Fraunhofer ILT

Edelstein-Diät macht Laseroptiken fit

05.07.2017 | Redakteur: Peter Königsreuther

Forscher des Fraunhofer-Instituts für Lasertechnik ILT zeigen jetzt wie Leichtbauoptiken mithilfe von Linsen aus künstlichem Diamant das Laserschneiden optimieren können..

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Diamonds sind nicht nur „A girl's best friend“, wie Marylin Monroe einst geträllert hat, merkt das Fraunhofer ILT an, sondern vielleicht bald auch in der Lasertechnik ein geschätzter Kumpel. Denn mit einer im Vergleich zu Glas, sehr hohen Brechzahl, exzellenter Wärmeleitung und mechanischer Widerstandskraft, gilt künstlicher Diamant als revolutionäres Material für die Optimierung von Laseroptiken.
( Bild: V. Lannert )

Denn vergleichbare Linsen aus dieser Materialalternative müssten nur ein Zehntel dessen auf die Waage bringen, was das übliche Glas wegen seiner schlechteren Wärmeleitung wiegen müsse. Außerdem, so das ILT, punktet künstlicher Diamant mit einer relativ hohen Brechzahl von 2,4. Die Wärmeleitfähigkeit beträgt 2000 W/mK, und übertreffe Glas damit um das 1400-fache. Diese Eigenschaften, gepaart mit der hohen mechanischen Widerstandskraft von Diamant, machen laut ILT den Einsatz im Hochleistungsbereich problemlos möglich.

Die Lösung heißt einkristalliner Diamant

Bis dato wurden polykristalline Diamantsubstrate meist als sogenannte Fenster bei CO₂-Lasern verwendet, sagen die Forscher aus Aachen. Aufgrund von Unreinheiten und Störstellen absorbierten und streuten diese aber eine Laserstrahlung, deren Emissionswellenlängen um 1 μm liege, was sie für Faserlaser ungeeignet mache. Einkristalline Diamanten jedoch bringen dieses Problem nicht mit sich, sind aber schwerer herzustellen, heißt es.

Am Fraunhofer-Institut für Angewandte Festkörperphysik IAF in Freiburg wiederum werde seit Jahren an der Herstellung solcher monokristalliner Diamanten geforscht. Die am IAF entwickelten CVD-Reaktoren mit stabilen Plasmabedingungen machen Substrate von bis zu mehreren Millimeter Dicke möglich, so die Informationen aus IAF-Kreisen. Dabei könnten maximal 60 Diamanten gleichzeitig hergestellt werden. Mit Aufbauraten von bis zu 30 μm pro Stunde ließen sich so Optiken mit einer Apertur von circa 10 mm realisieren.

Erleichterung beim Faserlaserschneiden

Linsen aus den synthetischen Einkristall-Diamanten aus Freiburg zeigen außerdem eine niedrige Absorption sowie auch einen vergleichsweise geringen Doppelbrechungseffekt. Jetzt wurden einige Exemplare auch mit Antireflexionsbeschichtungen aufgerüstet und in einen Schneidkopf für Faserlaser eingebaut. Martin Traub vom ILT betont: „Wir haben erstmals eine komplette Laseroptik für die Diamantlinsen optimiert. Der Schneidkopf wird damit mehr als 90 % leichter.“

Die Linsen mit 7 mm Durchmesser hatten vorher Tests mit 2 kW Laserleistung ohne Probleme absolviert, so Traub. Jetzt wurde ein System für Schneidversuche mit einem 1-kW-Faserlaser aufgebaut, in dessen Schneidkopf eine Wasserkühlung und die Schutzgaszufuhr integriert sind. Eine Prozessüberwachung sei derzeit noch nicht vorgesehen. Die ersten Schnittversuche laufen momentan, wie es heißt.

3D-Bearbeitung wird agiler und präziser

Die neue Optik dürfte die Flexibilität beim Laserschneiden deutlich erhöhen, so die Überzeugung der Aachener. Die geringe Baugröße ermögliche eine Bearbeitung auch an schwer zugänglichen Werkstückstellen und das geringe Gewicht mache die Bewegung bei der 3D-Bearbeitung natürlich deutlich dynamischer.

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