Ultrakurzpulslaser, abgekürzt UKP-Laser, sind seit Jahren ein heißes Thema in der Präzisionsmaterialbearbeitung. Der UKP Workshop in Aachen ist dafür der Treffpunkt für die stetig wachsende Community, um sich über die neuesten Entwicklungen auszutauschen. Große Themen waren Strahlquellen, Systemtechnik, Strahlformung und natürlich Anwendungen, berichtet das Fraunhofer-Institut für Lasertechnik ILT. Viele der vorgestellten Innovationen hatten dabei ein gemeinsames Ziel: Skalierung zu kleineren Strukturgrößen sowie der Produktivität.
Zum 8. UKP Workshop Ultrafast Laser Technology trafen sich 120 Expertinnen und Experten aus 22 Ländern am 8. und 9. April in Aachen. Der Name deutet es bereits an: In diesem Workshop geht es um die Erzeugung und Anwendung von Laserpulsen im Bereich von Pikosekunden (ps) und Femtosekunden (fs). Diese Laserpulse können praktisch jedes Material bearbeiten. Die Forschung und Entwicklung haben in den vergangenen Jahren wieder große Fortschritte bei der Erzeugung und Anwendung gemacht, so dass sich die Fachgespräche in diesem Jahr neben neuen Anwendungen meist um die Skalierung der Prozesse drehten.
Dr. Dennis Haasler eröffnete den 8. UKP Workshop des Fraunhofer ILT im DAS LIEBIG in Aachen (© Fraunhofer ILT)
Skalieren mit mehr Power und mehr Wellenlängen
Derzeit sind industrietraugliche Laserstrahlquellen mit bis zu 1000 W verfügbar, zum Beispiel vom Systemanbieter Trumpf. Dieser Laser mit Pulsenergien bis zu 10 mJ bei Pulslängen unter 1 ps steht im Fraunhofer Cluster of Excellence Advanced Photon Sources CAPS-Applikationslabor am Fraunhofer ILT oder bei Trumpf in Schramberg für Tests bereit.
Bei den Wellenlängen der Lasersysteme gibt es einen Trend in Richtung Ultraviolett (UV) und Deep UV (DUV); die Diskussion dazu drehte sich um Vorteile durch den kleineren Fokusspot sowie beim Abtrag transparenter Materialien. Anwendungen im Consumer Electronics Markt, vor allem die Displayfertigung, treiben dabei die weitere Entwicklung voran. Noch dominieren dort Excimer-Laser, aber Festkörper-UKP-Laser sind im Vormarsch, wie man von Coherent hören konnte.
Von Light Conversion gab auf dem Workshop interessante Daten zu Leistung und Lebensdauer verschiedener Laser. Von mehr als 10 000 Stunden beim 30-W-UV-System ging die Übersicht bis zu knapp 30 Minuten bei Tests zur Erzeugung einer Wellenlänge von 172 Nanometer, was der 6. Harmonischen entspricht.
Für Erstaunen sorgte ein neues System von Ekspla, das ns- und fs-Pulse aus einem Laser liefert. Die Pulse sind mit einer Quelle synchronisiert; Nutzende haben die Option, Dauer und Abstand der Pulse frei einzustellen. Das ist wie Schruppen und Schlichten auf einer Maschine, sagte ein Teilnehmer. Das System von Ekspla erlaubt auch eine sehr flexible Programmierung von MHz- und GHz-Bursts. Die waren vor einigen Jahren noch Thema der Grundlagenvorträge – inzwischen gehören sie zum Standard moderner UKP-Strahlquellen.
Modulatoren und Scannersysteme für mehr Durchsatz
Da die Fachleute die Prozesse im Material in den letzten Jahren besser verstanden haben, richtet sich der Fokus des Workshops nun stärker auf die Systemtechnik. Besondere Aufmerksamkeit bekam in diesem Jahr das Thema Strahlformung.
