Brillante Strahlung: Schneiden, bohren und schmelzen für eine bessere Zukunft - Licht ist ein Universalgenie. Fortschritte bei der Laser- Entwicklung ermöglichen höchste Präzision in der Materialbearbeitung - und führen damit zu mehr Energieeffizienz und kostengünstigeren Produktionsprozessen. Davon profitieren auch die industrielle Fertigung und moderne Lösungen in der Energietechnik.
Aber auch andere Teilbereiche der Optischen Technologien eröffnen enorme Potentiale für nachhaltige und energiesparende Prozesse und Produkte wie innovative Leuchtmittel. Vielleicht sind Optische Technologien mittelfristig sogar die Lösung für die Energiekrise: Die Entwicklung neuer und immer besserer Solarmodule gelingt nicht zuletzt durch den wachsenden Einsatz von Lasern in der Fertigung von Solarzellen und lässt die Frage nach der umweltschonenden Stromversorgung in günstigem Licht erscheinen.
Elementarteilchen der Moderne: Laserstrahlen für rasanten Fortschritt
Am Anfang war das Licht: Das Photon, aus dem sich das Licht zusammensetzt, ist das älteste und häufigste Elementarteilchen im ganzen Universum. Licht hat das Leben auf unserer Erde erst möglich gemacht - und sichert unsere Zukunft.
Schon seit jeher versuchen Forscher und Wissenschaftler das Geheimnis des Lichts zu ergründen: "Den Rest meines Lebens werde ich darüber nachdenken, was Licht ist", sagte Albert Einstein. In der zweiten Hälfte des 20. Jahrhunderts gelang es mit der Entwicklung des Lasers, die Photonen zu steuern und sich die einzigartigen Eigenschaften des Lichts nutzbar zu machen. Licht misst schnell, berührungslos und präzise. Seither wird der Laser wegen seiner unerreichten Präzision als universelles Werkzeug eingesetzt. "Aufgrund der einzigartigen physikalischen Eigenschaften wird die industrielle Produktion im 21. Jahrhundert durch den Laser geprägt sein. Photonen erlauben kürzere Energiepulse, höchste Energiedichten und kleinste Wechselwirkungszonen. Kein anderes Werkzeug lässt sich zeitlich und räumlich schneller und präziser steuern als das Werkzeug Licht", sagt Prof. Reinhard Poprawe, Leiter des Fraunhofer-Instituts für Lasertechnik ILT in Aachen.
Unsichtbare Helfer
Die optischen Technologien sind überall: Die Annahme, dass alles, was optisch im Namen trägt, sichtbar ist, trügt. Ob UV-Strahlung, Röntgenstrahlen, Gammastrahlen und Radiowellen: Die meisten nimmt man nicht wahr, denn optische Technologien arbeiten zumeist unsichtbar. Zum Beispiel daheim im DVD-Spieler oder im Supermarkt in den Lesegeräten an der Kasse. Längst ist das enorme Potential des universellen Werkzeugs Licht noch nicht ausgereizt.
Experten schätzen, dass erst etwa 50 Prozent der möglichen Laseranwendungen realisiert sind. Kühne Visionen wie energiesparende Computer, die Daten nur mittels Licht verarbeiten oder Solarzellen, die so günstig herzustellen sind, dass sie Strom aus fossilen Energieträgern ersetzen können, beflügeln die Entwickler in den Forschungslaboren zu Höchstleistungen.
Optische Technologien: Wachstumsbranche der Zukunft
Stabil auch in der Konjunkturkrise: Der Bereich der Optischen Technologien zählt zu den Wachstumsbranchen der Zukunft. Als Querschnittstechnologie liefert sie Innovationen für die Medizintechnik und den Maschinenbau sowie den Halbleiter-, Beleuchtungs- und Energiebereich. Sie erschließen neue Märkte und schaffen zahlreiche Arbeitsplätze. Laut Branchenbericht des Deutschen Industrieverbandes Spectaris 2008 beeinflussen die Optischen Technologien bereits bis zu 15 Prozent der rund 5, 8 Millionen Arbeitsplätze des verarbeitenden Gewerbes. Die Bundesregierung verfolgt das Ziel, die Zahl der Beschäftigten weiterhin zu erhöhen und das Marktpotential der Optischen Technologien auszubauen. Sie unterstützt das Thema seit 2002 mit dem Förderprogramm "Optische Technologien - Made in Germany". Das Programm soll die Lösung bedeutender Fragen in den Bereichen Gesundheit, Mobilität, Produktion und Umwelt vorantreiben. Besonderes Potential wird den Optischen Technologien hinsichtlich nachhaltiger Möglichkeiten der Energiegewinnung zugeschrieben.
