Laser in der Fein- und Mikrobearbeitung

Transkript

1 Dr.-Ing. Andreas Wetzig, Fraunhofer IWS Dresden

2 Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation 1916 Albert Einstein: theoretische Vorhersage des Lasers 1960 erste gepulste Lasertätigkeit in Rubin-FKL nachgewiesen (Mr. Maiman, USA) 1961 erster Nd-Glas-Laser 1964 erster cw CO 2 -Laser 1965 erster Einsatz des Lasers zum Bohren von Diamant (Herziger, D) 1969 erste Bearbeitungsanlage zum Bohren von Uhrensteinen (Herziger, D) 1978 erste Laserschneidanlage in einem Unternehmen 1995 erster Hochleistungsdiodenlaser zum Härten 2002 erster Hochleistungsfaserlaser zum Schweißen 2009 erster 5 kw-single-mode Faserlaser

3 Laser Weltmarkt Aufteilung nach Anwendungen (Optical Storage)

4 Laser Weltmarkt Aufteilung der Erträge nach Anwendungen in der Materialbearbeitung

5 Laser Weltmarkt Weltweite Umsätze von 1987 bis 2009 in der Lasermaterialbearbeitung

6 Laser Absorption und Emission Photonen können mit den Elektronen der Atome wechselwirken. Absorption energiereich spontane Emission stimulierte Emission Durch die Wechselwirkung eines Photones mit einem Elektron kann dieses absorbiert oder emittiert werden. E 3 E 2 h 12 E 3 E 2 h 21 E 3 E 2 h 21 2x h 21 Entscheidend ist der Energiezustand des Elektrons. E 1 energiearm E 1 E 1 herkömmliche Lichtquellen Laser

7 vollreflektierter Spiegel Resonator Laser (schematisch) Verlustenergie (Wärme) laseraktives Medium teildurchlässiger Spiegel Laseraktives Medium z.b. Festkörper, Gas, Organischer Farbstoff in flüssiger Lösung, Halbleiter, Plasma, Metalldampf Anregung (Energiezufuhr) z.b. Blitzlampen, elektr. Entladung (Gleichstrom oder Hochfrequenz), Pumplaser, Elektronenbeschleuniger Resonator stabil / instabil, mit / ohne frequenzselektive Komponenten Laserstrahl Eigenschaften des Lasers Anregungsenergie (Strahlung, elektr. Entladung) Wellenlänge, Leistung, Strahlqualität, Wirkungsgrad, Betriebsweise, Bauform, Herstellungskosten, Lebensdauer

8 Laser und thermische Strahlungsquelle Thermische Quelle: isotrope Emission Laser monochromatisch kohärent anisotrope Emission Polarisierbarkeit Dauerstrich oder Pulsbetrieb Laserquelle: gerichtete und gebündelte Emission L minimale Abmessung a >> l / 2 Nutzungsgrad μ (D / L) 2 << 1 D minimale Abmessung a ³ l / 2 Nutzungsgrad 1

9 Laser: Wellenlänge

10 Laser: Einfluss der Wellenlänge Silizium Reflektion R Absorptionskoeffizient (cm -1 ) Wellenlänge [µm] Seite 1

11 Laser: Pulsdauer Art der Anregung Anregung der Elektronen Molekülschwingung Gitterschwingung

12 Laser: Einfluss der Pulsdauer

13 Laser: Einfluss der Wechselwirkungszeit und Leistungsdichte Leistungsdichte E in W/cm² Flächenabtr. - Mikrostrukturierung, - Reinigen Bohren Formabtrag, Strukturieren Bohren Reinigen Bohren Schneiden Schweißen Härten Wechselwirkungszeit in s

14 Festkörperlaser Resonatorspiegel Laserstab Resonatorspiegel Prinzip Licht von Blitzlampen oder Diodenlasern zum Pumpen Laseraktives Medium ist ein dotierter Kristall Resonator, bestehend aus reflektierendem Rückspiegel und teildurchlässigem Auskoppelspiegel Doppelelliptischer Reflektor Anregungslampen Blitzlampen, Bogenlampen

