Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Mikrobearbeitung mit HighPower-UKP-Lasern: deutlich wirtschaftlicher dank Multistrahl-Technologie

29.01.2013
Das Fraunhofer-Institut für Lasertechnik ILT hat für die Herstellung periodischer Mikrostrukturen ein neues Optiksystem entwickelt, das die Prozessgeschwindigkeit bei der Bearbeitung mit Ultrakurzpulslasern (UKP) im Vergleich zu herkömmlichen Systemen um ein Vielfaches steigert.

Durch die Aufteilung des Laserstrahls in eine Vielzahl von Teilstrahlen kann die Leistung von Hochleistungs-UKP-Lasern für die Mikrobearbeitung in vollem Umfang ausgeschöpft und damit die Prozesskosten erheblich gesenkt werden.


UKP-Parallelbearbeitung mit Multistrahltechnologie. Bildquelle: Fraunhofer ILT, Aachen/Volker Lannert


Strukturierung von Kolbenringen mit Multistrahltechnologie zur Oberflächenfunktionalisierung. Bildquelle: Fraunhofer ILT, Aachen

Auf dem 2. UKP-Workshop vom 17. – 18. April 2013 in Aachen stellt ein Experte unser Verfahren vor.

Ob zur Herstellung von Masken und Mikrosieben oder zur Erzeugung funktionaler Oberflächen für tribologisch hochbelastete Bauteile oder Prägewerkzeuge: Immer mehr Anwendungen benötigen eine mikrostrukturierte Oberfläche und dies auf einer immer größeren Fläche. Die Erzeugung von Strukturen auf Werkstücken im Mikrometerbereich erfordert eine besonders präzise Bearbeitung, wie sie optimal mit ultrakurz gepulster Laserstrahlung erfolgen kann.
Derzeit werden zu diesem Zweck neben mechanischen Verfahren meist Nanosekundenlaser eingesetzt, da diese aufgrund ihrer höheren Wirtschaftlichkeit besser etabliert sind als UKP-Laser. Allerdings bergen sie den Nachteil, dass bei der Nanosekunden-Bearbeitung durch Schmelzeffekte Aufwürfe entstehen und daher oft eine aufwändige Nachbearbeitung des Werkstücks erfolgen muss. Zudem begrenzen die Schmelzeffekte die Auflösung der Mikrostrukturierung.

Im Gegensatz dazu lassen sich funktionale Oberflächenstrukturen mit dem Ultrakurzpulslaser völlig nachbearbeitungsfrei erzeugen. Aufgrund der starken Lokalisierung der eingebrachten Laserenergie auf dem Werkstück und der sehr hohen Intensitäten entstehen bei der Bearbeitung keine Materialaufwürfe. Zudem erzielt die Bearbeitung mit einem UKP-Laser eine äußerst hohe Genauigkeit im Bereich weniger Mikrometer sowie eine sehr hohe Tiefenauflösung im Bereich von hundert Nanometern. Jedoch sind die Abtragraten hier vergleichsweise gering und damit die Prozesszeiten im Vergleich zur Bearbeitung mit Pulsen im Nanosekundenbereich sehr hoch. Das macht die Mikrostrukturierung mit UKP-Lasern aus wirtschaftlicher Sicht zunächst nur für hochwertige Produkte oder Werkzeuge für die Massenreplikation interessant.

Zudem kann in vielen Anwendungsfällen zur Mikrostrukturierung mit den heute gängigen industrietauglichen UKP-Lasersystemen im Leistungsbereich von 50 - 100 Watt meist nur ein Bruchteil der zur Verfügung stehenden Laserleistung eingesetzt werden, da in jeden Bearbeitungspunkt nur eine beschränkte maximale Leistung eingebracht werden kann. Eine zu hohe Leistungseinkopplung in den Bearbeitungspunkt führt insbesondere bei kleinen Fokusdurchmessern im Mikrometerbereich zur Plasmaentstehung sowie zu thermischen Effekten mit Schmelzaufwürfen und somit zu schlechten Bearbeitungsergebnissen.

Forscher des Fraunhofer ILT haben sich nun der Frage angenommen, wie eine hohe Laserleistung für die UKP-Mikrostrukturierung optimal genutzt werden kann bei gleichzeitiger Garantie eines einwandfreien Bearbeitungsergebnisses.