Industrielle Fertigung: Mit Lasertechnik zu höherer Effizienz und Produktivität
Intelligentes Licht, das Materialkosten spart und durch schnellere Fertigung die Umwelt schont: In industriellen Produktionsprozessen spielen Laser eine wichtige Rolle und haben sich mittlerweile als innovatives Werkzeug für die Produktion etabliert. Wo sie eingesetzt werden, lassen sich Produkte verbessern und Rohstoffe sparen. Eines der wichtigsten Anwendungsfelder ist die Materialbearbeitung.
Exzellente Strahlung: Faserlaser führt zum Paradigmenwechsel in der Fertigung Erhöhte Produktivität bei geringem Aufwand: Als zukunftsweisende Entwicklung in der Lasertechnologie gelten Faserlaser. "Neben dem hohen Wirkungsgrad machen vor allem die thermische und mechanische Stabilität, die geringe Baugröße und die Skalierbarkeit Faserlaser so attraktiv für die Fertigung", erläutert Prof. Andreas Tünnermann, Leiter des Fraunhofer-Instituts für Angewandte Optik und Feinmechanik IOF in Jena. Der Faserlaser besteht aus einer optischen Faser, die mit geringen Mengen von Ionen dotiert ist. Regt man diese an, geben sie Energie in Form von Laserstrahlung ab. Optische Elemente, wie zum Beispiel der Laserspiegel, sind direkt in die Lichtleitfaser integriert. Die neuen Faserlaser zeichnen sich vor allem durch eine exzellente Strahlqualität aus - und eignen sich zum Schneiden, Schweißen, Abtragen und Strukturieren von Material. Die Technik führt sowohl in der Stahl- als auch in der Automobilindustrie zu Optimierungs- und Einsparchancen bei gleichsam geringer werdenden Stromund Materialkosten - und damit zu einer umweltschonenderen Herstellung.
Erhöhte Produktivität bei der Herstellung von Airbags
Ob Front-, Seiten- oder Fenster-Airbags - neue Autos sind mit einer Vielzahl unterschiedlicher Luftkissentypen ausgestattet. Geringer Aufwand mit maximaler Wirkung: Das Remotelaser-Schneiden erhöht die Produktivität bei der Herstellung von Airbags. Bei diesem Verfahren wird der Lichtstrahl durch schwenkbare Umlenkspiegel einer Scanneroptik bewegt. Die Geschwindigkeit des Laserspots beträgt einige Meter pro Sekunde. "So lassen sich auch komplizierte Teile in wenigen Sekunden schneiden", sagt Dr. Thomas Himmer vom IWS. Forscher des IWS haben die Remote-Bearbeitung zur Anwendungsreife entwickelt. Gemeinsam mit der Firma Held Systems Deutschland GmbH wurde die neue Generation von Airbag-Laserschneideanlagen gebaut. Damit lassen sich 2,5 Meter breite Gewebe mit einer Materialdurchlaufgeschwindigkeit von bis zu 20 Metern pro Minute mit einer Genauigkeit von 0,5 Millimetern schneiden. Die ersten Systeme sind bereits in der Industrie im Einsatz. Mit Erfolg: Die Unternehmen konnten die Produktivität gegenüber dem herkömmlichen Mehrlagenschnitt um 50 bis 90 Prozent steigern.
In der industriellen Fertigung sorgen Faserlaser insgesamt für mehr Energieeffizienz. Sie entwickeln kaum Wärme bei gleichzeitig hohem Wirkungsgrad und einer Ausgangsleistung von mehreren Kilowatt. Damit bieten sie so in Zukunft enorme Einsparpotentiale für nachhaltige Produktionsprozesse.
Trennende und fügende Verfahren bestimmen den Lasermarkt auf Anwenderseite. Auf der LASER World of PHOTONICS vom 15. bis 18. Juni in München stellen Fraunhofer-Forscher im Ausstellungsbereich "Laser und Lasersysteme in der Fertigung" ihre aktuellen Forschungsergebnisse vor. Unter dem Themenschwerpunkt "Lasergefüge- und Lasertrenntechnik" beleuchten sie neben der Verfahrensentwicklung auch Systemlösungen und Qualitätssicherungskonzepte.
