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Laserbearbeitung

Laser als Multistrahler bohrt hochpräzise Mikrolöcher

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DOE können mehr als die dynamische Strahlformung

Das DOE ist nach Beschreibung der Forscher eine strukturierte Glasoberfläche, an der Lichtwellen gebeugt werden. Die Oberflächenstruktur werde durch ein nasschemisches Ätzverfahren äußerst präzise in das Glas eingearbeitet. So sei die statische Strahlverteilung beim DOE wesentlich genauer und robuster als das dynamische Strahlformungskonzept, das auf Flüssigkristallmodulatoren basiere.

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

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Multistrahlverfahren mit über 200 Teilstrahlen

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, heißt es, hat beim Mikrobohren eine außerordentlich hohe Präzision erreicht: Mit ihrem neuen Multistrahlsystem können die Aachener Bohrungen mit Durchmessern unter 1 µm erzeugen. Der Abstand der Bohrungen ließe 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 aber ist es, die Bohrrate weiter zu steigern, ohne dabei Qualitätseinbußen zu verzeichnen. In naher Zukunft sind Bohrraten von 20.000 Bohrungen pro Sekunden absehbar.

Das thermische Management aber will beherrscht sein

Außer der Frage nach der richtigen Prozesstechnik tauchte in den letzten Jahren ein weiteres Problem auf: 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.

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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.

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