Wie kann die Laserleistung »auf die Straße« gebracht werden?
Eine Möglichkeit zur Ausschöpfung der verfügbaren Laserleistung für die UKP-Mikrostrukturierung besteht in einer schnellen Strahlablenkung. Dabei wird zur Sicherstellung einer hohen Abtragsqualität die Pulsenergie niedrig gehalten, durch eine hohe Pulsfrequenz gepaart mit einer hohen Scangeschwindigkeit jedoch eine hohe Flächenrate erreicht. Mit einem am Fraunhofer ILT entwickelten Polygonscanner-System lassen sich damit Scangeschwindigkeiten bis zu 350 m/s erreichen. Dies erlaubt die schnelle Verteilung hochfrequenter Laserpulse auf großen Flächen. Eine andere Möglichkeit, die derzeit am Fraunhofer ILT verfolgt wird, ist die Parallelisierung des Laserstrahlabtrags.

Durch die Aufteilung des Laserstrahls in mehrere Strahlen kann erheblich mehr Laserleistung genutzt werden. Möglich macht diese Strahlaufteilung ein diffraktives optisches Element (DOE). Es besteht aus einer Anordnung von Mikrostrukturen, die durch den Effekt der Beugung je nach Design nahezu beliebige Intensitätsverteilungen hinter dem Element erzeugen können. Das Forscher-Team am Fraunhofer ILT hat das DOE zwischen der Strahlquelle und einem Galvanometerscanner so eingebaut, dass die geteilten Laserstrahlen in den Galvanometerscanner abgebildet werden. Durch die Fokussierung der Strahlen mithilfe eines F-theta-Objektivs entsteht schließlich eine periodische Anordnung von Bearbeitungspunkten. Diese können nun über das Werkstück bewegt werden und so beliebig komplexe Muster abtragen.

Die Teilung eines Laserstrahls in 16 Teilstrahlen wurde am Fraunhofer ILT bereits erfolgreich gezeigt. Durch diese Strahlparallelisierung kann das Werkstück an 16 periodisch angeordneten Stellen gleichzeitig bearbeitet werden. Die Bearbeitungsgeschwindigkeit versechzehntfacht sich somit. In einem Laborversuch konnten Experten bereits erfolgreich die Bearbeitung mit 144 Teilstrahlen erproben, eine weitere Skalierung ist möglich.
UKP-Mikrostrukturierung auf großen Flächen wird wirtschaftlich
Künftig können mit dieser Technologie die Leistungsreserven aktueller Hochleistungs-Ultrakurzpulslaser-Systeme für die Laserbearbeitung vollständig auf dem Werkstück genutzt werden. Im gleichen Maß sinken die Prozesszeiten, somit verringern sich die gesamten Prozesskosten signifikant. Für den Anwender wird der UKP-Laser für die Herstellung periodischer Mikrostrukturen aus wirtschaftlicher Sicht nun deutlich interessanter. Die Strukturierung auch großer Flächen ist mit diesem Ansatz wirtschaftlich realisierbar. Basierend auf dieser Technologie wurde am Fraunhofer ILT eine Prototypenanlage zur Erzeugung von Mikrostrukturen mit UKP-Lasern entwickelt, die in künftigen Projekten industrietauglich gemacht werden soll. Fernziel ist es, bald auch Multi-Hundert-Watt-Laser für die Mikrostrukturierung einzusetzen.

2. UKP-Workshop vom 17.-18. April 2013 in Aachen

Eines der Themen des 2. Ultrakurzpulslaser-Workshops ist der Einsatz des UKP-Lasers zur Erzeugung ressourcensparender Mikrostrukturen für hochbelastete Bauteile. Im Rahmen des Projekts »SmartSurf« untersucht das Fraunhofer ILT zusammen mit namhaften Partnern aus der Industrie die Reibungs- und Verschleißminimierung von aufeinandertreffenden Oberflächen durch das Einbringen von wenigen Mikrometer tiefen Näpfchen. Ein Beispiel sind hier Kolbenringe in Zylinderlaufbuchsen. Das Projekt ist eingebettet in die »Effizienzfabrik« des Bundesministeriums für Bildung und Forschung (BMBF) zur Förderung ressourceneffizienter Produktionstechnologien. Nach dem Vortrag steht Ihnen unser Experte Stephan Eifel für eine Diskussion zur Verfügung. Anmeldungen zum 2. UKP-Workshop sind ab sofort unter www.ultrakurzpulslaser.de möglich.