Photovoltaik: Laserstrahlen machen Solarzellen wettbewerbsfähig
Schneller, besser, preiswerter: neue Lasertechniken führen zu höherer Effizienz und Produktivität in der Herstellung von Solarzellen. Noch ist Solarstrom jedoch deutlich teurer als herkömmlicher. "Die hohen Stromkosten von Solarenergie entfallen jeweils zu einem Drittel auf die Materialkosten und die Herstellungskosten von Solarzellen", sagt Axel Bauer, Leiter der Marketing- und Kommunikationsabteilung des Fraunhofer-Instituts für Lasertechnik ILT in Aachen.
Dabei spielt auch die begrenzte Effizienz gängiger Solarzellen eine Rolle, die je nach Typ zwischen sechs und 16 Prozent liegt. "Unser Ziel ist es, Technologien zu entwickeln, die Solarstrom auch ohne Subventionen konkurrenzfähig machen", sagt Dr. Arnold Gillner, Leiter der Abteilung Mikrotechnik am Fraunhofer-Institut für Lasertechnik in Aachen. "Innerhalb der nächsten Jahre rechnet die Fachwelt mit der Erreichung der Grid-Parity, also der Kosten- und Chancengleichheit im Netz für Sonnenstrom. Dazu müssen die Herstellungskosten von Solarzellen reduziert, deren Effizienz verbessert und die Durchsatzraten in der Produktion erhöht werden. Neue Laserfertigungsverfahren tragen entscheidend zu diesen Zielen bei. "Solarzellen sind sehr fragil. Laser sind damit ein ideales Werkzeug für deren Fertigung", so Gillner weiter.
SOLASYS: Konsortium aus Unternehmen und Instituten
Auch wenn heute schon Laser in der Produktion eingesetzt werden, lassen sich die Prozesse deutlich optimieren. Die schrittweise Verbesserung der Fertigungstechnik von Laseranwendungen in der Photovoltaik ist Ziel eines im Herbst 2008 gebildeten und mit Mitteln der EU geförderten FuE-Konsortiums.
Zehn Unternehmen und Institute kooperieren in dem sechs Millionen schweren und vom Fraunhofer Institut für Lasertechnik ILT koordinierten Verbundprojekt SOLASYS (Next Generation Solar Cell and Module Laser Processing Systems).
"Wir arbeiten an neuen Verfahren, die Hochgeschwindigkeitsbohren von mikroskopisch kleinen Durchführungen, Entfernen von dünnen Beschichtungen ohne Beschädigung des Substrats, Laserlöten der Zellverbindungen, Laserisolation von Vorder- und Rückseite sowie laserselektives Dotieren ermöglichen", erklärt Gillner.
Selektives Laserlöten senkt die Produktionskosten
Durch selektives Laserlöten lassen sich die Ausschussrate und die Qualität der Kontaktierungen verbessern - und damit die Herstellungspreise senken. Bisher werden die Elektroden mechanisch auf die Zellen aufgedrückt und dann im Ofen erhitzt. "Dies führt häufig zum Bruch der empfindlichen Siliziumzellen, was der Hauptkostenfaktor bei der Produktion ist", weiß Gillner. Beim selektiven Laserlöten hingegen werden die Kontakte durch Druckluft auf die Zellen gepresst und dann mit dem Laser verlötet.
400-Watt-Ultrakurzpulslaser
Forscher des Fraunhofer-Instituts haben einen 400-Watt-Ultrakurzpulslaser entwickelt, mit dem sich Dünnschicht-Solarmodule zehnmal schneller bearbeiten lassen als mit konventionellen diodengepumpten Festkörperlasern. "Der Ultrakurzpulslaser ist ein ideales Werkzeug für den Abtrag dünner Schichten: Er arbeitet sehr genau, erwärmt das Material nicht und braucht mit 80 MHz Pulsfrequenz keine zwei Minuten, um eine Glasscheibe von zwei mal drei Metern Größe zu bearbeiten. Die Anwendung der neuen Technik in der Praxis erfordert zunächst die Entwicklung von Hochleistungs-Scansystemen und prozessangepassten Optiken. "Mittelfristig lassen sich mit dieser Technik die Produktionskosten deutlich senken", so Gillner. Laser erleichtern und optimieren die Fertigung von klassischen Silizium- und Dünnschichtzellen und erlauben die Entwicklung neuer Designvarianten. "Sie leisten damit einen wichtigen Beitrag zur weiteren Durchdringung des Energiemarktes mittels regenerativer Energiequellen", resümiert Gillner.
Mit der Weiterentwicklung des 400-Watt-Ultrakurzpulslaser zu einem 400-Watt- Femtosekundenlaser ist Forschern des Fraunhoferinstituts jetzt ein Weltrekord gelungen.
