Ultrakurze Laserpulse für effizienten Materialabtrag

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1 36 l S Ultrakurze aserpulse für effizienten Materialabtrag Um eine hohe Bearbeitungsqualität zu erreichen, muss die Repetitionsrate von UKP-Systemen erhöht werden. Problematisch war bisher die SYNCHRONISATION von Pulszug und linearer Markierbewegung. Ein neues Verfahren erlaubt es, präzise räumliche Oberflächenstrukturen mit hoher Oberflächenqualität zu generieren. Bild 1. Topografie der Schweiz in Stahl , hergestellt mit einem SE Polygon- ine-scanner bei λ = 1064 nm, w 0 = 29 µm, f r = 4,1 MHz, P av = 26 W, 2233 Ebenen BEAT NEUENSCHWANDER UND BEAT JÄGGI In der industriellen Mikrobearbeitung gewinnen ultrakurze aserpulse zunehmend an Bedeutung. Als ultrakurz bezeichnet man allgemein aserpulse von einigen Pikosekunden (ps, s) oder Femtosekunden (fs, s) Dauer. Wie extrem kurz diese Pulsdauern sind, soll folgender Vergleich veranschaulichen: Für die Strecke Erde Mond benötigt das icht rund 1,25 s; in einer Piko - sekunde legt das icht aber nur eine Strecke von 300 µm zurück, also rund drei Haardicken. Ultrakurze aserpulse sind also im wahrsten Sinne des Wortes wirklich kurz. Aufgrund der sehr kurzen Einwirkzeit kann die Energie des Pulses (die Pulsenergie) sehr lokal deponiert werden und gelangt kaum über Wärmeleitung ins umgebende Material. Das Material wird fast instantan verdampft. Dadurch wird eine Bearbeitung mit minimaler thermischer Belastung und mit minimaler Wärmeeinflusszone (WEZ) realisierbar. Das wiederum führt zu einer außerordentlich hohen Bearbeitungsqualität (Bild 1). Entgegen der lange Zeit vorherrschenden Meinung sind ultrakurze aserpulse für den Materialabtrag bei vielen Materialien, insbesondere auch bei Metallen, wesentlich effizienter als kurze Pulse mit Pulsdauern von einigen Nano - sekunden und mehr (Diagramm 1). > KONTAKT INSTITUT Institute for Applied aser, Photonics and Surface Technologies APS, Berner Fachhochschule BFH-TI CH-3400 Burgdorf Tel Bilder: Berner Fachhochschule

2 l S 37 Diagramm 1. Maximale spezifische Abtragrate (abgetragenes Volumen pro Zeit und mittlerer eistung) für Kupfer als Funktion der Pulsdauer Diagramm 2. Spezifische Abtragrate für Kupfer als Funktion der Peak- Fluenz (und damit auch der Pulsenergie) für Kupfer. Die Grafik zeigt den Vergleich zwischen Messwerten und einem physikalischen Modell Bild 2. Quadratische Säulen: a) im Normal -Modus mit dem Beschleunigungs-Problem, b) im Sky-Writing Modus mit unscharfen Rändern und reduzierter Steilheit, c) synchronisiert mit maximal möglicher Steilheit und scharfen Rändern The hardest materials machined to perfection saphirwerk.com MIKROPRODUKTION 04/15

3 38 l S Bild 3. Haifischhaut-Struktur in Stahl , hergestellt mit IntelliScan se 10 bei λ = 532 nm, w 0 = 6 µm, f r = 2 MHz. inks mit unbehandelter Ausgangsoberfläche und rechts mit polierter Ausgangsoberfläche Dabei gilt es aber Folgendes zu beachten: Aufgrund der kurzen Einwirkzeit und der sehr lokalen Deposition der Energie wird nur ein entsprechend kleines Volumen verdampft, und die benötigte Pulsenergie ist deshalb relativ klein. Zwar steigt das abgetragene Volumen pro Puls weiter mit der Pulsenergie an, dieser Anstieg wird aber immer kleiner. Der Prozess verliert damit an Effizienz, und die Bearbeitungsqualität nimmt massiv ab. Maximale spezifische Abtragrate Die spezifische Abtragrate zeigt also bei einer Bild 4. Stahl , bearbeitet bei f r = 2,05 MHz und P av = 12,5 W (links) sowie bei f r = 6,83 MHz und P av = 42 W (rechts) gewissen Pulsenergie und damit Fluenz (Pulsenergie pro Fläche) einen Maximalwert, und genau dort ist die Effizienz des Abtragprozesses maximal und die eistung wird optimal umgesetzt. Es ist natürlich das Ziel, an diesem optimalen Punkt zu arbeiten, um die Energie und eistung auch maximal umsetzen zu können. Die benötigte Fluenz ist dabei aber klein, und das heißt, dass bei höherer mittlerer eistung entweder die Fläche vergrößert werden muss oder mehr Pulse pro Zeit emittiert werden müssen, also die Repetitionsrate ansteigt. Effiziente Bearbeitung bedingt hohe Repetitionsrate Um die für die Mikrobearbeitung nötige Präzision zu gewährleisten, kommt eigentlich nur etzteres infrage. Das heißt, eine effiziente Bearbeitung bedingt eine hohe Repetitionsrate. Das würde bei einem Strahlradius von 25 µm für 10 W mittlere eistung bei Kupfer oder Stahl eine Repetitionsrate von 460 khz respektive 2,75 MHz bedeuten Repetitionsraten, wie sie von heutigen UKP-Systemen teilweise bereits zur Verfügung gestellt werden. Um eine gute und möglichst glatte Oberfläche zu erhalten sowie die übermäßige Akkumulation von Wärme zu verhindern, sollte der Puls-zu-Puls-Überlapp circa 75 Prozent des Durchmessers betragen. Die entsprechenden Markiergeschwindigkeiten müss - ten im obigen Beispiel folglich circa 6 m/s für Kupfer beziehungsweise 35 m/s für Stahl betragen, und das bei lediglich 10 W mittlerer eistung. Selbst für moderate mittlere eistungen werden folglich Markiergeschwindigkeiten von einigen 10 m/s und mehr benötigt.