Hamamatsu bietet dafür einen neuen LCoS-Modulator (Liquid Crystal on Silicon) an, der dank des Einsatzes von Saphir Leistungen bis 700 W beziehungsweise 3 kW/cm2 aushält. Anwender formen damit Strahlen nahezu beliebig: Ring- und Top-Hat-Profile sind nur zwei Beispiele. Ebenso erzeugen sie Multistrahlprofile oder korrigieren Aberrationen.
Ähnliche Modulatoren auf Basis von mikro-elektromechanische Systemen (MEMS) zeigte Silicon Light Machines. Sie sind schneller (100–500 kHz refresh rate) als LCoS-Modulatoren, vertragen bis zu 10 kW/cm2, haben dafür aber eine geringere Auflösung. Wer die Flexibilität der Modulatoren nicht braucht, greift auf diffraktive optische Elemente (DOE) zurück, die hohe Auflösung mit hoher Zerstörschwelle verbinden.
Dr. Stephen Hamann von Silicon Light Machines reiste für seinen Vortrag über Strahlformung aus den USA an (© Fraunhofer ILT)
HOLO/OR präsentierte deren Vor- und Nachteile in der Anwendung mit Scannersystemen. Letztere haben ebenfalls erhebliche Fortschritte gemacht. Der Polygonscanner von Moewe aus Mittweida schafft bis zu 1000 m/s Ablenkgeschwindigkeit des Laserstrahls. Die Entwickler mussten dabei ein zentrales Problem lösen: das Handling der enormen Datenmengen von bis zu 38 GB pro Quadratmeter Bearbeitungsfläche, die etwa beim schnellen Gravieren anfallen. Bei Druckwalzen mit über 100 qm2 Fläche setzten sie deshalb auf segmentierte Flächen. Für solche Anwendungen erwarten Fachleute noch eine erhebliche Erhöhung der Produktivität durch den Einsatz leistungsstärkerer Strahlquellen.
Unternehmen wie Scanlab und Aerotech kombinieren Scanner, akusto-optische Modulatoren und Achsensysteme gezielt, um die Stärken der jeweiligen Systeme für einen höheren Durchsatz auszunutzen. So erwarten sie durch das Kaskadieren der Komponenten einen höheren Duty-Cycles des Prozesses, was zu einer höheren Produktivität führt.
UKP-Laser im industriellen Einsatz
Martin Reininghaus präsentierte mit den Multistrahlmaschinen von Pulsar Photonics einen weiteren Weg zur Skalierung der Produktivität. Dafür hat Pulsar neben dem Multistrahlkopf ein Multiscanner- und ein Multiscannerkopf-Konzept entwickelt. Multistrahlköpfe eignen sich für eine hochproduktive Herstellung von periodischen Strukturen, während bei Multiscanner-Aufbauten jeder Scanner unabhängig voneinander agieren kann. Dafür ist es dann wiederum eine Herausforderung, die großen Datenmengen sowie die Laserpulse zum richtigen Zeitpunkt an die verschiedenen Scanner zu verteilen.
Wie wichtig die Inline-Prozesskontrolle ist, zeigte Florian Lendner von GFH. Durch konsequente Überwachung der Prozess- und Umgebungsparameter identifizierte sein Team einen Langzeitdrift, die durch eine automatisierte Korrekturroutine ausgeglichen werden konnte. Dadurch konnte die Formtreue der Bauteile auf ± 1 µm verbessert werden, wodurch die Genauigkeit der Mikrobearbeitung weiter erhöht werden konnte.
Über intelligente Verfahren für die industrielle Laserbearbeitung informierte Florian Lendner von der GFH GmbH (© Fraunhofer ILT)
Dr. Jens Ulrich Thomas von der Schott AG teilte Erfahrungen beim Mikroschweißen von Glas. Schott hat den Prozess auf Waferlevel implementiert und erreicht Verbindungen mit einer Scherfestigkeit über 50 MPa. Die Firma nutzt die Technologie im Bereich Medizintechnik. Klebstofffreie Fügeverfahren verringern dort den Zulassungsaufwand.