15 Festkörperlaser Konzept des Scheiben- und Faserlasers Wärme Resonator Temperatur Pumplicht Radius

16 Laser: Strahlqualität r 0 Strahltaille 0 r 0 0 = r F F r F F Quelle : א (Aleph),

17 Geometric optic Aberration limit Focusing of Laser beams: LA m : longitudinal spherical aberration TSA m : transverse spherical aberration TSAm

18 Geometric optic For singlet lenses, the smallest beam diameter d MS at plane MS can be computed from third order aberration theory. The result is: Aberration limit d MS = f blur f: focal length blur : full angle angular blur blur = (d 0 /f)³[ n² - (2n+1)K + (n+2)k² / n ] / 32(n-1)² d 0 : input beam diameter K: shape factor => K = R2 / ( R2 -R1)

19 Geometric optic d MS = f blur Aberration limit f = 50 mm d 0 = 8 mm K = 1 n = blur = (d 0 /f)³. F(K,n) = (8/50)³ x d MS = 14 µm However, there is also other limit that must be consider! The diffraction limit!

20 Physical Optics Focusing of Laser beams: Diffraction limit d diff = f diff f: focal length d diff : diameter of the first ring of the Airy pattern Airy rings diff = 2.44 / d 0 d 0 : input beam diameter

21 Physical Optics Focusing of Laser beams: d MS = f blur f = 50 mm d 0 = 8 mm K = 1 n = d MS = 14.3 µm Aberration limit d diff = f diff = nm d diff = 9.7 µm Diffraction limit In this case: spot size is limited by ABERRATION!

22 Focusing of Laser beams Large beam diameter and short focal length Spot size dominated by aberration Small beam diameter and long focal length Spot size dominated by diffraction

23 Festkörperlaser Frequenzvervielfachung Festkörperlaser ermöglichen: Frequenzverdopplung Frequenzverdreifachung Frequenzvervierfachung nm 532 nm 355 nm bei % Wirkungsgrad 532 nm FK-Laser = nm nm

24 Festkörperlaser Pulsbetrieb durch Güteschaltung Intensität und Dauer des Laserpulses hängen von der Schnelligkeit des Schalters ab: Prisma, AOM, EOM Leistung: einige MW Pulsdauer: wenige ns Modulator Laser-Medium Modulator-Steuerung

25 Excimerlaser verschiedene Gasmischungen Entladungszone XeF: 351 nm Excimerlaserstrahl XeCl: 308 nm KrF: 248 nm ArF: F 2 : 193 nm 157 nm U HV Rückspiegel Auskoppelspiegel Kühler Gebläse Gasreservoir

26 Verfahren der Mikrobearbeitung Mikrobearbeitung: Laserleistung < 1000 W Bearbeitungsgröße < 1 mm Schweißen Laserschneiden Laserschweißen Laserbohren Laserstrukturieren Laserreinigen Schneiden Reinigen Strukturieren Bohren

27 Grundlagen der Mikrobearbeitung Laserstrahl Wellenlänge, Pulsdauer Repetitionsrate f Energiedichte E Expandierend Plasma/ Dampf/Partikel, d e für die meisten Materialien höhere Tiefenpräzision beim Abtrag mit mehreren Pulsen Auflösungsvermögen der Optik geringere thermische Eindringtiefe geringere Abtragstiefe geringere wärmebeeinflusste Zone Schicht zu erhaltender Untergrund Absorptionsschicht Dicke: d d e = 1/ ( ) Abtragsbereich Wärmeeinflusszone

28 Verfahren der Mikrobearbeitung direkt schreibendes Verfahren d roh d f 2 M f d roh Scanner Laser d f Die kleinstmögliche Struktur ist durch Form, Durchmesser und Wellenlänge des Laserstrahles bestimmt: Planfeldoptik typisch: 5 30 μm, kreisrund

29 Verfahren der Mikrobearbeitung direkt schreibendes Verfahren kartesische Achsen: Kartesische Bewegungssysteme mit bis zu 5 NC- Achsen Aufteilung in Werkzeug- und Werkstückachsen Quelle: Rofin Anwendungen Feinschneiden und Feinschweißen

