Mit Laserschneiden zu filigraneren Steckverbindern

Ein hybrides Fertigungsverfahren zum Laserschneiden von dünnwandigen Metallbändern kann auch winzige Details von Kontaktteilen umweltfreundlich, hochpräzise und effizient fertigen.

Redaktionelle Bearbeitung: Technik und Wissen

In modernen Autos lassen mehrerer Tausend Steckverbinder pausenlos die Signal- und Steuerströme fliessen. Um diese Kontaktteile herzustellen wurde unter anderem auch bei der Kostal Kontakt Systeme GmbH in Lüdenscheid ein klassischer Stanz-Biege-Prozess eingesetzt.

Doch weil immer mehr Steckverbinder eingesetzt werden sollen, müssen diese Verbindungselemente deutlich kleiner werden, wobei deren Kontakteile im Zuge der Miniaturisierung immer filigranere Strukturen aufweisen.

Hier stösst aber das altbewährte mechanische Verfahren an seine Grenzen.

Doch es gibt inzwischen Alternativen: das Laserschneiden zum Beispiel.

Insbesondere bei der Erzeugung von Kontaktierungsbereichen mit mehreren unabhängig voneinander federnden Kontaktpunkten auf kleinstem Bauraum eröffnet das Laserschneiden bislang nicht zu realisierende Design-Optionen. Dabei stützt die Redundanz der Kontaktpunkte die gerade im Bereich der Signalübertragung trotz kleinster Kontaktsysteme geforderte elektrische Robustheit.

Laserbasiertes Wendelbohren: Hochpräzise Alternative zu mechanischen Verfahren

Eine weitere Ergänzung ist das Wendelbohren mit Ultrakurzpulslasern (UKP-Lasern). Das patentierte Verfahren des Fraunhofer ILT hat sich bereits bei Präzisionsmikrobohrungen mit grossem Aspektverhältnis in Stahl, Glas und Keramik bewährt. Für das Wendelbohren spricht die Präzision: Der Fokusdurchmesser beträgt 25 µm – bei einer Rauheit Ra an den Bohrlochwänden von weniger als 0,5 µm. Die hohe Qualität wird aber nur bei geringer Prozessgeschwindigkeit erreicht.

Verbundprojekt ScanCut setzt auf Zusammenspiel mit Multistrahloptik

Doch lässt sich das bewährte Verfahren auch zum Schneiden von Blechteilen einsetzen? Wie lässt sich die Prozessgeschwindigkeit erhöhen, damit es auch für die Serienproduktion infrage kommt? Unter dieser Fragestellung starteten die Firma Kostal und das Fraunhofer ILT mit der Amphos GmbH und der Pulsar Photonics GmbH aus Herzogenrath das Verbundprojekt ScanCut.

«Im Projekt setzten wir unsere Wendelbohroptik zusammen mit einem Multistrahlmodul der Pulsar Photonics GmbH und einer HighPower-Strahlquelle der Amphos GmbH ein», erklärt Jan Schnabel, wissenschaftlicher Mitarbeiter der Gruppe Mikro- und Nanostrukturierung am Fraunhofer ILT. «So liessen sich die Präzision und Qualität des Wendelbohrprozesses mit der Produktivität einer Multistrahlbearbeitung kombinieren.»

Bei der Amphos GmbH wurde eine High-Power-Strahlquelle basierend auf der InnoSlab Technologie, mit einer Ausgangsleistung von 300 W bei einer Pulsenergie von 3 mJ entwickelt.

Prototypenanlage funktioniert, Folgeprojekt in Sicht

Die hohe Pulsenergie ist nötig bei einer Teilung des Laserstrahls auf bis zu 20 Einzelstrahlen. Doch zunächst untersuchten die Projektpartner bei Tests mit zwei- bis sechsfacher Strahlteilung, ob der Multistrahlansatz funktioniert.

In einem Folgeprojekt wollen die Pulsar Photonics GmbH und das Fraunhofer ILT die Wendelschneid-Technologie mit Multistrahlansatz weiterentwickeln, auch die im Projekt gewonnen Erkenntnisse zur Entwicklung von HighPower-Strahlquellen werden zum Ausbau des Portfolios der Amphos GmbH eingesetzt.

Automatisierte Justage erleichtert Lasereinsatz

Besonderes Augenmerk legten die Projektpartner auf die Automatisierbarkeit. «Wir haben elektrisch verstellbare Spiegel- und Optikhalter implementiert, um automatische Strahllagen-Justage zu ermöglichen», sagt Schnabel. «Nun lässt sich dank einer entsprechend programmierten Software-Routine die Justage der Wendelbohroptik per Knopfdruck starten, ohne dass ein Mitarbeiter von uns anreisen muss.»

Das EFRE-geförderte Projekt »ScanCut – Laserschneiden im Stanzprozess« mit Laufzeit von drei Jahren wurde im Februar 2020 abgeschlossen.