Forschung & Entwicklung

12 000 Bohrungen pro Sekunde mittels UKP-Laser

Ultrakurzpuls-Laser mit höherer mittlerer Laserleistung und mehr Pulsenergie versprechen mehr Durchsatz und höhere Effizienz. Damit lassen sich zum Beispiel Mikrofilter mit Lochgrößen bis unter einem Mikrometer viel schneller bohren.

Ultrakurzpulslaser mit Pulsdauern im Pikosekunden- und Femtosekundenbereich haben in den letzten Jahren einen enormen Aufschwung erlebt. Mehrere prozesstechnische Innovationen ermöglichen den industriellen Einsatz von UKP-Laserprozessen, wie zum Beispiel im Bereich der Consumer-Elektronik. Inzwischen sind Multi-100 W-UKP-Laser verfügbar, die eine signifikante Skalierung der entsprechenden Prozesse ermöglichen.

Die aktuelle Herausforderung ist es, neue Strahlführungs- und Prozesskonzepte zu entwickeln, um die großen mittleren Leistungen auf der Werkstückoberfläche zu verteilen. Die wesentliche Limitierung steckt jetzt in der Prozesstechnik: Lasersysteme mit hohen Repetitionsraten verlangen Scanner mit Geschwindigkeiten bis 1000 m/s, Lasersysteme mit hoher Pulsenergie erfordern neue Konzepte der Strahlteilung und -formung zur Verteilung der Energie.

Eine Möglichkeit, um die Pulsenergie besser zu nutzen, ist das Multistrahlkonzept bei dem ein Laserstrahl in viele Teilstrahlen geteilt wird. Inzwischen können Wissenschaftler vom Fraunhofer-Institut für Lasertechnik ILT mit diffraktiven optischen Elementen (DOE) mehr als 200 Teilstrahlen gezielt in der Mikro- und Nanostrukturierung einsetzen. Sie erreichen dabei eine Präzision im sub-Mikrometerbereich.

Das Multistrahlverfahren bewährt sich beim Bohren von Löchern in 10 bis 50 µm dicken Metallfolien. Konventionelle Verfahren wie das Ätzen erfordern hier Vor- und Nacharbeiten, die beim Laserbohren entfallen. Das Multistrahlverfahren funktioniert für periodische Strukturen und setzt ebene Oberflächen voraus.

Das Team des Fraunhofer ILT hat beim Mikrobohren eine hohe Präzision erreicht: Mit ihrem neuen Multistrahlsystem können die Aachener Bohrungen mit Durchmessern unter einem Mikrometer erzeugen. Der Abstand der Bohrungen lässt sich auf wenige Mikrometer reduzieren. Um den Durchsatz zu erhöhen, arbeiten sie mit einem DOE, das mehr als 200 Teilstrahlen erzeugt. Damit konnten sie bereits über 12 000 Bohrungen pro Sekunde mit einem Ausgangsdurchmesser von kleiner als 1 µm herstellen.

So lassen sich metallische Oberflächenfilter, mit denen bestimmte Partikel selektiv voneinander getrennt werden können, wirtschaftlich herstellen, beispielsweise Wasserfilter für multiresistente Keime oder für Mikroplastik sowie viele weitere Anwendungsmöglichkeiten in der Biotechnologie. Auch für die Lebensmittelindustrie ist der Einsatz von Mikrofiltern interessant, zum Beispiel im Bereich der Sterilfiltration. Möglich ist ebenso die Filtration von Feinstaub in PM-Klassen von 10 bis 1 oder in der Medizintechnik die mechanische Separation von weißen und roten Blutkörperchen.

Aktuelles Ziel ist es, die Bohrrate weiter zu steigern, ohne dabei Qualitätseinbußen zu verzeichnen. In naher Zukunft sind Bohrraten von 20 000 Bohrungen pro Sekunden absehbar. Mehr Informationen zu den neusten Trends und Gesprächsmöglichkeiten mit den Experten aus Industrie und Forschung bietet der ‚5. UKP-Workshop: Ultrafast Laser Technology‘ vom 10. bis 11. April 2019 in Aachen.

von mn

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