30 Verfahren der Mikrobearbeitung direkt schreibendes Verfahren kartesische Achsen: Kartesische Bewegungssysteme mit bis zu 5 NC- Achsen Aufteilung in Werkzeug- und Werkstückachsen Anwendungen Feinschneiden und Feinschweißen Quelle: Rofin

31 Verfahren der Mikrobearbeitung direkt schreibendes Verfahren 2D-Strahlablenkung: Strahlablenkung durch zwei Galvanometer (Scanner)- Spiegel Synchronisation mehrerer Ablenkköpfe möglich Anwendungen Sublimations- Schneiden, Strukturieren, Reinigen

32 Verfahren der Mikrobearbeitung direkt schreibendes Verfahren 2D-Strahlablenkung: Strahlablenkung durch zwei Galvanometer (Scanner)- Spiegel Synchronisation mehrerer Ablenkköpfe möglich Anwendungen Sublimations- Schneiden, Strukturieren, Reinigen

33 Verfahren der Mikrobearbeitung Maskenprojektionsverfahren Maske g f f Homogenisierung Homogenisator Laser g -f b f Maske Auflösungsvermögen des Objektivs bestimmt die Abmessungen der minimalen Bestrahlungsfläche: typisch: 0,5 5 μm Objektiv PC-Steuerung

34 Verfahren der Mikrobearbeitung Maskenprojektionsverfahren Synchrones Scannen von Maske und Probe ermöglicht die Übertragung von Flächen, die größer als die gleichzeitige Bestrahlungsfläche sind.

35 Verfahren der Mikrobearbeitung Laserinterferenz E n j 1 E j 0 e ik sin j x cos y sin j j ~mm-cm ~ sub-μm μm p 2 sin / 2 Flächenbearbeitung durch Überlagerung mehrerer Teilstrahlen: typisch: 0,1 1 μm Flächenrate: bis zu 50 cm 2 /s y z x j j

36 Verfahren der Mikrobearbeitung Laserinterferenz Flächenhaftes Einbringen von periodischen Strukturen im Submikrometerbereich hohe Pulsenergien von einzelnen Joule nötig

37 Feinschneiden Laser: Nd:YAG-Laser cw-faserlaser Scheibenlaser Nitinol oder Cr-Ni-Stähle O 2, Ar (Nitinol), Luft Ø der Rohre: 1 10 mm Wandstärke: μm Länge des geschnittenen Stents: bis 300 mm Quelle: Rofin

38 Feinschneiden Anforderungen: Konturgenauigkeit ± 5 μm Schnittspalt 15 μm Bearbeitungszeit für Teil mit 20 mm Länge: ca. 60 s 24 h-betrieb Quelle: Rofin

39 Feinschneiden technische Umsetzung: 2, 3 und 4-Achssysteme Automatisierte Teilezufuhr Wasserspülung beim Schneiden von Nitinol Quelle: Rofin

40 Feinschneiden Gräben und Sacklöcher zur Medikamenteinlagerung schräge Schnittkanten zum Einstellen von mechanischen Eigenschaften Quelle: Rofin

41 Feinschweißen Punktschweißen eines Getriebebauteils (Stahl) Laser: gepulster Nd:YAG Pulsdauer: einige ms Pulsspitzenleistung: bis 20 kw (für Al) Leistungen: W Quelle: Trumpf

42 Feinschweißen (Naht-)schweißen eines Rohres (Ø 1,5 mm, Wandstärke 0,4 mm) aus Cr-Ni-Stahl eines Drahtes Ø 300 μm, Schweißzeit 50 ms einer Folie 35 μm, Schweißzeit 3 ms cw-faserlaser W Quelle: SPI

43 Feinschweißen Nahtschweißen Getriebebauteil aus härtbarem Stahl (200 W, 1 m/min) Feder (Einspritzdüse) aus Cr- Ni-Stahl (300 W, 5 m/min) Faltenbalg aus Al (200 W, 1 m/min) Feder, Nahtbreite 400 μm Quelle: Rofin Faltenbalg, Nahtbreite 500 μm

44 Bohren Quelle: IFSW Stuttgart Einzelimpulsverfahren: Durchmesser bis 0.25 mm Tiefe bis 2 mm ein Puls in TEM 00 -Mode Perkussionsverfahren: Durchmesser bis 1 mm mehrere Pulse Trepanierverfahren Durchmesser > 1 mm

