5 minute read
Steeds hogere topprestaties laserbronnen
Ook in de industriële lasertechnologie is de verregaande digitalisering van processen de grootste trend. Tegelijkertijd worden gangbare laserbronnen naar steeds hogere topprestaties geduwd. Dat bleek op het internationale lasertechnologie congres AKL ’22 in Aken. De huidige drijfveren voor de verdere ontwikkelingen in lasertechnologie zijn met name lasergebaseerde productieoplossingen voor micro-elektronica, e-mobiliteit en energieopslag.
Zonder verschillende supply chain-problemen zou de industrie waarschijnlijk over nieuwe records praten. In China, ‘s werelds grootste lasermarkt, steeg het marktvolume met 18,3 procent tot bijna 13 miljard US dollar in 2021 volgens Bo Gu (BOS Photonics), die sprak op AKL’22. Jürgen Rumberger (Trumpf Laser- und Systemtechnik) was veel voorzichtiger in zijn beoordeling van de situatie in Duitsland. Op korte termijn zag hij verschillende trends in de grote wereldmarkten: een teruggang in de automobielsector en groei in medische technologie en consumentenelektronica. De situatie zal op middellange termijn blijven verbeteren, zei hij, wanneer de toeleveringsketens weer functioneren.
Laser: grondstof- of innovatiemotor?
Constantin Häfner, directeur van het Fraunhofer Instituut voor Lasertechnologie ILT in Aken gaf een overzicht van de belangrijkste trends in industriële lasertechnologie: duurzaamheid en digitalisering. Hij benadrukte de noodzaak van een aangepaste, duurzame globaliseringsstrategie: “Door duurzame digitale fotonicaproductie als sleutelfactor voor technologische soevereiniteit, innovatie, veerkracht en wendbaarheid, kunnen we de afhankelijkheid van productie, markten en middelen van geografische beperkingen verminderen. Tegelijkertijd stelt dit ons in staat om innovatiepotentieel te benutten door wereldwijde diversificatie en zo onze concurrentiepositie te vergroten.”
In de paneldiscussie die daarop volgde, ging de CEO van Trumpf Laser Technology, Christian Schmitz, in op het onderwerp ‘laser als handelsartikel’. Terwijl goedkope lasers nieuwe toepassingen mogelijk maken, ziet hij nog steeds een ‘speeltuin voor natuurkundigen en ingenieurs’ die groot genoeg is om de pioniersrol van verbeterde lasers in de markt te consolideren. Schmitz ziet innovatie tegenwoordig vooral in proceskennis. Een voorbeeld hiervan is de nieuwe technologie van Trumpf voor het snijden van displayglas, dat zelfs in glas van minder dan 1 mm dik stappen in de rand kan maken.
Mark Sobey van Coherent Industrial Lasers and Systems gaf een vooruitblik op de kansen die Coherent ziet in de automobiel- en halfgeleidermarkten. Hij richtte zich op de eenwording van de twee markten, bijvoorbeeld in chips en displays voor elektromobiliteit. Er zijn veel lasers nodig om batterijen, sensoren en infotainmentsystemen te produceren. De industrie heeft echter geen nieuwe straalbronnen nodig, maar moet eerder hun schaal en stabiliteit verbeteren. Hier staan 24/7 bediening en wereldwijde service centraal.
Volker Krause van Laserline keek naar een kernonderwerp in laserbronnen: de schaling van individuele laserdiode-emitters. Dit heeft de afgelopen decennia geleid tot een bijna lineaire toename van het vermogen per emitter, terwijl de prijzen per watt en het straalparameterproduct exponentieel zijn gedaald. Beide ontwikkelingen zullen waarschijnlijk bepalend zijn voor het succes van fiber- en diodelasers. Voor dat laatste onderzoekt Laserline ook nieuwe toepassingen, zoals aangroeiwerende behandeling van scheepsrompen met blauwe laserdiodes. Dit kan niet alleen de hoeveelheid giftige chemicaliën die nodig is in conventionele processen verminderen, maar
Voor de e-mobiliteit wordt vaak koper bewerkt, hetgeen met blauwe en groene lasers beter gaat dan met infrarood lasers.
ook het brandstofverbruik.