Auf der LASER World of PHOTONICS 2009 (15.-18. Juni 2009, München) wird erstmals das derzeit leistungsstärkste Ultrakurzpulslaser-Modul ausgestellt. Mit einer mittleren Leistung von 400 Watt hält es den Weltrekord hinsichtlich der Leistung eines Lasers mit Pulsdauern kleiner einer Pikosekunde.
Beleuchtung: Mehr Licht, weniger Energie
Es werde LED: Die Glühbirne war gestern. Licht emittierende Dioden (LED) und organische Leuchtdioden (OLED) lassen die Zukunft in hellem Licht erstrahlen - und läuten einen Generationswechsel in der Beleuchtung ein. Die neue Technik auf der Basis Optischer Technologien ist nicht nur energie-, sondern auch kostensparend. Schon bald wird sie alle Bereiche des Alltags durchdringen - und die Stromversorgung von morgen sichern. Symbolträchtiges Beispiel für die Integration der LED-Technologie im Alltag: Die Illumination des Reichstags. Eine Lichtgestalt der Zeitgeschichte - dank LED: So hell wie nie zuvor soll der Reichstag zum 60. Gründungstag der Bundesrepublik am 22. Mai 2009 in neuem Glanz erstrahlen. Modernste Leuchtdioden werden alle vier Fassaden des Gebäudes in weißes Licht tauchen. Am Vorabend der Bundespräsidentenwahl wird die Reichstagsillumination der Öffentlichkeit präsentiert. Das Potential der Optischen Technologien im Energie-Bereich steht auf der Agenda der Politik ganz oben. Die neue Technik soll dauerhaft für mehr Licht sorgen und dabei Energie sparen.
Straßenlaternen und Glühbirnen: Beleuchtungskonzepte der Zukunft
Fast 20 Prozent des weltweiten Strombedarfs werden heute für die Beleuchtung verbraucht. Allein der Betrieb von 50 Millionen veralteter Straßenlaternen verursacht jährlich Kosten in Höhe von fünf Milliarden Euro. Bis zum Jahr 2012 soll laut geplanter EU-Verordnung deshalb die Straßenbeleuchtung nahezu vollständig auf energiesparende LED-Techniken umgestellt werden. Bis zu 38 Milliarden Tonnen Strom können dadurch eingespart werden. Auch die klassische Glühbirne soll bis 2012 europaweit durch neue effiziente und energiesparende Systeme ersetzt werden, um die jährlichen Treibhaus-Emissionen um bis zu 15 Millionen Tonnen zu senken.
Beleuchtung im Rahmen der LASER World of PHOTONICS und World of Photonics Congress
Das Schwerpunktthema Beleuchtung wird auf der LASER World of PHOTONICS durch Anwendungsbeispiele an den Ständen vieler Aussteller begleitet. Aber auch der World of Photonics Congress beleuchtet das Thema und schlägt so die Brücke zwischen Wissenschaft und Industrie, Theorie und Praxis. Im Forum der Messehalle B2 stellt der Kongress das Thema "Nachhaltige Beleuchtungskonzepte" in Praxisvorträgen vor. Dr. Andreas Bräuer vom Fraunhofer-Institut für angewandte Optik und Feinmechanik IOF und Dr. Berit Wessler, OSRAM Opto Semiconductors GmbH, präsentieren dort am 17. Juni 2009 ab 10:00 Uhr eine Reihe von Vorträgen von Instituten und Industrie zu modernen Beleuchtungskonzepten.
LASER World of PHOTONICS 2009 im Trend aktueller wirtschaftspolitischer Herausforderungen
Angesichts aktueller wirtschaftspolitischer Herausforderungen werden die Lösungspotentiale der Optischen Technologien in den Bereichen Energieeffizienz, Produktion, Life Sciences und Kommunikation besonders deutlich.
Mit ihren Schwerpunktthemen Beleuchtung, Laser in der Fertigung von Photovoltaik sowie Biophotonik und Life Sciences adressiert die LASER World of PHOTONICS 2009 gezielt aktuelle Themen für die Industrie in verschiedensten Bereichen. Gleichzeitig bietet die Messe durch die enge Verzahnung mit dem World of Photonics Congress eine Plattform für den Dialog zwischen Forschung und Industrie. Durch den Austausch von Wissenschaftlern und Industrieexperten auf Messe und Kongress kann die Umwandlung von Forschungsergebnissen in industrielle Produkte beschleunigt werden. Das kommt nicht nur der Innovationskraft der Industrie und damit dem Wachstum der Branche zugute, sondern vor allem auch den technologischen Entwicklungen für eine nachhaltige Zukunft.
