Der Schwerpunkt der anwendungsorientierten Forschung und Entwicklung am Laserinstitut Hochschule Mittweida (LHM) liegt in den Bereichen Lasernano- und -mikrobearbeitung, Hochrate-Laserbearbeitung, Laserpulsabscheidung (PLD), Additive Fertigung und Lasermakrobearbeitung. Weitere Forschungsfelder sind die Lasermesstechnik, die Modellierung und Simulation von Laserprozessen sowie die Laseranlagen- und -prozessentwicklung. An der Forschung sind 6 Professoren und 1 Stiftungsprofessor sowie derzeit 40 Mitarbeiter und zahlreiche Studierende beteiligt.
Besondere Highlights sind die Entwicklung von Verfahren, Anlagen und Komponenten zum Rapid Microtooling, z.B. zur Additiven Fertigung im Mikrobereich mittels 3D-Druck aus Metall und Keramik oder zum Mikrostrukturieren mittels UKP-Lasern sowie zur Abscheidung von superharten Schichten mittels PLD und zur Hochrate-Laserbearbeitung. Die Hochrate-Laserbearbeitung ermöglicht die superschnelle Werkstoffbearbeitung. So kann Blech mittels Laser in Sekundenbruchteilen getrennt werden, wobei die Fertigung im Vergleich zum normalen Stanzen in Bezug auf die wählbare Formenvielfalt deutlich flexibler ist. Durch Nutzung eines am Institut entwickelten neuartigen Polygonspiegelscanners können Oberflächen einerseits extrem schnell mit hohen Laserleistungen beaufschlagt, z.B. zum Laserreinigen, und anderseits auch sehr genau strukturiert werden, z.B. mit ultrakurzen Pulsen. Produkte sind so schneller herstellbar und die Kosten sinken. Bei der Forschung im Bereich Lasernano- und -mikrobearbeitung werden z.B. neue mikroelektronische Bauteile in kleinsten Dimensionen geschaffen. Ebenso wird an neuen Technologien zur Herstellung von Werkzeugen mit mikrostrukturierten, superharten Oberflächen gearbeitet, wodurch diese besonders verschleißfest und langlebig sind.
Mit der umfangreichen Ausstattung an Laseranlagen am LHM können Untersuchungen und Entwicklungen zu nahezu alle gängigen Laserverfahren durchgeführt werden. Als Besonderheit existieren 10 verschiedene UKP-Laserquellen mit hoher Pulsleistung oder mit extrem hoher mittlerer Leistung. Ein Monomode-Faserlaser mit einer cw-Leistung von 10 kW ist ein weiteres Highlight im Laserpark des Institutes. 2016 konnte mit der Unterstützung durch das Bund-Länder-Programm zur Förderung von Wissenschaft und Forschung an deutschen Hochschulen ein neues Institutsgebäude mit einer Forschungsfläche von mehr als 2.500 m² bezogen werden. Auch durch diese Förderung der Mittweidaer Laserforschung gehört das LHM auf seinem Spezialgebiet mittlerweile zu den leistungsfähigsten Hochschuleinrichtungen in Deutschland.
Superharte ta-C Schichten durch Laserpulsabscheidung
In vielen Zweigen der Industrie werden hochverschleißfeste Beschichtungen benötigt, um beispielsweise Werkzeuge und Bauteile zu schützen und/oder zu funktionalisieren. Während sich die Vertreter der klassischen Hartstoffschichten (z.B. Titannitrid) bereits in großem Umfang im industriellen Einsatz befinden, sind die neuartigen ta-C Schichten aufgrund ihrer herausragenden Eigenschaften momentan auf dem besten Wege dahin.
Die am Laserinstitut Mittweida erzeugten ta-C Schichten sind spezielle Vertreter der diamantähnlichen Kohlenstoffschichten (engl. diamond like carbon – DLC), welche bzgl. ihrer Härte bis dato unübertroffen sind. Die Schichten werden hier mittels Laserpulsabscheidung erzeugt und sind aufgrund eines patentierten Verfahrens nahezu spannungsfrei. Bei optimalen Abscheidungsparametern sind Härten von bis zu 70 GPa (vgl. Diamant: H=100 GPa) bei Elastizitätsmodulen von 700 bis 800 GPa realisierbar, wodurch die Beschichtungen äußerst widerstandsfähig gegen Verschleiß sind. Aufgrund der geringen mittleren Oberflächenrauigkeiten (Ra) von wenigen Nanometern und des niedrigen Reibkoeffizienten (≤ 0,1) sind diese Schichten auch für tribologische Anwendungen prädestiniert. Mittels haftvermittelnder Subschichten besteht die Möglichkeit, auf unterschiedlichsten Substratmaterialien hohe Haftfestigkeiten zu erzielen. Aufgrund der niedrigen Temperaturen während der Schichterzeugung (< 90 °C) können neben unterschiedlichen Metallen und Legierungen auch temperaturempfindliche Materialien (Kunststoffe, Gläser, …) beschichtet werden. Neben dem Einsatz zum Verschleißschutz bieten die ta-C Schichten aufgrund ihrer chemischen Resistenz, Biokompatibilität und Dotierbarkeit eine breite Palette an weiteren Anwendungsmöglichkeiten, bspw. in der Medizintechnik, Lebensmittelindustrie oder Sensorik. Mittels Laserpulsabscheidung können homogene Schichtdicken von wenigen Nanometern bis zu einigen 10 µm erzeugt werden, wobei die resultierende Schichthärte zwischen 10 und 70 GPa über verschiedene Verfahrensparameter quasi frei wählbar ist. Folglich können verschiedenste material- und anwendungsspezifische Schichtdesigns (Multilayer) umgesetzt werden.