Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

12 000 Bohrungen pro Sekunde mit 1 µm Durchmesser

13.03.2019

Eine neue Generation der Ultrakurzpuls-Prozesstechnik ist auf dem Markt. Mehr mittlere Laserleistung und mehr Pulsenergie versprechen mehr Durchsatz und höhere Effizienz. Damit lassen sich zum Beispiel Mikrofilter mit Lochgrößen bis unter einem Mikrometer viel schneller bohren. Bei der Skalierung der Prozesse gibt es einige nicht triviale Wechselwirkungsmechanismen zu beachten, die unter anderem Gegenstand des »5. UKP-Workshop: Ultrafast Laser Technology« in Aachen sein werden.

Ultrakurzpuls (UKP-)Laser mit Pulsdauern im Pikosekunden- und Femtosekundenbereich haben in den letzten Jahren einen enormen Aufschwung erlebt. Mehrere prozesstechnische Innovationen ermöglichen den industriellen Einsatz von UKP-Laserprozessen, wie zum Beispiel im Bereich der Consumer-Elektronik.


Simulation der Thermik bei der UKP-Multistrahlbearbeitung.

© Fraunhofer ILT, Aachen


Große Leistungen und geringe Abstände der Bohrungen erfordern auch bei UKP-Multistrahl-Prozessen ein gezieltes thermisches Prozessmanagement. Realisierbar mit einer optimierten Prozessführung.

© Fraunhofer ILT, Aachen/Volker Lannert

Inzwischen sind Multi 100 W UKP-Laser verfügbar, die eine signifikante Skalierung der entsprechenden Prozesse ermöglichen.

Die aktuelle Herausforderung ist es, neue Strahlführungs- und Prozesskonzepte zu entwickeln, um die großen mittleren Leistungen auf der Werkstückoberfläche zu verteilen. Die wesentliche Limitierung steckt jetzt in der Prozesstechnik:

Lasersysteme mit hohen Repetitionsraten verlangen Scanner mit Geschwindigkeiten bis 1000 m/s, Lasersysteme mit hoher Pulsenergie erfordern neue Konzepte der Strahlteilung und -formung zur Verteilung der Energie.

»Es geht darum, wie wir die PS auf die Straße bringen«, fasste Dr. Arnold Gillner, der Organisator des »5. UKP-Workshop: Ultrafast Laser Technology« in Aachen, die Problematik schon im vergangenen Jahr zusammen.

Multistrahlkonzept: Mit Scanner und diffraktiver Optik zu mehr Durchsatz

Eine Möglichkeit, um die Pulsenergie besser zu nutzen, ist das Multistrahlkonzept bei dem ein Laserstrahl in viele Teilstrahlen geteilt wird. Am Fraunhofer-Institut für Lasertechnik ILT arbeitet schon seit 2012 ein Team daran. Inzwischen können die Experten mit diffraktiven optischen Elementen (DOE) mehr als 200 Teilstrahlen gezielt in der Mikro- und Nanostrukturierung einsetzen. Sie erreichen dabei eine Präzision im sub-Mikrometerbereich.

Das DOE ist eine strukturierte Glasoberfläche, an der Lichtwellen gebeugt werden. Die Oberflächenstruktur wird durch ein nasschemisches Ätzverfahren äußerst präzise in das Glas eingebracht. Dadurch ist die statische Strahlverteilung beim DOE wesentlich genauer und widerstandsfähiger als das dynamische Strahlformungskonzept auf Basis von Flüssigkristallmodulatoren.

Für eine effiziente Materialbearbeitung wird der Laserstrahl in einem DOE zu einer Strahlmatrix mit vielen parallelen Teilstrahlen umgeformt. Die parallelen Teilstrahlen werden anschließend mittels Scannersystem und einer F-theta-Optik auf das Werkstück fokussiert und können in beliebigen Bahnen simultan über das Werkstück bewegt werden.

12 000 Präzisionsbohrungen pro Sekunde

Das Multistrahlverfahren bewährt sich beim Bohren von Löchern in 10 bis 50 µm dicken Metallfolien. Konventionelle Verfahren wie das Ätzen erfordern hier Vor- und Nacharbeiten, die beim Laserbohren entfallen. Das Multistrahlverfahren funktioniert für periodische Strukturen und setzt ebene Oberflächen voraus.

