Ultrakurzpulslaser bieten in vielen indus - Bearbeitung technischer Werkstoffe mit fs-lasern

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1 10 l S M I K R O L A S E R B E A R B E I T U N G Bearbeitung technischer Werkstoffe mit fs-lasern Für die Effizienz von Ultrakurzpulslasern ist die Auslegung der Bearbeitungsanlage entscheidend. Nur hochdynamische Scan- und Bohrlösungen ermöglichen einen hohen Duty Cycle. Ausschlaggebend sind darüber hinaus die ANSTEUERUNG des Lasers sowie eine integrierte Kamera zur Beurteilung der Applikationsergebnisse. Bild 1. Bearbeitungsraum der Maschine mit Femtosekundenlaser Tangerine an der Karlsruhe Nano Micro Facility (KNMF) des KIT MARK DRECHSLER Ultrakurzpulslaser bieten in vielen indus - triellen Anwendungen enorme Potenziale, allerdings stellt sich die Suche nach den idealen Prozessparametern angesichts der Fülle der Applikationen schwierig dar. Ausgangspunkt für Applikationstests und die Prozessoptimierung in der Lasermaterialbearbeitung sind zunächst die Materialeigenschaften und die entsprechend erforderliche Fluenz. Durch die Wahl der Puls - energie und des Fokusdurchmessers wird die Fluenz (J/cm²) bestimmt. Für viele Materialien beträgt die benötigte Fluenz nur wenige J/cm². Dieser Wert, zum Beispiel 1 J/cm², ist bereits mit einer Pulsenergie von 40 µj und einem Fokusdurchmesser von 70 µm erreichbar. In der Literatur und in Fachveröffentlichungen kann die optimale Fluenz für die gewünschten Materialien gefunden werden. Alternativ kann die Bestimmung der Fluenz über eine kleine Testreihe zu Beginn der Applikationsversuche erfolgen. Der Artikel be - schreibt die Untersuchungsergebnisse für die Bearbeitung ausgewählter technischer Materialien mit einem Femtosekundenlaser. Die Applikationstests wurden mit dem Femto - sekundenlaser Tangerine in einer Anlage des französischen Unternehmens Optec an der Karlsruhe Nano Micro Facility (KNMF) des KIT in Karlsruhe durch - geführt (Bild 1). Neben dem Ziel einer maximalen Produktivität steht die Prozessqualität besonders im Vordergrund und ist oft die entscheidende Motivation für die Verwendung von UKP-Lasern. Die Produktivität und damit die Abtragsrate wird nicht nur von der mittleren Laserleistung, also dem Produkt aus Pulsenergie und Repetitionsrate, beeinflusst. Ebenso ist die Wahl der weiteren Komponenten der Laserbearbeitungsanlage von entscheidender Bedeutung. Dies betrifft folgende Parameter: Pulsenergie, Strahlqualität (Gauß- mit M²- oder Top-Hat-Profil) Repetitionsrate, Strahlaufweitung, > KONTAKT HERSTELLER Amplitude Systèmes c/o Laser 2000 GmbH Wessling Tel Messe Lasys: Halle 4, Stand D59 MIKROvent, Mainburg MIKROPRODUKTION 02/16

