Forschung & Entwicklung

Laserbohren von leistungsfähigen Mikrosieben

Mit lasergebohrten Mikrosieben mit Bohrungsdurchmessern unterhalb von 5 µm konnte eine neue Stufe beim Mikrobohren erreicht werden.

Wasser wird immer wertvoller, je trockener die Sommer werden. Entsprechend kommt der Aufbereitung des vorhandenen Wassers ein immer höherer Stellenwert zu. Wasseraufbereitung bedeutet unerwünschte Stoffe entfernen, reinigen, entsalzen, enthärten und recyceln. Und hier hat der Mensch noch ein weiteres Problem erzeugt: Mikroplastik – winzige Plastikteilchen die mittlerweile überall zu finden sind, wo Wasser hinkommt. Da Mikroplastik sehr viele Quellen hat, lässt sich der Eintrag nicht auf die Schnelle stoppen. Mit einer zusätzlichen Reinigungsstufe könnten Kläranlagen Mikroplastik weitgehend entfernen, aber das Verfahren ist teuer. Eine Lösung wären leistungsfähige Filter mit langen Standzeiten, wie sie lasergebohrte Mikrosiebe bieten.

Wasseraufbereitung bedeutet aber auch Bakterien und sonstige Keime zu entfernen. Dazu benötigt man Siebe beziehungsweise Filter mit Porendurchmesser im Mikrometerbereich. Bisher sind Membranfilter aus Kunststoff noch das Mittel der Wahl. Diese neigen allerdings zum Verblocken, lassen mitunter Keime durch, sind schlecht zu reinigen und ihnen bekommen die hohen Temperaturen über 100°C beim Sterilisieren nicht. Dazu haben sie eine breite Porengrößenverteilung und oft Fehlstellen. Abhilfe schaffen Mikrosiebe mit Bohrlöchern unter 5 µm Durchmesser, effizient hergestellt mit einem MultiBeamScanner.

Pulsar Photonics bohrt schon seit mehreren Jahren Mikrosiebe mittels UKP-(UltraKurzPuls)-Lasern für industrielle Anwendungen. „Während wir in den letzten Jahren für unsere Kunden vor allem Mikrosiebe mit Porengrößen im Bereich kleiner 20 µm hergestellt haben, geht der Trend hierzu aktuell immer mehr in Richtung kleinerer Bohrungsdurchmesser im einstelligen Mikrometerbereich“, berichtet Dr. Stephan Eifel, Geschäftsführer von Pulsar Photonics. „Wir haben mittlerweile Teile mit bis zu 35 Millionen Bohrungen von 5 µm Durchmesser, sowie mehreren Tausend Bohrungen von 3 µm Durchmesser hergestellt. In metallischen Dünnschichten waren es sogar 1,7 µm Durchmesser. Wir rechnen damit in dünnen Folien auch unter 1 µm Austritt zu schaffen.“

Um kleinere Austrittsdurchmesser unter 5 µm zu ermöglichen, muss der Fokusdurchmesser des UKP-Lasers weiter verkleinert werden. „Dazu können wir unsere selbst entwickelte Microscanoptik verwenden, eine Art Vorsatzobjektiv für einen Galvoscanner mit dem man den Laserstrahl durch ein Mikroskopobjektiv scannen kann. Damit schaffen wir Bohrungen mit Ausgangsdurchmessern im einstelligen Mikrometerbereich“, erklärt sich Stephan Eifel. Und die Prozessgrenzen sind noch nicht erreicht, das heißt sub-µm Durchmesser im Bohrungsaustritt sind durchaus denkbar. Hier liegt es aktuell nur an der geeigneten Messtechnik, um diese Bohrungen auch zu qualifizieren.

UKP-Laser erzeugt Mikrosieb

Beim UKP-Laserbohren wird der Laserstrahl auf eine Stelle am Werkstück fokussiert. Die Laserpulse verdampfen dabei den Werkstoff, wobei der Dampf das Material aus dem Bohrloch bläst. Dadurch entsteht eine Mikrobohrung im Werkstück. Die ultrakurzen Pulse erlauben es dabei auch Materialien zu nutzen, die mit herkömmlichen Lasersystemen bisher nur schlecht oder gar nicht bearbeitet werden konnten, ohne deren Gefüge zu beschädigen, wie Verbundwerkstoffe oder Keramik.

Durch die Aneinanderreihung vieler Bohrungen entsteht ein Mikrosieb. Speziell das Laserbohren mit einem UKP-Laser erlaubt eine große Materialauswahl. Lasergebohrte Mikrofilter haben verglichen mit Kunststoffmembranen eine wesentlich höhere Trennschärfe, dank einer definierten Porengeometrie und eine sehr glatte, leicht zu reinigende Oberfläche. Die Leistungen von lasergebohrten Mikrosieben übersteigen die herkömmlicher Polymermembranen nach allgemeiner Schätzung um mindestens ein bis zwei Zehnerpotenzen.

