Laser-Materie-Wechselwirkung

Vom Recycling bis zur Entschärfung von Sprengsätzen: Lasertechnologie ist ein zentrales Schlüsselelement in der Entwicklung innovativer Verfahren. Entscheidende Grundlage ist dabei das detaillierte Verständnis der Laser-Materie-Wechselwirkung.

Welches Potenzial hat die künstliche Intelligenz für die Laser-Materialbearbeitung? Im Projekt RAPID-KI erforscht das EMI gemeinsam mit anderen Fraunhofer-Instituten die Möglichkeit, datenbasierte Methoden für die Prozesskontrolle beim Materialabtrag mit gepulsten Lasern zu nutzen. Anwendungsmöglichkeiten sind das Recycling von Elektronik-Komponenten sowie das Entlacken großflächiger Flugzeugteile.

Wie kann die Lasertechnologie die Entwicklung neuartiger Materialien unterstützen? Das selektive Laserstrahl-Schmelzen (engl.: Selective Laser Melting, SLM) wird in der generativen Fertigung insbesondere für die Herstellung geometrisch komplexer Metallbauteile eingesetzt. Durch Verwendung spezieller Mischungen von Metallpulvern als Ausgangsmaterial in Verbindung mit den passenden Prozessparametern können neuartige Werkstoffe mit maßgeschneiderten physikalischen Eigenschaften entwickelt werden. In diesem Zusammenhang forscht das Fraunhofer EMI insbesondere an der Herstellung von Metall-Matrix-Verbundmaterialien, die sich durch eine große Härte bei gleichzeitig hoher plastischer Verformbarkeit auszeichnen.

Wie können Verbundmaterialien ressourcenschonend wiederverwendet werden? Verbundmaterialien wie kohlenstofffaserverstärkte Kunststoffe (CFK, engl.: carbon fiber reinforced plastics) besitzen aufgrund ihrer hohen Stabilität in Kombination mit geringem Gewicht ein großes Potenzial im Leichtbau und werden insbesondere in der Luftfahrt- und Automobilindustrie eingesetzt. Das Recycling ausgedienter Bauteile ist bisher noch ein ungelöstes Problem. Das Fraunhofer EMI forscht an laserbasierten Technologien, die eine Wiederverwendung der verbauten Kohlenstofffasern ermöglichen.

Wie kann die Lasertechnologie die Sicherheit bei Entschärfungsprozessen erhöhen? Die Entschärfung von Sprengsätzen stellt stets ein Risiko für die beteiligten Einsatzkräfte dar – sei es beim Fund von alter Weltkriegsmunition oder im Zusammenhang mit terroristischen Anschlägen. Die Nutzung von Lasertechnologie zur kontrollierten Beseitigung von Explosivstoffen sowie zur Delaborierung von Blindgängern wurde in Speziallaboren am Fraunhofer EMI in internationalen Projekten erforscht. Dabei kann die Sicherheit der Einsatzkräfte durch die Möglichkeit, Laserstrahlung über große Entfernungen einzusetzen, erheblich verbessert werden.

Welche neuartigen Möglichkeiten bieten Hochleistungs-Laserquellen in der Materialbearbeitung? Typische Laserquellen, die bisher in der industriellen Fertigung für Schweißen und Schneiden eingesetzt werden, arbeiten mit Strahlleistungen in der Größenordnung von 10 Kilowatt. Durch aktuelle Fortschritte in der Lasertechnologie sind heute bereits Laser in der Leistungsklasse von 100 Kilowatt kommerziell verfügbar. Das Fraunhofer EMI untersucht industrielle Anwendungsmöglichkeiten für diese neue Generation von Laserquellen, wie beispielsweise für einen schnellen Materialabtrag oder die Härtung von Oberflächen. Auch die Entwicklung neuartiger Hochleistungs-Bearbeitungsoptiken wird in diesem Zusammenhang adressiert.

Wie können neue messtechnische Verfahren für eine bessere Prozesskontrolle und zur Gewinnung neuer wissenschaftlicher Erkenntnisse eingesetzt werden? Das Fraunhofer EMI ist weltweit führend auf dem Gebiet der Hochgeschwindigkeitsmesstechnik und nutzt diese Kompetenzen insbesondere im Bereich der Lasertechnologie. Ein aktuelles Beispiel ist die Einrichtung eines Messplatzes, bei dem die Laser-Materie-Wechselwirkung mit Hochgeschwindigkeitsröntgenbildgebung untersucht wird. Ein Linearbeschleuniger erlaubt es erstmals, hochdynamische Prozesse besonders auch in dicken Metallproben sichtbar zu machen. Damit können hochdynamische Prozesse, die bei der Laser-Materialbearbeitung im Inneren von Proben stattfinden, mit einer bisher nicht erreichten Zeitauflösung sichtbar gemacht werden.