45 Bohren Vergleich zwischen Perkussion und Trepanieren: Si-Wafer, Dicke: 550 μm Nd:YAG: UV 355 nm Bohrdauer 5 s Bohrdauer 10 s Quelle: Lambda Physik

46 Bohren 355 nm 532 nm Perkussionsbohren: Stahlfolie Dicke: 75 μm Nd:YAG: UV bzw. grün Applikation: Filter für Automobilindustrie Gratbildung an Oberseite Locheintritt Lochaustritt

47 Bohren Source: Lambda Highlight Perkussionsbohren: Stahl: 1 mm Nd:YAG: 1064 nm IR Applikation: Einspritzdüse Taktzeit, Kosten Locheintritt Lochaustritt

48 Bohren Perkussionsbohren: vollkeramische Düse für Satelittenantrieb Nd:YAG: 1064 nm IR Bohren von Sacklöchern als Vorbereitung zur Herstellung eines Keramik- Metallverbundes Locheintritt Lochaustritt

49 Strukturieren Laser Interference Patterning: Strukturierenvon Polymeren Überlagerung von zwei Teilstrahlen Lochaustritt

50 Strukturieren Laser Interference Patterning: Strukturieren Apatit-(CaOH) Ca 5 (PO 4 ) 3 (OH) Verbesserung der Biokompatibilität Quelle: Spectra Physics Lochaustritt 1 Puls, 6 W/cm²(0,6 J/cm² Pulse) 20 Pulse, 10 W/cm²(1 J/cm² Pulse)

51 Strukturieren Laser Interference Patterning: Strukturieren der Zylinderlaufflächen in Verbrennungsmotoren (Stahl) Verringerung des Reibungskoeffizienten Locheintritt Kugel-Scheibe-Test Lochaustritt

52 Strukturieren Maskenprojektion: Strukturieren von Mondscheiben partielles Entfernen der DLC- Schicht von Au-Blech Excimerlaser: 248 nm Locheintritt Lochaustritt

53 Strukturieren Maskenprojektion: Erzeugen von Grabenstrukturen für mikrofluidische Anwendungen Glaskeramik Excimerlaser: 248 nm Locheintritt Lochaustritt

54 Strukturieren Innengravur: Erzeugen von Innengravuren in Glas Zündung eines Mikroplasmas gütegeschalteter Nd:YAG Laserstrahl Locheintritt Fokus Optik Rissstruktur transparentes Werkstück (Glas) Lochaustritt

55 Strukturieren Laserformabtrag: Rutschminimierung von polierten Natursteinoberflächen durch Strukturieren Rissentstehung führt zum Materialabtrag gütegeschalteter Nd:YAG Locheintritt Lochaustritt

56 Strukturieren Laserformabtrag: on-the-fly -Bearbeitung des durchlaufenden Material mit 4 Scanner-Systemen Mehrere Anlagen europweit im Einsatz mobile Station verfügbar Locheintritt Lochaustritt

57 Reinigen Laserabtrag in der Restauration: Entfernung von Verschmutzungen, Verwitterungen, Farben u.ä. Materialien: Stein, Bronze, Gold, Hölzer gütegeschalteter Nd:YAG Locheintritt Lochaustritt

58 Reinigen Laserabtrag in der Restauration: Entfernung von Farbe auf goldplatierten Skulpturen spezieller mobiler gütegeschalteter Nd:YAG-Laser Locheintritt Lochaustritt

59 Reinigen Technisches Reinigen: Entfernung von Phosphatschichten zur Fügestellenvorbereitung Getriebebauteil gepulster Faserlaser 20 W

60 Aufteilung der Laser nach Anwendung Mikro Makro

61 Zusammenfassung Mikrobearbeitung mit dem Laser ein Archipel von Möglichkeiten Feinschweißen und Feinschneiden etablierte Verfahren in der Industrie Bohren, Strukturieren und Reinigen haben noch nicht das ganze Potential entfaltet vorwiegend Einsatz gepulster Laser bis Nanosekunden Zunehmender Einsatz von scheiben- und faserbasierte Laser mit Pikosekundenpulsen