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Im Auge des Lasers

Schon lange gibt es den Bedarf in der Industrie, einen kontinuierlichen Einblick beim Herstellungsprozess von Metallen zu erlangen. Das Linzer Unternehmen Innsitec hat diesen Anspruch verwirklicht und ein laserbasierendes System vorgestellt, mit dem der Schmelzprozess „just in time“ begutachtet werden kann.

Die chemische Zusammensetzung flüssiger Metalle wird bei dem revolutionären Verfahren nicht wie üblich durch zeitraubende manuelle Probenentnahmen bewerkstelligt. Durch Abtastung der Schmelze mit einem Laserstrahl wird nun erstmals „in-line“ Prozessanalytik mit instantanen Ergebnissen betrieben. Tatsächlich kann mit dem Sensor des jungen Linzer Hightech-Unternehmens der gesamte Schmelz- und Gießvorgang zur Herstellung von Aluminium und anderen Metallen mitverfolgt werden. Zu jedem Zeitpunkt sind damit qualifizierte Aussagen über die chemische Zusammensetzung der Schmelze möglich. Äußerlich ist das Messgerät einfach und wenig spektakulär. Im Inneren befindet sich jedoch jede Menge Hightech, wie etwa ein gepulster Laser, das Herzstück des Gerätes, ein hochauflösendes Spektrometer, optische Elemente wie Spiegel und Linsen, zusammen mit unterschiedlichen Detektoren und Sensoren sowie jeder Menge Elektronik. Der intensive Laserpuls erzeugt einen Plasmafleck mit verdampfendem Material, dessen Lichtspektrum als „Fingerabdruck“ eingefangen wird. Das Prinzip, das sich Laser-induzierte Plasma-Spektroskopie (kurz LIPS) nennt, ist der Wissenschaft bereits seit vielen Jahren bekannt. Im englischen Sprachraum wird diese Technologie auch häufig als Laser Spark Spektroscopy (LASS) oder Laser-Induced Breakdown Spektroscopy (LIBS) bezeichnet. LIPS wird unter anderem in neuartigen Geräten zur Gesteins-, Metall- und Bodenanalyse verwendet. In den USA arbeitet das Army Research Laboratory im Zuge des Homeland-Security-Programms beispielsweise an der Entwicklung eines LIPS-Geräts zur Analyse von gefährlichen chemischen oder auch biologischen Substanzen (z.B. Detektion von Anthrax-Sporen).
Spin-off. Innsitec Laser Technologies wurde im Jahr 2002 als Spin-off der Uni Linz gegründet. Maßgeblich beteiligt am Erfolg des Teams von Innsitec (auch als „Innovation&Science in Technology“ zu lesen) ist die Abteilung für angewandte Physik der Johannes-Kepler-Universität Linz, die Ausgangspunkt für die Forschungsaktivitäten auf dem Gebiet der berührungslosen Messtechnik war. Mit Hilfe von tech2b – einer Organisation zur Förderung von Start-up-Unternehmen im Rahmen des A&B-Programms der TIG (Technologie Impulse Gesellschaft) – ging aus Innsitec und dem ARC Leichtmetallkompetenzzentrum Ranshofen (LKR) eine erfolgreiche Kooperation hervor, wobei auch mit UAR, Profactor und der FH Wels zusammengearbeitet wird. Unterstützung erhielt das Projekt durch den „Forschungsförderungsfonds der gewerblichen Wirtschaft“ (FFF). Das tech2b Gründerzentrum agierte als Wegbegleiter in Form eines Mentors, Finanziers, Ideengebers und Coaches.
Erste Erfolge. Die Entwicklung eines kommerziellen industrietauglichen LIPS-Messgerätes mit dem Schwerpunkt der Analyse von Metallschmelzen (Stahl, Aluminium, Magnesium, Kupfer etc.) führte auch schon zu Erfolgen auf der Verkaufsseite. So überzeugte sich etwa das Management von voestalpine Industrieanlagen und kaufte ein System an. Johann Gruber von Innsitec, der sein Studium der Technischen Physik an der Uni Linz sowie „Applied Physics with Microcomputing“ an der Napier University in Edinburgh für den Schritt in die Selbstständigkeit nützte, erklärt: „Während die Laboranalyse einer Stahlprobe fünf bis acht Minuten dauert, schafft unser Gerät dies in sechs bis sieben Sekunden.“ Der Einsatz der Betriebsmittel ist damit geringer und der Stahl-Output durch Einsparen von bis zu 25 Prozent der Produktionszeit höher. Die Wirtschaftlichkeit bei der Aluminiumherstellung kann ebenfalls bis zu 20 Prozent erhöht werden, bei gleichzeitiger Reduzierung von Fehlchargen und engeren Toleranzen bei den Aluminiumlegierungen. Das optische Messgerät von Innsitec, der so genannte „Innpulse“-Lasersensor, bietet vielfältige Einsatzmöglichkeiten, zumal nicht nur flüssige Materialien, sondern auch Feststoffe (z. B. Keramiken, Gläser, Kunststoffe) sowie Gase analysiert werden können. „Rund 2.750 Stahlanlagen weltweit könnten unser Gerät brauchen“, weiß Max Dallinger, der sein Wirtschaftsstudium ebenfalls an der Kepler-Uni Linz absolviert hat und über mehrjährige Projekterfahrung im In- und Ausland verfügt. Er kümmert sich um die kaufmännischen Belange von Innsitec und hat somit ein riesiges Marktpotenzial vor Augen. Das LIPS-Prinzip ist für eine Vielzahl an Online- und In-situ-Überwachungsaufgaben interessant, da keine Probenvorbereitung anfällt. Mit der Methode wird eine Fernerkundung direkt (einige Meter) oder via Lichtwellenleiter möglich und aufgrund der geringen Kosten pro Messung und der hohen Automatisierbarkeit hat das Verfahren überall dort große Chancen, wo konventionelle Verfahren im Labor wegen des Kosten- und Zeitdrucks nicht anwendbar sind, wie vornehmlich in der Prozessanalytik. Bei Aluminiumschmelzen ist beispielsweise eine Verkürzung der Batch-Zeiten um bis zu eine Stunde möglich sowie eine direkte Steuerung des Prozesses.

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