeit wächst die Informationsmenge. Zugleich schrumpft jedoch die Oberfläche und mit ihr die Größe der Markierung. Festkörper13
Thema
laser erreichen aktuell rund 1.000 Zeichen pro Sekunde und sie markieren mit einer Spurbreite von 30 Mikrometern. In der Regel sind es diodengepumpte grüne Vanadatlaser. Sie erzeugen in den dunklen Kunststoffen, mit denen die Chips vergossen werden, einen hellen Farbumschlag. Die Oberfläche bleibt so unberührt und die Markierung ist vor Abrieb oder Manipulation geschützt.
Ohne Mühe dreißig μ Die Schrumpfkur
geht auch in der Elektronikfertigung weiter. Früher bohrte man Tausende von Löchern in millimeterbreite Kontaktbahnen. Heute bohren die Hersteller von Platinen auf einem halben Quadratmeter Millionen von Löchern, die nur noch 100 Mikrometer durchmessen und deren Tiefe auf den Mikrometer genau stimmen muss. Leiterplatten sind keine Platten mehr. Für Smartphones sind zwölffach gefaltete Platinen Standard. Server kommen sogar auf bis zu 40 Lagen. Hunderttausende galvanisch gefüllte Löcher kontaktieren jede neue Lage mit der darunterliegenden. Auch das Material ändert sich: Produzenten von Hochfrequenzchips greifen auf Keramik zurück und Handyhersteller lieben flexible Folienleiterplatten.
Üblicherweise bohrt die Industrie mechanisch, doch stehen die Zeichen auf Laser. Ein Bohrer schafft nur jeweils einige Tausend Löcher, sodass die Maschine ungefähr alle drei Minuten den Bohrer wechselt. Ein Bohrer kostet circa einen Euro. Wie bei Padkaffeemaschinen ist hier das Verbrauchsteil der bestimmende Kostenfaktor. Auch fertigungstechnisch ist das mechanische Bohren ausgereizt: Geringere Lochdurchmesser als 100 Mikrometer sind nicht machbar; mehr als 20 Löcher pro Sekunde nicht drin. Der Markt will es aber kleiner und schneller. Und der Laser kann liefern: Ein CO2-Laser kommt schon auf 100 Löcher in der Sekunde mit einem Durchmesser von nur 75 Mikrometern. Ein InfrarotPikosekunden-Laser bohrt ohne Mühe 30-Mikrometer-Löcher — und zwar je nach Material bis zu 1.000 Stück pro Sekunde. Die größte Stärke des Lasers ist aber seine Präzision. Um die übereinanderliegenden Bahnen exakt zu treffen, darf die Bohrung höchstens zehn Mikrometer von der Idealposition abweichen. Die Bohrtiefe ist genauso wichtig. Wenn auch nur ein Kontakt zwischen den Leiterbahnen misslingt, landet die Platine im Mülleimer. Für die TruMicro Laser hat TRUMPF daher eine präzise und sichere Steuerungstechnik entwickelt: Die patentierte
Doublefeedback-Loop-Regelung überwacht jeden einzelnen Pikosekundenpuls und hält die Leistung und Pulsenergie unabhängig von äußeren Einflüssen exakt auf dem benötigten Niveau. Dies erfolgt über einen externen Modulator, der den Pulsaufbau von der Leistungsregelung entkoppelt und damit immer exakt die eingestellte Leistung und Pulsenergie liefert. Und das bei gleichbleibender Strahlqualität und Pulsdauer.
Eroberung des kleinen Raums Der Halb-
leiterbau erobert immer kleinere Universen und der Trend zur Miniaturisierung wird absehbar noch viele Jahre anhalten — schon heute arbeiten Forscher an Konzepten, Schaltkreise aus einzelnen Atomen zu bauen. Sicher ist, dass der Mensch die heutigen und vor allem die künftigen Mikro- und Nanowelten nur beherrschen wird, wenn er zu seinem elegantesten Werkzeug greift: gebündeltem Licht. Ansprechpartner: TRUMPF Laser- und Systemtechnik GmbH, Michael Lang, Telefon +49 7156 303 – 30108,
[email protected] Dr. Ute Gauger, Telefon +49 7156 303-32033,
[email protected]
Video zur EUV-Lithografie: http://bit.ly/LC_euv_d
14
TRUMPF
Vier Multikilowattlaser verstärken im TRUMPF Laser Amplifier die Pulse eines fünften. Mit mehreren Megawatt Pulsspitzenleistung zünden sie die EUV-Blitze. 50.000-mal pro Sekunde.
perspektive
Die Femtos kommen! Die nächste Generation wird Ultrakurzpulslaser als Standardwerkzeug für Forschung
Guillaume Perret
und Industrie etablieren. Davon ist Laserphysiker Thomas Südmeyer überzeugt.
digung des umliegenden Materials und ermög Extrem kurze Pulsdauern, hohe räumliche Kohärenz und ein breites optisches Spektrum — diese einzigartigen licht eine präzise Strukturierung im Nano- oder Eigenschaften von ultrakurzen Laserpulsen führten schon Mikrometerbereich. Klassische Materialparamezu wissenschaftlichen Durchbrüchen und mehreren Nobel- ter wie Homogenität, Absorptionseigenschaften, preisen. Die kurze Pulsdauer kann Prozesse mit einer extrem Verdampfungstemperatur oder Härte spielen daschnellen Dynamik auflösen und sogar kontrollieren. Dank bei nur eine untergeordnete Rolle und es lässt einer hohen räumlichen Kohärenz lassen sich die Pulse aus- sich prinzipiell jedes Material präzise bearbeiten. gezeichnet fokussieren. Die Lichtenergien können räumlich Dennoch werden Ultrakurzpulslaser erst seit kurund zeitlich intensiv konzentriert werden. Das öffnet die zer Zeit in der industriellen Produktion eingesetzt. Tür zu extremen Licht-Materie-Wechselwirkungen. Dies ist Der Durchbruch kam mit diodengepumpten FestGrundlage vieler Experimente in der Attosekundenphysik körperlasern, die ausreichend Leistung und Stabiund der nichtlinearen Optik. lität für eine wirtschaftliche Nutzung bieten. Das Ultrakurzpulslaser sind in den letzten Jahren in Biologie, Potenzial ist enorm: reibungsminimierte OberfläProf. Thomas Chemie, Materialwissenschaften und Medizin angekommen. chen für effiziente Motoren strukturieren, kohSüdmeyer ist Leiter des Physikdepartments Sie messen Denkvorgänge in neuronalem Gewebe, unter- lenfaserverstärkte Kunststoffe bearbeiten oder des Laboratoire suchen dynamische Prozesse und Reaktionsmechanismen Mikrostrukturen mit kleiner Losgröße für meTemps-Frequence der an Katalysatoren, ermöglichen kompaktere Detektoren und dizinische Anwendungen erzeugen und vieles Universität Neuchâtel. helfen, Nanomaterialien zu verstehen. Die Forschung mit mehr. und an Ultrakurzpulslasern wird faszinierend bleiben. EinIn den nächsten Jahren werden Femtofachere, kompaktere und kostengünstigere Ultrakurzpulsla- sekundenlaser in zahlreiche weitere Märkte ser werden die Akzeptanz dieser Technologie stärken und expandieren. Ein vielversprechendes Gebiet ist neue Bereiche eröffnen. Diodengepumpte Festkörperlaser die Sensorik mittels optischer Frequenzkämme. werden komplexere Ultrakurzpulslaser wie beispielsweise Ein einziger Femtosekundenlaser kann gleichTitan-Saphir-Laser ersetzen. Ein Anstieg der mittlezeitig Zehntausende von ultrastabiren Leistung und der Repetitionsrate um mehlen Wellenlängen erzeugen — eine rere Größenordnungen wird in vielen GebieRevolution für Spektroskopie ten neuartige Systeme erlauben. und Messmethoden. Femtosekundenlaser sind zurzeit Dies ist auch für die Industrie von hohem Interesse, denn neue Werkstoffe wie aber zu teuer und komfaserverstärkte Verbundstoffe, hochfeste plex für Anwendungen in hohen Stückzahlen. Neue Stähle, temperaturempfindliche BiomaPikosekundenpulse terialien oder gehärtete Dünngläser lassen Technologien wie Ultraschneiden Displayglas kurzpuls-Halbleiterlaser biesich nur schwer mit konventionellen Werketwa für Handys. zeugen bearbeiten. Ultrakurze Lichtpulse können ten aber ein enormes Potenzial über Multiphotonenabsorption mit Werkstoffen wechselfür Massenanwendungen in der Biotechwirken und hierdurch eine „kalte Bearbeitung“ realisieren: nologie, Medizin und Umwelttechnik. Die energetischen Pulse werden in einer winzigen Schicht absorbiert — dort kommt es zu einem direkten Phasenüber- E-Mail an den Autor:
[email protected] gang vom Festkörper zum Gas. Das vermeidet eine Schä-
15
Induktives Härten eines Getriebeteils: Wie der Laser wirkt Induktion extrem lokal. Gute Voraussetzungen für die effiziente Zusammenarbeit in flexiblen Prozessketten.
