UKP-Laser: Produktivitätssteigerung und Prozessoptimierung

Materialbearbeitung mit Ultrakurzpulslasern 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 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 Nanosekunden-Laser lediglich eine um etwa den Faktor zehn 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 hundert 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.

Auf dem Gemeinschaftsstand „Junge innovative Unternehmen“ in Halle 17, Stand C04/2 der Hannover Messe vom 7. bis zum 11. April 2014 präsentieren die Experten von Pulsar Photonics das Werkzeugsystem mit Multi-Beam-Scanner, das nun erstmals als kommerzielles Produkt verfügbar ist. Wie sich die Effizienz der UKP-Materialbearbeitung durch eine optimale Auslegung der Systemtechnik steigern lässt, erklärt Joachim Ryll, Pulsar Photonics, in seinem Vortrag auf dem AKL’14 in Aachen im Rahmen der Session „Ultrakurzpulslaser Essentials – Anwendungen“ am 9. Mai 2014 und in einem begleitenden Fachartikel im Laser Technik Journal, Ausgabe 2/2014, Medienpartner des AKL.

Fh.-ILT / OD