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Schneller als die Wärme fließt Micreon 100% 100% 2019-11-21 10:31:17 Micreon - Laser Micro Machining
<div class="grid-parent grid-100 mobile-grid-100 tablet-grid-100"> <div class="header"> <h3>Hohe verarbeitungsqualit&auml;t macht den UKPlaser f&uuml;r die Industrie attraktiv </h3> </div> <div class="content" style="text-align:justify"> Der Einsatz von extrem kurzen Laserpulsen ist f&uuml;r die industrielle Materialbearbeitung zunehmend attraktiv, vor allem bei filigranen Strukturen und temperaturempfindlichen Werkstoffen. Aufgrund der technischen Charakterisitik bietet der Ultrakurzpuls-Lasrer hier neue M&ouml;glichkeiten hinsichtlich Pr&auml;zision und Verarbeitungsqualit&auml;t. </div> </div> <div class="grid-parent grid-100 mobile-grid-100 tablet-grid-100"> <div class="grid-parent grid-33 mobile-grid-100 tablet-grid-50"> <div class="grid-100 mobile-grid-100 tablet-grid-100"> <div class="content" style="text-align:justify"> Die Bearbeitung von Kunststoffen mithilfe von Lasern ist in der Industrie l&auml;ngst verbreitet, insbesondere zum Abtragen (Ablation) von Material, etwas beim Bohren, Schneiden oder Strukturieren. Das Laserverfahren ist generell f&uuml;r komplexe und feine Strukturen anwendbar, da sich der Laserstrahl flexibal ausrichten und star fokussieren l&auml;sst. </div> <div class="header"> <h5>Folgen unterschiedlicher Pulsdauer </h5> </div> <div class="content" style="text-align:justify"> Mit konventionellen Laserquellen sind theoretisch Aufl&ouml;sungen in der Gr&ouml;&szlig;enordnung der Laserwellenl&auml;nge erreichbar. Sie liegt beim Kohlenstoffdioxid-Laser (CO<sub>2</sub>-Laser) bei etwa 10&mu;m,m beim Titan-Saphir-Laser oder Neodym-Yttrium-Aluminium-Granat-Laser (Nd:YAG-Laser) bei etwas 1&mu;m. Praktisch erreichbarre Aufl&ouml;sungen mit konventionellen Lasern liegen jedoch je nach dem zu bearbeitenden Material etwas bei ein bis zwei Gr&ouml;&szlig;enordnungen h&ouml;her. Grund daf&uuml;r sind thermische Prozesse, bei denen das verbleibende Material z.B. durch Spannungen, Risse, Abplatzungen, Aufschmelzungen und Grate mechanisch gesch&auml;digt wird. </div> </div> </div> <div class="grid-parent grid-66 mobile-grid-100 tablet-grid-50"> <div class="grid-parent grid-100 mobile-grid-100 tablet-grid-100"> <div class="grid-50 mobile-grid-50 tablet-grid-50" style="text-align:center"> <div class="content"> <img src="http://www.micreon.de/imgs/micreon/article01.jpg" alt=""> </div> </div> <div class="grid-50 mobile-grid-50 tablet-grid-50" style="text-align:center"> <div class="content"> <img src="http://www.micreon.de/imgs/micreon/article02.jpg" alt=""> </div> </div> </div> <div class="grid-parent grid-100 mobile-grid-100 tablet-grid-100"> <div class="grid-100 mobile-grid-100 tablet-grid-100"> <div style="font-size:0.8em"> Biopolymer-Stent: links die mit einem Femtosekunden-Laser aus bioresorbierendem Kunststoff gefertigte Struktur der Gef&auml;&szlig;wandst&uuml;tze, rechts in der Detailansicht eien Fixierung f&uuml;r den R&ouml;ntgenmarker. </div> </div> </div> <div class="grid-parent grid-100 mobile-grid-100 tablet-grid-100"> <div class="grid-50 mobile-grid-100 tablet-grid-100"> <div class="content" style="text-align:justify"> Solche Sch&auml;digungen treten bei Ultrakurzpuls-Lasern (UKP-Lasern) aufgrund der deutlich k&uuml;rzeren Pulsdauer nicht auf. <br> <br> Nachteil konventioneller Laser ist auch, dass sie nur Material bearbeiten k&ouml;nnen, das zu ihrer spezifischen Wellenl&auml;nbge passt, also eine ausreichend hohe Absorption bei der eingestrahlten Wellenl&auml;nge aufweist. Diese Einschr&auml;nkung l&auml;sst sich durch die Verwendung von Ultrakurzpuls-Lasern vermeiden. </div> </div> <div class="grid-50 mobile-grid-100 