Hochratelaserbearbeitung im Mikrobereich

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1 DIE HOCHSCHULE MIT 140JÄHRIGER TRADITION Hochratelaserbearbeitung im Mikrobereich Horst Exner, Robby Ebert, André Streek Technologietransferveranstaltung Innovative Fertigungstechnik, -verfahren und -planungsmethoden Oelsnitz,

2 Inhalt I. Einleitung Ziele, Motivation, Forschung II. Laserquellen und Anlagen kurze Übersicht III. Technologischer Randbedingungen Komponenten und Kompetenzen schnelle und ultraschnelle Strahlablenkung schnelle Strahlschaltung IV. Technologische Besonderheiten Grenzen der Geschwindigkeitssteigerung V. Ergebnisse / Beispiele 3D Schneiden Mikrobearbeitung mit fs - Laser Hochratebearbeitung mit cw - Laser

3 Einleitung Ziele: Steigerung der Produktivität von Lasermikroprozessen Erweiterung und Schaffung neuer Einsatzfelder für die Lasermikroverfahren Bildung einer technologischen Kernkompetenz im Bereich der Laserforschung Mittweida und im regionalen Umfeld Grundlagen / Rahmenbedingungen: rasante technische Entwicklungen im Bereich der Laserstrahlquellen: - seit 2007: Monomode cw-faserlaser mit Laserleistungen ab 3 kw - seit 2010: Monomode fs-slablaser mit Laserleistung bis 1 kw - seit 2012: Monomode pw-faserlaser mit Frequenzen einiger MHz keine adäquate Forschung in anderen Institutionen (2007) Beginn der Forschung: 2007 Projekt Rapid Microtooling mit laserbasierten Verfahren 2010 Nachwuchsforschergruppe ULMI 2012 Stiftungsprofessur Hochrate Mikrobearbeitung

4 Hochleistungslaserquellen (beispielhaft) CW - Ytterbium-Faserlaser Wellenlänge: 1070 nm Leistung: 3 kw mod. Frequenz: 2 khz M²: < 1,2 PW - Ytterbium-Faserlaser Wellenlänge: 1070 nm Leistung: 500 W P max : 10 KW Frequenz: 2 MHz M²: 1,2 τ H : ns fs Laser (Faserkonzept) Wellenlänge: 1030 nm Leistung: 15 W Frequenz: 25 MHz M²: 1,4 τ H : 180 fs E P : 7,2 µj

5 Anlagentechnik (beispielhaft)

6 Allgemeine Rand- und Rahmenbedingungen nötige Komponenten und Kompetenzen für die Hochrateprozesstechnik Kompetenzen sind an der Hochschule Mittweida / Laserinstitut vorhanden Komponenten müssen beschafft / neu entwickelt werden

7 Technologische Rand- und Rahmenbedingungen I. Annahme: energieäquivalentes Verhalten des Lasermikroprozesses cw: PLaser twirk pw: vscan ~ τp Hohe Ablenkgeschwindigkeiten des Laserstrahls nötig II. Forderung: äquivalentes Bearbeitungsergebnis zu konventionellen Prozessen Strukturauflösungen im µm-bereich gewünscht Schnelle Strahlschaltung im hohen Leistungsbereich notwendig Bsp.: Laserstrukturieren mit ns-pulsen (z.b.: Bohren, Metall im 100 µm Raster) Prozessparameter: IAV > 108 Wcm-2, w86 = 15 µm, PP 5000 W, 100 ns 2005: Q-switched Laser, fp 10 khz (PAV 5 W) τh τp = 1000 x τh 2013: Q-switched Faserlaser, fp = 1 MHz, (PAV = 500 W) τh v = 1 m/s τp = 10 x τh v = 100 m/s

