Dennis L.
Die Laser-Technologie ist weltweit auf dem Vormarsch. Insbesondere Deutschland, Österreich und die Schweiz gelten als Pioniere in Sachen Laser. Egal, ob an Universitäten oder in Firmen – überall sprießen hier die Ideen. Aus solchen Initiativen gehen nicht nur bahnbrechende, neue Technologien und Produkte hervor, sondern sie zeigen auch die immense Bandbreite der Laserbranche auf.
Aachen, München, Wien, Genf. Schnelle Autos, Bier und Lederhose, alpine Traumkulissen oder hochkarätige Komponisten – dafür sind Deutschland, Österreich und die Schweiz über die Landesgrenzen hinaus bekannt. Doch nicht nur das – der deutschsprachige Raum ist auch ein Sammelbecken für bahnbrechende Ideen. Denn an Patenten mangelt es den drei Ländern nicht. So meldete Deutschland 2021 25.969 Patente beim Europäischen Patentamt an, was einem Plus von 0,3 Prozent entspricht. Damit sicherte sich die Nation Platz zwei auf der Liste der größten Patentanmelder weltweit, gleich hinter den USA. Die Schweiz beansprucht in diesem Ranking Platz sieben, Österreich Platz 14.
Europaweit betrachtet sind es vor allem die Bereiche „Digitale Kommunikation“, „Medizintechnik“, „Computertechnik“, „Elektrische Maschinen“, „Geräte und Energie“ sowie „Transport“, in denen intensiv geforscht wird. Und in all diesen Kategorien haben sie ein Wörtchen mitzureden: Laser. Ihr Einsatzgebiet ist mittlerweile vielfältiger denn je und der Weltmarkt für Lasersysteme erreichte im vergangenen Jahr erneut ein Rekordvolumen von acht Milliarden Euro. Der Markt für Lasersysteme zur Materialbearbeitung – vor allem zum Schneiden, Schweißen und Markieren – stieg indes auf über 6 Milliarden Euro. In Europa, das rund 30 Prozent der hergestellten Lasersysteme abnimmt, stieg die Nachfrage sogar um zehn Prozent. Treiber waren hier die Märkte Deutschland und Italien.
Vor allem der CO2-Laser ist auf dem Vormarsch. Dieser nutzt Kohlendioxid als Lasermedium und weist besondere Merkmale auf: Eine Wellenlänge zwischen 9 und 11 nm sowie einen Wirkungsgrad bis zu 15 Prozent. Häufige Einsatzgebiete sind Medizin sowie die industrielle Metallbearbeitung. Die EUV-Lithografie, die auf Hochleistungslasersystemen basiert, wird wiederum zum Schneiden von Bildschirmen eingesetzt und dient auch zur Herstellung komplexer Systeme für die Chipherstellung. Laser zum Schneiden und Schweißen sind ohnehin bereits zu Standardtechnologien geworden. Festkörperlaser wie Scheibenlaser werden ebenso aufgrund ihrer Flexibilität und Effizienz zunehmend eingesetzt.
In Europa ist vor allem die Automobilindustrie ein Treiber der Lasertechnik. Nicht nur für Erstausstatter, sondern auch für Zulieferer sind diese modernen Verfahren interessant, denn in der Automobilindustrie rückt der Leichtbau wieder in den Fokus. Innovative Stahllegierungen, Aluminium und faserverstärkte Kunststoffe werden eingesetzt, um das Gewicht der Fahrzeuge zu reduzieren und die Crashsicherheit zu erhöhen. Die Verarbeitung dieser Werkstoffe und Kombinationen ist nur mit Hilfe der Lasertechnik und dem Schneiden von warmumgeformten Stählen möglich. So verwenden Unternehmen CO2-Laser etwa für Spezialdüsen bei der Herstellung von Einspritzdüsen. Dazu werden kurze Energieimpulse anstelle der langen Impulse herkömmlicher Maschinen (z. B. eines Nd:YAG-Lasers) verwendet, wodurch man die Bohrungsgrößen in den Einspritzdüsen optimieren kann, was die Einspritzung und die Verbrennung verbessert und somit die Motoreffizienz erhöht. Das Ergebnis sind kraftstoffeffizientere Motoren und nicht zuletzt auch E-Fahrzeuge. Die Automobil-Industrie ist allerdings nur ein Sektor von vielen, in dem Laser mittlerweile eine wichtige Rolle spielen. Nachfolgend stellen wir daher drei aktuelle Forschungsprojekte aus Deutschland, Österreich und der Schweiz vor.