2 M I K R O L A S E R B E A R B E I T U N G l S 11 Bild 2. Oxidschicht einer multikristallinen Solarzelle mit Messung des Fokusdurchmessers Bild 3. Vergleichsmessung bei einer CFK-Oberfläche Pulsdauer, Brennweite der Fokussieroptik (zum Beispiel f-theta-objektiv), Scangeschwindigkeit, statisches oder mit XY(Z)-Achsen bewegtes Werkstück, Polarisierung (linear, zirkular), Prozessstrategie und Optimierung. Für die Mikromaterialbearbeitung ist der Fokusdurchmesser die relevante Größe. Der Fokusdurchmesser wird bestimmt durch Strahlqualität, Strahldurch - messer (inklusive Aufweitung), Brennweite der Fokussieroptik und Wellenlänge (Formel 1). Neben der rechnerischen Bestimmung des Fokusdurchmessers sind praktische Tests mit dem Laser zum Vergleich sinnvoll. Zum Beispiel kann Stahl mit einem Edding markiert werden. Wird die Fluenz so angepasst, dass nur die Markierung durch den Laserstrahl abgetragen wird, so kann die Größe des Kreises als Fokusdurchmesser für das gegebene Material angenommen werden. In dieser Testreihe wurde die Oxidschicht einer multikristallinen Solarzelle für diesen Zweck verwendet (Bild 2). Für einen Testvergleich wurde die Oberfläche von CFK gewählt (Bild 3). Für die Applikationstests wurden ein Laserrohstrahl von 2 mm Durchmesser, eine 2-fach-Aufweitung, eine Lambdaviertelplatte zur Erzeugung einer zirkularen Polarisation und ein galvanometerbasierter Scan-Kopf mit einem f-theta-objektiv mit 100 mm Brennweite gewählt. Der verwendete Femtosekundenlaser Tangerine mit 1030 nm hat die Strahlqualität von M² < 1,2 und eine Pulsdauer von 385 fs. Der rechnerische Fokusdurchmesser (1/e²) be - trägt circa 56 µm. Der mit den Tests ermittelte Fokusdurchmesser von circa 50 µm ist damit etwas kleiner. Für die Tests wurde eine Pulsenergie von 40 µj gewählt, die mit dem Fokusdurchmesser von 50 µm eine Fluenz von 2 J/cm² ergibt. Die Repetitionsraten von 200 khz und 375 khz ergeben somit 8 W und 15 W mittlere Leistung, was für viele Anwendungen in der Mikromaterialbearbeitung ausreichend ist. Die Skalierung für eine höhere Produktivität wird immer über eine Steigerung der mittleren Leistungen erfolgen. Piko- und Femtosekundenlaser sind jeweils mit 100 W verfügbar. Laser mit einigen 100 µj und Repetitionsraten von mehreren MHz sind im Einsatz. Diese hohen Repetitionsraten sind allerdings nur mit hochdynamischen Scanlösungen nutzbar. Scansysteme, die den Laserstrahl ablenken, erreichen je nach Größe der Spiegel und der gewählten Brennweite des f-theta-objektivs Scangeschwindigkeiten von einigen Metern pro Sekunde. Eine Steigerung der Ablenkgeschwindigkeit ist durch längere Brennweiten möglich. Um den Fokusdurchmesser konstant zu halten, ist parallel eine Vergrößerung der Strahlaufweitung nötig. Motorisierte Strahlaufweiter ermöglichen eine dynamische Regelung des Fokusdurchmessers. Ein Vorteil der galvobasierten Scansysteme ist ihr Einsatz für die Vektorbearbeitungen und Rasterstrukturierungen. Polygonscanner ermöglichen eine weitere Steigerung der Ablenkgeschwindigkeiten auf einige 10 bis 100 m/s. Typische Anwendungen sind Rasterstrukturierungen; eine Vektorbearbeitung ist nicht möglich. Beim Bohren ermöglicht die Kombination von Ultrakurzpulslasern mit speziellen Trepanier- und Bohroptiken sehr gute Ergebnisse [1]. Material Laserleistung Repetitionsrate Pulsenergie Scangeschwindigkeit Pulsüberlapp Test 1 8 W 200 khz 40 µj 400 mm/s 95% Test 2 8 W 200 khz 40 µj 2000 mm/s 75% Test 3 15 W 375 khz 40 µj 3750 mm/s 75% Tabelle 1. Testreihe zur Bearbeitung unterschiedlicher Werkstoffe MIKROPRODUKTION 02/16

3 12 l S M I K R O L A S E R B E A R B E I T U N G Testreihe 1. Ergebnisse mit Nitinol, multikristallinem Silizium (Solarzelle), Keramik (Al 2 O 3 ), PKD, Wolframcarbid und Siliziumcarbid (SiC) (von oben) Testreihe 2. Ergebnisse mit geänderter Scangeschwindigkeit Höhere Pulsenergien können darüber hinaus für eine Parallelisierung des Laserprozesses eingesetzt werden. Bereits mit einfachen Strahlteilern kann die Leistung eines Lasers auf mehrere Bearbeitungs - stationen verteilt werden. Mithilfe passiver DOEs kann die Aufteilung in mehrere Teilstrahlen erfolgen. Die Erzeugung komplexer Strahlprofile (Top-Hat oder Donut-Mode) ist mit entsprechenden Optiken möglich. Aktive Phasenmodulatoren, sogenannte Spatial Light Modulatoren (SLMs), ermöglichen eine Softwaresteuerung der Teilstrahlen und Strahlprofile. Allerdings haben diese aktiven Elemente Einschränkungen bezüglich ihrer maximalen Laserleistung. Tests mit verschiedenen Werkstoffen Die Applikationstests wurden unter anderem mit Siliziumkarbid, Polykristallinem Diamant (PKD), Sili - zium, Keramik, Glas, Saphir sowie organischen Verbundwerkstoffen wie CFK und Leiterplatten (PCBs) durchgeführt. Für die Testreihe wurden die Scan - geschwindigkeit und Repetitionsrate variiert. Damit ergab sich eine Änderung der mittleren Leistung und des Pulsüberlapps entsprechend Tabelle 1. Der Abstand von Scan-Linie zu Scan-Linie beträgt 10 µm. Gescannt wird bidirektional mit jeweils sechs Lagen, von denen jede um 90 zur nächsten gedreht ist. Der Applikationstest zeigt den Einfluss der Scangeschwindigkeit und wurde mit Nitinol, multikristallinem Silizium (Solarzelle), Keramik (Al 2 O 3 ), PKD, Wolframcarbid und Siliziumcarbid (SiC) durchgeführt (Testreihen 1 und 2). Für alle Materialien konnte ein besseres Bear - beitungsergebnis erzielt werden. Die gleichen Applikationstests wurden für Saphir, BK7, Rubin, CFK, PCB, PCB (flexibel) und Messing durchgeführt und im Vergleich gezeigt (Testreihen 3 und 4). Das Optimum von Bearbeitungsqualität und Ab - tragsrate liegt für die gewählten Laserparameter bei Scangeschwindigkeiten von 400 mm/s bis 2000 mm/s und variiert mit dem jeweiligen Material. Höhere Leistungen und Repetitionsraten der Laser erfordern MIKROvent, Mainburg MIKROPRODUKTION 02/16

