Laser aus dem 3D-Drucker: Die Zukunft der Optikfertigung beginnt in Niedersachsen
27.11.2019

Die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler des Innovationsverbunds GROTESK wollen Optiken und optomechanische Baugruppen additiv fertigen. (Foto: LZH)

Seit Juli 2018 arbeitet das Projektteam aus Hannover und Clausthal eng zusammen (v.l.n.r.: Prof. Dr.-Ing. Volker Wesling (CZM), Prof. Dr.-Ing. Roland Lachmayer (LUH), Dr. Dietmar Kracht (LZH), Prof. Dr.-Ing. Henning Ahlers (HsH), Katharina Rettschlag (LUH), Robert Bernhard (CZM), Philipp Neef (CZM), Marius Lammers (HsH), Fabian Kranert (LZH), Jana Budde (LZH), Tobias Grabe (LUH). (Foto: LZH)

„Die Optikfertigung in 3D bedeutet für uns ungeahnte Freiheiten beim Design“, erklärte Dr. Dietmar Kracht vom LZH. (Foto: LZH)

Spannungsfrei eingedruckte Optik für den Einsatz im 3D-gedruckten Lasersystem. (Foto: LZH)

Am 19. November 2019 in Hannover präsentierte Niedersachsen ADDITIV „GROTESK – Die Zukunft der Optikfertigung“. Dabei stellten die vier Partner im Innovationsverbund „GROTESK – Generative Fertigung optischer, thermaler und struktureller Komponenten“ Forschungsansätze vor, mit denen sich optische Systeme zukünftig vollkommen anders herstellen lassen.

Optische Systeme bauen mittels 3D-Druck – das ist das Ziel des Teams von der Gottfried Wilhelm Leibniz Universität Hannover (LUH), vom Clausthaler Zentrum für Materialtechnik (CZM), der Hochschule Hannover (HsH) und vom Laser Zentrum Hannover e.V. (LZH). „Von den Verbundpartnern im Projekt GROTESK erfahren wir heute, welche Anwendungen dieses spannende Forschungsfeld ermöglichen kann“, begrüßte Dr.-Ing. Stefan Kaierle, Projektleiter von Niedersachsen ADDITIV und geschäftsführender Vorstand am LZH die etwa 80 Gäste.

Anschließend stellte der stellvertretende Projektleiter, Dr.-Ing. Gerrit Hohenhoff, Niedersachsen ADDITIV vor, das neben Forschung, Entwicklung und Beratung für kleine und mittelständische Unternehmen (KMU) auch ein breites Veranstaltungsprogramm anbietet.

Die Digitalisierung fordert die Optikfertigung heraus
„Innovation funktioniert nur über Köpfe. Ich freue mich sehr, hier heute auch viele junge Gäste zu sehen“, zeigte sich der Verbundkoordinator Prof. Dr.-Ing. Roland Lachmayer (LUH) erfreut. GROTESK erforscht, wie sich optische Systeme digital konstruieren und mittels Additiver Fertigung in reale Baugruppen umwandeln lassen. Innere Strukturen zur verbesserten Kühlung eines Lasers können die Forscherinnen und Forscher bereits drucken. Mit einem digitalen Zwilling simuliert das Team an der LUH die thermomechanischen Eigenschaften eines 3D-Bauteils und kann den Fertigungsprozess so im Vorfeld modellieren. Effizientere Kühlsysteme ermöglichen höhere Ausgangsleistungen ohne thermische Einbußen – eine Grundvoraussetzung für leistungsstärkere Lasersysteme.

Knackpunkt Werkstoffeigenschaften
„Wir müssen Werkstoffe klug auswählen und Eigenschaften wie etwa den Schmelzpunkt und die Oberflächeneigenschaften gezielt einstellen“, betonte Prof. Dr.-Ing. Volker Wesling (CZM). Besonderes Augenmerk legt das CZM auf die Anbindung beim direkten Andruck eines Werkstoffs an eine Optik und die dabei entstehenden thermischen Einflüsse. Durch die hohe thermische Belastung in diesem Prozess kann es zu erhöhten Spannungen kommen, die mitunter zum Bruch der Optik führen. Mit angepassten Werkstoffsystemen lässt sich dies jedoch verhindern.

