Präzisionsbearbeitung von Polymeren und Formgedächtnislegierungen mit fs-lasern

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1 Präzisionsbearbeitung von Polymeren und Formgedächtnislegierungen mit fs-lasern Nikolas v. Freyhold Copyright Jenoptik, All rights reserved.

2 Implantat-Technologie gewinnt global an Bedeutung Herausforderungen für die Materialbearbeitung sind unter anderem: Polylactide (PLA, Polymilchsäure: biokompatibel und biologisch abbaubar) nicht-thermische Bearbeitung, Erweichungstemperatur ~ 65 C Kleinere Strukturen für Hypo Tubes, Mikrostents, etc. kosteneffiziente Mikro-Bearbeitung Oberflächenmodifikation für selektives Zellwachstum auf Implantaten gezielte Änderung von Oberflächeneigenschaften benötigt wird kalte, präzise und produktive Bearbeitungsmethode Femtosekunden-Laser! Vortrag MikroLas 2014 NF.pptx JENOPTIK Laser GmbH 2

3 Übersicht Tests und Ergebnisse Zusammenfassung und Ausblick Vortrag MikroLas 2014 NF.pptx JENOPTIK Laser GmbH 3

4 Jenoptik Business Unit Laser Unser Beitrag zur Mikro- und Präzisionsbearbeitung Laserstrahlquellen & Applikations-Know-how LLT Applikation GmbH, Ilmenau für Integratoren & Produzenten Vortrag MikroLas 2014 NF.pptx JENOPTIK Laser GmbH 4 4

5 Scheibenlaser für Mikro-Materialbearbeitung Prinzip und Vorteile Laser Prinzip Anregung (Pumpdioden) Heat sink Spiegel Laser Medium (dünne Scheibe) teildurchlässiger Spiegel Vorteile von Scheibenlasern Hervorragender Wirkungsgrad Sehr stabile Fokuslage dank effektiver thermischer Regelung Höchste Strahlqualität Vortrag MikroLas 2014 NF.pptx JENOPTIK Laser GmbH 5

6 installierte Laser Entwicklung scheibenbasierter fs-laser bei Jenoptik Preview 2014: 1. Installation 10W / 500 khz fs-laser (Mikromaterialbearbeitung) 2011: 1. Installation 5W fs-laser (Semi-/Display-Industrie) 2009: 1. Installation 4W fs-laser (Spektroskopie) 2006: 1. Installation 2W / 200 khz fs-laser (medizinische Anwendung) Jahre Vortrag MikroLas 2014 NF.pptx JENOPTIK Laser GmbH 6

7 JenLas femto 10 Dioden-gepumpter Femtosekunden-Scheibenlaser Preview: JenLas femto 10 Daten: P 10 W f = khz = fs M² 1.3 (TEM00) λ = 1030 nm, optional 515 nm (SHG) E p,max > 50 µj (IR) > 22 µj (grün) Einsatz: Mikromaterialbearbung (fast alle Materialien) Dünnschicht-Abtrag Spektroskopie Vortrag MikroLas 2014 NF.pptx JENOPTIK Laser GmbH 7

8 JenLas femto 10 Dioden-gepumpter Femtosekunden-Scheibenlaser Amplitudenmodulation Burst Modus, pulse on demand Vortrag MikroLas 2014 NF.pptx JENOPTIK Laser GmbH 8

9 JenLas femto 10 Dioden-gepumpter Femtosekunden-Scheibenlaser Spektrum (1030 nm) Typische Pulsform und sech²-fit (515 nm), ohne Vor- oder Nachpulse Vortrag MikroLas 2014 NF.pptx JENOPTIK Laser GmbH 9

10 Experimenteller Aufbau für Mikroschneiden 1. Laser 2. Real-Time Controller 3. Strahlaufweiter 4. Galvoscanner 5. F-Theta Fokussierlinse 6. Probe 7. Z-Stage Vortrag MikroLas 2014 NF.pptx JENOPTIK Laser GmbH 10

11 Übersicht Tests und Ergebnisse Zusammenfassung und Ausblick Vortrag MikroLas 2014 NF.pptx JENOPTIK Laser GmbH 11