Das Team des Fraunhofer ILT hat beim Mikrobohren eine außerordentlich hohe Präzision erreicht: Mit ihrem neuen Multistrahlsystem können die Aachener Bohrungen mit Durchmessern unter einem Mikrometer erzeugen. Der Abstand der Bohrungen lässt sich auf wenige Mikrometer reduzieren. Um den Durchsatz zu erhöhen, arbeiten sie mit einem DOE, das mehr als 200 Teilstrahlen erzeugt. Damit konnten sie bereits über 12 000 Bohrungen pro Sekunde mit einem Ausgangsdurchmesser von kleiner als 1 µm herstellen.

Aktuelles Ziel der Aachener Forscher ist es, die Bohrrate weiter zu steigern, ohne dabei Qualitätseinbußen zu verzeichnen. In naher Zukunft sind Bohrraten von 20 000 Bohrungen pro Sekunden absehbar.

Wo ist der Haken?

Neben der Frage der richtigen Prozesstechnik zeigte sich in den letzten Jahren ein weiteres Problem: Die »kalte« Ablation der UKP-Laser, bei der im Einzelstrahlprozess kaum Wärme in das Material eingetragen wird, funktioniert mit massiv parallelisierten Prozessen nicht mehr so einfach.

Bei hohen Repetitionsraten, hohen Pulsenergien und kleinen Lochabständen ist ein maßgeschneidertes thermisches Management notwendig, um die Bearbeitungsstrategie zu optimieren, da sich sonst prozessbedingte thermische Schädigungszonen bilden. Die Aachener Forscher nehmen sich dieser Thematik bereits seit 2012 mit Erfolg an und haben das thermische Management bei der Multistrahlbearbeitung als einen zentralen Forschungsschwerpunkt definiert.

Verschiedene Teams weltweit haben mit Experimenten und Simulationen das Problem untersucht und Lösungsansätze entwickelt. Die Aachener haben sowohl die Prozesse bei der Einzellochbohrung optimiert als auch für die Multistrahlbearbeitung. Dabei darf die deponierte Laserleistung ein vom Material und von der Zielgeometrie abhängiges Maximum nicht überschreiten.

Im Ergebnis steht eine patentierte Technologie zur Verfügung, mit der bereits über 12 000 Löcher pro Sekunde mit Durchmessern von einigen wenigen Mikrometern bis in den Sub-Mikrometerbereich gebohrt werden können. So lassen sich metallische Oberflächenfilter, mit denen bestimmte Partikel selektiv voneinander getrennt werden können, wirtschaftlich herstellen, beispielsweise Wasserfilter für multiresistente Keime oder für Mikroplastik sowie viele weitere Anwendungsmöglichkeiten in der Bio-Technologie.

Auch für die Lebensmittelindustrie ist der Einsatz von Mikrofiltern interessant, zum Beispiel im Bereich der Sterilfiltration, also wenn jegliche Art von Mikroorganismen zurückgehalten werden sollen. Möglich ist ebenso die Filtration von Feinstaub in PM-Klassen von 10 bis 1 oder in der Medizintechnik die mechanische Separation von weißen und roten Blutkörperchen, um nur einige Einsatzgebiete für Mikrofilter zu nennen.

Mehr Informationen zu den neusten Trends und Gesprächsmöglichkeiten mit den Experten aus Industrie und Forschung bietet der »5. UKP-Workshop: Ultrafast Laser Technology« vom 10. bis 11. April 2019 in Aachen, zu der rund 200 Teilnehmer erwartet werden. Ab sofort können Sie sich unter www.ultrakurzpulslaser.de  anmelden.

Wissenschaftliche Ansprechpartner:

Dipl.-Phys. Martin Reininghaus
Leiter der Gruppe Mikro- und Nanostrukturierung
Telefon +49 241 8906-627
martin.reininghaus@ilt.fraunhofer.de

Thilo Barthels M.Sc.
Gruppe Mikro- und Nanostrukturierung
Telefon +49 241 8906-207
thilo.bartels@ilt.fraunhofer.de

Weitere Informationen:

https://www.ilt.fraunhofer.de/
https://www.youtube.com/watch?v=zk2XP3cgl-Q

Petra Nolis M.A. | Fraunhofer-Institut für Lasertechnik ILT

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Physik Astronomie:

nachricht Wettrennen in Sonnennähe: Ionen sind schneller als Atome
22.03.2019 | Georg-August-Universität Göttingen

nachricht Die Zähmung der Lichtschraube
22.03.2019 | Max-Planck-Institut für Struktur und Dynamik der Materie

