Jenoptik auf der Laser - World of Photonics Femtosekunden-Laser für präzise Mikro-Materialbearbeitung

Redakteur: Peter Königsreuther

Ultrakurze Laserpulse mit einer Dauer von 400 bis 800 Femtosekunden (das sind 10-15 s) werden immer häufiger in der industriellen Mikromaterialbearbeitung eingesetzt, denn sie ermöglichen einen nahezu kalten Materialabtrag. Die Wärmeeinflusszone ist kleiner als bei Nano- oder Pikosekundenlasern, da die Pulsdauer kürzer ist als die typischen materialspezifischen Relaxationszeiten.

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Bild 3: Nitinol-Stent mit sogenannten Depot-Strukturen, die jeweils 30 µm × 45 µm groß sind.
Bild 3: Nitinol-Stent mit sogenannten Depot-Strukturen, die jeweils 30 µm × 45 µm groß sind.
(Bild: LLT Applikation)

Der Materialabtrag erfolgt verdampfungsartig, bevor merkliche thermische Diffusion im Material erfolgt. Dies bringt folgende Vorteile:

  • sehr scharfe und saubere Bearbeitungskanten ohne Grat oder Materialablagerungen;
  • Bearbeitung praktisch aller Materialien inklusive Metalle, Glas, Diamant, Keramik, thermisch empfindlicher Polymere und anderer organischer Materialien;
  • Keine Mikrorisse, strukturelle Veränderungen oder thermische Schädigung des Materials;
  • Keine Delamination bei Verbundwerkstoffen;
  • Selektiver Materialabtrag in Dünnschichtsystemen;
  • Herstellung extrem filigraner Strukturen.

Damit ermöglichen Femtosekundenlaser die Herstellung neuartiger Bauteile zum Beispiel für die Medizintechnik, Consumer Electronics oder den Automotive-Bereich, denn bestimmte Geometrien oder Werkstoffe können erst mit Femtosekundenpulsen bearbeitet werden.

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Hoher Invest, aber schneller Erfolg

Trotz hoher Kosten der Femtosekundentechnik lassen sich Fertigungsprozesse wirtschaftlich realisieren, weil aufwendige Nachbearbeitungsschritte entfallen können. Die tatsächlich auf dem Werkstück nutzbare Laserleistung wird durch Wärmeakkumulation und die damit einhergehende Qualitätsverschlechterung begrenzt, weshalb die Prozessstrategie eine besonders wichtige Rolle spielt. Positiv für die Produktivität ist, dass mit Femtosekunden-Pulsen in etwa zwei- bis dreifach höhere Abtragsraten als mit Pikosekunden-Pulsen gleicher Pulsenergie erzielt werden, und dass die erzielbare Bearbeitungsqualität nochmals höher ist.

Der Scheibenlaser und seine Vorteile

Diodengepumpte Femtosekunden-Scheibenlaser, wie der JenLas® femto 10 von Jenoptik, sind für die industrielle Mikromaterialbearbeitung besonders geeignet, weil sie eine hervorragende Strahlqualität bei den typischerweise benötigten Pulsenergien (einige 10 bis rund 100 µJ) und Pulswiederholfrequenzen (einige 10 bis einige 100 kHz) liefern. Dafür sorgt die gute Kühlanbindung der dünnen Laserscheiben, mit der, besser als bei konventionellen Stab- oder Slablasern, eine Phasenfrontstörung im Strahl und die damit verbundene Strahlqualitätsminderung vermieden wird. Ebenfalls vorteilhaft ist die Unempfindlichkeit der Scheibenlaser gegenüber Rückreflexen. Mit dieser Technologie wird heute der zuverlässige 24/7-Betrieb in Industrieumgebungen realisiert. Ausstattungsmerkmale wie ein schneller Strahlmodulator für das Puls-Picking bis herab zum Einzelpuls oder ein Frequenzverdopplungsmodul zur Infrarot-Grün-Umwandlung gehören heute zum Standard und bieten Flexibilität für variierende Anwendungen.

Anwendungsbeispiele für den Femtosekunden-Laser

Neuartige medizinische Stents aus bio-resorbierbaren Polylactiden (Bild 2) sind auf Bearbeitungsverfahren mittels fs-Laser angewiesen. Hier werden hohe Pulsspitzenleistungen benötigt, um durch nichtlineare Absorption das transparente Material überhaupt mit dem Laser bearbeiten zu können. Damit auch bei hohen Schneidgeschwindigkeiten keine thermische Materialschädigung entsteht, ist die optimale Abstimmung von Pulsfolgefrequenz und Schnittgeschwindigkeit genauso wichtig wie die Prozessstrategie. Bei der Laserwellenlänge von 1030 nm können Schnittgeschwindigkeiten von 40 mm/s in 120 µm starkem Poly-L-Lactid erreicht werden.

