LASERTECHNIK FÜR DIE BEARBEITUNG VON OBERFLÄCHEN

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1 TRUMPF Maschinen AG LASERTECHNIK FÜR DIE BEARBEITUNG VON OBERFLÄCHEN Jan Sykora Laser Division Baar

2 Unsere Geschäftsbereiche Umsatzanteile im Geschäftsjahr 2015/16 Werkzeugmaschinen für die flexible Blechbearbeitung Umsatz 2015/ Mrd. Umsatzanteil 71 % Lasertechnik / Elektronik Umsatz 2015/16 1,01 Mrd. Umsatzanteil 29 % 2

3 Auf einen Blick Unternehmenskennzahlen Geschäftsjahr 2015/16 Veränderung in % Umsatz (in Mio. ) 2.808,5 + 3,4 Ergebnis vor Steuern (in Mio. ) 303,1-15,2 Umsatzrendite vor Steuern (in %) 10,8 Investitionen (in Mio. ) 137,6 + 6,3 F+E Aufwendungen (in Mio. ) 296,2 + 11,7 Mitarbeiter (Anzahl zum ) * + 2,8 * davon 772 in der CH 3

4 Our History Important innovations and milestones PEOPLE 1923 Christian Trumpf acquires shares in Julius Geiger GmbH 1966 Berthold Leibinger becomes Managing Partner 2005 Nicola Leibinger- Kammüller becomes new president MACHINES 1957 Machine tool with Coordinate Guidance 1968 TRUMATIC 20: First numerically controlled machine 2016 TruLaser Center 7030: Fully automatic machine for laser cutting LASERS 1985 TLF 1000: First own CO 2 laser 1999 First TruDisk disk laser 2013 German Future Prize for ultra short-pulsed lasers STRATEGY 1969 American subsidiary in Farmington 1998 Own lean production management system SYNCHRO 2015 AXOOM: the platform for managing the smart factory 4

5 Anwendungsbereiche Lasertechnik 5

6 Anwendungsbereiche Laser Breites Einsatzspektrum: Die Anwendungsmöglichkeiten unserer Laser Schneiden Schweißen Löten Bohren / Abtragen Mikrobearbeitung Gravieren / Markieren Kunststoff- und Glasbearbeitung 3D-Druck EUV- Lithographie Wissenschaftl. Anwendungen 6

7 Anwendungsbereiche Laser The Power of Choice: Für jeden Einsatz den richtigen Laser CO 2 -Laser TruFlow & TruCoax Scheibenlaser TruDisk Diodenlaser TruDiode Faserlaser TruFiber Gepulste FKL TruPulse (Ultra-)Kurzpulslaser TruMicro Beschriftungslaser TruMark 7

8 Technologie Ultrakurzpulslaser (UKP) 8

9 Technologie Ultrakurzpulslaser Typische Industrielaser: zu heiss - CO2 - Andere Gasalser (copper vapor, excimer) - Diodenlaser - Festkörperlaser - Faserlaser Hitzeeintrag in das Material problematisch - Wärmeeinflusszone (HAZ) - Schmelze und Ablagerungen - Gefügeumwandlung - Thermische Spannungen - Mikrorisse Ursache - Zu starke Erhitzung - zu lange Pulsadauer Reduzierung der Pulsdauer

10 Technologie Ultrakurzpulslaser Pulsdauer 1 Sekunde (s) = 10-0 s = 1 s 1 Millisekunde (ms) = 10-3 s = 0,001 s 1 Mikrosekunde (µs) = 10-6 s = 0, s 1 Nanosekunde (ns) = 10-9 s = 0, s 1 Pikosekunde (ps) = s = 0, s 250fs 1 Femtosekunde (fs) = s = 0, s Lichtgeschwindigkeit: 300 tsd. Kilometer / Sekunde bzw. 0,3mm / ps Abstand Erde-Mond / 1,3 Sekunde TruMicro 5000 Pulse 2 mm 6ps

11 Technologie Ultrakurzpulslaser Für Billionstelsekundendauer werden gigantische Pulsleistungen erreicht Leistung 100W Zeit Freiburgs mittlerer Leistungsaufnahme Leistungsüberhöhung im Pulsbetrieb: z.b. 1/(100 khz * 1 ps) = 10 Mio.