Flexible und praxistaugliche Maschinenkonzepte
Optische Systeme bestehen häufig aus verschiedenen Werkstoffarten. „Wir drucken Metall, Glas und Polymere und möchten die Materialien mit wenig Aufwand wechseln können“, erklärte Prof. Dr.-Ing. Henning Ahlers (HsH) die Herausforderung an die Systemtechnik. Die Lösung: Ein Koaxialkopf zum Laserauftragschweißen, bei dem der Laserstrahl geteilt und später wieder zusammengeführt wird. So lässt sich das Bauteil richtungsunabhängig bearbeiten und die verschiedenen Materialien können flexibel und automatisiert zugeführt werden.

Laser aus dem 3D-Drucker
„Noch sind wir weit entfernt von der automatisierten Laserherstellung. Aber die heute vorgestellten Konzepte tragen wesentlich dazu bei, dass wir viele Systeme zukünftig automatisiert fertigen können“, stellte Dr. Dietmar Kracht vom LZH in Aussicht. Optiken spannungsfrei direkt in ein Medium eindrucken kann das LZH-Team bereits. Dieser Vorgang lässt sich automatisieren und so ein manueller Schritt bei der Laserassemblierung einsparen. In Zukunft will GROTESK ganze Lasersysteme digital konstruieren und ausdrucken.

In den Pausen konnten sich die Gäste im Showroom anhand von Videos und Bauteilen über die Forschungsarbeiten und erste Ergebnisse von GROTESK informieren und in Fachgesprächen neue Kontakte knüpfen.

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Laser Zentrum Hannover e.V. (LZH)
Als unabhängiges gemeinnütziges Forschungsinstitut steht das Laser Zentrum Hannover e.V. (LZH) für innovative Forschung, Entwicklung und Beratung. Das durch das Niedersächsische Ministerium für Wirtschaft, Arbeit und Verkehr geförderte LZH widmet sich der selbstlosen Förderung der angewandten Forschung auf dem Gebiet der Photonik und Lasertechnologie. 1986 gegründet arbeiten inzwischen über 170 Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter am LZH.

Der Fokus des LZH liegt auf den Bereichen Optische Komponenten und Systeme, Optische Produktionstechnologien und Biomedizinische Photonik. Die interdisziplinäre Zusammenarbeit von Naturwissenschaftlern und Maschinenbauern ermöglicht innovative Ansätze für Herausforderungen verschiedenster Bereiche: von der Komponentenentwicklung für spezifische Lasersysteme bis hin zu Prozessentwicklungen für die unterschiedlichsten Laseranwendungen, zum Beispiel für die Medizintechnik oder den Leichtbau im Automobilsektor. 18 Ausgründungen sind bis heute aus dem LZH hervorgegangen. Das LZH schafft so einen starken Transfer zwischen grundlagenorientierter Wissenschaft, anwendungsnaher Forschung und Industrie.

Niedersachsen ADDITIV – Zentrum für Additive Fertigung
Niedersachsen ADDITIV hat das Ziel, Additive Fertigungsverfahren zu erforschen, für den flächendeckenden Einsatz in der Industrie weiterzuentwickeln sowie kleine und mittlere Unternehmen (KMU) in Niedersachsen dabei zu unterstützen, die neuen Technologien in ihre Produktionsprozesse zu integrieren.
Dazu haben sich in Niedersachsen ADDITIV vier Partner zusammengeschlossen: Das Laser Zentrum Hannover e. V. (LZH), das Institut für Integrierte Produktion Hannover gGmbH (IPH), die Deutsche Messe Technology Academy GmbH sowie die LZH Laser Akademie GmbH.
Gefördert wird das Zentrum vom Niedersächsischen Ministerium für Wirtschaft, Arbeit, Verkehr und Digitalisierung. Mehr Informationen unter www.niedersachsen-additiv.de.

Über GROTESK
Das Projekt GROTESK steht für „Generative Fertigung optischer, thermaler und struktureller Komponenten“. Das Vorhaben mit einer Laufzeit von drei Jahren wird im Innovationsverbund unter Leitung der Gottfried Wilhelm Leibniz Universität mit dem Hannover Clausthaler Zentrum für Materialtechnik, der Hochschule Hannover und dem Laser Zentrum Hannover e.V. durchgeführt.