12 Durchgeführte Experimente Präzisionsbearbeitung PLA s und NiTi mit fs-laser Fragestellung Bearbeitungsgeschwindigkeiten und Schnittqualitäten bei PLA im Vergleich zu Nitinol? Untersuchungen Optische Transmission und Absorption der PLA-Kunststoffe Ablationsschwellen (Schwell-Fluenzen) Ablationsraten Schnittgeschwindigkeiten Charakterisierung der Schneid-Ergebnisse Parameter-Optimierung für visuell beste Schnittqualität bei höchster Geschindigkeit Anwendungstests Materialeigenschaften Prozessführung Vortrag MikroLas 2014 NF.pptx JENOPTIK Laser GmbH 12 12

13 Untersuchte Materialien PLLA Poly-L-Lactid Kristallinität ~ 37%, Glasübergangstemperatur ~ 65 C Folie, T = 120 µm PDLLA Poly-DL-Lactid amorphe Struktur, Glasübergangstemperatur ~ 45 C Folie T = 120 µm Nitinol-Formgedächtnislegierung (für Vergleichszwecke) Rohr T W = 100 µm Vortrag MikroLas 2014 NF.pptx JENOPTIK Laser GmbH 13

14 Messung des Transmissionsspektrums PLLA und PDLLA (T = 120 µm) Unterschiede in der Absorption bei den Laser-Wellenlängen: A*(l Laser ) = T avg - T(l Laser ) Vortrag MikroLas 2014 NF.pptx JENOPTIK Laser GmbH 14

15 Unterschiede in der Absorption bei Laserwellenlängen PLLA und PDLLA (T = 120 µm) Abschätzung: A*(l Laser ) = T avg - T(l Laser ) Wellenlänge Transmission T(l) Absorption A*(l) nm PLLA PDLLA PLLA PDLLA Durchschnitt ,7% 91,4% 0 0 IR ,6% 91,2% 0,1% 0,2% SHG ,5% 91,0% 0,3% 0,3% für die Tests verwendet THG 343,5 90,1% 88,8% 2,7% 2,6% FHG 257,5 73,5% 86,5% 19,2% 4,9% 1030 nm, SHG, THG: sehr geringe Absorption Multi-Photonen-Effekte bei höheren Intensitäten möglich höhere Absorption (z.b. 2-Photonen-Absorption bei 515 nm) Vortrag MikroLas 2014 NF.pptx JENOPTIK Laser GmbH 15

16 D [µm] D² [µm²] Bestimmung von Ablationsschwellen (Schwell-Fluenzen) Lineare Regression Einzelpulse bei variierter Fluenz Φ Messung der resultierenden Ablationsdurchmesser D D² = a + b * ln Φ F [J/cm²] F [J/cm²] Vortrag MikroLas 2014 NF.pptx JENOPTIK Laser GmbH 16

17 Ablationsschwellen (Schwell-Fluenzen) PLLA, PDLLA, Nitinol, SUS304 Schwell-Fluenzen 1030nm 515nm PLLA 3.9 J/cm² 1.0 J/cm² PDLLA 3.2 J/cm² 0.5 J/cm² NiTi 2.9 J/cm² 2.2 J/cm² SUS J/cm² n.a. PLA-Kunststoffe: bei 515 nm deutlich niedrigere Schwell-Fluenzen Nitinol: geringe Abhängigkeit der Schwell-Fluenz von der Wellenlänge Vortrag MikroLas 2014 NF.pptx JENOPTIK Laser GmbH 17

18 Bestimmung von Ablationsraten Overlap bei Single Pass / Multi Pass Scribing Single Pass Multi Pass Overlap >> 0% Overlap = 0% Vortrag MikroLas 2014 NF.pptx JENOPTIK Laser GmbH 18

19 Ablationsraten PLLA (Single Pass Ablation) w h Ablationsrate: R = w * h * v Laserparameter: 100 khz 20µm spot size 1030 nm 400 fs Geschwindigkeitsabhängig, Maximum bei mm/s (~ 90 % Overlap) Ablationsrate durch höhere Fluenz und ggf. Multi Pass noch zu steigern Vortrag MikroLas 2014 NF.pptx JENOPTIK Laser GmbH 19

20 Optimierung für beste Schnittqualität / Geschwindigkeit Testbedingungen Single Pass und Multi Pass 100 khz Wiederholrate 1030 nm (20 µm Spot), sowie 515 nm (10 µm Spot) Variation von Geschwindigkeit und Pulsenergien Visuelle Beurteilung (Anzeichen für Schmelze? Qualität der Schnittkante?) Beispiele für schlechtere (li.) und bessere (re.) Schnittqualität in PLLA Vortrag MikroLas 2014 NF.pptx JENOPTIK Laser GmbH 20