Heißkalte Affäre Die Induktion erweist sich als idealer Partner fürs Laserschweißen — beim Vorwärmen, Reinigen und Härten.
16
Report
H
inter den Schutztüren der Laser- ist ein auf die Werkstücke abgeschweißstation umarmt der Induk- stimmtes, ausbalanciertes System tor die Antriebswelle, berührt sie aus Induktor und Hochfrequenzaber nicht. Strom fließt, zu sehen ist generator. Ihre Wirkung lässt sich nichts. Könnte Zoran Bubic, zuständig für Pro- lokal fast auf das Grad Celsius gezess und Arbeitsplanung bei GKN Driveline nau steuern. Diese KontrollierDeutschland, allerdings einen Finger auf die Stelle barkeit und die Aufheizgeschwinlegen, an der der Laser Rohr und Tripode verbinden digkeit machen die Induktion zu wird, würde er sich sofort verbrennen: Dort — und einer kleinen Wunderwaffe. Und nur dort — hat das Metall eine Temperatur von handlich ist sie wirklich: Induktirund 450 Grad Celsius erreicht. Bubic wendet sich onssysteme lassen sich hervorravon der Fertigungszelle ab und erklärt: „Der In- gend in Fertigungsschritte, verDer Tripode eines Achsausgleichsgetriebes in der Vorwärmstation. Als Demonstration wird der Flansch zum Glühen gebracht. duktor bringt extrem schnell extrem viel Wärme kettete Automatisierungssysteme in ein sehr kleines Stahlvolumen ein. Der Laser und Anlagenkonzepte integrieren. trifft auf eine ideal vorgewärmte Fügestelle und Anwendungen sind denkbar ab Raumtempe- In der Hot-Forming-Prozesskette wiederum biewir bekommen einen sicheren Schweißprozess.“ ratur bis zu mehreren Tausend Grad Celsius. Ab tet Induktion nicht nur eine Möglichkeit, Bleche Hinter vielen erfolgreichen Schweißungen 200 Grad Celsius wird es interessant für Metall- vor der Presse zu erhitzen. Lokal induzierte Wärsteht heute eine Induktionsanwendung: das bearbeitung und Lasertechnik. Oberhalb dieser me kann die komplett gehärteten Bauteile lokal Vorwärmen. Bei tiefen Schweißungen in koh- Temperatur verdampfen viele nichtmetallische aufweichen. Eine Möglichkeit, die die Automolenstoffreichen Stählen hat der Schutz- und Funktionsschich- bilindustrie aktuell entdeckt: um Schweißverten. Das heißt, dass derselbe bindungen zu ermöglichen und um das Verminimale Wärmeeintrag des Induktor, der die Fügestelle formungsverhalten höchstfester KarosserieteiLasers eine Kehrseite. Das kalte Werkstück schreckt die Naht vorwärmt, diese — und wiede- le beim Crash gezielt zu beeinflussen. Denn so ab, was in der Wärmeeinflussrum nur diese — auch reinigen steif die Bauteile auch sein sollen, wenn es knallt, zone zur Aufhärtung und Quaoder gar entschichten kann. Mit darf der Stahl nicht brechen. Nur solange er sich litätsmängeln wie Rissen führen Temperaturen über 900 Grad verformt, baut er Energie ab. Die Hersteller bekann. Konventionell bedeutet schließlich lassen sich Werk- ginnen darum, die im Crash bruchgefährdeten stücke auch lokal härten oder Stellen gezielt aufzuweichen und die Duktilität Vorwärmen, das ganze Bauteil aufweichen. Die Möglichkei- lokal zu erhöhen. Wieder geschieht dies direkt im Ofen aufzuheizen. Der Induktor dagegen induziert die ten der Induktion sind nahezu in der Laserbearbeitungszelle: Der Laser bringt unerschöpflich. Durchbrüche ein und besäumt das pressgehär Wärme sekundenschnell in einem eng begrenzten Volumen. tete Bauteil. Danach erzeugen Induktoren die geUnd: „ Vorgewärmt wird in der Schweißzelle“, Perlen in der Kette „Der Einsatz der In- wünschten lokalen „Sollknickstellen“. erklärt Zoran Bubic. „Wir ersparen uns die Vor- duktion innerhalb der Laserbearbeitung ist zuwärmstation sowie das Handhaben heißer Kom- nächst nicht immer offensichtlich“, sagt Georg Fall für zwei Keine Berührung, keine mechaponenten. Außerdem sparen wir natürlich jede Schneider, Vertriebsaußendienst Induktion bei nischen Kräfte und dafür begrenzter EnergieeinMenge Heizenergie und sehr viel Zeit.“ der TRUMPF Tochter HÜTTINGER Elektro- satz. Lokale Wirkung — wenn gewollt auch sehr nik. „Aber während der frei programmierbare großflächig — und volle Prozesskontrolle über frei Präzise, schnell, berührungslos Wer Laser die Einschränkungen mechanischer Ver- programmierbare Erwärmparameter: Der Laser sich in einem Hörsaal voller Maschinenbaustu- fahren aufhebt, ersetzen pyrometergesteuerte hat seit einigen Jahren schon eine Schwester, denten für Induktion begeistert, erntet womög- Induktionssysteme konventionelle Heizstrecken die auf den ersten Blick vielleicht nicht so aufrelich Gähnen: Induktion klingt nach Schulphysik, wie etwa Öfen und siedeln thermische Verfah- gend wirkt wie das Scifi-Werkzeug Licht. Doch gibt es selbst im IKEA-Herd. Aber die Low-Tech- rensschritte unmittelbar dort an, wo sie hingehö- der zweite Blick lohnt sich. Denn die InduktionsAura verdampft sofort, wenn es an das eigentli- ren. In Powertrain-Anwendungen beispielsweise technik teilt nicht nur viele jener Qualitäten, die che Know-how geht. Eine Induktionsapplikation direkt in der Schweißzelle.“ Zugleich lassen sich den Laser so interessant machen. Sie bringt eine die werkstückspezifischen Induktoren so gestal- reiche Mitgift in die Beziehung. ten, dass sie eine Vielzahl an Bauteilen bearbeiten Elektromotoren fertigen bis können. So spielt es keine Rolle mehr, für welche Ansprechpartner: HÜTTINGER Elektronik, Georg Schneider, Proben schmelzen: Galerie Variante eines Getriebeteils die Anlage schweißt, Telefon +49 761 8971-2125,
[email protected] der Induktionsanwendungen http://bit.ly/LC_induktion wie Georg Schneider sagt.
