Lektion 13.6Mikro & NanoKapitel 13 · Mikro- und Nanofertigung

Femtosekundenlaser-Bearbeitung

Trägt Material mit ultrakurzen Laserpulsen ab, ohne zu schmelzen

Die Femtosekundenlaser-Bearbeitung schneidet, bohrt und strukturiert Material mit Laserblitzen, die weniger als eine Billionstelsekunde dauern. Jeder Blitz verdampft eine dünne Schicht, bevor sich Wärme ausbreiten kann, sodass die Kanten sauber statt angeschmolzen sind. Hersteller von Herzstents, Handy-Deckgläsern und Einspritzdüsen nutzen sie dort, wo schon geringer Hitzeschaden zählt.

Foto: paul_houle, CC BY-SA 2.0, via Wikimedia Commons

Femtosekundenlaser-Bearbeitung · die Maschine und ein Zoom auf die BearbeitungsstelleDie eingekreisten Zahlen entsprechen den Schritten unten; die zwei gerahmten Bilder zoomen auf die Stelle, wo Licht auf Material trifft.

So funktioniert es

Ultrakurze Pulse erzeugen. Ein Oszillator (der pulserzeugende Kern des Lasers) sendet eine gleichmäßige Folge schwacher Pulse aus. Jeder dauert einige zehn bis hundert Femtosekunden (eine Femtosekunde ist ein Millionstel einer Milliardstelsekunde).
Sie verstärken. Ein Verstärker streckt jeden Puls, erhöht seine Energie und staucht ihn dann wieder kurz. Dieser Trick, die Chirped-Pulse-Verstärkung, gewann 2018 den Nobelpreis für Physik.
Zielen und fokussieren. Ein Scanner (zwei schnell drehende Spiegel) lenkt den Strahl. Eine Linse bündelt ihn zu einem Fleck von wenigen Mikrometern Breite (ein Mikrometer, µm, ist ein Tausendstel Millimeter).
Kalte Ablation. Der Puls gibt seine Energie schneller ab, als die Atome Wärme an ihre Nachbarn weitergeben können. Eine dünne Schicht wird abgetragen (ablatiert), also als Dampf und Plasma (heißes, geladenes Gas) weggeschleudert, fast ohne Schmelzen.
Den Pfad abfahren. Hunderttausende Pulse pro Sekunde oder mehr zeichnen den programmierten Pfad Schicht für Schicht nach, um zu schneiden, zu bohren oder zu strukturieren. In klarem Glas fokussiert, können die Pulse sogar Kanäle schreiben, ohne die Oberfläche zu berühren.

Wichtige Fakten

Werkstoffe: Fast alles: Stahl, Titan, Nitinol (eine Formgedächtnislegierung), Glas, Saphir, Keramik, Polymere, sogar Augengewebe
Typische Teile: Herzstents, Mikrobohrungen in Einspritzdüsen und Leiterplatten, Ausschnitte in Handy-Deckgläsern, strukturierte Oberflächen
Bauteilgröße: Merkmale von etwa 1 µm bis zu Millimetern; Teile meist klein oder dünn (Rohre, Bleche, Folien)
Präzision: Meist einige Mikrometer; Merkmale bis hinab zu etwa 1 µm
Oberfläche: Saubere, gratfreie Kanten mit fast keiner Wärmeeinflusszone (dem durch Wärme veränderten Materialband)
Geeignete Losgröße: Prototypen bis zu großen Serien hochwertiger Teile (Stents, Handyglas, Batteriefolien)
Werkzeug- und Maschinenkosten: Kein Werkzeug; eine Laserarbeitsstation kostet meist einige hunderttausend Dollar
Geschwindigkeit: Hunderttausende Pulse pro Sekunde, doch langsamer Volumenabtrag: meist Kubikmillimeter pro Minute

Stärken und Grenzen

Stärken

Fast kein Hitzeschaden: keine Grate, angeschmolzenen Ränder oder Risse
Funktioniert an Glas, Saphir, Keramik und hitzeempfindlichen Kunststoffen
Details im Mikrometerbereich, ohne Werkzeugkontakt und ohne Werkzeugverschleiß
Kann das Innere von Glas verändern, ohne die Oberfläche zu berühren

Grenzen

Trägt Material im Vergleich zu herkömmlichen Lasern langsam ab
Laserquellen sind teuer und komplex
Pulsenergie, Rate und Überlappung abzustimmen ist heikel
Eignet sich für kleine Teile und dünne Querschnitte; Dämpfe müssen abgesaugt werden

Wo es eingesetzt wird

MedizinprodukteKoronarstents, Katheter, Mikronadeln
UnterhaltungselektronikHandy-Deckglas, Saphir-Kameraabdeckungen, Display-Ausschnitte
ElektronikMikro-Vias (winzige Löcher, die Leiterplattenlagen verbinden), Wafer-Vereinzelung
BatterienSchneiden und Strukturieren von Elektrodenfolien
AugenchirurgieHornhautlappen für LASIK, Schritte der Kataraktoperation
Automobil und LuftfahrtEinspritzdüsenbohrungen, Kühlbohrungen, reibungsmindernde Oberflächenstrukturen

So erkennen Sie es

Meist sieht man sie nicht: Die Merkmale sind mikrometerbreit und stecken versteckt in Stents, Handys, Leiterplatten und Motoren.
Schnittkanten an Glas oder Metall, die vollkommen sauber aussehen, ohne Brandfarbe, ohne Grat und ohne Kügelchen wieder erstarrten Metalls.
Unter der Lupe scharfe, runde Mikrobohrungen, oft leicht konisch (breiter auf der Seite, auf der der Laser eintrat).
Lasertexturiertes Metall, das in Regenbogenfarben schimmert: Die Pulse hinterlassen Rippel, fein genug, um Licht in Farben aufzuspalten.

Im Vergleich mit

Laserschneiden6.2ein kontinuierlicher oder länger gepulster Strahl schmilzt Material und bläst es weg; weit schneller, hinterlässt aber eine wärmebeeinflusste Kante.Focused Ion Beam13.5trägt Material mit einem Ionenstrahl (geladene Atome) im Vakuum ab; feiner, bis in den Nanometerbereich, aber viel langsamer.Zwei-Photonen-Polymerisation13.8nutzt dieselbe Art Laser zum Aufbauen statt Abtragen und härtet Harz nur im Fokus aus.

Ansehen

SME Media · Ein einfacher Überblick, was ultrakurze Pulse leisten können

CMS Laser · Stentartige Muster aus dünnen Metallrohren schneiden

Spectra-Physics an MKS Brand · Nahaufnahmen sauberer Mikroschnitte und -löcher

TRUMPFtube · Leiterplatten mit Produktionsgeschwindigkeit bohren

Echte Fotos ansehen

Wikipedia: Laserablation — wie gepulste Laser Material abtragen; wenige Fotos
Wikipedia: Ultrakurzer Laserpuls — was Femtosekundenpulse sind und wie sie erzeugt werden
Fotosuche auf Wikimedia Commons

Merken

Pulse, die kürzer sind als die Zeit, die Wärme zum Ausbreiten braucht, tragen Material ab, ohne es zu schmelzen.
Es bearbeitet fast jedes Material, auch Glas und Gewebe, mit Details im Mikrometerbereich.
Der Preis sind teure Laser und langsamer Abtrag, daher eignet es sich für kleine, hochwertige Teile.