Nachwuchsforscher für ultrakurze Laserpulse ausgezeichnet
Mit ultrakurzen Laserpulsen können Bosch-Forscher Bauteile noch präziser bearbeiten. Im Kraftfahrzeugbereich werden die Ingenieure dadurch Schadstoffemissionen und Kraftstoffverbrauch noch weiter reduzieren können.
Eine kleine bläuliche Dampfwolke, vielleicht stecknadelkopfgroß, ist alles, was zu sehen ist. Dann hat der Laser seine Arbeit getan. Kein Zischen, kein Funkenflug. Das Bauteil, das jetzt in den Händen von Jens König liegt, ist um eine winzige Struktur reicher: In wenigen Sekunden hat der Laser einen nur einige 10 Mikrometer (tausendstel Millimeter) breiten Schlitz in eine Einspritzkomponente eingegraben.
Dass König und seine Kollegen Thorsten Bauer, Markus Willert und Ulrich Graf eine Lasertechnologie für diese filigranen Mikrostrukturen entwickelten und auf Fertigungsprozesse mit Taktzeiten von wenigen Sekunden angepasst haben, brachte ihnen den mit 20.000 Euro dotierten Innovationspreis der Berthold-Leibinger-Stiftung ein. Der Preis zählt zu den weltweit angesehensten und höchstdotierten Auszeichnungen auf dem Gebiet der Lasertechnik.
... in die Serienfertigung
In seinem Labor im Bosch-Forschungs- und Entwicklungszentrum Schwieberdingen geleitet Jens König Besucher durch ein kleines Labyrinth grauer Schränke und verteilter Monitore. In den Schränken sitzt Steuerelektronik und Kühltechnik für die Bearbeitungsanlage und den Ultrakurzpulslaser. Wenn er dann eine Schrankseite nach oben schiebt und auf die komplizierte Anordnung von Spiegeln auf der optischen Bank weist, gerät er ins Schwärmen. Die komplizierte Laseranlage, die er und seine Kollegen in akribischer Detailarbeit zusammengebaut haben, vermag schnell und präzise in viele verschiedene Materialien mikroskopisch kleine Strukturen einzuarbeiten. "Wir können mit dem Laserlicht strukturieren, trimmen, bohren und schneiden", erklärt König. Die Dimensionen bewegen sich dabei meist bei wenigen Mikrometern.
Sein Kollege Thorsten Bauer setzt den Ultrakurzpulslaser in der ersten Pilotanwendung im Produktionswerk Bamberg ein. Dort können mit dem Laser bestimmte Komponenten im Abgasmanagement des Motors besonders genau und effizient einjustiert werden. Damit können die Produktentwickler die Abgaswerte optimieren.
Laserblitze verdampfen das Material
Weitere Anwendungen wie etwa die oben beschriebene Nut sollen bald folgen. Die kostengünstige Herstellung solcher filigraner Schnitte in das Basismaterial zählte bislang zum Wunschdenken der Ingenieure. „Erst mit dem Ultrakurzpulslaser können wir das realisieren", sagt König. Bei Pulsdauern von Pikosekunden (billiardstel Sekunde) feuert der Laser innerhalb der Prozesszeit von wenigen Sekunden mehrere Hunderttausend Mal auf die Oberfläche. Das Resultat ist eine saubere Nut, ohne Schmelzgrate oder thermische Verformungen des Materials.
Der Clou des Verfahrens liegt darin, dass die Physiker bei Bosch mit dem Laserstrahl in den extrem kurzen Zeitdauern von einigen Pikosekunden die Lichtenergie in die Materialoberfläche deponieren. Zuerst nehmen die Elektronen diese Energie auf, erhitzen sich auf über 10.000 Grad Celsius, expandieren und reißen die trägen Atome aus dem Kristallgitter eines Metalls oder dem Molekülverband eines Kunststoffs mit sich. "Bei diesen hohen Intensitäten kollabiert jedes Material", sagt König. Alle gängigen Werkstoffe, Metalle, Halbleiter, Keramiken, Glas und Kunststoffe lassen sich mit einer Genauigkeit von wenigen Mikrometern bearbeiten.
Verbundprojekt legt die Grundlagen
Um die Spitzenleistung von über 100 Megawatt schnell und präzise auf das jeweilige Bauteil zu platzieren, mussten Jens König und sein Forscherkollege Markus Willert sich einiges einfallen lassen und tief in die Grundlagen der Physik einsteigen. In einem durch das Bundesministerium für Bildung und Forschung unterstützten Verbundprojekt haben beide diese Grundlagen zusammen mit Partnern von Universitäten und aus der Industrie erarbeitet. Ausgehend von diesem physikalischen Verständnis der Wechselwirkung zwischen Licht und Materie sowie den Abtragprozessen, welche in diesen unvorstellbar kurzen Zeitskalen ablaufen, konnten sie geeignete Laserparameter spezifizieren. Diese wurden durch die Firma Trumpf in mehreren Funktionsmustern realisiert und in den Laboren bei Bosch getestet. Schritt für Schritt konnte so das Team um Jens König die besten Laserparameter für die eingesetzte System- und Verfahrenstechnik erarbeiten.
Im unbarmherzigen Fertigungstakt
Das Innovative ist für König aber nicht unbedingt die eingesetzte Lasertechnik, die er zusammen mit dem Weltmarktführer Trumpf weiterentwickelt hat. Vielmehr sieht er sein spezifisches Know-how darin, die Anlage in die Rahmenbedingungen einer Fertigungslinie für die Großserie eingepasst zu haben. "Die Lasertechnik beherrscht jedes Spitzeninstitut der Laserforschung", sagt König. Doch dort dauert die Bearbeitung in solcher Präzision wesentlich länger. "Und wir schaffen das in wenigen Sekunden", erklärt König. Über Details, wie Laserfokussierung, Abtastgeschwindigkeit und Pulsrate will er denn auch gar nicht reden. "Darin steckt unser Wissensvorsprung", zwinkert er mit den Augen.
Forscher König: "Gute Möglichkeiten, etwas voranzubringen"
Mit seinen 32 Jahren ist König fast schon ein alter Hase in seiner Abteilung: Vor rund sechs Jahren kam der gebürtige Würzburger nach seinem Physikstudium an der dortigen Universität zum Hightech-Konzern, um über die physikalischen Abtragprozesse bei der Bearbeitung mit Ultrakurzpulslasern zu promovieren. "Ich hatte mich über das Internet direkt in der Forschung beworben", sagt er. Nach knapp einer Woche hatte er die Zusage für die Doktorandenstelle. Jetzt ist ihm anzusehen, dass ihm der Rückblick auf die vergangenen Jahre Freude bereitet: "Hier in der Forschung gab es immer sehr gute Möglichkeiten, etwas voranzubringen. Während der Promotion konnte ich mich ganz auf die Forschung konzentrieren. Inzwischen schätze ich besonders, dass ich entscheiden kann, wie ich die Dinge technisch angehe. Das habe ich immer genutzt und genossen." Jetzt bringen König und sein Team ihre Entwicklung in die Anwendung, sprich: in die Großserienproduktion der Werke. Dann will sich der junge Familienvater neuen Aufgaben zuwenden.
