Die Laserforschung verändert sich: Da sich der Laser als Fertigungswerkzeug etabliert hat, sind viele Verfahren ausgereift. Die zentrale Frage lautet jetzt, wie effizient, robust und wirtschaftlich der Laser in der täglichen Produktion eingesetzt werden kann.
Die Produktivität ist daher einer der wichtigsten Aspekte der Forschungsarbeit am Fraunhofer-Institut für Lasertechnologie (ILT). Damit sind nicht einfach höhere Bearbeitungsgeschwindigkeiten gemeint, sondern eine Kombination aus Durchsatz, Prozessstabilität und reproduzierbarer Qualität. Signifikante Gewinne werden selten durch isolierte Technologiesprünge erzielt. Vielmehr resultieren sie aus der Kombination von Prozessen, der parallelen Ausführung von Schritten und der Skalierung der Ansätze. Weniger unproduktive Zeiten und die effektivere Nutzung der Ressourcen haben oft eine größere Wirkung als die Optimierung einzelner Parameter.
Produktivität bedeutet mehr als nur höhere Leistung
Die Produktivität in der Lasertechnik lässt sich nicht allein auf Laserleistung und Vorschubgeschwindigkeit reduzieren. Sie zeigt sich im Gesamtprozess: kurze Zykluszeiten, geringe Nebenzeiten, minimales Umspannen, wenig oder keine Nacharbeit und eine stabile Qualität. Ein Prozess ist nur dann produktiv, wenn er zuverlässig läuft, ohne dass manuelle Anpassungen erforderlich sind.
Gleichzeitig hat sich eine Voraussetzung geändert. Laserenergie ist in vielen Anwendungsbereichen keine knappe oder teure Ressource mehr. Hochleistungsquellen sind weit verbreitet und zusätzliche Watt tragen oft nur wenig zu den Gesamtkosten des Systems bei. Entscheidend ist daher nicht, wie viel Leistung zur Verfügung steht, sondern wie effizient sie in Produktivität umgewandelt werden kann. Nur wenn Laserquelle, Strahlführung, Prozessstrategie und Systemintegration aufeinander abgestimmt sind, lässt sich die Leistung in einen höheren Durchsatz umsetzen.
Laser-Kombinationsprozesse als Hebel für Produktivität
Laserkombinationsprozesse sind in diesem Zusammenhang die Königsdisziplin, da sie im Idealfall ein reibungsloses Zusammenspiel aller Prozesse ermöglichen. Sie vereinen Ansätze, bei denen mehrere Bearbeitungsschritte innerhalb eines Systems, in einer eng aufeinander abgestimmten Abfolge oder sogar gleichzeitig durchgeführt werden. Der Kerngedanke dabei ist ein produktiverer Gesamtworkflow. Durch die Integration zuvor getrennter Schritte können solche Konzepte herkömmliche Prozessketten verkürzen, Schnittstellen und Übergaben reduzieren und wiederholte Rüstvorgänge oder Umspannvorgänge vermeiden.
Diese Integration hat zwei direkte Auswirkungen auf die Produktivität. Erstens reduziert sie unproduktive Zeiten: weniger Transfers zwischen Maschinen, weniger Zwischenkontrollen, weniger nachträgliche Korrekturen. Zweitens ermöglicht sie es, Laserenergie und Prozesszeit genau dort einzusetzen, wo sie einen Mehrwert schaffen, anstatt durch Übergänge, Wartezeiten oder redundante Vorgänge verloren zu gehen. In vielen Fällen resultiert der Produktivitätsgewinn weniger aus dem Ausreizen eines Parameters bis an seine Grenzen, sondern vielmehr aus der Gestaltung des Prozessablaufs, sodass jeder Schritt effizient auf dem vorherigen aufbaut.
Parallelisierung: mehr Wirkung im gleichen Zeitfenster
Prozesse parallel ablaufen zu lassen, ist eine der direktesten Methoden, die Produktivität zu steigern. Dies verkürzt Zykluszeiten und nutzt Energie, Geräte und Arbeitszeit besser aus.
