Produktivitätssteigerung und Prozessoptimierung für die UKP-Materialbearbeitung

Mit dem Multi Beam Scanner erstellter periodischer Schriftzug auf einer Stahlfolie / Bildquelle: Pulsar Photonics GmbH

Die Pulsar Photonics GmbH, ein Spin-off des Fraunhofer-Instituts für Lasertechnik ILT, hat ein Werkzeugsystem entwickelt, das die Wirtschaftlichkeit von Ultrakurzpulsprozessen für die Materialbearbeitung durch eine vielfache Strahlteilung signifikant steigert. Anwender können zudem die integrierte Messsensorik zur Werkzeugeinmessung und Parameterfindung vor dem Prozess und zur Qualitätskontrolle nach dem Prozess nutzen. Auf der Hannover Messe stellen die Experten das Werkzeugsystem sowie den Multi Beam Scanner erstmals der Öffentlichkeit vor.

Werkzeugsystem bestehend aus Galvanometer- und Multi Beam Scanner, Kamera und Topographiesensorik / Bildquelle: Pulsar Photonics GmbH

Materialbearbeitung mit Ultrakurzpulslasern (UKP-Lasern) bewegt sich seit einigen Jahren auf der Erfolgswelle. Grund hierfür sind die herausragenden Eigenschaften dieser Laser sowie die Möglichkeit, nahezu alle Materialien mit höchster Präzision zu bearbeiten. Das Anwendungsspektrum wächst stetig, so dass die Wachstumsraten im Bereich von etwa 20-25 Prozent liegen. Typische Einsatzgebiete der Technologie sind die Werkzeugtechnik, das Schneiden und Bohren für die Herstellung von Mikrobauteilen, Sieben und Filtern sowie Dünnschichtanwendungen im Bereich der Solartechnik und der OLED-Herstellung. Allerdings stieß die bisher eingesetzte Technik in der Mikrobearbeitung in puncto Effizienz oft an systemimmanente Grenzen.

Derzeit werden für die großflächige Oberflächenmikrostrukturierung daher hauptsächlich Nanosekundenlaser (ns-Laser) eingesetzt. Aufgrund ihrer hohen Wirtschaftlichkeit sind sie sehr gut auf dem Markt etabliert. Jedoch ist hier die Auflösung der Mikrostrukturierung durch die Entstehung von Schmelzeffekten begrenzt, häufig müssen Bauteile aufwändig nachbearbeitet werden. Eine Mikrostrukturierung mit dem UKP-Laser dagegen erzeugt völlig bearbeitungsfreie Oberflächenstrukturen mit lateralen Genauigkeiten im Bereich weniger Mikrometer und einer Tiefenauflösung im Bereich von hundert Nanometern.

Aufgrund des verdampfungsdominierten Abtragverhaltens lassen sich mit dem UKP-Laser im Vergleich zum ns-Laser lediglich eine um etwa den Faktor 10 geringere Volumenabtragrate erzielen, was seine Nutzung für die Massenproduktion mikrostrukturierter Bauteile aus wirtschaftlicher Sicht oft uninteressant macht. Hinzu kommt, dass mit den gängigen UKP-Lasersystemen im Bereich von 50 bis 100 Watt meist nur maximal 20 Prozent der zur Verfügung stehenden Laserenergie genutzt werden kann. Um den Nutzungsgrad von UKP-Lasern in diesem Bereich zu erhöhen, haben Forscher am Fraunhofer ILT ein Verfahren zur Parallelisierung des Laserstrahlabtrags entwickelt. Mit der mittlerweile erprobten Multistrahltechnik lässt sich der Laserstrahl auf mehr als 100 Teilstrahlen aufspalten, das Werkstück kann also parallel an 100 Punkten bearbeitet werden, was die Bearbeitungsgeschwindigkeit entsprechend erhöht. Durch diese Technologie können die Leistungsreserven aktueller Hochleistungs-UKP-Lasersysteme nahezu vollständig ausgeschöpft und auf dem Werkstück genutzt werden.

Die Pulsar Photonics GmbH, ein Spin-off des Fraunhofer ILT, hat ein Werkzeugsystem entwickelt, welches neben der optionalen Strahlteilung auch eine intelligente Messtechnik integriert hat. Während die Parallelisierung im Wesentlichen die Prozesseffizienz der eigentlichen Bearbeitung steigert, erleichtert und automatisiert die integrierte Messsensorik zum einen die schnelle Parameterfindung beim Einrichtungsprozess und zum anderen die Qualitätskontrolle nach dem Produktionsprozess. Die oft zeitintensive Rüstung wird deutlich verkürzt. Beispielsweise kann der Anwender im vorgelagerten Einrichtungsprozess mit Hilfe der Messtechnik bereits in der Maschine schnell festlegen, mit welchen Laserparametern die besten Bearbeitungsergebnisse erzielt werden. Im nachgelagerten Prozess zur Qualitätssicherung kann er sofort überprüfen, wie tief die erstellten Mikrostrukturen sind oder welchen Durchmesser Bohrungen haben. So können beispielsweise Auftragsfertiger ihren Kunden unmittelbar nach Beendigung des Produktionsprozesses ein qualifiziertes Bauteil übergeben. Das kompatible UKP-System kann nicht nur für die Oberflächenstrukturierung eingesetzt werden, sondern auch für viele weitere Anwendungen wie dem Bohren oder Feinschneiden.

Aufbaubedingt ist die Multistrahltechnologie zunächst nur für die Herstellung periodischer Muster und fester Strukturanordnungen auf Bauteilen oder für die parallele Bearbeitung mehrerer Bauteile mit gleichen Strukturen geeignet. In vielen Anwendungsfällen sind aber gerade periodische Strukturen gefragt, wie beispielsweise bei der großflächigen Funktionalisierung von Oberflächen zur Reibungsreduktion oder der Herstellung von Masken und Mikrofiltern aus dünnen Folien.

Über die Pulsar Photonics GmbH – Die Pulsar Photonics GmbH ist ein 2013 gegründetes technologieorientiertes Spin-off des Fraunhofer-Instituts für Lasertechnik ILT. Das Leistungsspektrum des Unternehmens umfasst die Entwicklung und den Vertrieb integrierter Werkzeug- und Messsysteme für die Materialbearbeitung mit Kurz- und Ultrakurzpulslasern.

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