HÜTTINGER Elektronik; Oliver Müllerschön / TRUMPF
Induktion lässt sich lokal fast aufs Grad Celsius genau regeln.
17
Eine Strahlquelle schickt Licht in drei Wellenlängen aus und ermöglicht es damit, Prozesse und Prozessfolgen zu testen.
1030 nm
515 nm
343 nm
die minifabrik Dow Corning fertigt mit einer vollautomatischen Laseranlage siliziumbasierte Solarzellen für
Photovoltaikanwendungen. Die Mini-Forschungsfabrik bildet auf engstem Raum Prozesse ab, die normalerweise eine mehrstufige Fertigungsstrecke erfordern. Wer sehen will, wie die Solarzellen von morgen entstehen, muss ins belgische Seneffe fahren. Hier forscht das globale Chemieunternehmen Dow Corning an Verfahren zur Fertigung von Siliziumwafern für kristalline Solarzellen. Im Mittelpunkt steht dabei eine Laser-Arbeitsstation, die alle relevanten Produktionsschritte auf engstem Raum vereint: Sie trägt präzise und selektiv Funktionsschichten ab, bohrt Tausende von Löchern durch das Silizium und beschneidet anschließend die Kanten, ehe sie den Wafer mit einem Data-Matrix-Code markiert. Die unterschiedlichen Prozessschritte erfordern eigentlich mehrere Fertigungsstufen mit verschiedenen Lasern. Aber wie Guy Beaucarne, Leiter des Solar Cell Department von Dow Corning erklärt: „Moderne Solarzellenfertigung baut zunehmend auf Laserprozessen auf. Wir wollten deshalb eine Maschine, in der wir einerseits die etablierten Prozesse fahren können. Zugleich 18
sollte sie aber die Möglichkeit bieten, neue Pro- Damit die Anlage tatsächlich alle Schritte der Laserzessschritte für künftige Solarzellen zu testen.“ fertigung von Solarmodulen abdeckt und die FleMit dieser Vorstellung im Kopf rief Beaucarne xibilität für künftige Forschungsvorhaben bietet, bei TRUMPF an. Projektingenieur Jörg Smolen- schrieb Dow Corning den Projektpartnern drei ski erinnert sich: „Die Idee war spannend und Wellenlängen ins Pflichtenheft: Infrarot mit 1.030 die Aufgabe auf der Laserseite durchaus lösbar. Nanometern, Grün mit 515 Nanometern und UltraAber wir brauchten einen Systempartner, der die violett mit 343 Nanometern. „Wir wünschten erforderliche hochkomplexe Automatisierungs- uns aber eine Lösung, bei der nur ein oder zwei lösung um die Laser herum entwirft.“ Laser mit unterschiedlichen Frequenzen strahlen“, sagt Beaucarne. „Außerdem wollten wir das Dreifache Aufgabe Smolenski griff seiner- Licht weiter modulieren und mit Pulslängen im seits zum Telefon und fragte bei IPTE in Belgien Nano- und Pikosekundenbereich arbeiten. Nur an. TRUMPF und den Integrator verbinden vie- so können die Strahlen die verschiedenen Suble gemeinsame Automatisierungsprojekte. Kris strate abtragen und gleichzeitig genug Energie Smeers, Business Development Manager Auto- liefern, um das Material auch zu schneiden.“ Ziel mation bei IPTE, griff zu: „Die Fertigungsschrit- war, die Abfolge der Prozesse offen zu halten. te kennen wir gut. Wir sind in der PhotovoltaDie Applikationsingenieure von TRUMPF ikbranche sehr aktiv. Und eine Fabrik in einen schlugen vor, zwei Strahlquellen einzusetzen. möglichst kleinen Kasten zu packen und mit Mi- Die eine ist der Beschriftungslaser: „Die TruMark kropräzision zu steuern — das reizte uns sofort.“ Laser sind zuverlässige, kompakte Systeme.
Report
Als Vierter im Bund beschriftet der Markierlaser die Testwafer.
532 nm
IPTE FACTORY AUTOMATION
Einen anderen Weg zu gehen, wäre unsinnig“, erklärt Jörg Smolenski. Der TruMark 6230 ist mit seinem grünen 532-Nanometer-Licht und einer Pulsfolgefrequenz von 25 bis 100 Kilohertz das ideale Werkzeug, um Silizium zu markieren. Die zweite Strahlquelle ist das eigentliche Arbeitspferd: ein Ultrakurzpulslaser der TruMicro Serie 5000. Er liefert bis zu zehn Pikosekunden kurze Pulse mit bis zu 250 Mikrojoule Pulsenergie und eine mittlere Laserleistung von bis zu 100 Watt. Seine Leistungsparameter lassen es zu, das Licht zu konvertieren und im grünen oder ultravioletten Bereich zu arbeiten. Auf dieser Eigenschaft baute TRUMPF eine Drei-Wellenlängen-Lösung auf. Eine von Xiton Photonics aus Kaiserslautern gemeinsam mit TRUMPF entwickelte „Box“ spielt dabei die Rolle des Umschalters. Sie lässt entweder das infrarote Ausgangslicht durch oder konvertiert die Pulse wahlweise in den grünen oder den ultravioletten Frequenzbereich. Die Box besitzt drei Ausgänge für die verschiedenen Wellenlängen und hinter jedem Ausgang befindet sich wiederum ein Scanner. So kann die Anlage jeden Ausgang einzeln steuern.
Smeers. Die Alleskönneranlage muss die Waferscheiben teilweise mit einer Genauigkeit von weniger als zehn Mikrometern positionieren, dabei aber mit einer großen Bandbreite an Formaten zurechtkommen. Kris Smeers und sein Team beschlossen, auf eine hochgenaue Bilderfassung zu setzen. „Wenn die Maschine Werkstück und Lage erkennt, dann ist ihr die Form egal“, beschreibt Smeers den Gedanken. Die Kamera für die Bilderfassung bietet zwölf mal zwölf Megapixel Auflösung und die Antriebe für die Positionierung arbeiten mit entsprechend fein regulierbaren Motoren und exakten Encodern. Damit nichts die Präzisionsarbeit stört, begrenzt IPTE menschliches Zutun auf das Programmieren der Prozessschritte über das nutzerfreundliche Interface — und natürlich auf das Füttern der Maschine mit Wafern. Darin weicht die Minifabrik von den großen ab. Dort automatisiert IPTE auch die Beschickung der Anlage. Seit Herbst 2012 arbeitet die Anlage in dem Forschungszentrum. Auf die Frage, warum es eigentlich unbedingt eine Laseranlage sein sollte, antwortet Guy Beaucarne, dass Dow Corning den Laser als das Zukunftswerkzeug für die Höchste Präzision im Anlagenbau Für Solarindustrie sieht: „Laser sind sehr flexibel, die Steuerung von Box, Scanner und Anlage ent- schnell und zuverlässig. Sie lassen sich wunderwickelte IPTE eine eigene Automationslösung. bar steuern und sichern einen absolut reprodu„Die Herausforderung lag für uns dabei vor al- zierbaren Prozess. Zugleich sind Platzbedarf und lem in der Präzision, mit der die Wafer unter den Total Costs of Ownership geringer als bei den Lasern positioniert werden müssen“, erklärt Kris denkbaren Alternativverfahren“, erklärt er. „Für
Zur Galerie mit allen Anlagenfotos: http://bit.ly/LC_minifab_d
hoch entwickelte Solarzellen ist der Laser ein notwendiges Werkzeug.“ Das gilt für die Prozesse im großen Maßstab genauso wie für die Mini fabrik, mit der Dow Corning diese Prozesse erkundet: „IPTE und TRUMPF haben für uns ein extrem flexibles Werkzeug geschaffen, das sich für eine Vielzahl von Prozessschritten einsetzen lässt“, sagt Beaucarne zufrieden. Ansprechpartner: IPTE Factory Automation, Kris Smeers, Telefon +32 89 623 038,
[email protected]
IPTE Factory Automation gehört als Lieferant von automa tisierten Produktionsausrüstungen für die Elektronikindustrie zu den Marktführern in diesem Bereich und betreibt zwölf Engineering- und Produktionsstandorte weltweit. DOW CORNING CORPORATION ist ein international führendes Unternehmen für Technologie und Innovation auf Siliziumbasis und betreibt in Belgien das Solar Energy Exploration and Development Center.