Ein Beispiel ist Scarb (Simultaneous Coating and Roller Burnishing): Das Verfahren kombiniert Hochgeschwindigkeits-Laserbeschichtung (EHLA) mit Walzglätten in einem Arbeitsschritt. Während die aufgebrachte Schicht noch warm ist, fährt ein Walzwerkzeug über die Oberfläche, verdichtet sie und glättet Rauheitsspitzen.
Ein ähnlicher Ansatz liegt dem Verfahren Smac (Simultaneous Machining and Coating) zugrunde, das mechanische Bearbeitung mit EHLA in einem Schritt kombiniert. Ebenfalls am Fraunhofer ILT entwickelt, löst Smac ein grundlegendes Problem hochfester Schutzbeschichtungen: Je härter die Beschichtung, desto besser der Schutz, aber desto komplexer die Nachbearbeitung. Das Besondere an Smac ist die Nutzung der Restwärme, die im EHLA-Prozess entsteht.
Hochleistungs-Ultrakurzpulslaser für Flächenbearbeitung
Neben der Parallelisierung verbessert die Skalierung der Prozesse die Produktivität. Viele Laserprozesse werden erst wirtschaftlich attraktiv, wenn sie auf größere Flächen oder höheren Durchsatz übertragen werden können. Dieser Wandel zeigt sich derzeit bei den Ultrakurzpulslasern (UKP-Laser).
Ultrakurzpulstechnik wurde lange Zeit vor allem mit Präzision und geringer Materialbelastung in Verbindung gebracht. Heute werden UKP-Laser im Kilowattbereich verfügbar. Anwendungen, die bisher durch lange Bearbeitungszeiten begrenzt waren, bewegen sich nun in einem Bereich, der für die Fertigung relevant ist.
Doch höhere Leistung allein führt nicht automatisch zu höherer Produktivität. Entscheidend ist, wie diese Leistung auf das Werkstück gebracht wird. Strahlformung, Strahlablenkung sowie Prozessstrategien sind essenziell, um die Energie effizient zu verteilen und Wärmeanhäufungen oder Instabilitäten zu vermeiden.
Beschleunigung durch neue Prozessprinzipien: Optisches Stempeln
In vielen Anwendungen wird die Produktivität nicht durch den Laser selbst begrenzt, sondern durch die Art und Weise, wie Energie auf die Oberfläche übertragen wird. Scanstrategien sind äußerst flexibel und präzise, doch wenn große Flächen oder repetitive Mikrostrukturen benötigt werden, wird das Scannen schnell zum dominierenden Zeitfaktor.
Hier bietet das optische Stempeln einen anderen Ansatz. Anstatt eine Struktur Punkt für Punkt oder Linie für Linie zu scannen, formt ein räumlicher Lichtmodulator den Strahl so, dass ein gesamtes Muster mit einem einzigen Laserpuls auf die Oberfläche übertragen wird. Komplexe Mikrostrukturen können so in einem Schritt erzeugt werden.
Dieses Konzept ist ein Laser-Kombinationsprozess verstanden, bei dem Optik, Laserquelle und Prozessstrategie miteinander verbunden sind. Produktivitätsgewinne entstehen nicht durch höhere Geschwindigkeit, sondern durch das Ersetzen vieler Schritte durch eine Interaktion.
Hybride Fertigung: Der Laser als Teil eines integrierten Gesamtprozesses
Die Idee der Prozesskombination geht weit über Laser-Laser-Interaktionen hinaus. In vielen Fällen lassen sich die größten Produktivitätssteigerungen erzielen, wenn laserbasierte Verfahren in konventionelle Fertigungsprozesse integriert werden.