8 Schnelle Strahlablenkung? Fliegende Optik / bewegtes Werkstück bis m/s möglich Galvanometerscanner bis 10 m/s Polygonscanner bis zu mehren km/s? gezielte Prozessgaszufuhr geringe Massenträgheit nur im Rastermodus ungünstiges hohe Geschwindigkeiten Beschleunigungsverhalten durch lange Brennweiten komplexe Ansteuerung und Scannfeldkorrektur unflexibel große Aperturen für kleine 2D nicht am Markt Fokusdurchmesser verfügbar

9 Schnelle Strahlablenkung mit Galvoscanner HighYag RLSK Schweißgalvo Brennweite: f = 600 mm Fasergekoppelt: fa-eff = 28 mm Scangeschw.: vscan = 10 m/s Fokusradius: w0 = 40 µm Min. Einwirkzeit: (cw) twirk = 7.8 µs Raylase Superscan 30 (SIC) I. II. III. f= 230 mm 500 mm 1200 mm fa = 30 mm vscan = 20 m/s 45 m/s 105 m/s w0 = 10 µm 30 µm 60 µm Min. Einwirkzeit: (cw) twirk = 1.0 µs

10 Schnelle Strahlablenkung mit Polygonscanner (Eigenentwicklung) Übersicht: Kompakter 2D Polygonscanner 8 Facetten (pat. Vielfachspiegelung) Freie Apertur: fa = 30 mm tangentiale Drehpunktkorrektur F-Theta-Optik: f = 480 mm (wechselbar, Scanfeld 0,4 x 0,4 m) Drehzahl: U/min 1333 Linien/s, vscan = 1048 m/s, veff = 666 m/s Kleinste Abmessung (< Raylase Superscan 30) Min. Einwirkzeit: (cw) twirk = 0.04 µs 20 mm

11 Schnelle Strahlablenkung mit Polygonscanner Problem: fertigungsbedingte Toleranzen in Kombination mit langen Brennweiten Lösung: spezifisches Konfigfile für den Polygon Korrekturdaten für jede Facette (Horizontal- und Vertikaloffset) Tang. 1 Pyr µm 1 mm Ablationsbild der Facetten nach Korrektur Ablationsbild der Facetten auf Stahl (weiteres Problem Einschwingverhalten des (500 W / 30 ns,2 MHz, 1000 m/s,10 x) Lasers)

12 Schnelle Strahlablenkung mit Polygonscanner (Versuchsanlage) Laser: PAV = 500 W ( ns / Pmax = 10 KW ) Fokusdurchmesser (1/e²) d86 = 40 µm M² = 1,2 ; Imax = W/cm² 20 µm Einzelpuls: MHz / 30 ns auf Si (Si3N4) bei 1000 m/s

13 Schnelle Strahlschaltung des Hochleistungslasers Akustooptische Modulation Elektrooptische Modulation Schwingungserzeugung durch Piezo Änderung der Polarisation der Strahlung durch E-Feld begrenzte Schallgeschwindigkeit Separation der Strahlung nötig Gitterperiode zu Strahlgröße bestimmt Effizienz Keine bewegten Massen Erzeugung eines Schall -gitters ( n) Nur spezielle Materialien (εr )

14 Schnelle Strahlschaltung des Hochleistungslasers mittels AOM Doppel AOM Konfiguration 2 gekreuzte Modulatoren Beugungsbild Beugungen 2D Effizienz Modulationstiefe 2 MHz Schaltzeiten Strahlradius Theorie: w86 fschalt (τp ) Simulation 1 mm 10 MHz 0,2 mm

15 Schnelle Strahlschaltung des Hochleistungslasers mit EOM Modulationstiefe (Kleinsignal) 40 MHz 100 MHz Thermogramm EOM Erwärmung des Kristalls Elektroden Kristall Effizienz Effizienz Verlust 5 mm

16 Schnelle Strahlschaltung - Zusammenfassung Bislang nur AOM bis 2,5 MHz einsetzbar bestehendes EOM Konzept (LiTa3O8) nicht für Hochleistungslaser geeignet Weitere Forschung: Mittelfristig:10 50 MHz durch opt. Schaltkonzept (noch im Versuchsstadium) EOM: Möglichkeit des Einsatzes von Quarz (εr ) hohe Schaltspannungen