19
Report
Erster!
Puebla liegt 130 Kilometer südöstlich von Mexiko City und ist Mexikos automobiles Herz.
Der Boom der höchstfesten Stähle zündete einen zweiten Boom: den der Job-Shops, die sie schneiden. In Mexiko macht Gerardo Oaxaca damit sein Glück.
Warmumformen ist ein heißes Geschäft. Nicht nur, dass der Formhärteprozess hoch- und höchstfester Stähle bei runden 900 Grad Celsius stattfindet. Konstruktionen mit diesen Stählen sind einer der heißen Trends, wo immer es um Gewichtseinsparungen geht. Kamen in der Automobilindustrie vor fünf Jahren nur zwei bis drei warm umgeformte Teile pro Fahrzeug zum Einsatz, sind es mittlerweile zwischen sechs und acht — mit der Tendenz zu über zehn Teilen pro Fahrgastzelle. Was in den letzten Jahren in Europas Automobilindustrie so richtig Fahrt aufgenommen hat, hat längst auch Amerikas Autobauer erreicht. Und wie dort hat der Trend einen festen Begleiter: 3-D-Laserschneiden, denn anders lässt sich den frisch gepressten höchstfesten Werkstücken wirtschaftlich und prozesstechnisch kaum beikommen. Auch im mexikanischen Puebla hat die neue Ära Einzug gehalten. Hier, rund 100 Kilometer südöstlich von Mexiko City gelegen, trifft das alte auf das neue Mexiko. Puebla zählt wegen seiner historischen Altstadt zum Weltkulturerbe. Aber die Stadt ist auch ein Zentrum der Industrie und Herzkammer des mexikanischen Automobilbaus. Unternehmer Gerardo Oaxaca bringt es auf den Punkt: „Hier arbeitet fast jeder in irgendeiner Form für die Automobilindustrie“, erzählt der Geschäftsführer der Firma Superlaser & Fixtures. Oaxaca war der Erste hier, der auf den Hot-Forming-Zug aufsprang: ein Sprung, der ihn zum nahezu konkurrenzlosen Spezialisten für das Laserschneiden macht und zum besten Beispiel dafür, welche Potenziale der Markt für Warmumformung einem kleinen Unternehmen mit hochwertigen Lasermaschinen bietet. 20
Im Februar 2008 hieß Superlaser & Fixtures noch Margger Ingenieros und war ein kleiner Job-Shop. Mario Oaxaca startete gemeinsam mit seinem Sohn Gerardo und einem Kollegen mit Reparaturarbeiten, die sie auf CNC-Dreh- und Fräsmaschinen, Pressen und Drehmaschinen ausführten. Im Sommer 2010 stellte dann ein Vor-Ort-Termin bei einem Automobilzulieferer für Sicherheitskomponenten die bisherige Arbeitsweise des noch jungen Unternehmens auf den Kopf. Denn bei diesem Kunden hatte sich der neue Trend Warmumformen bereits voll entfaltet — und eröffnete eine neue Arbeitsmöglichkeit für Margger Ingenieros. Der Kunde fragte, ob Margger auch 3-D-Laserschneiden biete, da seine eigenen Kapazitäten weitgehend ausgelastet seien. „Unser Kunde wünschte sich eine Outsourcing-Lösung. Er erhoffte sich mehr Flexibilität in der Fertigung. Außerdem versprach er sich davon eine wirtschaftlichere Lösung, als es zusätzliche eigene Kapazitäten wären“, sagt Gerardo Oaxaca.
So rollte die Lawine 3-D-Laserschneiden direkt auf
Oaxacas Hof. „Wir hatten einen Markt nur für uns alleine entdeckt. Andere Anbieter für Hochgeschwindigkeits-3-D-Laserschneiden gab es rund um Puebla einfach nicht“, so Gerardo Oaxaca. „Um unseren Vorsprung möglichst noch auszubauen, beschlossen wir, in die bestmögliche Qualität zu investieren.“ Die Wahl fiel auf eine TruLaser Cell 8030. Oaxaca bereitete den Markteinstieg gründlich vor: mit intensivem Marketing in der Heimat und einer Schulung für sich und die Bediener bei TRUMPF in Ditzingen. →
Schneidprozess aus nächster Nähe (Video): http://bit.ly/LC_hf-cut_d
Als erster Lohnfertiger in Mexiko sprang Gerardo Oaxaca (links) auf die Hot-Forming-Welle auf.
Adam Wiseman
Das Laserschneiden einer B-Säule. Einmal umgeformt und gehärtet, gibt es nur ein Werkzeug, um dem Stahl wirtschaftlich beizukommen: Laser.
Der Boom trägt: 60 Mitarbeiter arbeiten in drei Schichten sechs Tage pro Woche.
21
Das Herz des Scheibenlasers: eine Kavität liefert Laserlicht mit drei Kilowatt Leistung und hoher Strahlqualität.
Das Geschäft wächst: Zum Schneiden angelieferte Vorderrohre aus Edelstahl.
Der Boom höchstfester Stähle zündete weltweit den Boom des 3-D-Schneidens. Hot-Forming-Komponenten sind ein hochvolumiges Geschäft: Rund 1.200 Teile schneidet eine Maschine von Oaxaca pro Tag.
22
Adam Wiseman; Volkswagen AG
Report
Der Passat B 6 brachte 2005 den Durchbruch für die Konstruktion mit höchstfesten Stählen. Je nach Hersteller und Klasse wird ihr Anteil an den Karosserien von heute fünf bis 15 Prozent auf 35 bis 40 Prozent steigen.
Zum Eintritt in das neue Absatzfeld Laserschneiden gründete Gerardo Oaxaca die Firma Superlaser & Fixtures. Gut vorbereitet und geschult konnte das Team, als die TRUMPF Maschine im Sommer 2011 Mexiko erreichte, direkt mit seinem ersten Auftrag loslegen: „Bei den warmumgeformten Teilen, die wir mit dem Laser schneiden, handelt es sich um Sicherheitskomponenten im Auto, wie zum Beispiel die A- oder die B-Säule“, erzählt Gerardo Oaxaca. Dank Lasereinsatz kann das Unternehmen sehr große Volumina stemmen. „Die B-Säule ist eine der größten Fahrzeugkomponenten, die wir schneiden. Die Produktion eines Teils dauert etwa eine Minute, sodass wir 1.200 Teile pro Tag schneiden können — und damit die Herstellung von 600 Autos pro Tag ermöglichen“, sagt Oaxaca.
