Rapid Microtooling

Projektergebnisse: Lasermikrostrukturieren mit hochrepetierenden Femtosekundenlaser

Ansprechpartner: Dipl.-Ing.(FH) Jörg Schille, Dipl.-Physiker Robby Ebert

Im Bereich Lasermikrobearbeitung steht mit der hochrepetierenden Ultrakurzpuls-Lasertechnologie ein leistungsfähiges Werkzeug bereit, das die vorteilhaften Eigenschaften ultrakurzer Pulse zum definierten Laserabtragen mit dem Anspruch nach kurzen Prozesszeiten vereint. Erste Ergebnisse der Bearbeitung mit hochrepetierender fs-Laserstrahlung zeigten dabei neuartige Effekte der Laser-Materie-Wechselwirkung, wie z.B. Wärmeakkumulation, Pulsabschirmung oder die Ausbildung von sich selbst organisierenden Mikrostrukturen. Wärmeakkumulationseffekte sind das Ergebnis hoher Pulsfolgefrequenzen und bewirken insbesondere bei der Bearbeitung von Materialien mit geringer Wärmeleitfähigkeit ein Absinken der Ablationsschwelle bzw. Ansteigen der Abtragrate. Bei Bearbeitungsfrequenzen von einigen hundert kHz kommt es dagegen zur Abnahme des Laserabtrages durch die Wechselwirkung des einfallenden Laserpulses mit der vom vorhergehenden Puls induzierten Materialdampf- bzw. Plasmawolke. Eine weitere Erhöhung der Bearbeitungsfrequenz bewirkt die Überkompensation der Abschirmungsverluste infolge thermischer Akkumulation.

Abtragsrate und Ablationsschwelle in Abhängigkeit der Pulsfrequenz bei der Bearbeitung mit hochrepetierender fs-Laserstrahlung
Stufenpyramide in Edelstahl, abgetragen mit unterschiedlichen Pulswiederholfrequenzen

Als weiteres Phänomen entstehen auf der mit Ultrakurzpuls-Laserstrahlung beaufschlagten Oberfläche Nanoripple und periodischen Mikrostrukturen. Form und Größe dieser Strukturen beeinflussen die Eigenschaften der Oberfläche (z.B. Benetzung, Reflexion) und können gezielt durch die Laserparameter verändert werden.

Durch Selbstorganisation entstandene laserinduzierte periodische Mikrostrukturen (Riffel, konische Strukturen), sowie Auswirkung der mikrostrukturierten Oberfläche auf das Benetzungsverhalten von Edelstahl.

Innerhalb des Projektes konnte eine Strategie zum definierten 3D-Laserabtragen mit maximalen Abtragraten von 1.8 mm³/min entwickelt werden. Durch Bearbeitungsgeschwindigkeiten von bis zu 10 m/s gelang im Vergleich zur 3D-Strukturierung mit herkömmlichen kHz-Lasersystemen eine mehr als 40fache Reduzierung der Prozesszeiten. Die Bearbeitung im Bereich der Abtragschwelle ermöglicht die gezielte Herstellung von 3D-Strukturen in kurzer Zeit und hoher Qualität. Höhere Laserleistungen können sich infolge großer wärmebeeinflusster Bereiche sowie der Ausbildung von Mikroformationen an der Materialoberfläche nachteilig auf die Bearbeitungsqualität auswirken. Anwendungsbeispiele im Bereich der Mikrostrukturierung sowie den Einfluss unterschiedlicher Bearbeitungsparameter auf die Qualität zeigen die folgenden Abbildungen.

Tiefenabtrag durch Linienscan bei variierender Pulsrepetitionsrate	2,5D Abtrag erzielt mit unterschiedlicher Pulsenergie, Abtragtiefe beträgt 96µm
3D Struktur in Edelstahl, Bearbeitungszeit unter 6 min	Hexagonale 3D Struktur in Kupfer

Derzeit limitieren begrenzte Ablenkgeschwindigkeiten der Scansysteme die Prozessgeschwindigkeit. Die Entwicklung innovativer Scankonzepte ist ein weiterer Projektschwerpunkt und konnte am Beispiel von Polygon- bzw. Resonanzspiegelscansystem mit Ablenkgeschwindigkeiten von mehr als 100 m/s erfolgreich demonstriert werden. Perspektivisch lässt die effiziente Umsetzung der hohen verfügbaren Laserleistungen den Erhalt qualitativ hochwertiger Abtragstrukturen in kürzester Bearbeitungszeit erwarten, was dieser Technologie neue Anwendungen im Bereich des Rapid Prototyping, des Rapid Microtooling und letzendlich auch des Rapid Manufacturing erschließt. Durch Hochrate-Mikrostrukturing mittels fs-Lasern mit Leistungen > 100W werden zukünftig völlig neuartige Gebiete für die Ultrakurzpuls-Lasertechnologie erschlossen.

Veröffentlichungen und Dokumente