Aber auch andere Teilbereiche der Optischen Technologien eröffnen enorme Potentiale für nachhaltige und energiesparende Prozesse und Produkte wie innovative Leuchtmittel. Vielleicht sind Optische Technologien mittelfristig sogar die Lösung für die Energiekrise: Die Entwicklung neuer und immer besserer Solarmodule gelingt nicht zuletzt durch den wachsenden Einsatz von Lasern in der Fertigung von Solarzellen und lässt die Frage nach der umweltschonenden Stromversorgung in günstigem Licht erscheinen.
Elementarteilchen der Moderne: Laserstrahlen für rasanten Fortschritt
Am Anfang war das Licht: Das Photon, aus dem sich das Licht zusammensetzt, ist das älteste und häufigste Elementarteilchen im ganzen Universum. Licht hat das Leben auf unserer Erde erst möglich gemacht - und sichert unsere Zukunft.
Schon seit jeher versuchen Forscher und Wissenschaftler das Geheimnis des Lichts zu ergründen: "Den Rest meines Lebens werde ich darüber nachdenken, was Licht ist", sagte Albert Einstein. In der zweiten Hälfte des 20. Jahrhunderts gelang es mit der Entwicklung des Lasers, die Photonen zu steuern und sich die einzigartigen Eigenschaften des Lichts nutzbar zu machen. Licht misst schnell, berührungslos und präzise. Seither wird der Laser wegen seiner unerreichten Präzision als universelles Werkzeug eingesetzt. "Aufgrund der einzigartigen physikalischen Eigenschaften wird die industrielle Produktion im 21. Jahrhundert durch den Laser geprägt sein. Photonen erlauben kürzere Energiepulse, höchste Energiedichten und kleinste Wechselwirkungszonen. Kein anderes Werkzeug lässt sich zeitlich und räumlich schneller und präziser steuern als das Werkzeug Licht", sagt Prof. Reinhard Poprawe, Leiter des Fraunhofer-Instituts für Lasertechnik ILT in Aachen.
Unsichtbare Helfer
Die optischen Technologien sind überall: Die Annahme, dass alles, was optisch im Namen trägt, sichtbar ist, trügt. Ob UV-Strahlung, Röntgenstrahlen, Gammastrahlen und Radiowellen: Die meisten nimmt man nicht wahr, denn optische Technologien arbeiten zumeist unsichtbar. Zum Beispiel daheim im DVD-Spieler oder im Supermarkt in den Lesegeräten an der Kasse. Längst ist das enorme Potential des universellen Werkzeugs Licht noch nicht ausgereizt.
Experten schätzen, dass erst etwa 50 Prozent der möglichen Laseranwendungen realisiert sind. Kühne Visionen wie energiesparende Computer, die Daten nur mittels Licht verarbeiten oder Solarzellen, die so günstig herzustellen sind, dass sie Strom aus fossilen Energieträgern ersetzen können, beflügeln die Entwickler in den Forschungslaboren zu Höchstleistungen.
Optische Technologien: Wachstumsbranche der Zukunft
Stabil auch in der Konjunkturkrise: Der Bereich der Optischen Technologien zählt zu den Wachstumsbranchen der Zukunft. Als Querschnittstechnologie liefert sie Innovationen für die Medizintechnik und den Maschinenbau sowie den Halbleiter-, Beleuchtungs- und Energiebereich. Sie erschließen neue Märkte und schaffen zahlreiche Arbeitsplätze. Laut Branchenbericht des Deutschen Industrieverbandes Spectaris 2008 beeinflussen die Optischen Technologien bereits bis zu 15 Prozent der rund 5, 8 Millionen Arbeitsplätze des verarbeitenden Gewerbes. Die Bundesregierung verfolgt das Ziel, die Zahl der Beschäftigten weiterhin zu erhöhen und das Marktpotential der Optischen Technologien auszubauen. Sie unterstützt das Thema seit 2002 mit dem Förderprogramm "Optische Technologien - Made in Germany". Das Programm soll die Lösung bedeutender Fragen in den Bereichen Gesundheit, Mobilität, Produktion und Umwelt vorantreiben. Besonderes Potential wird den Optischen Technologien hinsichtlich nachhaltiger Möglichkeiten der Energiegewinnung zugeschrieben.