tablet-grid-100"> <div class="content" style="text-align:justify"> Denn w&auml;hrend kontinuierlich bzw. mit niedrigen Pulsfrequenzen arbeitende Laser Materialien durch thermisches Aufschmelzen bearbeiten und sich damit nur f&uuml;r Werkstoffe eigenen, die ihre spezifische Wellenl&auml;nge gut absorbieren, tritt bei Ultrakurzpuls-Lasern aufgrund der kurzzeitig hohen Spitzenintensit&auml;t die Bedeutung der Wellenl&auml;nge immer mehr in den Hintergrund, sodass sie f&uuml;r nahezu alle Werkstoffe (auch transparente) geeignet sind. </div> </div> </div> </div> </div> <div class="grid-parent grid-100 mobile-grid-100 tablet-grid-100"> <div class="grid-66 mobile-grid-100 tablet-grid-50" style="background-color:#ddd;color:green;"> <div class="header"> <h5>Funktionsweise des <br>Ultrakurzpuls-Lasers </h5> </div> <div class="content" style="text-align:justify; font-size:0.9em"> Erreichen lassen sich die im ultrakurzpuls-Laser ben&ouml;tigten kurzen, hochenergetischen Pulse durch das Prinzip der Modenkopplung. Dabei werden die innerhalb des Lasers schwingenden Eigenzust&auml;nde (Moden) in m&ouml;glichst hoher Anzahl synchronisiert, um sehr kurze Lichtpulse zu erzielen, die durch die &Uuml;berlagerung eine extrem hohe Intensit&auml;tsverst&auml;rkung erfahren. Resultat ist, dass die hochenergetischen Lichtpulse &uuml;ber einen sehr kurzen Zeitraum einen vielfach h&ouml;heren Energeieintrag in den Werkstoff erm&ouml;glichen, als es die kontinuierliche Leistung des Lasers erm&ouml;glichen w&uuml;rde. Mit einer kontinuierlichen Leistung von 10W lassen sich so Pikosekunden-Impulse von einigen GW&bull;cm<sup>-2</sup> erzeugen. </div> </div> <div class="grid-33 mobile-grid-100 tablet-grid-50"> <div class="header"> <h5>Mikroexplosionen statt Aufschmelzen </h5> </div> <div class="content" style="text-align:justify"> W&auml;hren konventionelle Laser ihre Leistung kontinuierlich oder in Pulsen bis zu einigen Nanosekunden (10<sup>-9</sup>s) Dauer abgeben, liegen die Pulsdauern von UKP-Lasern im Bereich von Pikosekunden (10<sup>-12</sup>s) oder wenigen Femtosekunden (10<sup>-15</sup>s). Die besondere Wirkung von UKP-Lasern beruht daraus, dass die Dauer der laserpulse k&uuml;rzer als die f&uuml;r die W&auml;rmediffusion ben&ouml;tigte Zeit. </div> </div> </div> <div class="grid-parent grid-100 mobile-grid-100 tablet-grid-100"> <div class="grid-50 mobile-grid-100 tablet-grid-50"> <div class="content" style="text-align:justify"> Aufgrund der kurzzeitig sehr hohen Laserintensit&auml;t (<b>siehe Kasten</b>) ensteht so ein lokales Temperaturungleichgewicht, das nicht mit dem umgebenden Material ausgeglichen werden kann. Statt wie beim konventionellen Laser erst aufzuschmelzen und dann zu verdampfen, geht das mit einem UKP-Laserimpuls beaufschlagte Material sofort in den gasf&ouml;rmigern Aggregatzustand &uuml;ber (Sublimation). <br> <br> Obwohl solche Ultrakurzpulse Material in lokalen Mikroexplosionen abtragen, verl&auml;uft der Vorgang so schnell, dass das umgebende Material davon weitgehen unbeeinflusst bleibt. Auf diese Weise sind sehr geringe und pr&auml;zise Ablationsvolumen erreichbar, sodass auch d&uuml;nne Materialschichten abgetragen werden k&ouml;nnen. Damit lassen sich - je nach Schmelzpunkt und W&auml;rmeleitf&auml;higkeit des Materials - rund 100-fach feinere Strukturen erzeugen als mit konventionellem Laser. </div> <div class="header"> <h5>Materialbearbeitung in der Industrie </h5> </div> <div class="content" style="text-align:justify"> Aufgrund der hohen Fokussierbarkeit bei gleichzeitig sehr hohem Energieeintrag sind mittels Ultrakurzpuls-Lasern vor allem anspruchsvolle geometrische Bearbeitungsaufgaben m&ouml;glich. Genutzt wird das bei der Bearbeitung von Mikrostrukturen, wie beispielsweise dem Ausf&uuml;hren