Ansprechpartner

Dipl.-Phys. Stephan Eifel
Gruppe Mikro- und Nanostrukturierung
Telefon +49 241 8906-311
stephan.eifel@ilt.fraunhofer.de
Dr. Jens Holtkamp
Leiter der Gruppe Mikro- und Nanostrukturierung
Telefon +49 241 8906-273
jens.holtkamp@ilt.fraunhofer.de

Fraunhofer-Institut für Lasertechnik ILT
Steinbachstraße 15
52074 Aachen
Telefon: +49 241 8906-0
Fax: +49 241 8906-121

Axel Bauer | Fraunhofer-Institut
Weitere Informationen:
http://www.ilt.fraunhofer.de
http://www.ultrakurzpulslaser.de

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Verfahrenstechnologie:

nachricht Ausweg aus dem Chrom-Verbot
30.05.2017 | Fraunhofer-Institut für Lasertechnik ILT

nachricht Schnell, präzise, aber nicht kalt
17.05.2017 | Fraunhofer-Institut für Lasertechnik ILT

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Verfahrenstechnologie >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Can we see monkeys from space? Emerging technologies to map biodiversity

An international team of scientists has proposed a new multi-disciplinary approach in which an array of new technologies will allow us to map biodiversity and the risks that wildlife is facing at the scale of whole landscapes. The findings are published in Nature Ecology and Evolution. This international research is led by the Kunming Institute of Zoology from China, University of East Anglia, University of Leicester and the Leibniz Institute for Zoo and Wildlife Research.

Using a combination of satellite and ground data, the team proposes that it is now possible to map biodiversity with an accuracy that has not been previously...

Im Focus: Klima-Satellit: Mit robuster Lasertechnik Methan auf der Spur

Hitzewellen in der Arktis, längere Vegetationsperioden in Europa, schwere Überschwemmungen in Westafrika – mit Hilfe des deutsch-französischen Satelliten MERLIN wollen Wissenschaftler ab 2021 die Emissionen des Treibhausgases Methan auf der Erde erforschen. Möglich macht das ein neues robustes Lasersystem des Fraunhofer-Instituts für Lasertechnologie ILT in Aachen, das eine bisher unerreichte Messgenauigkeit erzielt.

Methan entsteht unter anderem bei Fäulnisprozessen. Es ist 25-mal wirksamer als das klimaschädliche Kohlendioxid, kommt in der Erdatmosphäre aber lange nicht...

Im Focus: Climate satellite: Tracking methane with robust laser technology

Heatwaves in the Arctic, longer periods of vegetation in Europe, severe floods in West Africa – starting in 2021, scientists want to explore the emissions of the greenhouse gas methane with the German-French satellite MERLIN. This is made possible by a new robust laser system of the Fraunhofer Institute for Laser Technology ILT in Aachen, which achieves unprecedented measurement accuracy.

Methane is primarily the result of the decomposition of organic matter. The gas has a 25 times greater warming potential than carbon dioxide, but is not as...

Im Focus: How protons move through a fuel cell

Hydrogen is regarded as the energy source of the future: It is produced with solar power and can be used to generate heat and electricity in fuel cells. Empa researchers have now succeeded in decoding the movement of hydrogen ions in crystals – a key step towards more efficient energy conversion in the hydrogen industry of tomorrow.

As charge carriers, electrons and ions play the leading role in electrochemical energy storage devices and converters such as batteries and fuel cells. Proton...

Im Focus: Die Schweiz in Pole-Position in der neuen ESA-Mission

Die Europäische Weltraumagentur ESA gab heute grünes Licht für die industrielle Produktion von PLATO, der grössten europäischen wissenschaftlichen Mission zu Exoplaneten. Partner dieser Mission sind die Universitäten Bern und Genf.

Die Europäische Weltraumagentur ESA lanciert heute PLATO (PLAnetary Transits and Oscillation of stars), die grösste europäische wissenschaftliche Mission zur...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics
Veranstaltungen

Von Batterieforschung bis Optoelektronik

23.06.2017 | Veranstaltungen

10. HDT-Tagung: Elektrische Antriebstechnologie für Hybrid- und Elektrofahrzeuge

22.06.2017 | Veranstaltungen

„Fit für die Industrie 4.0“ – Tagung von Hochschule Darmstadt und Schader-Stiftung am 27. Juni

22.06.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Radioaktive Elemente in Cassiopeia A liefern Hinweise auf Neutrinos als Ursache der Supernova-Explosion

23.06.2017 | Physik Astronomie

Dünenökosysteme modellieren

23.06.2017 | Ökologie Umwelt- Naturschutz

Makro-Mikrowelle macht Leichtbau für Luft- und Raumfahrt effizienter

23.06.2017 | Materialwissenschaften