4 l S 39 Genauigkeit bei 3D-Strukturen Eine zweite Herausforderung ist die Genauigkeit bei der Herstellung von 3D-Strukturen. Diese werden meist in einem 2,5D-Prozess erzeugt. Die Struktur wird in Ebenen, sogenannten Slices, zerlegt, und in jeder Ebene wird der abzutragende Bereich mit einer Schraffur ausgefüllt, die anschließend mit einem Strahlführungssystem, zum Beispiel einem Galvanometer-Scanner, abgefahren wird. Im Wesentlichen entsteht die Struktur also durch Abfahren gerader inien. Auch dabei können sich Probleme ergeben. Wird der Pulszug des asers synchron mit der inearbewegung eingeschaltet, erhält man zwar eine scharfe Grenze und steile Kanten, dafür werden während der Beschleunigungs- und Abbremsphase mehr Pulse pro änge auftreffen, und es entsteht entsprechend eine Vertiefung bei den Kanten (Bild 2). Bild: Berner Fachhochschule Pulszug des asers und lineare Markierbewegung Dieses Problem kann mit dem sogenannten Sky Writing umgangen werden. Hier wird der Pulszug des asers erst eingeschaltet, wenn die Markier - bewegung bereits mit der gewünschten Geschwindigkeit läuft. Dabei entsteht aber zeitlich eine Un - sicherheit von einem Puls-zu-Puls-Abstand, also dem Kehrwert der Repetitionsrate des asers, und in der Folge weniger steile Kanten. Erst wenn der Pulszug des asers und die lineare Markierbewegung vollständig aufeinander synchronisiert sind, erreicht man steile und scharfe Kanten und hat gleichzeitig das Problem der Vertiefungen eliminiert. Bei kurzen Pulsen im Nanosekunden-Bereich wurde diese Synchronisation durch gezielte Auslösung der Pulse erreicht. Dieses Verfahren kann aufgrund der unterschiedlichen Systemarchitektur bei UKP- asern kaum, oder höchstens sehr beschränkt, angewandt werden. In diesem Fall muss die mechanische Bewegung aktiv dem aserpulszug angepasst werden, was systemtechnisch aufwendiger wird. MIKROPRODUKTION 04/15

5 40 l S Bild 5. Gezielt per - forierte Stahlfolie (Dicke 10 µm); der ochabstand beträgt 40 µm, also etwa eine halbe Haardicke Oberflächenstrukturen und Oberflächenqualität Das Institute for Applied aser, Photonics and Surface Technologies APS sowie das Institut für mechatronische Systeme ifms (zukünftig: I3S) des Departements Technik und Informatik der Berner Fachhochschule haben sich in den letzten drei Jahren intensiv mit dieser Problematik beschäftigt. Dabei wurde einerseits herausgefunden, wie ein Galvanometer- Scanner anzusteuern ist, um die aserpulse bei 24 m/s (100-mm-Optik) auf ±2 µm absolut genau platzieren zu können. Andererseits wurde festgestellt, wie mit einem Polygon-inienscanner der Strahl mit 100 m/s (190-mm-Optik) bewegt und eine bestimmte Position auf ±5 µm genau getroffen wird. Das bedeutet bildlich gesprochen, aus einem fahrenden Auto bei einer Geschwindigkeit von 85 km/h einen 4 µm breiten Balken zu treffen oder bei 360 km/h einen Balken der Breite 10 µm. Das geschieht nicht, indem der Zeitpunkt, an dem der aserpuls ausgelöst wird, entsprechend angepasst wird. Vielmehr wird die Bewegung des Autos gesteuert, also der Startzeitpunkt und die Beschleunigungsphase, sodass man zum vorgegebenen Zeitpunkt am gewünschten Ort ist. Dieses Verfahren erlaubt es, bei höchstmöglicher Geschwindigkeit die bestmögliche Präzision zu erreichen und damit effizient präzise räumliche Ober - flächenstrukturen mit hoher Oberflächenqualität zu generieren. Aufgrund der hohen Geschwindigkeit, die mit anderen Verfahren kaum erreicht wird, können die heute zugänglichen mittleren eistungen von UKP- Systemen für diesen Abtragprozess nutzbar gemacht werden. Entsprechende Beispiele, hergestellt mit unterschiedlichen Scan-Systemen, zeigen die Bilder 1 und 3. Für Stahl konnten bis zu einer mittleren eistung von 42 W und einer Repetitionsrate von 6,8 MHz sehr gute Oberflächenqualitäten erreicht werden (Bild 4). Aber auch andere, sonst temperatursensitive Prozesse, wie zum Beispiel das gezielte Perforieren einer Metallfolie (Bild 5), können mit diesem Verfahren und hohen mittleren eistungen realisiert werden. MI AUTOREN Prof. Dr. BEAT NEUENSCHWANDER ist eiter der Gruppe aser Surface Engineering am Institute for Applied aser, Photonics and Surface Technologies APS an der Berner Fachhochschule BFH-TI in Bern; beat.neuenschwander@bfh.ch BEAT JÄGGI ist Projektingenieur und wissenschaftlicher Mitarbeiter in der Gruppe aser Surface Engineering am APS; beat.jaeggi@bfh.ch Bild: Berner Fachhochschule