Materialbearbeitung Laser schafft Struktur

Ob zur Herstellung von Masken und Mikrosieben oder zur Erzeugung funktionaler Oberflächen für tribologisch hochbelastete Bauteile oder Prägewerkzeuge: Immer mehr Anwendungen benötigen eine mikrostrukturierte Oberfläche. An der nötigen Präzision lassen es die üblichen Lasermethoden jedoch oft mangeln.

Die Erzeugung von Strukturen auf Werkstücken im Mikrometerbereich erfordert eine besonders präzise Bearbeitung, wie sie optimal mit ultrakurz gepulster Laserstrahlung erfolgen kann. Derzeit kommen zu diesem Zweck neben mechanischen Verfahren meist Nanosekundenlaser zum Einsatz, da diese aufgrund ihrer höheren Wirtschaftlichkeit besser etabliert sind als UKP-Laser (Ultrakurzpuls). Allerdings bergen sie den Nachteil, dass bei der Nanosekunden-Bearbeitung durch Schmelzeffekte Aufwürfe entstehen und daher oft eine aufwendige Nachbearbeitung des Werkstücks erfolgen muss.

Zudem begrenzen die Schmelzeffekte die Auflösung der Mikrostrukturierung. Im Unterschied dazu lassen sich funktionale Oberflächenstrukturen mit dem Ultrakurzpulslaser völlig nachbearbeitungsfrei erzeugen. Als Ultrakurzpulslaser gelten Laserstrahlquellen, die gepulstes Laserlicht mit Pulsdauern im Bereich von Pikosekunden und Femtosekunden aussenden, manchmal auch Attosekunden.

Es handelt sich in der Regel um modengekoppelte Laser. Am Fraunhofer-Institut für Lasertechnik ILT konnte gezeigt werden, dass aufgrund der starken Lokalisierung der eingebrachten Laserenergie auf dem Werkstück und der sehr hohen Intensitäten bei der Bearbeitung keine Materialaufwürfe entstehen. Zudem erzielt die Bearbeitung mit einem UKP-Laser eine Genauigkeit im Bereich weniger Mikrometer sowie eine Tiefenauflösung im Bereich von hundert Nanometern. Jedoch ist die Abtragrate 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 für hochwertige Produkte oder Werkzeuge für die Massenreplikation interessant. Zudem kann in vielen Anwendungsfällen zur Mikrostrukturierung mit den heute gängigen industrietauglichen UKP-Lasersystemen im Leistungsbereich von 50 W bis 100 W meist nur ein Bruchteil der zur Verfügung stehenden Laserleistung eingesetzt werden, da sich in jeden Bearbeitungspunkt nur eine beschränkte maximale Leistung einbringen lässt (Bild 1).

Eine zu hohe Leistungseinkopplung in den Bearbeitungspunkt führt insbesondere bei kleinen Fokusdurchmessern im Mikrometerbereich zur Plasmaentstehung sowie zu thermischen Effekten mit Schmelzaufwürfen und somit zu schlechten Bearbeitungsergebnissen. Forscher des Fraunhofer ILT haben sich nun der Frage angenommen, wie eine hohe Laserleistung für die UKP-Mikrostrukturierung optimal genutzt werden kann bei gleichzeitiger Garantie eines einwandfreien Bearbeitungsergebnisses.

Geteilter Strahl

Eine Möglichkeit, um die verfügbare Laserleistung für die UKP-Mikrostrukturierung auszuschöpfen, besteht in einer schnellen Strahlablenkung. Dabei wird die Pulsenergie niedrig gehalten, um eine hohe Abtragsqualität sicherzustellen. Durch eine hohe Pulsfrequenz gepaart mit einer hohen Scangeschwindigkeit lässt sich jedoch eine hohe Flächenrate erreichen.

Mit einem am Fraunhofer ILT entwickelten Polygonscanner-System lassen sich Scangeschwindigkeiten bis zu 350 m/s erreichen und so die hochfrequenten Laserpulse schnell auf großen Flächen verteilen. Eine andere Möglichkeit, die derzeit verfolgt wird, ist die Parallelisierung des Laserstrahlabtrags.
Durch die Aufteilung des Laserstrahls in mehrere Strahlen ist es möglich, erheblich mehr Laserleistung zu nutzen.

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 Forscherteam 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 über das Werkstück 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 Werkstück an 16 periodisch angeordneten Stellen gleichzeitig bearbeitet werden. Die Bearbeitungsgeschwindigkeit versechzehntfacht sich somit. In einem Laborversuch ließ sich bereits erfolgreich die Bearbeitung mit 144 Teilstrahlen erproben, eine weitere Skalierung steht in Aussicht.

Wird UKP-Mikrostrukturierung wirtschaftlich?

Künftig sollen sich mit dieser Technik die Leistungsreserven aktueller Hochleistungs-Ultrakurzpuls-Lasersysteme für die Laserbearbeitung vollständig auf dem Werkstück nutzen lassen. Im gleichen Maß sinken die Prozesszeiten, somit verringern sich die gesamten Prozesskosten signi-fikant. Für den Anwender wird der UKP-Laser bei die Herstellung periodischer Mikrostrukturen aus wirtschaftlicher Sicht nun deutlich interessanter.

Die Strukturierung auch großer Flächen ist mit diesem Ansatz wirtschaftlich realisierbar. Basierend auf diesem Verfahren wurde am Fraunhofer ILT eine Proto-typenanlage zur Erzeugung von Mikrostrukturen mit UKP-Lasern ent-
wickelt, die in künftigen Projekten industrietauglich gemacht werden soll. Fernziel ist es, bald auch Multi-Hundert-Watt-Laser für die Mikrostrukturierung einzusetzen.