Gebruik van procesdata
Een grote trend is zeker het gebruik van procesgegevens van industriële lasersystemen. Jens Ottnad (Head Data en AI bij Trumpf Machine Tools) heeft hier een interessant punt aan toegevoegd: klassieke machines slijten. Machines met data-acquisitie verzamelen procesdata en maken zo verbetering mogelijk, een soort ‘opschrijven in plaats van afschrijven’. Een paradigmaverschuiving die goed past in de context van afnemende batchgroottes met toenemende complexiteit.
Parallel aan de continue registratie van proces- en machinegegevens test Trumpf ook nieuwe concepten zoals ‘pay-per-part’. Hier blijft de machine eigendom van de fabrikant en betaalt de klant alleen voor het gebruik per onderdeel. Naast de vraag waar de gegevens zich bevinden, krijgt het onderwerp service een nieuwe dimensie: een machine van Trumpf in Zwitserland draait grotendeels autonoom; in geval van twijfel is een operator in Duitsland beschikbaar voor onderhoud op afstand.
Laserparameters optimaal aanpassen
Het voordeel van de laser – dat hij contactloos energie op het werkstuk kan afzetten – wordt tegenwoordig ten volle benut. De technologie is zo volwassen dat laserparameters optimaal kunnen worden aangepast aan het betreffende proces. Tegelijkertijd zijn de prestaties en betrouwbaarheid de afgelopen 20 jaar voortdurend verbeterd, zoals Michael Lee (IPG Photonics) aantoonde, met de kW-fiberlasers als voorbeeld. Naast laserschaalbaarheid is proceskennis nu de beslissende factor voor nieuwe toepassingen. De introductie wordt mogelijk gemaakt door steeds betere modellen, die verder worden ontwikkeld met steeds betere meetgegevens.
Nieuwe records USP lasers
Een gebied waar laservermogensparameters nog steeds aanzienlijk groeien, zijn ultrakorte puls (USP) lasers. Binnen de Fraunhofer Cluster Advanced Photon Sources (CAPS) worden voortdurend nieuwe records gevestigd, zoals CAPS-spreker Dieter Hoffmann liet zien: “Intussen is er 10 kW beschikbaar in het CAPS-toepassingslaboratorium. Alle versterkertechnologieën van fibers tot platen en schijven worden hiervoor getest.” Vermogens van 5 tot 10 kW worden getest, bijvoorbeeld voor het structureren van batterij-elektroden. In het toepassingslaboratorium van Aken zijn voor deze toepassingen 30 - 50 mJ-pulsen met herhalingsfrequenties van ongeveer 1 MHz beschikbaar. Er wordt ook onderzoek gedaan naar nieuwe golflengten voor USPlasers, waarbij Sebastian Nyga van Fraunhofer ILT een systeem presenteerde met een emissie van 3 µm voor het verwerken van polymeer- en koolstofvezelmaterialen. Systemen met een golflengte van 2 µm tot 6 µm of zelfs tot 14 µm werden in andere lezingen gepresenteerd. De golflengten zijn relevant voor de verwerking van transparante materialen.
Groen of blauw - wat heeft de markt nodig?
Koper wordt vaak gebruikt in elektromobiliteitstoepassingen, een materiaal dat met blauwe of groene lasers veel stabieler kan worden verwerkt dan met infraroodlasers. Bij AKL'22 werd het verschil tussen blauw en groen als marginaal gepresenteerd. Het verbeteren van de bundelkwaliteit is momenteel veel belangrijker. Er is veel meer kracht nodig in de laserbronnen om de processen te schalen. In het kW-bereik is momenteel geen bovengrens zichtbaar.
Verborgen kampioenen
Laserdiodes zijn eigenlijk de ‘verborgen kampioenen’ van industriële lasertechnologie. Ze leveren niet alleen een hoog vermogen en enorme efficiëntiewinsten, maar blijven een belangrijk onderdeel van de innovatie in de industrie. Ralf Hülsewede (Jenoptik Optical Systems) presenteerde een dergelijke innovatie: passief gekoelde enkele staven met 400 W uitgangsvermogen en tot 60 procent efficiëntie. Met actieve koeling zijn nog hogere vermogens per bar mogelijk. Van ams Osram waren blauwe laserbalken met 100 W te zien.