von hochpr&auml;zisen Bohrungen oder dem Schneiden von kleinsten Bauteilen. Ein wichtiges Einsatzgebiet der UKP-Technik f&uuml;r die Kunstoffverarbeitung findet sich in der Medizintechnik, etwa bei Biostents. <br> <br> Weiterhin dienen entsprechende Verfahren zur Aufbereitung und Funktionalisierung von Oberfl&auml;chen. Somit ist es mittels UKP-Laserbearbeitung m&ouml;glich, verschiedenste Oberfl&auml;chen hinsichtlich uhrer tribologischen Eigenschaften einzustellen und somit gew&uuml;nschte Charakteristiken hinsichtlich Haftung und Benetzbarkeit zu erzielen. Ein Beispiel ist hierf&uuml;r das Verhalten einer Oberfl&auml;che im Rahmen der Benetzung mit Fl&uuml;ssigkeiten, also die gezielte Erzeugung von hydrophilem oder hydrophobem (&quot;Lotuseffekt&quot;) Verhalten. </div> </div> <div class="grid-50 mobile-grid-100 tablet-grid-50"> <div class="grid-parent grid-100 mobile-grid-100 tablet-grid-100"> <div class="grid-100 mobile-grid-100 tablet-grid-100" style="text-align:center"> <div class="content"> <img src="http://www.micreon.de/imgs/micreon/article03.jpg" alt=""> </div> </div> </div> <div class="grid-parent grid-100 mobile-grid-100 tablet-grid-100"> <div class="grid-100 mobile-grid-100 tablet-grid-100"> <div style="font-size:0.8em"> Bohrung im Randbereich einer Kontaktlinse: <br> Solche mit einem UKP-Laser hergestellte Bohrungen dienen zur besseren Sauerstoffversorgung der Hornhaut. </div> </div> </div> <div class="grid-parent grid-100 mobile-grid-100 tablet-grid-100"> <div class="grid-100 mobile-grid-100 tablet-grid-100"> <div class="content" style="text-align:justify"> Weiterhin k&ouml;nnen Ultrakurzpuls-Laserverfahren auch zur Vorbereitung von unterschiedlichen Oberfl&auml;chen verwendet werden, die im Rahmen klassischer F&uuml;geverfahren verbunden werden sollen: &Uuml;ber das Aufbringen einer mikroskopisch dimensionierten Struktur in die zu f&uuml;gende Oberfl&auml;che lassen sich Qualit&auml;t und Blastbarkeit von Klebe- und Schwei&szlig;verbindungen steigern. Immmer umfangreicheren Einsatz im Bereich des konstruktiven Leichtbaus finden Kunstoff-Metall-Compounds. Der Einsatz von Ultrakurzpuls-Lasern schafft hier neue M&ouml;glichkeiten. &Uuml;ber eine Oberfl&auml;chenmodifikation werden an der Metalloberfl&auml;che mikroskopische Strukturen Strukturen erzeugt. Diese Hinterschnitte bietem dem im F&uuml;geprozess verfl&uuml;ssigten Kunststoff die M&ouml;glichkeit, sich hochfest mit dem Metall zu verzahnen. </div> <div class="header"> <h5>Attosekunden im Visier </h5> </div> <div class="content" style="text-align:justify"> Die Forschung versucht, UKP-Laser immer weiter hinsichtlich der Leistungsdichte zu optimieren. Ein Ziel ist hierbei, die Pulsl&auml;nge noch weiter zu reduzieren. Auch wenn sie noch nicht zur Materialbearbeitung eingesetzt werden, sind z.B. f&uuml;r die Spektroskopie und Grundlagenforschun bereits UKP-Laser anzutreffen, die mit der hohem Aufwand Pulsl&auml;ngen von einigen Attosekunden (10<sup>-18</sup>s) erzeugen. <p style="text-align:right;font-weight:bold;font-size:0.9em">Dr. Karlhorst Klotz </p> </div> </div> </div> </div> </div> <div class="grid-parent grid-100 mobile-grid-100 tablet-grid-100"> <div class="content" style="font-size:0.8em"> Quellenangabe: &copy; Carl Hanser Verlag, M&uuml;nchen - <b>Kunststoffe</b> 1/2018 </div> </div>

Schneller als die Wärme fließt

Hohe verarbeitungsqualität macht den UKPlaser für die Industrie attraktiv

Der Einsatz von extrem kurzen Laserpulsen ist für die industrielle Materialbearbeitung zunehmend attraktiv, vor allem bei filigranen Strukturen und temperaturempfindlichen Werkstoffen. Aufgrund der technischen Charakterisitik bietet der Ultrakurzpuls-Lasrer hier neue Möglichkeiten hinsichtlich Präzision und Verarbeitungsqualität.