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Physik Astronomie >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

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

Im Focus: Die Zähmung der Lichtschraube

Wissenschaftler vom DESY und MPSD erzeugen in Festkörpern hohe-Harmonische Lichtpulse mit geregeltem Polarisationszustand, indem sie sich die Kristallsymmetrie und attosekundenschnelle Elektronendynamik zunutze machen. Die neu etablierte Technik könnte faszinierende Anwendungen in der ultraschnellen Petahertz-Elektronik und in spektroskopischen Untersuchungen neuartiger Quantenmaterialien finden.

Der nichtlineare Prozess der Erzeugung hoher Harmonischer (HHG) in Gasen ist einer der Grundsteine der Attosekundenwissenschaft (eine Attosekunde ist ein...

Im Focus: The taming of the light screw

DESY and MPSD scientists create high-order harmonics from solids with controlled polarization states, taking advantage of both crystal symmetry and attosecond electronic dynamics. The newly demonstrated technique might find intriguing applications in petahertz electronics and for spectroscopic studies of novel quantum materials.

The nonlinear process of high-order harmonic generation (HHG) in gases is one of the cornerstones of attosecond science (an attosecond is a billionth of a...

Im Focus: Magnetische Mikroboote

Nano- und Mikrotechnologie sind nicht nur für medizinische Anwendungen wie in der Wirkstofffreisetzung vielversprechende Kandidaten, sondern auch für die Entwicklung kleiner Roboter oder flexibler integrierter Sensoren. Wissenschaftler des Max-Planck-Instituts für Polymerforschung (MPI-P) haben mit einer neu entwickelten Methode magnetische Mikropartikel hergestellt, die den Weg für den Bau von Mikromotoren oder die Zielführung von Medikamenten im menschlichen Körper, wie z.B. zu einem Tumor, ebnen könnten. Die Herstellung solcher Strukturen sowie deren Bewegung kann einfach durch Magnetfelder gesteuert werden und findet daher Anwendung in einer Vielzahl von Bereichen.

Die magnetischen Eigenschaften eines Materials bestimmen, wie dieses Material auf das Vorhandensein eines Magnetfeldes reagiert. Eisenoxid ist der...

Im Focus: Magnetic micro-boats

Nano- and microtechnology are promising candidates not only for medical applications such as drug delivery but also for the creation of little robots or flexible integrated sensors. Scientists from the Max Planck Institute for Polymer Research (MPI-P) have created magnetic microparticles, with a newly developed method, that could pave the way for building micro-motors or guiding drugs in the human body to a target, like a tumor. The preparation of such structures as well as their remote-control can be regulated using magnetic fields and therefore can find application in an array of domains.

The magnetic properties of a material control how this material responds to the presence of a magnetic field. Iron oxide is the main component of rust but also...

Im Focus: Goldkugel im goldenen Käfig

„Goldenes Fulleren“: Liganden-geschützter Nanocluster aus 32 Goldatomen

Forschern ist es gelungen, eine winzige Struktur aus 32 Goldatomen zu synthetisieren. Dieser Nanocluster hat einen Kern aus 12 Goldatomen, der von einer Schale...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

VideoLinks
Industrie & Wirtschaft
Veranstaltungen

Größte nationale Tagung 2019 für Nuklearmedizin in Bremen

21.03.2019 | Veranstaltungen

6. Magdeburger Brand- und Explosionsschutztage vom 25. bis 26.3. 2019

21.03.2019 | Veranstaltungen

Teilchenphysik trifft Didaktik und künstliche Intelligenz in Aachen

20.03.2019 | Veranstaltungen

VideoLinks
Wissenschaft & Forschung
Weitere VideoLinks im Überblick >>>
 
Aktuelle Beiträge

Die Zähmung der Lichtschraube

22.03.2019 | Physik Astronomie

Saarbrücker Forscher erleichtern durch Open Source-Software den Durchblick bei Massen-Sensordaten

22.03.2019 | HANNOVER MESSE

Ketten aus Stickstoff direkt erzeugt

22.03.2019 | Biowissenschaften Chemie

Weitere B2B-VideoLinks
IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics