31. Mai 2017

Schneller zur Mikrostrukturierung


				
					Ultrakurzpulslaser

Ultrakurzpulslaser bringen höchste Präzision in die Mikro-Materialbearbeitung. Neue Konzepte sollen schnellere, produktivere Bearbeitungsprozesse ermöglichen.

Die acht Forschungspartner im Projekt eVerest haben sich viel vorgenommen. Bis 2018 wollen sie mit knapp 2,5 Millionen Euro Fördergeld des deutschen Bundesforschungsministeriums eine Laseranlage realisieren, die die Mikromaterialbearbeitung auf ein neues Produktivitätsniveau heben soll. Dafür wird diese zwischen schnellem Materialabtrag mit heißen Nanosekundenpulsen und dem kalten Einbringen feiner Mikrometerstrukturen mit Pikosekundenpulsen wechseln. Trotz ihrer Flexibilität soll die Anlage „ohne wesentliche Kenntnisse von Laserabtragverfahren bedienbar sein“.

Damit wären gleich mehrere Probleme der Mikromaterialbearbeitung gelöst. Während es bei bisher genutzten Ätzverfahren an Reproduzierbarkeit mangelt und die Prozesse hohe Fachkompetenz der Bearbeiter voraussetzen, stoßen bisherige Laserverfahren wahlweise an Präzisionsgrenzen oder es mangelt an Produktivität. Nanopulse lassen zu viel Material schmelzen, was der Präzision im Wege steht. Piko- und Femtosekundenlaser schaffen zwar dagegen saubere Mikrostrukturen – brauchen dafür allerdings ihre Zeit.

Geballte Kompetenz

Die Kombination von Kurz- und Ultrakurzpulstechnik verspricht, dieses Dilemma zu lösen. Damit das gelingt, bündelt das eVerest-Projekt die Expertise von vier hochspezialisierten Mittelständlern, drei Forschungsinstituten und einem Weltkonzern. Amphos als Spezialist für Ultrakurzpuls-Laser mit hoher Leistung entwickelt das flexible Piko-/Nanosekunden-Lasersystem. SCANLAB wird sein Knowhow im Bereich Scan-Systeme nutzen, um ein System zur hochdynamischen Positionierung des Laserfokus auf Freiformflächen zu entwickeln. Und um den Laserstrukturierungsprozess in-situ zu kontrollieren und vermessen, wird Precitec Optronik eine entsprechende Sensorik beisteuern. Als Integrator aus dem Anlagenbau tritt Sauer Ultrasonic an. Neben der Maschinenhardware wird die DMG-Mori-.Tochter die Prozesssteuerung entwickeln. Beim Automobilbauer Volkswagen soll die neue Anlage bis 2018 in den Probebetrieb gehen.

Neben den Industriepartnern übernehmen zwei Hochschulinstitute der RWTH Aachen und der FH Münster sowie das Fraunhofer-Institut für Lasertechnik (ILT) Aachen zentrale Aufgaben im Projekt. Das Labor für Photonik in Münster wird auf Basis von piezoangetriebenen Spiegeln einen z-Shifter realisieren, der den im Prozess ständig veränderten Fokus des Laserstrahls binnen Millisekunden anpassen wird. Die ILT-Forscher bringen dagegen ihr Prozess-Knowhow ein, um die Abtrags- und Politurverfahren im Wechselspiel der Nano- und Pikosekundenpulse zu optimieren. Ihre Kollegen an der RWTH werden sich der Algorithmen für Oberflächenparametrisierung, den Struktursynthesen und -visualisierung sowie der Lastpfade für die Bearbeitungsprozesse annehmen.

Zielmärkte im Automobil- und Maschinenbau

Ziel der eVerest-Partner ist die effizientere Herstellung von großformatigen 3D-Formwerkzeugen mit mikrostrukturierten Design- oder Funktionsoberflächen. Sei es für die Produktion edel anmutender Oberflächen in Innenräumen von Autos, Flugzeugen oder Zügen, seien es bionische Oberflächen mit optimierten Strömungs- oder Reibeigenschaften für Lager, Motoren, Flugzeuge oder hydraulische Systeme, oder seien es hochaufgelöste Druck-und Prägeformen.

Die Kombination von Nano- und Pikosekundenpulsen in einer Anlage ist der logische nächste Schritt, nachdem Leistung, Frequenzen und Zuverlässigkeit von Ultrakurzpulslasern seit Jahren zunehmen. Scan-Systeme, die Laserstrahlen mit Geschwindigkeiten von bis zu einem Kilometer pro Sekunde über Oberflächen lenken und Multistrahlsysteme, die Laserstrahlen mithilfe von diffraktiven Optiken in hunderte Teilstrahlen zerlegen, haben kalte Mikrobearbeitungsprozesse bereits stark beschleunigt. Die Verbindung mit der effektiven Nanosekundentechnik ist ein weiterer Schritt zum breiten industriellen Einsatz von Ultrakurzpuls-Lasern.

 
 
 
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