Die Bearbeitung von Kunststoffen mithilfe von Lasern ist in der Industrie längst verbreitet, insbesondere zum Abtragen (Ablation) von Material, etwas beim Bohren, Schneiden oder Strukturieren. Das Laserverfahren ist generell für komplexe und feine Strukturen anwendbar, da sich der Laserstrahl flexibal ausrichten und star fokussieren lässt.
Folgen unterschiedlicher Pulsdauer
Mit konventionellen Laserquellen sind theoretisch Auflösungen in der Größenordnung der Laserwellenlänge erreichbar. Sie liegt beim Kohlenstoffdioxid-Laser (CO2-Laser) bei etwa 10μm,m beim Titan-Saphir-Laser oder Neodym-Yttrium-Aluminium-Granat-Laser (Nd:YAG-Laser) bei etwas 1μm. Praktisch erreichbarre Auflösungen mit konventionellen Lasern liegen jedoch je nach dem zu bearbeitenden Material etwas bei ein bis zwei Größenordnungen höher. Grund dafür sind thermische Prozesse, bei denen das verbleibende Material z.B. durch Spannungen, Risse, Abplatzungen, Aufschmelzungen und Grate mechanisch geschädigt wird.
Biopolymer-Stent: links die mit einem Femtosekunden-Laser aus bioresorbierendem Kunststoff gefertigte Struktur der Gefäßwandstütze, rechts in der Detailansicht eien Fixierung für den Röntgenmarker.
Solche Schädigungen treten bei Ultrakurzpuls-Lasern (UKP-Lasern) aufgrund der deutlich kürzeren Pulsdauer nicht auf.

Nachteil konventioneller Laser ist auch, dass sie nur Material bearbeiten können, das zu ihrer spezifischen Wellenlänbge passt, also eine ausreichend hohe Absorption bei der eingestrahlten Wellenlänge aufweist. Diese Einschränkung lässt sich durch die Verwendung von Ultrakurzpuls-Lasern vermeiden.
Denn während kontinuierlich bzw. mit niedrigen Pulsfrequenzen arbeitende Laser Materialien durch thermisches Aufschmelzen bearbeiten und sich damit nur für Werkstoffe eigenen, die ihre spezifische Wellenlänge gut absorbieren, tritt bei Ultrakurzpuls-Lasern aufgrund der kurzzeitig hohen Spitzenintensität die Bedeutung der Wellenlänge immer mehr in den Hintergrund, sodass sie für nahezu alle Werkstoffe (auch transparente) geeignet sind.
Funktionsweise des
Ultrakurzpuls-Lasers
Erreichen lassen sich die im ultrakurzpuls-Laser benötigten kurzen, hochenergetischen Pulse durch das Prinzip der Modenkopplung. Dabei werden die innerhalb des Lasers schwingenden Eigenzustände (Moden) in möglichst hoher Anzahl synchronisiert, um sehr kurze Lichtpulse zu erzielen, die durch die Überlagerung eine extrem hohe Intensitätsverstärkung erfahren. Resultat ist, dass die hochenergetischen Lichtpulse über einen sehr kurzen Zeitraum einen vielfach höheren Energeieintrag in den Werkstoff ermöglichen, als es die kontinuierliche Leistung des Lasers ermöglichen würde. Mit einer kontinuierlichen Leistung von 10W lassen sich so Pikosekunden-Impulse von einigen GW•cm-2 erzeugen.