12 Technologie Ultrakurzpulslaser Durch die kurze Dauer erreichen UKP-Laser extreme Leistungsdichten Herdplatte: ca. 10 W/cm² Oberfläche der Sonne: ca. 1 Mio. = 10 6 W/cm² Bild: K. Cvecek Laserschweißen: ca. 1 Mio. = 10 6 W/cm² UKP-Laser: >10 14 W/cm² 12

13 Technologie Ultrakurzpulslaser Eigenschaften ultrakurzer Laserpulse Durch die kurze Dauer erreichen UKP-Laser extreme Leistungsdichten 13

14 Technologie Ultrakurzpulslaser Kalte Bearbeitung: keine Wärmeeinflusszone - Direkte Überführung in die Gasphase ohne Schmelze - Feinere Kanten und Flächen - Keine Deformationen, Risse Klassischer Industrielaser UKP Laser

15 Technologie Ultrakurzpulslaser UKP-Laser ermöglichen präzise, kalte Ablation verschiedener Materialien ns-pulse (C. Momma et al.: Opt. Commun. 129, 134 (1996)) ps-pulse Kalter Abtrag eines Streichholzkopfes Höchste Genauigkeit Keine (kaum) Schmelze oder Ablagerungen Keine (geringe) Wärmeeinflusszone Bohren unter verschie. Winkeln und positiver / negativer Konus möglich Kein Werkzeugverschleiß; reproduzierbare Ergebnisse 15

16 Vorteile von UKP Lasern - Abtrag und Laser-Material-Interaktion ohne Wärmeeintrag - Keine HAZ (heat affected zone), keine Mikrorisse - Wellenlänge unabhängige Absorption der Laserstrahlung, auch bei transparenten Materialien (gewisse Unterschiede bei UV+Grün) - Grosse Bandbreite an Applikationen möglich welche vorher unmöglich waren - Femtosekunden UKP Laser erweitern den Einsatzbereich noch mehr und ermöglichen effizientere Bearbeitung (Insbesondere Abtrag von Metallen) 16

17 Ultrakurzpulslaser Nachteile 17

18 Nachteile UKP - Kein Fasertransport möglich An Lösungen wird aber gearbeitet (Hohlkammerfasern) - Preisintensiver als andere bewährte Technologien (Preis / Watt Laserleistung) - Optiken empfindlich gegenüber Verschmutzung Zerstörung durch hohe Energiedichte - Taper Winkel / Kantenschrägung Trepannieroptiken - Hohe Pulsfrequenzen Ablenkgeschwindigkeit limitiert Polygonscanner - Großer Parameterraum und teilweise kleines Parameterfenster (Pulsdauer, Pulsenergie, Repetitions-rate, Pulsform, Wellenlänge, Strahlprofil, Strahlformung) 18

19 Ultrakurzpulslaser Anwendungen 19

20 Anwendungen TruMicro Kurz- und Ultrakurzpulslaser eröffnen ein breites Applikationsspektrum Mikrobohren Mikroschneiden Mikrostrukturieren Folienschneiden Laser Lift-Off ps-markieren Glastrennen Oberflächenabtrag 20

21 Anwendungen TruMicro Gravur von Keramik Anfrage: - Tiefengravur von Keramik (Al2O3) - Bisherige Probleme: HAZ, Rissbildung, Verfärbung Lösung: - TruMicro 2020 (IR) - Abtragsrate bis zu 3 mm³/min; 100 µm depth - Andere Materialien möglich: ZrO2 - Kantenwinkel ~25 Märkte: - Medizintechnik, Elektrotechnik 21

22 Anwendungen TruMicro Black Marking - Korrosionsfeste Markierungen in der Medizintechnik Lasermarkieren mittels Anlassfarben ist präzise, dauerhaft und von hoher Qualität, aber kann korrosionsanfällig sein Durch die Erhitzung während des Markierprozesses wird Chromoxid entfernt und das freie Chrom chemisch reduziert (CrNi, CrC) Eisen Chrom Chromoxid 22