Industrielle Fertigung: Mit Lasertechnik zu höherer Effizienz und Produktivität
Intelligentes Licht, das Materialkosten spart und durch schnellere Fertigung die Umwelt schont: In industriellen Produktionsprozessen spielen Laser eine wichtige Rolle und haben sich mittlerweile als innovatives Werkzeug für die Produktion etabliert. Wo sie eingesetzt werden, lassen sich Produkte verbessern und Rohstoffe sparen. Eines der wichtigsten Anwendungsfelder ist die Materialbearbeitung.
Exzellente Strahlung: Faserlaser führt zum Paradigmenwechsel in der Fertigung Erhöhte Produktivität bei geringem Aufwand: Als zukunftsweisende Entwicklung in der Lasertechnologie gelten Faserlaser. "Neben dem hohen Wirkungsgrad machen vor allem die thermische und mechanische Stabilität, die geringe Baugröße und die Skalierbarkeit Faserlaser so attraktiv für die Fertigung", erläutert Prof. Andreas Tünnermann, Leiter des Fraunhofer-Instituts für Angewandte Optik und Feinmechanik IOF in Jena. Der Faserlaser besteht aus einer optischen Faser, die mit geringen Mengen von Ionen dotiert ist. Regt man diese an, geben sie Energie in Form von Laserstrahlung ab. Optische Elemente, wie zum Beispiel der Laserspiegel, sind direkt in die Lichtleitfaser integriert. Die neuen Faserlaser zeichnen sich vor allem durch eine exzellente Strahlqualität aus - und eignen sich zum Schneiden, Schweißen, Abtragen und Strukturieren von Material. Die Technik führt sowohl in der Stahl- als auch in der Automobilindustrie zu Optimierungs- und Einsparchancen bei gleichsam geringer werdenden Stromund Materialkosten - und damit zu einer umweltschonenderen Herstellung.
Erhöhte Produktivität bei der Herstellung von Airbags
Ob Front-, Seiten- oder Fenster-Airbags - neue Autos sind mit einer Vielzahl unterschiedlicher Luftkissentypen ausgestattet. Geringer Aufwand mit maximaler Wirkung: Das Remotelaser-Schneiden erhöht die Produktivität bei der Herstellung von Airbags. Bei diesem Verfahren wird der Lichtstrahl durch schwenkbare Umlenkspiegel einer Scanneroptik bewegt. Die Geschwindigkeit des Laserspots beträgt einige Meter pro Sekunde. "So lassen sich auch komplizierte Teile in wenigen Sekunden schneiden", sagt Dr. Thomas Himmer vom IWS. Forscher des IWS haben die Remote-Bearbeitung zur Anwendungsreife entwickelt. Gemeinsam mit der Firma Held Systems Deutschland GmbH wurde die neue Generation von Airbag-Laserschneideanlagen gebaut. Damit lassen sich 2,5 Meter breite Gewebe mit einer Materialdurchlaufgeschwindigkeit von bis zu 20 Metern pro Minute mit einer Genauigkeit von 0,5 Millimetern schneiden. Die ersten Systeme sind bereits in der Industrie im Einsatz. Mit Erfolg: Die Unternehmen konnten die Produktivität gegenüber dem herkömmlichen Mehrlagenschnitt um 50 bis 90 Prozent steigern.
In der industriellen Fertigung sorgen Faserlaser insgesamt für mehr Energieeffizienz. Sie entwickeln kaum Wärme bei gleichzeitig hohem Wirkungsgrad und einer Ausgangsleistung von mehreren Kilowatt. Damit bieten sie so in Zukunft enorme Einsparpotentiale für nachhaltige Produktionsprozesse.
Trennende und fügende Verfahren bestimmen den Lasermarkt auf Anwenderseite. Auf der LASER World of PHOTONICS vom 15. bis 18. Juni in München stellen Fraunhofer-Forscher im Ausstellungsbereich "Laser und Lasersysteme in der Fertigung" ihre aktuellen Forschungsergebnisse vor. Unter dem Themenschwerpunkt "Lasergefüge- und Lasertrenntechnik" beleuchten sie neben der Verfahrensentwicklung auch Systemlösungen und Qualitätssicherungskonzepte.
Photovoltaik: Laserstrahlen machen Solarzellen wettbewerbsfähig
Schneller, besser, preiswerter: neue Lasertechniken führen zu höherer Effizienz und Produktivität in der Herstellung von Solarzellen. Noch ist Solarstrom jedoch deutlich teurer als herkömmlicher. "Die hohen Stromkosten von Solarenergie entfallen jeweils zu einem Drittel auf die Materialkosten und die Herstellungskosten von Solarzellen", sagt Axel Bauer, Leiter der Marketing- und Kommunikationsabteilung des Fraunhofer-Instituts für Lasertechnik ILT in Aachen.