„Mittels Ätzen oder elektrochemischem Abscheiden lassen sich grundsätzlich schnell größere Siebflächen aus Nickel oder anderen Metallen herstellen, aber mit hohem Aufwand, unter viel Chemieeinsatz und entsprechender Umweltbelastung“, berichtet Stephan Eifel.

Der bevorzugte Werkstoff für Anlagen in der Lebensmitteltechnologie und Verfahrenstechnik ist Edelstahl. Edelstahl lässt sich mit UKP-Lasern optimal bearbeiten, problemlos sterilisieren, ist lebensmitteltechnisch zugelassen und zu den meisten Anlagenbauteilen kompatibel. Durch solche mittels Laserbohren produzierten Filter kann die Industrie mitunter sogar aufwendige Prozesse wie etwa Zentrifugieren ersetzen, was das Produkt schont. Da sich so erzeugte Filter im Einsatz sehr gut reinigen lassen, sind sie quasi endlos einsetzbar.

Nur, wenige Bohrlöcher reichen nicht für die Herstellung eines Mikrosiebes aus und das sukzessive Bohren dauert. „Wir sprechen hier von Prozesszeiten im Bereich von mehreren Stunden bis hin zu einem Tag und mehr auf der Anlage für die Herstellung eines Mikrosiebes mit 400 000 bis 2 Mio. Bohrungen in der klassischen Einzelstrahlbearbeitung“, bemerkt Stephan Eifel.

Wirtschafliche Herstellung

Die Herausforderung bei der Herstellung von lasergebohrten Mikrosieben besteht so in der wirtschaftlichen Herstellung einer solch großen Zahl an Bohrungen. Dies funktioniert nur durch eine Parallelbearbeitung in einem MultiBeam-Konzept. Dieses hat den Vorteil, dass sich durch eine Aufteilung des Laserstrahls in mehrere Strahlen die Laserleistung besser nutzen lässt. Da die Lochmuster bei Mikrosieben in der Regel periodisch sind, kann man durch eine Strahlteilung mehrere Bohrungen gleichzeitig herstellen und das Verfahren damit deutlich schneller machen. So lassen sich, je nach Anwendung, die Prozesse um den Faktor 6 bis 100 beschleunigen. Basis dafür ist ein MultiBeamScanner, ein von Pulsar Photonics entwickeltes Lasermodul zur massiven Parallelbearbeitung.

Beim Multistrahlbohren kommt es auf eine hohe Pulsenergie des UKP-Lasers an, die mit heutigen Lasern verfügbar ist. Gerade diese Technologie ermöglicht es die Kosten der Herstellung eines solchen Mikrosiebs deutlich zu reduzieren. „Hier sind wir noch nicht bei Werkstückgrößen im Bereich von Quadratmetern, das Potenzial zur Herstellung ist allerdings vorhanden“, sagt Stephan Eifel.

Bei Pulsar Photonics schafft man aktuell bis zu 100 Bohrungen/s mit dem Einzelstrahl für ein typisches Mikrosieb und mit sechs Strahlen bis zu 600 Bohrungen/s. Ist ausreichend Pulsenergie vorhanden kann ein Laserstrahl auch in bis zu 100 Strahlen aufgeteilt und die Bohrrate noch weiter erhöht werden. Die optimale Anzahl an Teilstrahlen wird dabei durch den Laserprozess und die Werkstückgeometrie festgelegt.

Aber je kleiner der Bohrdurchmesser je größer ist die Herausforderung eine große Fläche zu mikroperforieren. Bei Mikroskopobjektiven ist der Toleranzbereich für die Fokusposition auf dem Werkstück im einstelligen Mikrometerbereich und ein Werkstück so genau im Fokus zu halten ist ein Mess- und Regelungsproblem, das gelöst werden muss. Außerdem je kleiner die Bohrung, je mehr steigt die Lochdichte und aus zum Beispiel 35 Mio. Bohrungen werden dann schnell 100 Mio. Bohrungen und mehr pro Mikrosieb. Außerdem reduziert sich mit kleinerer Brennweite das Scanfeld, das heißt hier muss man neue Lösungen entwickeln.

So liefert das Laserbohren Mikrosiebe hoher Qualität mit gratfreien, kreisrunden Löchern, was momentan nur durch die Verwendung von Ultrakurzpulslasern machbar ist. Die kurze Pulsdauer verhindert die Wärmeeinleitung in das restliche Material und die Umgebung der Bearbeitungszone wird nicht in Mitleidenschaft gezogen, was die Präzision der Materialbearbeitung weiter erhöht. Das liefert wohldefinierte Bohrungen mit engen Toleranzen bei gleichzeitig sehr hoher Oberflächengüte.

Liefern kann Pulsar Photonics momentan metallische Mikrosiebe mit bis zu 250 mm Seitenlänge und mit 2 bis 35 Mio. Bohrungen. Die Bohrungsdurchmesser liegen bei einem typischen Dünnblech im Bereich von 3 bis 20 µm Durchmesser. Durch Verwendung der eigenen Microscanoptik hat man auch schon Bohrungen mit 1,7 µm Durchmesser geschafft.

von mn

www.pulsar-photonics.de

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