23 Anwendungen TruMicro Black Marking - Korrosionsfeste Markierungen in der Medizintechnik - Dauerhafte Markierung (Abriebfest und chemisch beständig - Gleichmäßiger, sehr hoher Kontrast aus allen Winkeln - Korrosionsbeständig auch bei hoher Anzahl an Reinigungszyklen - Auch auf verchromten Materialen möglich Mikro- und Nanostrukturen streuen und absorbieren Licht mehrfach 23

24 Anwendungen TruMicro Oberflächenstrukturierung tribologische Eigenschaften Reibung und Kraftschluss erhöhen durch definierte Struktur Reibung und Verschleiß verringern durch Schmiernäpfchen Laserstrukturieren Laseraufrauhen Laserglätten 24

25 Anwendungen TruMicro Oberflächenstrukturierung Technologie Formschlüssige Verbindung von Metall und Kunststoff Fügen von Metallen und thermoplastischen Kunststoffen Kernelement ist das Strukturieren der Oberflächen (Hinterschnitte) des metallischen Fügepartners Fügen durch Erwärmen der Fügezone Thermoplast fliesst Formschlüssige Verbindung Ergebnisse: Feste Fügeverbindung Auch Fügen von faserverstärkten Kunststoffen mit Metall möglich 25

26 Anwendungen TruMicro Bohren von Einspritzdüsen Durch präzisere Bohrungen in Einspritzdüsen lässt sich der Kraftstoffverbrauch von Verbrennungsmotoren bis zu 20 % senken Herkömmliche Einspritzdüsen: Der Kraftstoff benetzt teilweise die Zylinderwand und den Kolben. Es kommt zu unvollständiger Verbrennung. Präzise Bohrungen unterschiedlicher Größen optimieren die Verteilung des zerstäubten Kraftstoffes und senken so Verbrauch und Emissionen. Bilder: Allein in Deutschland können hierdurch jährlich 12 Mio.Tonnen CO 2 eingespart werden! 26

27 Anwendungen TruMicro Bearbeitung transparenter Materialien 27

28 Anwendungen TruMicro Bearbeitung transparenter Materialien (abtragend) - Ultrakurze Pulse ermöglichen neben dem Bohren und Schneiden auch eine 2,5-Gravur von Metallen oder sprödharten Werkstoffen Saphir Displayglas

29 Anwendungen TruMicro Einbringen von Modifikationen - TopCleave TruMicro 5000 ra < 1 µm v ~ 1 m/s 29

30 Anwendungen TruMicro Schneiden von gehärtetem Glas (modifizierend - TopCleave) 30

31 Abraj Al Bait Tower in Mekka On the top of the tower four lasers show 1600W of Laser power in the colour of the prophet: green, the Laser beam rises 30km in the sky and can be seen in 50km distance TruMicro 7240 t = 300 ns; P = 400 W 31

32 TruMicro Produktportfolio 32

33 TruMicro Laser Portfolio TruMicro Pulse width ps to fs ps to fs ns IR: 25 W W IR: 850 W Average power IR: 10 W - 20 W Green: 15 W - 90 W Green: 300 W UV: 10 W - 30 W UV: 180 W Max. Pulse Energy IR:single pulse 50 µj, optional multi-pulse IR: 500 µj Green: 125 µj UV: 37.5 µj IR: 80 mj Green: 7.5 mj UV: 18 mj Beam delivery Direct beam Direct beam Fiber coupled UV: Direct beam Typical Foil cutting, black Precision drilling, High speed ablation, application marking, ablation cutting and ablation cutting and drilling 33

34 TruMicro Laser Portfolio TruMicro Mark 2000 in TruMark Station 5000 TruMicro (Mark) 2000 OEM Integration packages (incl. chiller and computer) TruMicro 2000: laser source, scanner, 3D-programming software TruMicro Mark 2000: laser source, scanner, marking software Optionally integrated in TruMark Station 5000 TruMicro 2000 Pure OEM Laser source Free beam laser guiding components available All interfaces 34

35 Vielen Dank! 35