Dabei spielt auch die begrenzte Effizienz gängiger Solarzellen eine Rolle, die je nach Typ zwischen sechs und 16 Prozent liegt. "Unser Ziel ist es, Technologien zu entwickeln, die Solarstrom auch ohne Subventionen konkurrenzfähig machen", sagt Dr. Arnold Gillner, Leiter der Abteilung Mikrotechnik am Fraunhofer-Institut für Lasertechnik in Aachen. "Innerhalb der nächsten Jahre rechnet die Fachwelt mit der Erreichung der Grid-Parity, also der Kosten- und Chancengleichheit im Netz für Sonnenstrom. Dazu müssen die Herstellungskosten von Solarzellen reduziert, deren Effizienz verbessert und die Durchsatzraten in der Produktion erhöht werden. Neue Laserfertigungsverfahren tragen entscheidend zu diesen Zielen bei. "Solarzellen sind sehr fragil. Laser sind damit ein ideales Werkzeug für deren Fertigung", so Gillner weiter.
SOLASYS: Konsortium aus Unternehmen und Instituten
Auch wenn heute schon Laser in der Produktion eingesetzt werden, lassen sich die Prozesse deutlich optimieren. Die schrittweise Verbesserung der Fertigungstechnik von Laseranwendungen in der Photovoltaik ist Ziel eines im Herbst 2008 gebildeten und mit Mitteln der EU geförderten FuE-Konsortiums.
Zehn Unternehmen und Institute kooperieren in dem sechs Millionen schweren und vom Fraunhofer Institut für Lasertechnik ILT koordinierten Verbundprojekt SOLASYS (Next Generation Solar Cell and Module Laser Processing Systems).
"Wir arbeiten an neuen Verfahren, die Hochgeschwindigkeitsbohren von mikroskopisch kleinen Durchführungen, Entfernen von dünnen Beschichtungen ohne Beschädigung des Substrats, Laserlöten der Zellverbindungen, Laserisolation von Vorder- und Rückseite sowie laserselektives Dotieren ermöglichen", erklärt Gillner.
Selektives Laserlöten senkt die Produktionskosten
Durch selektives Laserlöten lassen sich die Ausschussrate und die Qualität der Kontaktierungen verbessern - und damit die Herstellungspreise senken. Bisher werden die Elektroden mechanisch auf die Zellen aufgedrückt und dann im Ofen erhitzt. "Dies führt häufig zum Bruch der empfindlichen Siliziumzellen, was der Hauptkostenfaktor bei der Produktion ist", weiß Gillner. Beim selektiven Laserlöten hingegen werden die Kontakte durch Druckluft auf die Zellen gepresst und dann mit dem Laser verlötet.
400-Watt-Ultrakurzpulslaser
Forscher des Fraunhofer-Instituts haben einen 400-Watt-Ultrakurzpulslaser entwickelt, mit dem sich Dünnschicht-Solarmodule zehnmal schneller bearbeiten lassen als mit konventionellen diodengepumpten Festkörperlasern. "Der Ultrakurzpulslaser ist ein ideales Werkzeug für den Abtrag dünner Schichten: Er arbeitet sehr genau, erwärmt das Material nicht und braucht mit 80 MHz Pulsfrequenz keine zwei Minuten, um eine Glasscheibe von zwei mal drei Metern Größe zu bearbeiten. Die Anwendung der neuen Technik in der Praxis erfordert zunächst die Entwicklung von Hochleistungs-Scansystemen und prozessangepassten Optiken. "Mittelfristig lassen sich mit dieser Technik die Produktionskosten deutlich senken", so Gillner. Laser erleichtern und optimieren die Fertigung von klassischen Silizium- und Dünnschichtzellen und erlauben die Entwicklung neuer Designvarianten. "Sie leisten damit einen wichtigen Beitrag zur weiteren Durchdringung des Energiemarktes mittels regenerativer Energiequellen", resümiert Gillner.
Mit der Weiterentwicklung des 400-Watt-Ultrakurzpulslaser zu einem 400-Watt- Femtosekundenlaser ist Forschern des Fraunhoferinstituts jetzt ein Weltrekord gelungen.