Mikroexplosionen statt Aufschmelzen
Währen konventionelle Laser ihre Leistung kontinuierlich oder in Pulsen bis zu einigen Nanosekunden (10-9s) Dauer abgeben, liegen die Pulsdauern von UKP-Lasern im Bereich von Pikosekunden (10-12s) oder wenigen Femtosekunden (10-15s). Die besondere Wirkung von UKP-Lasern beruht daraus, dass die Dauer der laserpulse kürzer als die für die Wärmediffusion benötigte Zeit.
Aufgrund der kurzzeitig sehr hohen Laserintensität (siehe Kasten) ensteht so ein lokales Temperaturungleichgewicht, das nicht mit dem umgebenden Material ausgeglichen werden kann. Statt wie beim konventionellen Laser erst aufzuschmelzen und dann zu verdampfen, geht das mit einem UKP-Laserimpuls beaufschlagte Material sofort in den gasförmigern Aggregatzustand über (Sublimation).

Obwohl solche Ultrakurzpulse Material in lokalen Mikroexplosionen abtragen, verläuft der Vorgang so schnell, dass das umgebende Material davon weitgehen unbeeinflusst bleibt. Auf diese Weise sind sehr geringe und präzise Ablationsvolumen erreichbar, sodass auch dünne Materialschichten abgetragen werden können. Damit lassen sich - je nach Schmelzpunkt und Wärmeleitfähigkeit des Materials - rund 100-fach feinere Strukturen erzeugen als mit konventionellem Laser.
Materialbearbeitung in der Industrie
Aufgrund der hohen Fokussierbarkeit bei gleichzeitig sehr hohem Energieeintrag sind mittels Ultrakurzpuls-Lasern vor allem anspruchsvolle geometrische Bearbeitungsaufgaben möglich. Genutzt wird das bei der Bearbeitung von Mikrostrukturen, wie beispielsweise dem Ausführen von hochpräzisen Bohrungen oder dem Schneiden von kleinsten Bauteilen. Ein wichtiges Einsatzgebiet der UKP-Technik für die Kunstoffverarbeitung findet sich in der Medizintechnik, etwa bei Biostents.

Weiterhin dienen entsprechende Verfahren zur Aufbereitung und Funktionalisierung von Oberflächen. Somit ist es mittels UKP-Laserbearbeitung möglich, verschiedenste Oberflächen hinsichtlich uhrer tribologischen Eigenschaften einzustellen und somit gewünschte Charakteristiken hinsichtlich Haftung und Benetzbarkeit zu erzielen. Ein Beispiel ist hierfür das Verhalten einer Oberfläche im Rahmen der Benetzung mit Flüssigkeiten, also die gezielte Erzeugung von hydrophilem oder hydrophobem ("Lotuseffekt") Verhalten.
Bohrung im Randbereich einer Kontaktlinse:
Solche mit einem UKP-Laser hergestellte Bohrungen dienen zur besseren Sauerstoffversorgung der Hornhaut.
Weiterhin können Ultrakurzpuls-Laserverfahren auch zur Vorbereitung von unterschiedlichen Oberflächen verwendet werden, die im Rahmen klassischer Fügeverfahren verbunden werden sollen: Über das Aufbringen einer mikroskopisch dimensionierten Struktur in die zu fügende Oberfläche lassen sich Qualität und Blastbarkeit von Klebe- und Schweißverbindungen steigern. Immmer umfangreicheren Einsatz im Bereich des konstruktiven Leichtbaus finden Kunstoff-Metall-Compounds. Der Einsatz von Ultrakurzpuls-Lasern schafft hier neue Möglichkeiten. Über eine Oberflächenmodifikation werden an der Metalloberfläche mikroskopische Strukturen Strukturen erzeugt. Diese Hinterschnitte bietem dem im Fügeprozess verflüssigten Kunststoff die Möglichkeit, sich hochfest mit dem Metall zu verzahnen.
Attosekunden im Visier
Die Forschung versucht, UKP-Laser immer weiter hinsichtlich der Leistungsdichte zu optimieren. Ein Ziel ist hierbei, die Pulslänge noch weiter zu reduzieren. Auch wenn sie noch nicht zur Materialbearbeitung eingesetzt werden, sind z.B. für die Spektroskopie und Grundlagenforschun bereits UKP-Laser anzutreffen, die mit der hohem Aufwand Pulslängen von einigen Attosekunden (10-18s) erzeugen.

Dr. Karlhorst Klotz

Quellenangabe: © Carl Hanser Verlag, München - Kunststoffe 1/2018