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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.

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


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

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.

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

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