Ohne Laserbearbeitungsanlagen geht in Deutschland schon lange nichts mehr. Und der Produktionswert dieser Maschinen ist im Gegensatz zum Vorjahr um weitere neun Prozent gestiegen. Deutschland hat zudem bei Strahlquellen weltweit einen Marktanteil von 40 Prozent. Mit Lasern wird also bereits in vielen Unternehmen gemessen, geschnitten oder auch geschweißt. Bei letzterem könnte eine Erfindung aus Aachen eine neue Ära einläuten, denn das Fraunhofer Institut für Lasertechnik ILT entwickelte ein neues Verfahren, welches das Metallschutzgas-Schweißen mit dem Laserauftragschweißen mit Ringstrahl vereint. Hierfür wurde unter anderem eine Spezial-Optik mit Glassubstraten inklusive wassergekühltem Lichtbogenbrenner konzipiert, um den Lichtbogen präziser fokussieren zu können. Die Stärken beider Energiequellen können so voll ausgekostet werden. Bei diesem Prozess wird der Lichtbogen zwangsgeführt und von einem Kragen umschlossen – auf Englisch: collar. Die Erfindung nennt sich daher auch Collar-Hybrid-System. Somit kann nichtlinear mit Ringfokus und koaxialer Drahtzuführung geschweißt werden. Diese hybride Innovation soll die Schweißgeschwindigkeit um 100 Prozent und die Auftragsrate um 150 Prozent erhöhen. Auch große Bauteile sind für dieses 3D-Druckverfahren somit kein Problem und auch die Nachbearbeitung wird einfacher. Dadurch können Energie, Kosten und Zeit gespart werden und auch Aluminium und Kupfer lassen sich damit kostengünstiger bearbeiten.
Übrigens: In Aachen werden auch jedes Jahr herausragende Innovationen der Lasertechnologie mit dem „Innovation Award Laser Technology“ ausgezeichnet. Heuer holten ein kamerabasiertes Sensorsystem zur Vorschubregelung von Laserschneidprozessen sowie ein Werkzeug für die Laser-Scanner-Charakterisierung den ersten Platz.
Auch in Österreich wird intensiv analysiert und entwickelt. Eine Forschungsgruppe der TU Wien hat sich so dem Problem angenommen, das in Zusammenhang mit künstlichem Gewebe bislang unlösbar schien: Wie schafft man es, einzelne Zellen an den richtigen Ort zu leiten? Zum Beispiel, wenn ein Blutgefäß an einer ganz bestimmten Stelle im Körper entstehen soll? Eine Schlüsselrolle bei dieser kniffligen Frage nimmt einmal mehr ein Laser ein. So wird zunächst das Hydrogel, in dem sich die Zellen befinden, mit speziellen Molekülen angereichert. Im nächsten Schritt können diese mit einem Laserstrahl aktiviert werden. Denn dort, wo der Strahl auf das Hydrogel trifft, wird dieses durchlässiger, sodass sich exakt steuern lässt, wohin sich die Zellen bewegen. Zum Einsatz kommen könnte diese Erfindung zum Beispiel in der tierversuchfreien Pharma-Forschung, um neue Medikamente zu testen.
Nicht weniger spannend – im wahrsten Sinne des Wortes – geht es in der Schweiz zu. Hier widmet sich ein Forschungsteam der Universität Genf dem Wetter, genauer gesagt Blitzen. Ziel ist es, herauszufinden, ob sich mit Laserstrahlen künftig das Wetter kontrollieren lässt. Außerdem sollen Blitze gebändigt werden. Hierfür wurde ein riesiger Laser am Gipfel des 2502 Meter hohen Bergs Säntis installiert, genau dort, wo sich ein Sendeturm befindet. Das Prinzip dieses Lasers ist rasch erklärt: Er soll wie ein großer Blitzableiter funktionieren und so zum Beispiel Flughäfen, Hochhäuser oder Atomkraftwerke vor Einschlägen schützen. Hierfür schießt eine neun Meter lange Blitzkanone Laserstrahlen in gefährliche Gewitterwolken rund um den Säntis, um diese kontrolliert zu entladen.
