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 Bio-Kerosin aus Bagasse: Neues Verfahren zur Produktion von Bio-Kerosin
14.07.2015 | Pflanzenforschung.de

nachricht Spiegelnde Oberflächen mit Laserlicht vermessen
06.07.2015 | VDI Technologiezentrum GmbH

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Verfahrenstechnologie >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

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

Im Focus: Gefangen in Ruhelosigkeit

Mit ultrakalten Atomen lässt sich ein neuer Materiezustand beobachten, in dem das System nicht ins thermische Gleichgewicht kommt.

Was passiert, wenn man kaltes und heißes Wasser mischt? Nach einer Weile ist das Wasser lauwarm – das System hat ein neues thermisches Gleichgewicht erreicht....

Im Focus: Quantum Matter Stuck in Unrest

Using ultracold atoms trapped in light crystals, scientists from the MPQ, LMU, and the Weizmann Institute observe a novel state of matter that never thermalizes.

What happens if one mixes cold and hot water? After some initial dynamics, one is left with lukewarm water—the system has thermalized to a new thermal...

Im Focus: Superschneller Wellenritt im Kristall: Elektronik auf Zeitskala einzelner Lichtschwingungen möglich

Physikern der Universitäten Regensburg und Marburg ist es gelungen, die von einem starken Lichtfeld getriebene Bewegung von Elektronen in einem Halbleiter in extremer Zeitlupe zu beobachten. Dabei konnten sie ein grundlegend neues Quantenphänomen entschlüsseln. Die Ergebnisse der Wissenschaftler sind jetzt in der renommierten Fachzeitschrift „Nature“ veröffentlicht worden (DOI: 10.1038/nature14652).

Die rasante Entwicklung in der Elektronik mit Taktraten bis in den Gigahertz-Bereich hat unser Alltagsleben revolutioniert. Sie stellt jedoch auch Forscher...

Im Focus: On the crest of the wave: Electronics on a time scale shorter than a cycle of light

Physicists from Regensburg and Marburg, Germany have succeeded in taking a slow-motion movie of speeding electrons in a solid driven by a strong light wave. In the process, they have unraveled a novel quantum phenomenon, which will be reported in the forthcoming edition of Nature.

The advent of ever faster electronics featuring clock rates up to the multiple-gigahertz range has revolutionized our day-to-day life. Researchers and...

Im Focus: Erster Nachweis von Lithium in einem explodierenden Stern

Erstmals konnte das chemische Element Lithium in der ausgestoßenen Materie einer Nova nachgewiesen werden. Beobachtungen von Nova Centauri 2013 mit Teleskopen des La Silla-Observatoriums der ESO und in der Nähe von Santiago de Chile helfen bei der Aufklärung des Rätsels, warum so viele junge Sterne mehr von diesem Element enthalten als erwartet. Diese Entdeckung liefert ein seit langem fehlendes Teil im Puzzle der chemischen Entwicklungsgeschichte unserer Galaxie und ist ein großer Fortschritt für das Verständnis des Mischungsverhältnisses der chemischen Elemente in den Sternen unserer Milchstraße.

Das leichte chemische Element Lithium ist eines der wenigen Elemente, das nach unserer Modellvorstellung auch beim Urknall vor 13,8 Milliarden Jahren...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

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

Türme und Maste aus Stahl – Neues aus Forschung und Anwendung

31.07.2015 | Veranstaltungen

Tagung „Brandschutz im Tank- und Gefahrgutlager“ am 16. November 2015 im Essener Haus der Technik stellt praktische Lösungen vor

30.07.2015 | Veranstaltungen

12. BMBF-Forum für Nachhaltigkeit: Green Economy, Energiewende und die Zukunft der Städte

30.07.2015 | Veranstaltungen

 
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Wiederaufladbare Batterien machen sich breit

31.07.2015 | Seminare Workshops

Alles zur Kryotechnik: HDT bietet Seminar zum „Kryostatbau“ an

31.07.2015 | Seminare Workshops

Erster Zug von Siemens für Thameslink‑Strecke in UK angekommen

31.07.2015 | Verkehr Logistik