21 Schnittgeschwindigkeiten für beste Schnittqualität PLLA, PDLLA, Nitinol, SUS304 Optimale Geschwindigkeit 1030nm, nm, 9.0 J/cm² Single pass a Multi pass b Single pass a Multi pass b PLLA (T=120µm) 19.2 mm/s 33.0 mm/s 3.1 mm/s < 0.2 mm/s PDLLA (T=120µm) 20.0 mm/s 40.0 mm/s 1.0 mm/s 1.2 mm/s NiTi (T=100µm) 3.3 mm/s c n.a. n.a. n.a. SUS304 (T=100µm) 1.0 mm/s c 2 mm/s d n.a. n.a. a Overlap ~90% b Eff. Geschw., Overlap 0% 30 J/cm² 19 J/cm² Schnittgeschwindigkeit PLA s: 1030 nm sehr viel höher als 515 nm (hier nichtlineare Absorption zu hoch?) Multi Pass / IR deutlich höher als Single Pass / IR mit Multi Pass / IR 5 bis 10 x höher als Nitinol! Vortrag MikroLas 2014 NF.pptx JENOPTIK Laser GmbH 21

22 Anwendungsergebnisse PLLA Schneiden von PLLA-Folie (T = 120 µm) Dreieckige Ausschnitte, Länge 500 µm, Stegbreite 30 µm Vortrag MikroLas 2014 NF.pptx JENOPTIK Laser GmbH 22

23 Anwendungsergebnisse PLLA Schneiden von PLLA-Folie (T = 120 µm) Parameter: Multi Pass, 1030 nm, 400 fs, 20 µm Spot, 25 Scans, effektiv 25 mm/s Vortrag MikroLas 2014 NF.pptx JENOPTIK Laser GmbH 23

24 Anwendungsergebnisse Nitinol Schneiden von NiTi-Rohr (T W = 100µm) Stent-artige Teststruktur Vortrag MikroLas 2014 NF.pptx JENOPTIK Laser GmbH 24

25 Anwendungsergebnisse Nitinol Schneiden von NiTi-Rohr (T W = 100µm) original sample surface fs laser cut Parameter: Single Pass, 1030nm, 400 fs, 10 µm Spot, 3.3 mm/s Vortrag MikroLas 2014 NF.pptx JENOPTIK Laser GmbH 25

26 Übersicht Tests und Ergebnisse Zusammenfassung und Ausblick Vortrag MikroLas 2014 NF.pptx JENOPTIK Laser GmbH 26

27 Zusammenfassung Schneiden von Polylactiden mit fs-laser im Vergleich zu NiTi Ergebnisse für PLLA und PDLLA Hervorragende Schnittqualität möglich (Strukturen bis < 30 µm, schmelzfreie Kanten) Mit 1030 nm signifikant höhere Schnittgeschwindigkeit als mit 515 nm (Faktor 10) Ursache noch nicht klar verstanden Multi Pass Prozess minimiert Wärmeeinfluss, ermöglicht höchste Geschwindigkeit 5- bis 10-fache Schnittgeschwindigkeit gegenüber Nitinol erzielt Schneiden von Polylactiden mit JenLas femto: Präzisionsbearbeitung mit bester Qualität und sehr hohen Geschwindigkeiten möglich. Vortrag MikroLas 2014 NF.pptx JENOPTIK Laser GmbH 27

28 Ausblick Weitere Untersuchungen Schnittqualität bei Puls-Repetitionsraten > 100 khz? Ursachen der signifikant kleineren Schnittgeschwindigkeit bei 515 nm? Dank: an die Co-Autoren: Klaus Stolberg, Susanna Friedel, Markus Röhner, Bert Kremser Fr. Sternberg & Team, Institut für Biomedizinische Technik, Universität Rostock Hr. Holtz, Class 4 Laser Professionals AG, Lyss, Schweiz Vortrag MikroLas 2014 NF.pptx JENOPTIK Laser GmbH 28

29 Mehr Jenoptik im Foyer Vortrag MikroLas 2014 NF.pptx JENOPTIK Laser GmbH 29