17 Technologische Besonderheiten (Grenzen) Prozesse, die unmittelbar in Hochrateprozesse überführbar sind? 105 Modifizieren Härten Dispergieren Polieren Intensität [Wcm-2] Fügen / Generieren Trennen / Abtragen Wärmeleitschweißen Entschichten Tiefschweißen Strukturieren Lasersintern Schneiden Abhängig von therm. Materialparametern direkt max. P ~ 1/ t (in Grenzen) Ausweg Parallelisierung des Prozesses Nur dann, wenn. Einzel(puls)ereignisse vorliegen Keine Akkumulationseffekte (Wärme) Keine prozessrelevante Änderung der optischen oder thermodynamischen Materialparameter (Bsp. Bohren) Änderung der Materialparameter bzw. der Prozessmorphologie

18 Beispiele Trennen / Abtragen (Galvanometerscanner) 3D Innenschneiden von transparenten Materialien (fs - Laser) Galvoscanner hohe Geschwindigkeit durch Übergang vom Flächenscan zum 3D Konturbeschnitt BK 7 Quarzglas PMMA 1 mm Bearbeitungszeit: 1 2 min hohe Kantenqualität

19 Beispiele Trennen / Abtragen (Galvanometerscanner) 3D Mikrostrukturierung mit hochrepetierendem fs-laser Untersuchungen auch mit Resonanzscanner hohe Präzision, hohe Bearbeitungsgeschwindigkeit Bearbeitungszeit < 6min, 40 x schneller als mit Ti:Saphir fs-laser

20 Beispiele Trennen / Abtragen (Galvanometerscanner) 3D Mikrostrukturierung mit hochrepetierendem fs-laser (Galvoscanner) hydrophob hydrophil mit Hochleistungs-fs-Laser und Polygonspiegelscanner sind hohe Flächenraten realisierbar

21 Beispiele Trennen / Abtragen (Galvanometerscanner) Strukturieren und Schneiden cw - Faserlaser (3 kw) Feinschneiden Spitzenradius 15µm Periode 80 µm, v = 20 m/s, (eff: 4 m/s), P = 880W

22 Beispiele Trennen / Abtragen (Galvanometerscanner) Bohren mit Monomode-Faserlaser (3 kw) Frontseite Rückseite Edelstahl, Dicke 200 µm, P = 500 W, v = 600 m/min, Modulationsfrequenz 50kHz, Pulslänge 2 µs, 10 Überfahrten, Durchmesser Rückseite 17 µm, Aspektverhältnis 1:12, Bohrungen / s

23 Hochrate-Laserprozesse Beispiele Trennen / Abtragen (Galvanometerscanner) Feinschneiden mit Monomode-Faserlaser (3 kw) Edelstahl, d = 0,3 mm, 10 Bestrahlungen, Schnittlänge 0,56 m Bearbeitungsdauer 3 s effektive Schnittgeschwindigkeit 0,2 m/s

24 Hochratelaserbearbeitung Beispiele Trennen / Abtragen (Polygonscanner) Bearbeitung von Edelstahl mit cw-laser, P = 1 kw, v = 100 m/s 10 Bestrahlungen 25 Bestrahlungen

25 Hochratelaserbearbeitung Beispiele Trennen / Abtragen (Polygonscanner) Bearbeitung von Edelstahl mit cw-laser, P = 2 kw, v = 225 m/s 5 Bestrahlungen, Linienabstand 100µm

26 Beispiele Trennen / Abtragen (Polygonscanner) Entschichten mit cw und pw Laser NiCr (Dicke 2µm) auf Glas (cw) Si3N4 auf Si 1 MHz /1000 m/s 2 mm Abtragsrate ~ 1 µm / twirk (3kW) Abtragsrate ~ 3 µm / twirk (10 kw)

27 Vielen Dank für ihre Aufmerksamkeit