Ein Beispiel hierfür ist die Herstellung von Hybridwerkzeugen. Große Grundkörper werden im Guss- oder Schmiedeverfahren hergestellt. Funktionsbereiche wie Kühlkanäle oder lokal verstärkte Bereiche werden anschließend durch additive Fertigung hinzugefügt. Die Gesamtfertigungszeit wird reduziert, da die additive Verarbeitung auf die Bereiche beschränkt ist, in denen sie einen Mehrwert bietet. Der Materialeinsatz wird effizienter, da Legierungen nur dort eingesetzt werden, wo sie benötigt werden. Gleichzeitig kann die Werkzeugleistung verbessert werden, ohne die Gesamtkomplexität zu erhöhen.
Von einzelnen Schritten zu integrierten Systemen
In vielen Fällen werden die größten Produktivitätsgewinne nicht durch die Optimierung eines einzelnen Prozessschritts erzielt, sondern durch die Neugestaltung der gesamten Prozesskette. Laserbasierte Prozessketten bieten einen alternativen Ansatz zur etablierten Fertigung, wie ein Forschungsprojekt am Fraunhofer ILT zeigt. Die Wissenschaftler nutzen Laserprozesse, die von der Formgebung und Materialabtragung bis hin zur Oberflächenveredelung und Strukturierung reichen. Digitale Planung und Simulation verknüpfen diese Schritte von Anfang an, um sicherzustellen, dass jeder Vorgang auf den nächsten abgestimmt ist.
Dieser Ansatz reduziert Schnittstellen zwischen den Prozessen und minimiert manuelle Eingriffe. Gleichzeitig ermöglicht digitale Steuerung eine reproduzierbare Qualität über die gesamte Prozesskette hinweg. In diesem Kontext ersetzt die Kombination von Laserprozessen lange Sequenzen durch einen digital gesteuerten Workflow.
Gemeinsame Erfolgsfaktoren über alle Ansätze hinweg
Egal, ob Produktivitätsgewinne durch Parallelisierung, hybride Fertigung oder neue Prozessprinzipien erzielt werden – die Erfolgsfaktoren bleiben dieselben. Laserprozesse werden nur dann produktiv, wenn sie innerhalb stabiler und gut verstandener Prozessfenster arbeiten. Ohne diese Stabilität verstärken höhere Geschwindigkeit oder größere Integration lediglich die Variabilität, anstatt einen Mehrwert zu schaffen.
Überwachung und Steuerung spielen daher eine zentrale Rolle. In-situ-Sensorik, Echtzeit-Datenauswertung und geschlossene Regelkreise helfen, die Prozesse auch unter verändernten Bedingungen im optimalen Bereich zu halten.
Ebenso wichtig ist ein „Design-for-Laser“-Ansatz. Komponenten und Prozessketten müssen von Anfang an mit Blick auf den Laser konzipiert werden. In diesem Kontext gewinnt künstliche Intelligenz in der Lasertechnik an Bedeutung. Datengetriebene Methoden unterstützen die Prozessoptimierung, die Auswahl von Parametern und die vorausschauende Wartung. Richtig eingesetzt, stärken sie die Robustheit und Reproduzierbarkeit. Produktivität entsteht somit durch das Zusammenspiel von Hardware, Software und Prozessgestaltung innerhalb eines Systems.
Die Übertragung der Konzepte von Labordemonstrationen in robuste und skalierbare Produktionsumgebungen erfordert Ingenieurserfahrung, Systemverständnis und eine Zusammenarbeit mit der Industrie. Prozesse müssen beweisen, dass sie über lange Zeiträume zuverlässig arbeiten könen, Schwankungen in Materialien und Komponenten tolerieren und sich in Produktionslinien integrieren lassen.
AKL – International Laser Technology Congress
Diese Entwicklungen sind Teil des Programms des 15. AKL – International Laser Technology Congress, der vom 22. bis 24. April 2026 in Aachen stattfindet. Der AKL bringt Fachleute aus Industrie und Forschung zusammen, um aktuelle Themen und Trends der Lasertechnik in der Produktion zu diskutieren.
