UKP-Workshop 2015: Produktivität ist der Schlüssel

Am 22. und 23. April trafen sich über 160 Experten aus Wissenschaft und Industrie in Alsdorf bei Aachen zum 3. UKP-Workshop. Organisiert vom Fraunhofer-Institut für Lasertechnik ILT in Aachen befasst sich dieser Workshop mit dem Einsatz von Ultrakurzpulslasern (UKP) in der industriellen Anwendung. Über die Jahre hat sich dabei der Fokus von der Entwicklung zuverlässiger Strahlquellen hin zur Prozesstechnik und zu neuen Applikationen verschoben.

Stark und stabil: UKP-Laser sind erwachsen geworden

Ultrakurzpulslaser für industrielle Anwendungen sind derzeit mit kleinen Leistungen von 1 bis 10 Watt, aber auch mit über 100 W verfügbar. Nach Angaben der Hersteller sind die Verkaufszahlen für diese industriellen Systeme vor allem in Asien signifikant gewachsen.

Die meisten Nutzer zeigten sich mit dem Leistungsvermögen der verfügbaren Strahlquellen durchaus zufrieden. Die wesentliche Herausforderung wird derzeit darin gesehen, »die PS auf die Straße zu bringen«, in diesem Fall also die verfügbaren Laserpulse mit geeigneter Prozesstechnik effizient zu nutzen.

Die Quellenentwicklung geht dabei ungebremst voran: Miniaturisierung der Laser auf der einen Seite und eine Erweiterung des verfügbaren Leistungsspektrums hin zu Kilowatt-Systemen auf der anderen Seite werden in den nächsten Jahren sowohl kleinere als auch stärkere Systeme möglich machen. Ein weitgehend wartungsfreier 24/7 – Betrieb über mehrere Jahre wird dabei als selbstverständlich vorausgesetzt.

Schnelle Scanner und jetzt auch Lichtleitkabel für UKP

Die weitere Entwicklung der Prozesstechnik wird im Moment als der wichtigste Weg zur Produktivitätssteigerung gesehen. Neue Multistrahltechniken, bei denen aus einem einzelnen Laserstrahl möglichst viele Strahlen gemacht werden, die zeitgleich das Werkstück bearbeiten, erscheinen dabei als vielversprechender Ansatz.

Möglich wird das mit diffraktiven optischen Elementen. Viel diskutiert wurden auch dynamische Lösungen mit SLMs (Spatial Light Modulator) auf der Basis von Flüssigkristallen. Die sind jedoch derzeit auf einen Takt von 100 Hz beschränkt und verweisen damit auf ein Kernproblem: Während die Laserquellen Repetitionsraten bis weit in den MHz-Bereich bieten, sind die Möglichkeiten, die einzelnen Pulse zu modulieren, noch sehr begrenzt.

Bei hohen Pulsrepetitionsraten ist eine schnelle Bewegung des Spots entscheidend, um eine hohe Produktivität zu erreichen und thermische Effekte zu vermeiden. Dafür sind Scannersysteme mit bis zu 1000 m/s in Entwicklung, industrielle Prototypen mit 300 m/s sogar schon im Einsatz.

Zur Überraschung vieler Workshop-Teilnehmer sind jetzt auch UKP-Lichtleitkabel bereit für den industriellen Einsatz. Lange galt das aufgrund der hohen Strahlintensitäten als undenkbar, aber neue Entwicklungen ausgehend von photonischen Kristallfasern (PCF) ermöglichen jetzt die flexible Übertragung von kurzen Laserpulsen über mehrere Meter.

Prozessverständnis: Eine Faustregel für optimale Ablation

Für eine hohe Produktivität ist natürlich die richtige Dimensionierung der Prozesse unverzichtbar. In mehreren Vorträgen wurde dafür eine einfache Faustregel präsentiert: Abhängig von Strahlprofil und Material gibt es bei der Ablation mit UKP-Lasern eine optimale Fluenz (Energie pro Fläche). Bei kleinerer Fluenz (weniger Energie, gleiche Spotgröße) wird weniger abgetragen, bei mehr Energie pro Puls steigt der Einfluss thermischer Effekte und die Abtragseffizienz wird geringer.

