28.11.2018

Materialbearbeitung mit gepulster Laserstrahlung

Materialbearbeitung mit gepulster Laserstrahlung

Quelle: BAM / Fachbereich Technologien mit Nanowerkstoffen

Ob Schneiden, Bohren, Abtragen oder Strukturieren – die industrielle Bearbeitung von Materialien soll möglichst schnell und kostengünstig sein. Als geeignetes "Allround-Werkzeug" für verschiedenste Bearbeitungsmethoden haben sich gepulste Laser etabliert. Zum Einsatz kommen sie bei unterschiedlichen Materialien, von Glas und Stahl bis hin zu komplexen Verbundsystemen. Auch in der Medizin finden ultrakurze Laserimpulse immer häufiger Anwendung, beispielsweise in der Augenchirurgie. Allerdings kann es unerwünschte Nebeneffekte geben: Bei der Nutzung von Laserimpulsen mit hoher Intensität entsteht Röntgenstrahlung. Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler der BAM haben erstmals systematisch dargestellt, bei welchen Laserintensitäten und bei welchen Materialien die Röntgenemission über den erlaubten Grenzwerten liegen kann. Aus ihren Erkenntnissen haben sie erste Empfehlungen für Arbeitsschutzmaßnahmen abgeleitet.

Der Einsatz von ultrakurzgepulsten Lasern mit Dauern im Bereich von Pikosekunden (10 -12 Sekunden) und Femtosekunden (10 -15 Sekunden) in der Materialbearbeitung bietet viele Vorteile: Der Laserstrahl ist sehr energiereich, wirkt aber nur für eine sehr kurze Zeit auf das Material ein. Dieser Laserimpuls reicht aus, um das Material präzise zu bearbeiten. Gleichzeitig wird das Material im Bereich rund um die Bearbeitungsstelle kaum erwärmt und bleibt unverändert.

Unterschätzte Röntgenstrahlung

Zur Bearbeitung der Materialoberfläche werden in der Regel viele Laserimpulse hintereinander auf das Werkstück fokussiert. Dabei entsteht ein Gesundheitsrisiko, das bislang unterschätzt wurde: "Beim Auftreffen des Laserimpulses auf das Material kann Röntgenstrahlung entstehen", erklärt Dr. Jörg Krüger, wahrnehmender Leiter des Fachbereichs Technologien mit Nanowerkstoffen. Bei einem einzelnen Laserimpuls ist die Menge der entstehenden Strahlung bei den in der Materialbearbeitung üblichen Bedingungen zwar gering, aber: "Durch die hohen Wiederholraten mit mehreren Hunderttausend Impulsen pro Sekunde kann die Röntgenstrahlung einen kritischen Wert erreichen, der über den erlaubten Grenzwerten im Strahlenschutz liegt", so Dr. Herbert Legall, der gemeinsam mit Christoph Schwanke die experimentellen Untersuchungen in der BAM durchführt.

Das BAM-Team hat in Zusammenarbeit mit Professor Günter Dittmar vom Steinbeis-Transferzentrum in Aalen erstmals systematisch dargestellt, bei welcher Laserintensität und bei welchem Material eine kritische Menge an Röntgenstrahlung entstehen kann: "Der Einsatz von ultrakurzgepulsten Lasern muss sicher sein", so Jörg Krüger, "mögliche Gesundheitsrisiken müssen durch geeignete Schutzmaßnahmen so gering wie möglich gehalten werden." Im aktuellen Forschungsprojekt werden daher auch Möglichkeiten untersucht, wie die entstehende Röntgenemission wirksam abgeschirmt werden kann.

Die Arbeiten werden im Rahmen des BMBF-Vorhabens "Emissionen von Röntgenstrahlung bei der Ultrakurzpulslaserbearbeitung" an der BAM gefördert. Erste Ergebnisse sind bereits Open Access publiziert.

Technologie mit Potenzial

Die Entwicklung von Lasersystemen für die Materialbearbeitung hat in der Vergangenheit große Fortschritte gemacht. Während ultrakurzgepulste Laser noch vor 20 Jahren als exotisches Werkzeug galten, ist ihr Einsatz mittlerweile weit verbreitet. Die Bedeutung dieser Technologie unterstreicht aktuell auch die Vergabe des Physik-Nobel-Preises im Oktober 2018, der unter anderem an Professor Gérard Mourou und Professor Donna Strickland verliehen wurde. Gewürdigt wurden die beiden Wissenschaftler für die Entwicklung einer Methode, mit der sich hochenergetische, ultrakurze optische Pulse erzeugen lassen.

Und noch etwas zeigt die Preisvergabe: Wissenschaft braucht einen langen Atem. Schon in den 1990er Jahren hat Gérald Mourou zur Femtosekundenlaser-Materialbearbeitung von Gläsern publiziert – gemeinsam mit BAM-Wissenschaftler Jörg Krüger.