Prozesskosten senken mit „SmartSurf“

Ob zur Herstellung von Masken und Mikrosieben oder zur Erzeugung funktionaler Oberflächen fur tribologisch hochbelastete Bauteile oder Prägewerkzeuge: Immer mehr Anwendungen benötigen eine mikrostrukturierte Oberfläche und dies auf einer immer größeren Fläche. Die Erzeugung von Strukturen auf Werkstucken im Mikrometerbereich erfordert eine besonders präzise Bearbeitung, wie sie optimal mit ultrakurz gepulster Laserstrahlung erfolgen kann. Derzeit werden zu diesem Zweck neben mechanischen Verfahren meist Nanosekundenlaser eingesetzt, da diese aufgrund ihrer höheren Wirtschaftlichkeit besser etabliert sind als UKP-Laser. Allerdings bergen sie den Nachteil, dass bei der Nanosekundenbearbeitung durch Schmelzeffekte Aufwurfe entstehen und daher oft eine aufwändige Nachbearbeitung des Werkstucks erfolgen muss. Zudem begrenzen die Schmelzeffekte die Auflösung der Mikrostrukturierung.

Im Gegensatz dazu lassen sich funktionale Oberflächenstrukturen mit dem Ultrakurzpulslaser völlig nachbearbeitungsfrei erzeugen. Aufgrund der starken Lokalisierung der eingebrachten Laserenergie auf dem Werkstuck und der sehr hohen Intensitäten entstehen bei der Bearbeitung keine Materialaufwurfe. Zudem erzielt die Bearbeitung mit einem UKP-Laser eine äußerst hohe Genauigkeit im Bereich weniger Mikrometer sowie eine sehr hohe Tiefenauflösung im Bereich von hundert Nanometern. Jedoch sind die Abtragraten hier vergleichsweise gering und damit die Prozesszeiten im Vergleich zur Bearbeitung mit Pulsen im Nanosekundenbereich sehr hoch. Das macht die Mikrostrukturierung mit UKP-Lasern aus wirtschaftlicher Sicht zunächst nur fur hochwertige Produkte oder Werkzeuge fur die Massenreplikation interessant. Zudem kann in vielen Anwendungsfällen zur Mikrostrukturierung mit den heute gängigen industrietauglichen UKP-Lasersystemen im Leistungsbereich von fünzig bis hundert Watt meist nur ein Bruchteil der zur Verfugung stehenden Laserleistung eingesetzt werden, da in jeden Bearbeitungspunkt nur eine beschränkte maximale Leistung eingebracht werden kann. Eine zu hohe Leistungseinkopplung in den Bearbeitungspunkt fuhrt insbesondere bei kleinen Fokusdurchmessern im Mikrometerbereich zur Plasmaentstehung sowie zu thermischen Effekten mit Schmelzaufwurfen und somit zu schlechten Bearbeitungsergebnissen. Forscher des Fraunhofer ILT haben sich nun der Frage angenommen, wie eine hohe Laserleistung fur die UKP-Mikrostrukturierung optimal genutzt werden kann bei gleichzeitiger Garantie eines einwandfreien Bearbeitungsergebnisses.

Eine Möglichkeit zur Ausschöpfung der verfugbaren Laserleistung fur die UKP-Mikrostrukturierung besteht in einer schnellen Strahlablenkung. Dabei wird zur Sicherstellung einer hohen Abtragsqualität die Pulsenergie niedrig gehalten, durch eine hohe Pulsfrequenz gepaart mit einer hohen Scangeschwindigkeit jedoch eine hohe Flächenrate erreicht. Mit einem am Fraunhofer ILT entwickelten Polygonscanner-System lassen sich damit Scangeschwindigkeiten bis zu 350 m/s erreichen. Dies erlaubt die schnelle Verteilung hochfrequenter Laserpulse auf großen Flächen. Eine andere Möglichkeit, die derzeit am Fraunhofer ILT verfolgt wird, ist die Parallelisierung des Laserstrahlabtrags. Durch die Aufteilung des Laserstrahls in mehrere Strahlen kann erheblich mehr Laserleistung genutzt werden. Möglich macht diese Strahlaufteilung ein diffraktives optisches Element (DOE). Es besteht aus einer Anordnung von Mikrostrukturen, die durch den Effekt der Beugung je nach Design nahezu beliebige Intensitätsverteilungen hinter dem Element erzeugen können. Das Forscher-Team am Fraunhofer ILT hat das DOE zwischen der Strahlquelle und einem Galvanometerscanner so eingebaut, dass die geteilten Laserstrahlen in den Galvanometerscanner abgebildet werden. Durch die Fokussierung der Strahlen mithilfe eines F-theta-Objektivs entsteht schließlich eine periodische Anordnung von Bearbeitungspunkten. Diese können nun uber das Werkstuck bewegt werden und so beliebig komplexe Muster abtragen.

Die Teilung eines Laserstrahls in 16 Teilstrahlen wurde am Fraunhofer ILT bereits erfolgreich gezeigt. Durch diese Strahlparallelisierung kann das Werkstuck an 16 periodisch angeordneten Stellen gleichzeitig bearbeitet werden. Die Bearbeitungsgeschwindigkeit versechzehntfacht sich somit. In einem Laborversuch konnten Experten bereits erfolgreich die Bearbeitung mit 144 Teilstrahlen erproben, eine weitere Skalierung ist möglich.

Kunftig können mit dieser Technologie die Leistungsreserven aktueller Hochleistungs-UKP-Systeme fur die Laserbearbeitung vollständig auf dem Werkstuck genutzt werden. Im gleichen Maß sinken die Prozesszeiten, somit verringern sich die gesamten Prozesskosten signifikant. Fur den Anwender wird der Ultrakurzpulslaser fur die Herstellung periodischer Mikrostrukturen aus wirtschaftlicher Sicht nun deutlich interessanter. Die Strukturierung auch großer Flächen ist mit diesem Ansatz wirtschaftlich realisierbar. Basierend auf dieser Technologie wurde am Fraunhofer ILT eine Prototypenanlage zur Erzeugung von Mikrostrukturen mit UKP-Lasern entwickelt, die in kunftigen Projekten industrietauglich gemacht werden soll. Fernziel ist es, bald auch Multi-Hundert-Watt-Laser fur die Mikrostrukturierung einzusetzen.

ILT / OD