Für Stents aus Nitinol (Bild 3), einer Nickel-Titan-Legierung mit Formgedächtnis-Eigenschaften, werden feinste Strukturen von wenigen 10 µm in dünne Röhrchen mit 50 bis 250 µm Wandstärke geschnitten. Nitinol verliert allerdings seine speziellen Eigenschaften schon bei moderaten thermischen Belastungen. Außerdem muss gratfrei geschnitten werden, um Nacharbeiten zu vermeiden. Exzellente Ergebnisse werden auf speziellen Rohrschneidmaschinen mit fs-Lasern erzielt, mit Schnittgeschwindigkeiten von etwa 200 mm/min bei 100 µm Wandstärke.

Laser-Anwendungen für die Fluidtechnik

Bei innovativen Fluidik-Anwendungen in der Medizintechnik (Bild 4) oder Automobiltechnik (Bilder 5a und 5b) werden Mikrolöcher und -öffnungen in Metall oder Keramik für Filter, Düsen und Kanülen gebohrt oder gefräst. Die Löcher benötigen sehr glatte und gratfreie Wände, um optimale Strömungsverhältnisse zu erhalten und Partikelanhaftung zu vermeiden. Für hohe Bohrraten bieten sich Femtosekundenlaser auf Scheibenbasis aufgrund ihrer hohen Pulsenergien an. Zusätzliche Anforderungen wie zum Beispiel spezielle Loch-Geometrien mit negativen, positiven oder 0°-Taper-Winkeln werden durch spezielle Trepannieroptiken oder 3D-Scanköpfe für Hochpräzisionsanwendungen ermöglicht.

Uhren werden präziser

Beim Bearbeiten von filigranen Bauteilen kommt es darauf an, möglichst wenig Wärme in das Material einzubringen, um Verformungen und ungleichmäßigen Abtrag zu vermeiden. Ein Beispiel sind Uhren-Unruhen (Bild 6), deren Schwingfrequenz proportional zur Masse ist. Die präzise Kalibrierung erfordert den Abtrag kleinster Materialmengen. Bei einer üblichen Kupfer-Beryllium-Stahl-Legierung wurde mittels Scheiben-Femtosekundenlaser eine minimale Abtragsrate von 4 mg/min bei einer Präzision von 1,3 Nanogramm pro Puls erreicht.

Insassen-Schutz im Kfz wird optimierbar

Im Automobilbau verfügen Airbag-Abdeckungen über rückseitig eingebrachte Sollbruchstellen (Bild 7), die an der Vorderseite unsichtbar bleiben sollen. Im Fall von Innenraumverkleidungen aus Echtleder, wie oft in Oberklassefahrzeugen verwendet, mussten die Sollbruchstellen bisher aufwändig mechanisch eingeritzt werden, weil bei der konventionellen thermischen Laserbearbeitung von Leder sichtbare Materialveränderungen auf der Sichtseite unvermeidbar sind. Ein patentiertes Jenoptik-Verfahren verbindet nichtthermischen Femtosekundenpuls-Abtrag mit hochpräziser, sensorgesteuerter Abtragstiefe und stellt damit sicher, dass die Sollbruchstellen in Echtleder (und auch Kunstleder) wie gewünscht dauerhaft unsichtbar bleiben. Mit einem 10-Watt-Scheiben-Femtosekundenlaser Jenlas femto 10 erfüllt das Verfahren sämtliche Anforderungen der Automobilindustrie, inklusive der hohen Prozessgeschwindigkeiten.

Präzise Ergebnisse ohne Hitze und Berührung

Diese Beispiele demonstrieren, wie scheibenbasierte Ultrakurzpulslaser im Femtosekundenbereich neuartige Bauteile und verbesserte Herstellungsprozesse ermöglichen. Im Gegensatz zu Nano- oder Pikosekunden-Lasern ist die Bearbeitung unabhängig vom Absorptionsverhalten des Materials, wodurch ein gleichbleibendes, qualitativ hochwertiges Bearbeitungsergebnis erzielt wird. Dort, wo neben Präzision im Mikrometer-Maßstab auch kontaktfreie Bearbeitung ohne thermische Schädigung oder ohne Nacharbeit gefordert ist, sind Scheiben-Femtosekundenlaser unverzichtbar geworden. MM

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