Und mit der Maschine kamen die Aufträge Un-
ter anderem schnitt das Team Sicherheitskomponenten für neueste Modelle von verschiedenen europäischen Automobilherstellern in Mexiko. Auch Cabrio- und Hybridversionen zum Exklusivverkauf in Nordamerika erhielten ihre lasergeschnittenen Innenraumverstärkungen aus Puebla. Die erste Laseranlage bekam aufgrund des großen Erfolgs bald eine Schwester. Dieses Mal allerdings eine TruLaser Cell 7040 mit Zwei-Stationen-Betrieb. Denn Gerardo Oaxaca wollte nicht alleine auf die hohen Volumina aus der Warmumformung setzen. Die Schneid- und Schweißzelle ermöglicht es dem Unternehmen, neben dem Schneiden hoher Volumina auch flexibel auf weitere Aufträge zu reagieren. Denn schnell offenbarten sich durch den Lasereinsatz neue Nischen. Der Erfolg vergrößerte das Team nicht nur rasch von drei auf fast 60 Mitarbeiter, die sechs Tage die Woche im Dreischichtbetrieb arbeiten. Er gab Gerardo Oaxaca und seinen Kollegen auch die Freiheit, über neue Einsatzgebiete ihrer Lasermaschinen nachzudenken. Wie der Zusatz „Fixtures“ im Firmennamen verrät, ist das Fertigen von Zubehör sowie auch von Prototypen mittlerweile zweites Stand-
bein des Unternehmens. „Wir bauen beispielsweise Vorrichtungen sowohl für Laser- als auch für Schweißmaschinen“, erklärt Gerardo Oaxaca. „Das ist sozusagen eine Arbeit „à la carte“ für unsere Kunden — etwa, wenn in einer laufenden Produktion schnell eine Änderung notwendig ist.“ Auch hier ist die Nachfrage groß, es lohne sich einfach für die Kunden, so Oaxaca, auch solche Spezialaufträge auszulagern.
Die Hot-Forming-Welle läuft noch immer Die Unternehmensberater von McKinsey schätzen, dass der Anteil höchstfester Stähle von heute 15 Prozent auf 40 Prozent steigen wird. Der gleichen Studie zufolge wächst der Markt für Leichtbauteile — an dem höchstfester Stahl den Löwenanteil hat — von 70 Milliarden auf mehr als 300 Milliarden Euro. Eine Welle, auf der Gerardo Oaxaca bis in die Position eines direkten Zulieferers der Autokonzerne surfen könnte. Zudem wurde Oaxacas Unternehmen im November 2012 nach der Norm ISO 9001 : 2008 von TÜV Rheinland in Mexiko zertifiziert. Aber „Tier-One-Lieferant werden ist für uns nicht der nächste Schritt“, sagt der Geschäftsführer. „Zum einen ist das Unternehmen dafür noch zu jung. Zum anderen ist es gerade unsere Unabhängigkeit, die ein solch flexibles Arbeiten für unterschiedliche Kunden ermöglicht.“ Und davon gibt es in Mexiko immer mehr. „Wir haben nicht nur viel Land, sondern auch eine gute Arbeitsmoral sowie einen hohen Qualitätsanspruch. Zwar importieren wir hochwertige Maschinen, aber das Know-how, sie auf perfekte Art und Weise einzusetzen, haben wir inzwischen selbst“, resümiert Gerardo Oaxaca. „Das Schneiden der Hot-Forming-Teile war der Anschub. Es hat uns Chancen eröffnet, von denen wir zuvor nicht einmal wussten, dass wir davon profitieren könnten!“ Ansprechpartner: Superlaser & Fixtures, Gerardo Oaxaca, Telefon +52 1 222 554 7433,
[email protected]
23
Science
Christian Nölke
Heilung in 3-D Ob es je so weit kommt, dass der 3-D-Drucker im Hobbykeller das Leben verschönert, ist offen. Sicher ist aber, dass generative Verfahren auf dem besten Weg sind, Gesundheit und Leben zu retten.
Zu den Aufgaben der Medizintechnik gehört es,
technische Komponenten auf eine gewachsene biologische Umgebung abzustimmen. Bereits heute werden vor komplizierten Operationen mithilfe der Computertomografie hochaufgelöste, patientenspezifische 3-D-Daten gesammelt. Diese präzisen Scans von Knochen, Organen oder Gliedmaßen ermöglichen es, extrem passgenaue, patientenindividuelle Operationshilfen und Implantate herzustellen. Und das ist keine Zukunftsmusik: Solche Operationshilfen werden heute schon in Form von Bohrschablonen im OP oder auch als Hilfsmittel bei der Eingriffsplanung und Anpassung von Im24
plantaten eingesetzt. Eines der ersten additiv hergestellten orthopädischen Serienimplantate ist die von Lima Corporate S.p.A. gefertigte Hüftpfanne. Sie soll mit ihrer porösen Oberflächenstruktur ein verbessertes Einwachsverhalten ermöglichen. Allerdings werden diese Implantate mithilfe einer elektronenstrahlbasierten Anlage produziert. Darüber hinaus wird in der Literatur immer wieder von eingesetzten patientenindividuellen LAMImplantaten etwa in der Mund-, Kiefer- und Gesichtschirurgie berichtet. Bereits fest etabliert hat sich dagegen die industrielle Produktion von Zahnimplantaten.
Industrielle Prozesse für individuelle OP-Hilfen und Implantate sind ein Ziel der Forschung.
Aber noch stehen dem weitverbreiteten Einsatz von LAM-Implantaten die erforderliche und aufwendige Softwareinfrastruktur, die notwendige Zertifizierung der Produktionsprozesse sowie die klinische Zulassung entsprechend der EU-Richtlinie 93/42/EEC entgegen. Industrie und Forschung arbeiten jedoch intensiv daran, Lücken hinsichtlich Produktionstechnik, Software und Zulassungsfähigkeit zu schließen. Dabei treibt die Medizintechnik nicht nur die sehr umsetzungsnahen Entwicklungsarbeiten voran. Ihr Bedarf initiiert auch einen großen Teil der Grundlagenforschung. Hier geht es um Untersuchungen zur Verarbeitung schwer schweißbarer, bioresorbierbarer oder auch funktionaler Werkstoffe. Die Gruppe Oberflächentechnik des Laser Zentrum Hannover e. V. beispielsweise forscht aktuell an der laseradditiven Verarbeitung von Magnesiumpulvern. Die Untersuchungen
Die Arbeiten zum Laserschmelzen von Magnesiumlegierungen werden von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) mit dem Kennzeichen HA 1213/77-1 gefördert. Die Arbeiten zum Laserschmelzen von NiTi-Formgedächtnislegierungen werden vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) im Rahmen des Projektes GentleCI mit dem Kennzeichen 16SV3944 gefördert. Die Arbeiten zum SLµM werden im REMEDIS-Verbundprojekt durch das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) im Rahmen des Förderprogramms „Spitzenforschung und Innovation in den Neuen Ländern“ gefördert (FKZ: 03IS2081).
Die breite Öffentlichkeit träumt vom 3-D-Laserdrucker: Das Allzweckgerät, das von der Kaffeetasse bis zum Kleinwagen jeden beliebigen Alltagsgegenstand aus etwas Staub und Licht herbeizaubert. Dass die Industrie längst nicht mehr träumt, sondern handfeste Ergebnisse schafft, geht dabei fast etwas unter. Denn die Industrie verfolgt ganz andere Ziele als das oben skizzierte. Sie will nicht das eine Gerät, das viele Dinge ein bisschen kann, sondern arbeitet an Verfahren, Werkstoffen und Anlagen, die ganz bestimmte Dinge prozesssicher, perfekt, programmier- und reproduzierbar und in industriellem Maßstab leisten. Von der Öffentlichkeit fast unbemerkt, hat die laser additive Fertigung (LAM) dabei in den letzten Jahren große Fortschritte erzielt. Ausgehend vom Rapid Prototyping hat die Fertigung in Schichten mit ihrer hohen Geometriefreiheit auch bei der Umsetzung von Kleinserien und im Werkzeugbau Fuß gefasst. Die Stichworte sind hier Rapid Manufacturing und Rapid Tooling und es sind vor allem Luft- und Raumfahrt sowie die Automobilindustrie, die hart daran arbeiten, aus Verfahrensideen industrielle Prozesse zu entwickeln. Am anderen Ende der Skala wiederum ist es die Medizintechnik, die intensiv daran forscht, die Grenzen des Machbaren zu verschieben.
Science sind Teil eines gemeinsamen Projekts der Deutschen Forschungsgemeinschaft mit der Mund-, Kiefer- und Gesichtschirurgie der Medizinischen Hochschule Hannover und der Tiermedizinischen Hochschule Hannover. Ziel ist, die Fertigung von kontrolliert bioresorbierbaren Hybridimplantaten für die biologisch adäquate Rekonstruktion von Gesichtsschädeldefekten zu ermöglichen. Ein solches Implantat könnte bei der Rekonstruktion zunächst verletzte Knochenpartien ersetzen und anstelle der Knochen das darüber rekonstruierte Gewebe stützen. Über den Heilungsverlauf zersetzt sich dieses Implantat und weicht den nachwachsenden Knochenzellen. Das bedeutet auch, dass die Verteilung der auftretenden Kräfte mit fortschreitender Einheilung zunehmend auf das nachwachsende Knochenmaterial übertragen wird. Die Absicht ist, den resorbierbaren Magnesiumgrundkörper laseradditiv zu fertigen. Dieser erhält anschließend eine Polymerbeschichtung und, sofern notwendig, wird der Verbund mit einer Titankomponente verstärkt. Zur Beschleunigung und Verbesserung des Einwachsverhaltens wird das hybride Implantat bereits im Vorhinein im Labor mit Knochenzellen besiedelt.
auftragschweißen (µLMD) ist ebenfalls ein Schwerpunkt der Gruppe Oberflächentechnik. Hier bietet sich die Möglichkeit, medizinische Mikroimplantate aufzubauen oder Oberflächen funktional zu strukturieren. Ein Schwerpunktbereich sind hier „Drug-Delivery-Systeme“ aus medizinischem Stahl zur direkten Abgabe von Medikamenten ins Zielgewebe sowie die Verarbeitung der Formgedächtnislegierung Nitinol beispielsweise für funktionale Mikroaktoren. Die Applikation entscheidet dabei über das Verfahren: Entweder kommt das zweistufige pulverbettbasierte SLµM oder das einstufige µLMD zum Einsatz. Beide Verfahrensweisen erzeugen Objekte ohne Poren und Fehlstellen mit Strukturbreiten im Bereich von 30 bis 40 Mikrometer. Im Gegensatz zum SLM benötigt µLMD kein Pulverbett, da es den pulverförmigen Zusatzwerkstoff direkt in die Prozesszone einbringt. Für Oberflächenstrukturen auf komplexen Freiformflächen oder größeren Bauteilen eignet sich das µLMD besser. Zur Erstellung von mehreren Bauteilen und komplexen 3-DStrukturen mit Hinterschneidungen weist der SLµM-Prozess deutliche Vorteile auf. Folgt man den aktuellen Veröffentlichungen und Ereignissen, erreicht die laseradditive Fertigung langsam einen Status, der den Weg zu industriellen Applikationen eröffnet: sei es als Alternative für konventionelle Verfahrensweisen oder sei es, weil LAM Türen zu neuen Möglichkeiten aufstößt, die sich nur mit ihr verwirklichen lassen. Der Reifegrad und die Durchdringungstiefe einzelner Prozessvarianten weichen zwar deutlich voneinander ab — SLµM und µLMD etwa stehen noch am Anfang ihrer Karriere. Doch im Rahmen der laufenden Entwicklungen nimmt die Interaktion zwischen Anwendern und Forschung stetig zu, sodass die Anforderungen der Industrie verstärkt aufgezeigt und neuer Forschungsbedarf ermittelt wird. Dementsprechend ist auch in den kommenden Jahren ein weiterer signifikanter Fortschritt bei der laseradditiven Fertigung zu erwarten.
Mikroverfahren versprechen neue Lösungen für Wirkstofftransport und funktionale Oberflächen.
Gernot Walter; Christian Nölke / privat
Die große Herausforderung beim laseradditiven Er-
stellen dreidimensionaler Bauteile aus Magnesiumwerkstoffen bildet die geringe Differenz von Schmelztemperatur und Verdampfungspunkt. Unter normalen Umgebungsbedingungen lässt sich Magnesiumpulver durch selektives Laserschmelzen (SLM) nur zu einfachen Schweißspuren verarbeiten und neigt darüber hinaus zu starken Agglomerationen („Balling“). Die im Projekt angesetzte Strategie sieht eine Prozessdurchführung unter Überdruckbedingungen vor, die die Temperaturdifferenz zwischen Schmelz- und Verdampfungspunkt vergrößern. Mithilfe der Firma SLM-Solutions wurde dazu eine kommerzielle Laserschmelzanlage modifiziert und mit einer auf zwei Bar Überdruck ausgelegten Prozesskammer ausgestattet. Erste dreidimensionale Versuchsstrukturen konnten bereits erstellt werden — ein großer Schritt in Richtung des Projektziels. Die laserbasierte additive Mikrobearbeitung wie das selektive Laser-Mikroschmelzen (SLµM) und das Laser-Mikro-
Christian Nölke ist Leiter der Gruppe Oberflächentechnik am Laser Zentrum Hannover e.V., sitzt unter anderem im Technischen Komitee FA13 „Generative Verfahren“ des Deutschen Verbands für Schweißen DVS und arbeitet zum gleichen Thema im Normenausschuss des Deutschen Instituts für Normung (DIN) am Entwurf der DIN ISO/TC 261 mit. Kontakt:
[email protected]
25
Menschen
„Laser hatte ja jeder“ Kaum einer hat das Elektronenstrahlschweißen so geprägt wie Dr. Dietrich Freiherr von Dobeneck. Wie ihn die Leidenschaft für die Technologie und der Konkurrenzkampf mit dem Laser bis heute antreiben.