Auf der LASER World of PHOTONICS 2009 (15.-18. Juni 2009, München) wird erstmals das derzeit leistungsstärkste Ultrakurzpulslaser-Modul ausgestellt. Mit einer mittleren Leistung von 400 Watt hält es den Weltrekord hinsichtlich der Leistung eines Lasers mit Pulsdauern kleiner einer Pikosekunde.
Beleuchtung: Mehr Licht, weniger Energie
Es werde LED: Die Glühbirne war gestern. Licht emittierende Dioden (LED) und organische Leuchtdioden (OLED) lassen die Zukunft in hellem Licht erstrahlen - und läuten einen Generationswechsel in der Beleuchtung ein. Die neue Technik auf der Basis Optischer Technologien ist nicht nur energie-, sondern auch kostensparend. Schon bald wird sie alle Bereiche des Alltags durchdringen - und die Stromversorgung von morgen sichern. Symbolträchtiges Beispiel für die Integration der LED-Technologie im Alltag: Die Illumination des Reichstags. Eine Lichtgestalt der Zeitgeschichte - dank LED: So hell wie nie zuvor soll der Reichstag zum 60. Gründungstag der Bundesrepublik am 22. Mai 2009 in neuem Glanz erstrahlen. Modernste Leuchtdioden werden alle vier Fassaden des Gebäudes in weißes Licht tauchen. Am Vorabend der Bundespräsidentenwahl wird die Reichstagsillumination der Öffentlichkeit präsentiert. Das Potential der Optischen Technologien im Energie-Bereich steht auf der Agenda der Politik ganz oben. Die neue Technik soll dauerhaft für mehr Licht sorgen und dabei Energie sparen.
Straßenlaternen und Glühbirnen: Beleuchtungskonzepte der Zukunft
Fast 20 Prozent des weltweiten Strombedarfs werden heute für die Beleuchtung verbraucht. Allein der Betrieb von 50 Millionen veralteter Straßenlaternen verursacht jährlich Kosten in Höhe von fünf Milliarden Euro. Bis zum Jahr 2012 soll laut geplanter EU-Verordnung deshalb die Straßenbeleuchtung nahezu vollständig auf energiesparende LED-Techniken umgestellt werden. Bis zu 38 Milliarden Tonnen Strom können dadurch eingespart werden. Auch die klassische Glühbirne soll bis 2012 europaweit durch neue effiziente und energiesparende Systeme ersetzt werden, um die jährlichen Treibhaus-Emissionen um bis zu 15 Millionen Tonnen zu senken.
Beleuchtung im Rahmen der LASER World of PHOTONICS und World of Photonics Congress
Das Schwerpunktthema Beleuchtung wird auf der LASER World of PHOTONICS durch Anwendungsbeispiele an den Ständen vieler Aussteller begleitet. Aber auch der World of Photonics Congress beleuchtet das Thema und schlägt so die Brücke zwischen Wissenschaft und Industrie, Theorie und Praxis. Im Forum der Messehalle B2 stellt der Kongress das Thema "Nachhaltige Beleuchtungskonzepte" in Praxisvorträgen vor. Dr. Andreas Bräuer vom Fraunhofer-Institut für angewandte Optik und Feinmechanik IOF und Dr. Berit Wessler, OSRAM Opto Semiconductors GmbH, präsentieren dort am 17. Juni 2009 ab 10:00 Uhr eine Reihe von Vorträgen von Instituten und Industrie zu modernen Beleuchtungskonzepten.
LASER World of PHOTONICS 2009 im Trend aktueller wirtschaftspolitischer Herausforderungen
Angesichts aktueller wirtschaftspolitischer Herausforderungen werden die Lösungspotentiale der Optischen Technologien in den Bereichen Energieeffizienz, Produktion, Life Sciences und Kommunikation besonders deutlich.
Mit ihren Schwerpunktthemen Beleuchtung, Laser in der Fertigung von Photovoltaik sowie Biophotonik und Life Sciences adressiert die LASER World of PHOTONICS 2009 gezielt aktuelle Themen für die Industrie in verschiedensten Bereichen. Gleichzeitig bietet die Messe durch die enge Verzahnung mit dem World of Photonics Congress eine Plattform für den Dialog zwischen Forschung und Industrie. Durch den Austausch von Wissenschaftlern und Industrieexperten auf Messe und Kongress kann die Umwandlung von Forschungsergebnissen in industrielle Produkte beschleunigt werden. Das kommt nicht nur der Innovationskraft der Industrie und damit dem Wachstum der Branche zugute, sondern vor allem auch den technologischen Entwicklungen für eine nachhaltige Zukunft.