In einigen präsentierten Beispielen lag der optimale Fluenz-Wert für die Ablation von Kupfer und Stahl etwa beim Drei- bis Sechsfachen der Fluenz an der Ablationsschwelle. Mit dem optimalen Fluenzwert lassen sich dann Parameter wie Pulsenergie, Repetitionsrate, Spotgröße und Overlap einfach berechnen.

Diese Erfahrung ist bemerkenswert, da damit einerseits thermische Effekte bei der »kalten« Ablation berücksichtigt werden und andererseits Grenzen bei der Skalierung von UKP-Prozessen sichtbar werden.

Stichwort Arbeitsschutz

Eher am Rande wurde von einem Laserhersteller darauf hingewiesen, dass starke UKP-Laser bei der Metallbearbeitung auch Röntgenstrahlung erzeugen können. Letztlich ist das keine neue Erkenntnis, denn Großprojekte wie die Extreme Light Infrastructure ELI nutzen genau diesen Effekt zur Erzeugung von ultrakurzen Röntgenpulsen. Andererseits zeugte die nachfolgende Diskussion davon, dass diese Problematik ebenso wie die Erzeugung von Nanoteilchen bei der Ablation mit UKP-Lasern den meisten Nutzern nicht bewusst ist.

Anwendungen vor allem im Halbleiter- und Displaybereich

Bei der Nutzung der UKP-Laser haben sich inzwischen verschiedene Standard-Applikationen etabliert. So setzte ein Hersteller »hunderte von Systemen« für spezielle Markierungsaufgaben an einem sehr bekannten Tablet Computer ein. Kleine 6 W-Systeme markieren die Schrift und große 100 W-Laser das Logo in anodisiertem Aluminium.

Sehr wichtig sind derzeit Anwendungen speziell von ps-Systemen in der Displayfertigung: Glasschneiden, Saphirablation, das Schneiden dünner Filme und die Strukturierung von Sensoren wurden hier erwähnt. In der Halbleiterindustrie dominieren das Ritzen, Bohren und Vereinzeln von Chips. Für die Unterhaltungselektronik werden die Laser zum Beispiel beim Trimmen und Bohren eingesetzt. In den Bereichen Automobil- und Luftfahrtindustrie sind spezielle Aufgaben der Mikrostrukturierung, Präzisionsbohrungen und Sicherheitsmarkierungen interessant.

Bei all diesen Anwendungen kann man zwei Anwendungsschwerpunkte unterscheiden: Einerseits lassen sich viele Aufgaben mit Systemen im Bereich bis 10 W lösen. Dazu gehören viele (Sicherheits-)Markierungen, das Ritzen und die Bearbeitung dünner Filme. Andererseits besteht ein Bedarf an Systemen mit hoher Leistung ab etwa 100 W. Hier dominieren derzeit Ablationsaufgaben und Multistrahlanwendungen. Die Strukturierung von Oberflächen mit periodischen Mustern ist eine typische Anwendung aus diesem Bereich.

Ausblick

Die weitere Entwicklung von Lasersystemen mit ultrakurzen Pulsen gestaltet sich ausgesprochen dynamisch. Probleme, die noch vor wenigen Jahren als unüberwindbar galten (wie flexible Fasern für UKP-Laser oder schnelle Scanner) sind heute gelöst oder es sind neue Entwicklungen absehbar. Bei anderen Fragen, wie zum Beispiel der Prozesskontrolle, stehen die UKP-Systeme inzwischen vor ähnlichen Fragen wie andere Lasersysteme auch.

Die Integration der Systeme in neue Maschinen und Verfahren bringt derzeit deutliche Fortschritte hin zu einer Digitalen Photonischen Produktion. Insgesamt wird mit einem überproportionalen Wachstum sowohl bei Strahlquellen als auch bei der Prozesstechnik gerechnet.

Neue Entwicklungen bei der Anwendung von UKP-Lasern werden sowohl auf dem 4. Ultrakurzpuls-Workshop am 26. und 27. April 2017 diskutiert, als auch in einer speziellen Session des International Laser Technology Congress AKL’16 vom 27. – 29. April 2016 in Aachen.

www.ultrakurzpulslaser.de

Ansprechpartner

Dr. Arnold Gillner
Leiter des Technologiefeldes Lasermaterialbearbeitung
Telefon +49 241 8906-148
arnold.gillner@ilt.fraunhofer.de

Fraunhofer-Institut für Lasertechnik ILT
Steinbachstraße 15
52074 Aachen

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