Schnell und präzise: Spritzgusswerkzeuge bearbeiten mit ultrakurzen Laserpulsen

Bisherige Systeme zur homogenen LED-Beleuchtung basieren auf der Verwendung einer großen Anzahl von LEDs und Streuscheiben, mit denen die punktuell hohen Leuchtdichten verteilt werden. Alternativ dazu werden zunehmend kompaktere und individuell auf den Lichtbedarf einstellbare Lichtleiter eingesetzt, bei denen das Licht mit einer refraktiven Lichtauskopplung durch Aufrauung oder Strukturierung gelenkt und verteilt wird.

Für die refraktive Lichtauskopplung werden Mikrolinsen-Arrays verwendet. So ein Array besteht im Einzelfall aus einigen 100.000 Mikrolinsen mit Geometrien im Mikrometerbereich. Für die Herstellung solcher Strukturen im Spritzgussverfahren ist eine hohe und gleichbleibende Qualität entscheidend. Sie wird maßgeblich durch die Qualität der Spritzgusswerkzeuge definiert.

Am Fraunhofer Institut für Lasertechnik ILT in Aachen wurden solche Spritzgusswerkzeuge mit ultrakurzen Laserpulsen bearbeitet. Dabei konnte das Verfahren signifikant verbessert werden. Mit neuen industrietauglichen Ultrakurzpulslasern wurden Bearbeitungszeiten von einigen Stunden benötigt, während die Bearbeitung mit konventionellen Methoden einen Zeitaufwand von mindestens einer Woche bedeutet.

Darüber hinaus ermöglichen die Ultrakurzpulslaser eine extrem hohe Präzision in der Bearbeitung der Stahlwerkzeuge. Die Pikosekunden-Laserpulse sind etwa tausendfach kürzer als bei einem konventionellen gütegeschalteten Festkörperlaser, wie er zum Beispiel in Beschriftern eingesetzt wird. Während bei konventionellen Lasern immer noch ein Schmelzauswurf auftritt, verdampft der Ultrakurzpulslaser das Material hochpräzise und rückstandsfrei. Ein nachfolgendes Laserstrahlpolieren ermöglicht eine glatte und gleichmäßige Oberfläche auf den Werkzeugen bis hinunter in den Submikrometerbereich (Ra > 100 nm).

Für die Versuche wurden kommerzielle Systeme mit einem Fokusdurchmesser von 20 µm, einigen 10 µJ Pulsenergie und einer Repetitionsrate von >100 kHz verwendet. Damit wurden Werkzeuge für Mikrolinsen mit einem Durchmesser von 50 µm und größer hergestellt. Während kommerzielle Systeme bisher nur im Bereich unterhalb 100 Watt erhältlich sind, sind am Fraunhofer ILT bereits Prototypen mit über 1.000 Watt mittlerer Leistung entwickelt worden.

Am 13. und 14. April veranstaltet das Fraunhofer ILT einen Workshop zur Ultrakurzpulsbearbeitung in Aachen. Dabei werden neben den Grundlagen auch Systeme und mögliche Anwendungsgebiete vorgestellt und diskutiert. Informationen und Anmeldungen sind unter www.ultrakurzpulslaser.de möglich.
 
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