Dr. Jens Ulrich Thomas von der Schott AG begeisterte mit einem Vortrag über das Ultrakurzpulsschweißen von Glas (© Fraunhofer ILT)
Die Firma Lidrotec zielt mit ihrer speziellen Applikation von Laserpulsen durch eine Flüssigkeitsschicht auf den Halbleitermarkt, um dort Materialverluste beim Vereinzeln der Chips zu reduzieren. Dementsprechend bereitet Lidrotec die Technologie für großtechnische Anwendungen vor.
Lasertechnik zum Anfassen
Der Rundgang durch die Labore des Fraunhofer ILT, des RWTH Forschungscampus Digital Photonic Production sowie des RWTH Aachen – Lehrstuhl für Lasertechnik und RWTH Aachen – Lehrstuhl für Technologie Optisccher Systeme bot mit neun Stationen die Chance, sich viele der im Workshop vorgestellten Technologien live anzusehen. Eine präsentierte Anwendung war das Selektive Laserinduzierte Ätzen (SLE). Dabei schreibt der fokussierte Laserstrahl die Kontur des gewünschten Bauteils in einen Glasrohling und dieser wird anschließend über einen Ätzprozess freigelegt.
Lab Tour mit Live-Vorführung im Fraunhofer ILT; die Fraunhofer-Forschenden präsentierten den Teilnehmenden das Leistungsvermögen der UKP-Bearbeitung (© Fraunhofer ILT)
Astrid Saßmannshausen vom Fraunhofer ILT, zeigte im Labor und später im Workshop mit diesem Prozess, wie sie mikro- und makrooptische Komponenten wie Linsen herstellt. Der Vorteil dieses Verfahrens liegt in der Gestaltungsfreiheit (Complexity for free) und der Individualisierbarkeit. Nach der Erzeugung der Form wird die Oberfläche noch laserpoliert. Der UKP-Laser kann Glas auch direkt oberflächlich abtragen, wobei es dann immer einen Kompromiss zwischen Prozessgeschwindigkeit und Oberflächenqualität zu finden gilt.
Auch viele der Aktivitäten rund um Strahlformung mittels Flüssigkristallmodulatoren wurden beim Rundgang durch die Labore gezeigt. Beispiele lieferten vorher Martin Kratz und Martin Osbild, beide Fraunhofer ILT, zum SLE-Prozess und der Oberflächenstrukturierung.
Durch Strahlformung können sphärische Aberrationen reduziert, Multistrahlprofile erzeugt oder optische Stempel gebildet werden, mit denen größere Flächen am Stück strukturiert werden können. Wie diese Strahlformen möglichst perfekt mit neuronalen Netzen erzeugt werden können, demonstrierte Paul Buske vom RWTH Aachen, Lehrstuhl für Technologie Optischer Systeme, in seinem Vortrag.
Offen, hochspezialisiert, zukunftsorientiert– der UKP Workshop 2025
Es ist immer wieder beeindruckend, wie offen die UKP-Community hier über technische Details spricht, freute sich Dr. Dennis Haasler, Gruppenleiter am Fraunhofer ILT und Chair des Workshops, zum Abschluss des 8. UKP Workshop Ultrafast Laser Technology. Wieder einmal habe sich der Workshop als exzellente Plattform für den Austausch zwischen Forschung und Entwicklung und Industrie bewiesen, ergänzt Dr. Christian Vedder, Leiter der Oberflächentechnik-Abteilung des Fraunhofer ILT.
Der nächste UKP Workshop Ultrafast Laser Technology ist für den 28. und 29. April 2027 geplant.
- www.ilt.fraunhofer.de
Zwölf Unternehmen präsentierten bei der zweitägigen Ausstellung ihre Innovationen und regten zu einem vielseitigen Wissenstransfer an (© Fraunhofer ILT)