Fraunhofer ILT: Signifikant mehr Produktivität bei UKP-Lasern
© Foto Fraunhofer ILT, Aachen / Volker Lannert. Mit dem hybriden System aus frei programmierbarer Multistrahloptik und Galvo-Scanner kann ein Laserstrahl auf beliebig viele Einzelstrahlen aufgeteilt werden. Das daraus entstehende Muster lässt sich »on the fly« verändern und frei auf dem Werkstück positionieren.
Laser mit ultrakurzen Pulsen (UKP) bis hinunter in den Femtosekunden-Bereich sind in den letzten Jahren industriereif geworden. So manche Anwendung könnten sie mit der viel beschworenen »kalten Ablation« voranbringen – wenn sie denn mehr Durchsatz erreichen würden. Auf dem »4. UKP-Workshop – Ultrafast Laser Technology« im April 2017 in Aachen wird eine neue Generation Prozesstechnik diskutiert, die genau dort ansetzt.
Schon in den Neunziger Jahren verglichen Wissenschaftler die Materialbearbeitung mit Nano-, Piko- und Femtosekundenpulsen. Das Ergebnis war überraschend: Material wird mit den ultrakurzen Pulsen so schnell verdampft, dass kaum Wärme im Werkstück bleibt. Dabei sind die Oberflächen besonders glatt, die Schnitte äußerst präzise und der Prozess kaum materialabhängig.
Das war lange bekannt, aber erst in den letzten 10 Jahren haben die
komplexen Strahlquellen ein Niveau erreicht, welches einen 24/7 Einsatz
in der Industrie erlaubt. Inzwischen werden Systeme mit bis zu 100 Watt
in Stückzahlen verkauft. In der Mikromaterialbearbeitung haben sich
diese Systeme etabliert, gefragt sind inzwischen mehr Produktivität und
stärkere Laser. Die Entwicklung von Strahlquellen im kW-Bereich dafür
ist weit fortgeschritten, aber eine einfache Skalierung der Prozesse ist
nicht ohne Weiteres möglich - der »Flaschenhals« ist jetzt die
Prozesstechnik.
Wer ist schneller? Scanner versus Multistrahloptik
Neue UKP-Strahlquellen bieten mehr Leistung durch Repetitionsraten
bis in den MHz-Bereich oder durch höhere Pulsenergien. Für die hohen
Repetitionsraten zeigen neue Scannersysteme mit Polygonspiegeln
vielversprechende Ergebnisse. Der Spot muss dabei auf dem Werkstück
extrem schnell bewegt werden, damit nicht zu viele Pulse überlagert
werden und der entstehende Hitzestau die Qualität der Bearbeitung nicht
verschlechtert.
Scanner bieten eine hohe Flexibilität bei der zu bearbeitenden
Kontur, allerdings bewegen sie nur einen einzelnen Spot auf der
Werkstückoberfläche. Große Flächen mit wiederkehrenden Mustern lassen
sich effizienter mit sogenannten Multistrahloptiken bearbeiten.
Eine Multistrahloptik teilt einen einzelnen Laserstrahl in viele
Teilstrahlen auf. Das erfordert entsprechend höhere Laserpulsenergien
damit jeder Teilstrahl auch noch Material abtragen kann. Bislang erprobt
sind hier Mikrooptiken oder diffraktiv-optische Elemente, die aus einem
Laserstrahl ein festes Muster erzeugen. Angepasst an die Anwendung kann
das eine Linie sein, eine spezielle Kontur oder auch ein Muster aus
Hunderten von Einzelstrahlen.
Dynamische Multistrahloptik nutzt Flüssigkristalle
Bisher wird die Strahlformung in Multistrahloptiken durch die Beugung
des Laserstrahls an festen optischen Strukturen erreicht. Experten vom
Fraunhofer ILT haben jetzt ein System entwickelt, bei dem sich das
diffraktive Muster im 50-Hertz-Takt umschalten lässt. Dafür nutzen sie
Spatial Light Modulators (SLM), die mit Flüssigkristallen das nötige
Beugungsmuster erzeugen.
In einem Versuchsaufbau haben die Aachener Forscher das System
optimiert und zusammen mit einem Galvanometer-Scanner erprobt. Mit einer
passenden Optik werden die Bildfehler korrigiert, sodass auch große
Werkstücke mit hoher Präzision bearbeitet werden können.
Die programmierbare Vielstrahloptik ermöglicht gerade bei UKP-Lasern
mit höheren Pulsenergien eine deutliche Produktivitätssteigerung.
Anvisiert sind Anwendungen in der Mikroelektronik oder bei der
Texturierung von Oberflächen zum Beispiel im Konsumgüterbereich.
4. UKP-Workshop 2017
Produktivität und Prozesstechnik beim Einsatz von UKP-Lasern sind
wichtige Themen auf dem »UKP-Workshop – Ultrafast Laser Technology« am
26. und 27. April 2017 in Aachen. Spezialisten aus der Laserentwicklung,
der Verfahrenstechnik und der Industrie treffen sich dort inzwischen
zum vierten Mal, um neue Ergebnisse und Erfahrungen aus der Anwendung
auszutauschen. Mehr Informationen zur Veranstaltung finden Sie unter
www.ultrakurzpulslaser.de