Wie kamen Sie zum wollte, zunächst der Nachweis zu er- heiten der Elektronenstrahl-Schweißbringen war, dass sein Problem mit prozesse und der Gerätetechnik geärElektronenstrahlschweißen ? Meine erste Information über das diesem Schweißprozess gelöst wer- gert, weil sie die wirtschaftlich erfolElektronenstrahlschweißen ent- den kann. Mit dem damals geringen greiche Nutzung behindert haben. nahm ich einem Artikel im Spiegel Erfahrungsschatz war das jedes Mal Es mussten Innovationen her, um vor über das Sojusprojekt der Russen ein langwieriger Versuchsaufwand. allem gegenüber dem Laser wettbe1969. Eine Obristin habe mit einer Ich kaufte also 1974 die zwei Ma- werbsfähig zu sein. Je mehr der Lahandgeführten Strahlkanone im schinen des Labors und übernahm ser in den 90er-Jahren das SchweiWeltraum geschweißt. Auf den Le- diese Arbeiten. Steigerwald schick- ßen gelernt hat, desto hartnäckiger serbrief von Dr. Steigerwald hin, er te seine Kunden zu mir, wo sie eine haben wir im Team an Verbesserunhabe diese Technik erfunden, habe neutrale Beurteilung bekamen und gen gearbeitet. ich mich bei Steigerwald Strahltech- dafür bezahlten. Interessenten mit nik beworben und erst einmal fünf geringem Fertigungsbedarf blieben Warum sind Sie nicht auch auf Jahre lang die Grundlagen dieser uns als Lohnkunden erhalten. den „hippen“ Laser umgestiegen ? W ir haben uns früh für Laser interTechnik kennengelernt. Die Komplexität der Anlagen und der Pro- Warum trauten Sie sich, in direkte essiert und schon Anfang der 80erzesse haben mich als Physiker be- Konkurrenz mit dem damals neuen Jahre unseren ersten Laser gekauft; geistert und herausgefordert. zunächst zum Schneiden, aber auch Laser zu treten ? „Innovationen entstehen aus Leiden- zum Heften von Teilen zum Elekschaft — und nicht aus Zufriedenheit.“ tronenstrahlschweißen und -bohFührte diese Leidenschaft zur Der Satz stammt von Ferdinand ren. Im Laufe der Jahre kamen sogar Gründung Ihrer Firma pro-beam ? Das Labor von Steigerwald war eine von Steinbeis und er trifft auch hier noch mehr hinzu, bis wir schließgroße Kostenbelastung, da für jeden wieder zu. Ich habe mich zu Beginn lich über vier CO2-Laser von einem Kunden, der eine Maschine kaufen meiner Karriere über viele Einzel- bis zwölf Kilowatt und über einen 26
Festkörperlaser mit 150 Watt Leistung verfügten. Die beiden Hochleistungslaser wurden zum Schweißen dort eingesetzt, wo unsere Vakuumkammern zu klein waren. Als dann nahezu an jeder Hochschule und in jeder Stadt ein Wettbewerber Bearbeitungen mit dem Laser anbot, haben wir beschlossen, uns auf die Elektronenstrahltechnik zu konzentrieren, und zogen uns aus der Laseranwendung zurück. Hat diese Entscheidung dann den Fokus endgültig in Richtung Anlagenbau verschoben ? Das begann schon früher. Bald nach Beginn unserer Tätigkeit als Dienstleister für Schweiß- und Bohrarbeiten fingen wir an, unsere Anlagen zu modifizieren sowie gebrauchte Maschinen zuzukaufen und an vorgesehene Aufgaben anzupassen. Der Preisdruck im Markt war groß
Simon Koy
Dr. Dietrich von Dobeneck gründete 1974 die auf Elektronenstrahlschweißen spezialisierte Firma pro-beam.
27
Menschen
und um zu bestehen, mussten alle Prozessschritte schneller werden. Da war vor allem die Notwendigkeit, die Evakuierzeit zu verkürzen. Es gelang uns, durch Entwicklung der Schleusentechnik das Evakuieren in die Nebenzeit zu verlagern. Da uns der Markt solche Maschinen nicht liefern wollte, haben wir sie uns selbst gebaut, ab 1986 für den Eigenbedarf und ab 1999 zum Verkauf. Bis dahin bestand ja das Problem, dass uns Lohnkunden verloren gingen, sobald die Stückzahlen ihrer Teile so groß wurden, dass sie sich eine eigene Maschine beim Wettbewerb kauften. Wie hat sich pro-beam weiterentwickelt ? Die nächsten Entwicklungsschritte vollzogen sich dann im Bereich der Strahlgeneratoren, also der Elektronenoptik und der schnellen Steuerung des Strahls. Da die maximal erreichbare Schweißgeschwindigkeit häufig durch den zu schweißenden Werkstoff bestimmt wird, lernten wir, mit mehreren Strahlen gleichzeitig zu fügen. Dies brachte nicht nur eine Verkürzung der Schweißzeit, durch symmetrische Wärmeeinbringung in das Bauteil konnte auch der Verzug beeinflusst und minimiert werden. Wir automatisierten das Positionieren der Teile, indem sich der Strahl die Schweißposition selbst suchte, und integrierten die Qualitätssicherung als OnlineProzess. So übernahmen wir innerhalb weniger Jahre die Technologieführerschaft weltweit. Wie sieht diese Branche denn heute aus ? Welchen Stand hat das Elektronenstrahlschweißen in der Industrie ? Es gibt eine Handvoll Betriebe, die 40 und mehr Elektronenstrahlma28
schinen zum Schweißen von Mas- volle Anwendungen gäbe es genug! Entwicklung die Märkte beeinflussenteilen der Automobilindustrie Die Schwierigkeit besteht darin, sie sen und Anwendungen verschieben. betreiben. Und es gibt wenige Spe- aufzuspüren. Ein nachhaltiger Weg, Wichtig ist, dass es nicht zum Stillzialisten, vorwiegend in der Luft- den wir intensiv verfolgen, ist es, stand kommt, sondern dass Deutschund Raumfahrt, die es mit schwie- Konstrukteure mit dem Verfahren land führender Technologieentwickrig zu schweißenden Werkstoffen vertraut zu machen. ler und Exporteur dieser beiden anspruchsvollen Schweißverfahren wie Titan-, Kobalt- oder Zirkoniumlegierungen zu tun haben. Die Wie hat sich in Ihren Augen die bleibt. benötigen das Vakuum als Schutz Beziehung zwischen dem vor Kontamination ihrer reaktiven Elektronenstrahl- und dem Gemeinsam mit TRUMPF nimmt Materialien. Und schließlich ist es Laserschweißen entwickelt? pro-beam ja an einem laufenden die hohe Präzision des Elektronen- In der Vergangenheit war die Schweiß- Forschungsprojekt der TU Braunstrahlschweißens, die neue Konst- qualität, was die Wärmeeinbringung, schweig teil, das beide Verfahren ruktionsvarianten ermöglicht. Sinn- den Verzug und die Spritzerbildung kombiniert. Über den potenziellen anbelangt, beim Elektronenstrahl Schub für die Lasertechnik besser. Die Schweißkosten waren haben wir hier schon berichtet. für geringe Schweißtiefen, zum Bei- Was verspricht sich der Elektronenspiel bei Blechen, beim Laser güns- strahlschweißer davon ? tiger, für große Querschnitte beim Die bis jetzt bekannten Vorteile in Elektronenstrahl. Mit der Entwick- der Kombination beider Verfahren lung der Scheiben- und Faserlaser sind zum einen das Einsparen von hat sich der energetische Wirkungs- Schutzgas — Vakuum ist billiger als grad der Festkörperlaser von zwei Argon oder Helium — und die Reauf 30 Prozent deutlich verbessert, duzierung von Schweißspritzern, aber auch die Schweißqualität die oftmals teuer entfernt werden kommt dem Elektronenstrahl sehr müssen. Der Laser als Strahlquelle nahe. Allerdings sind die Kosten je kann über Strahlweichen mehrere Kilowatt Strahlleistung gestiegen, Schweißstationen bedienen, das kann während sie beim Elektronenstrahl der Elektronenstrahl nicht. Der Vorgesunken sind. Insofern gilt noch teil für den Laser ist evident. Wir als immer, dass mit zunehmender Dienstleister sind ja nicht an den Schweißtiefe die Stückkosten für Elektronenstrahl gebunden und den Elektronenstrahl günstiger wer- können, wie schon früher praktiden. Aufgrund dieser Tatsache ha- ziert, diesen neuen Prozess mit dem ben wir für unseren Lohnbetrieb Laser selbst nutzen. Zudem können zwei Großanlagen gebaut. Diese wir unsere Erfahrung mit schnellen fügen Werkstücke bis zwölf Me- Vakuumprozessen einbringen. Also ter Länge und 50 Tonnen Gewicht. eine klare Win-win-Situation. Je nach Werkstoff bewältigen sie Die theoretischen Vorteile liegen Schweißtiefen von bis zu 150 Milli- damit für jeden Anwender auf der metern in einer Lage. Hand. Inwieweit sich Einschränkungen bei der praktischen Umsetzung ergeben werden, müssen Versuche Was wird für beide Verfahren die zeigen. Es ist die Aufgabe des gemeinZukunft bringen? Laser und Elektronenstrahl wer- samen Entwicklungsprojektes, Taktden auch künftig nebeneinander zeiten und Kosten zu ermitteln. Die ihre Berechtigung und ihre Aufga- Ergebnisse werden zeigen, ob sich ben im Schweißmarkt haben. Und ein Profit ergibt und wie groß dieser natürlich wird die eine oder andere für welche Anwendung ausfällt. →
„Es begann damit, dass ich mich über viele Einzelheiten der Schweißprozesse mit dem Elektronenstrahl und der Gerätetechnik geärgert habe.“
Simon Koy
Leben Dietrich von Dobeneck studierte am Lehrstuhl für Plasmaphysik der TU München. Seine erste Anstellung brachte ihn 1969 auf das Elektronenstrahlschweißen. Sein Unternehmen pro-beam machte es zur Berufung. Laser Laser haben ihn immer interessiert. Vor der Wahl, die Arbeit an Photonen oder Elektronen weiterzuverfolgen, entschied er sich für Elektronen. Leistung Schleusentechnik, Schweißen mit parallelen Strahlen, Online-Prozessüberwachung: In fünf Jahrzehnten Elektronenstrahlschweißen gingen fast alle wesentlichen Fortschritte in der Prozess- und Anlagentechnik von Dietrich von Dobeneck aus.
Trotz der beschriebenen Vorteile effekten der öffentlichen Förderung vorzuziehen sind. hat das Elektronenstrahlschweißen eine Art Exotenrolle unter den Welche Rolle spielte das Anliegen, Schweißverfahren. Wie lässt sich den Bekanntheitsgrad des Elektrodas ändern? Um technologische Prozesse in der nenstrahlschweißens zu fördern, für Industrie bekannt zu machen, ist die Gründung Ihrer Stiftung ? es ein möglicher Weg, Studenten Die Bekanntheit der Elektronenwährend des Studiums darin aus- strahltechnologie in der Industrie zubilden. Diesen Weg haben wir in zu intensivieren, ist neben der Förden letzten Jahren konsequent und derung neuer Fertigungsverfahren erfolgreich verfolgt. An zehn euro- einer der Stiftungszwecke. Dann päischen Hochschulen stehen nun gab es für mich aber noch andere moderne Elektronenstrahlanlagen Gründe, an eine Stiftung zu denken. zur Ausbildung und Forschung. Die Ich wollte die Firma nach meinem ersten Absolventen sind bereits in Ruhestand nicht verkaufen, sonder Industrie angekommen. Der dern weiterführen. Es musste also Anstoß und die Mitfinanzierung ein Gesellschafter gefunden werden, sind über die Stiftung erfolgt, die der meine Interessen weiterverfolich im Jahr 1995 gegründet habe. gen würde. Das lässt sich in einer Aber einen Großteil der Kosten Stiftungssatzung gut regeln. hat die öffentliche Hand übernommen. Im Vergleich zur Förderung Der Ruhestand des Elektronender Laserentwicklung in den 80er- strahlpioniers ist also immer noch und 90er-Jahren hat der Elektro- ein „Unruhezustand“? nenstrahl nichts abbekommen. Ich Wenn man im Leben etwas bewebin allerdings der Meinung, dass gen will, dann braucht man neben private Initiativen und auch Ri- einer klaren Vision die Kraft und sikoübernahmen den Mitnahme- vor allem die Ausdauer, das gesetzte
„Als Konsequenz haben wir für den Lohnbetrieb Anlagen für Werkstücke bis zwölf Meter Länge und 50 Tonnen Gewicht gebaut.“
Ziel zu erreichen. Meine Leidenschaft für Technologie ganz allgemein besteht nach wie vor und ich sehe mit Freude, wie meine Nachfolger in den letzten zehn Jahren meine Begeisterung für die Elektronenstrahltechnik teilen und sie in großen Schritten vorantreiben. Durch meine Tätigkeit als Vorstand der Stiftung bin ich in die Forschungsarbeiten und Tagungen verschiedenster Projekte weiter eingebunden. Mit den als Ruheständler gewonnenen Freiräumen kann ich jetzt auch anderen Leidenschaften wie der heimischen Geschichte und Kultur nachgehen. Ein Beispiel ist die Initiierung eines Denkmals für die „erste Pipeline der Welt“ 1619, die Soleleitung von Reichenhall nach Traunstein. Da man im Alter akzeptieren muss, dass alle Arbeiten etwas langsamer von der Hand gehen als früher, bleibt für Gedanken an einen Ruhestand keine Zeit. Ansprechpartner: pro-beam AG & Co. KGaA, Telefon +49 89 899233-0,
[email protected]
29
Die Pulse werden kürzer, die Strahlquellen leistungsfähiger, einfacher und zuverlässiger: Drei Pioniere, drei Applikationen und drei Technologiebeiträge zeigen auf www.laser-community.de die Zukunft der Ultrakurzpulslaser in Industrie und Forschung.
ONLINE SPECIAL 30
Die Zukunft der Ultrakurzpulslaser
Carl Zeiss Mycroscopy GmbH; KD Busch; TRUMPF; IPTE Factory Automation; TRUMPF; Guillaume Perret; Max-Planck-Gesellschaft; LaserJob GmbH
www.laser-community.de /special-ukp
Gernot Walter
Wo steckt der Laser ? In Bier und Krautsalat: Den sommerlichen Feierabend in deutschen Gärten stellt man sich schaumbekrönt vor: Goldherb glänzt das Bräu im Lichte der sinkenden Sonne. Und neben dem Grill warten schon Kraut-, Gurken- und Kartoffelsalat. Dass auch bei diesem Gedeck der Laser mitgespielt hat, ahnt man nicht sofort. Doch die Edelstahlreibe, die das Gemüse zerhobelte, stammt von der Firma Rösle. Und fast unsichtbar geschweißt hat sie der Laser. Auch den Trinkglasrand, den jetzt keck der Bierschaum überragt, verdankt der Genießer dem Werkzeug Licht: denn dieses hat das Glas geritzt und danach mit einem defokussierten Strahl thermisch abgesprengt — spannungsfrei und ohne Mikrorisse. So liegt seine feine Kante gut an den Lippen — ganz ohne Nachbearbeitung. Na dann, einen guten!
Jens Oswald
10 !
x
75.000 Betriebsstunden und nicht nur 7.550 hat TRUMPF Laser Nummer 70 auf dem Buckel.
Ausgeliefert 1987, stammt er aus der ersten Baureihe eigenentwickelter CO2 -Laser von TRUMPF. Damals erschienen 9.999,9 Stunden großzügig bemessen. Bei Glaswerke Arnold GmbH & Co. KG verschweißte er im Zwei- und Dreischichtbetrieb über 100.000
Kilometer Profile für die Isolierglasindustrie. Am Stück würde dieser Strang die Erde über
zweieinhalb Mal umschlingen. Nun ist Nr. 70 mit 65.000 Überstunden im Ruhestand.
L a s e r C o mm u n i t y i s t d a s A n w e n d e r m a g a z i n v o n TRU M P F. O n l i n e w e i t e r l e s e n : w w w. l a s e r - c o mm u n i t y. d e