4 M I K R O L A S E R B E A R B E I T U N G l S 13 Testreihe 3. Ergebnisse mit Saphir, BK7, Rubin, CFK, PCB, PCB (flexibel) und Messing (von oben) Testreihe 4. Variation der Bearbeitungsparameter darüber hinaus noch höhere Scangeschwindigkeiten, da sonst eine lokale Akkumulation der Energie eine Vergrößerung der Wärmeeinflusszone (HAZ) zur Folge hat. Um die Qualität der Laserbearbeitung zu zeigen, wurde, wie in Tabelle 2 exemplarisch dargestellt, für Nitinol und Messing eine Tiefenmessung mit einem Weißlichtprofilometer durchgeführt. Für Nitinol zeigen die Bilder 4 und 5 die dreidimensionalen Ergebnisse für Test 1 (v Scan = 400 mm/s) und Test 2 (v Scan = 2 m/s) im Vergleich. Der Vergleich der Scangeschwindigkeiten zeigt, neben der großen Abhängigkeit von der Bearbeitungsqualität, auch den sehr deutlichen Unterschied der Abtragstiefe und damit der Abtragsrate. Die Bearbeitungszeit reduzierte sich mit bidirektionaler Scanrichtung von 28 s bei 400 mm/s auf 20 s bei 2 m/s. Das Abbremsen der Galvos und das erneute Beschleunigen beim Sprung von Linie zu Linie kostet viel Zeit. Die kleine Bearbeitungsfläche führt zu einem schlechten Verhältnis zwischen der Zeit für die Bearbeitung pro Linie und der Galvoumlenkzeit für den Zeilen- und Richtungswechsel. Eine breitere Fläche oder mehrere Flächen, die nebeneinander angeordnet sind und gemeinsam zeilenweise bearbeitet werden, würden bereits die Effizienz steigern. Diese einfache Überlegung zeigt die Bedeutung der Prozessstrategie für beste Bearbeitungs - ergebnisse und kürzeste Bearbeitungszeiten. Wichtig ist eine bidirektionale Laserbearbeitung. Sie ermöglicht einen hohen Auslastungsgrad für die Ultrakurzpulslaser [2]. Typische Abtragsraten mit dem Femto sekunden - laser Satsuma betragen für Stahl und Kupfer 0,35 mm³/(min*w) [3, 4]. Die Abtragszeit für 1 mm 3 Stahl mit einem 16-W- Tangerine beträgt bei einer Repetitionsrate von 2 MHz nur 28 s mit einem Galvanometerscanner mit 28 mm Apertur und 16 s mit einem Polygonscanner mit 42-mm-Apertur [5]. Für optisch transparente Materialien kann das laser induzierte, selektive Ätzen Abtragsraten von 94 mm³/min erreichen [5]. MIKROPRODUKTION 02/16

5 14 l S M I K R O L A S E R B E A R B E I T U N G Bilder 4 und 5. Dreidimensionale Ergebnisse mit Nitinol für Test 1 (v Scan = 400 mm/s) und Test 2 (v Scan = 2 m/s) im Vergleich NiTi (400 mm/s) NiTi (2 m/s) Messing (400 mm/s) Messing (2 m/s) Tiefe 1 13 µm 7,5 µm 108 µm 16,5 µm Tiefe 2 12 µm 8 µm 109 µm 17 µm Tiefe 3 12 µm 9 µm 108,5 µm 17,5 µm Tabelle 2. Messung der Bearbeitungs - tiefe mit Weißlichtprofilometer zur Beurteilung der Bearbeitungs - qualität Eine Prozessoptimierung kann durch Optionen wie den Burst-Mode erfolgen [6]. Ein 40-µJ-Puls wird zum Beispiel in vier Pulse mit 10 µj aufgeteilt. Die Pulse sind 40 ns voneinander getrennt. Durch kürzere Brennweiten und niedrigere Wellenlängen (Frequenzverdoppelung auf 515 nm oder -verdreifachung auf 343 nm) kann eine Skalierung zu kleineren Fokusdurchmessern und Strukturgrößen erfolgen. Der Einfluss auf den Fokusdurchmesser ist linear. Ein weiterer Vorteil der Frequenzkonversion zu niedrigeren Wellenlängen ist die längere Rayleigh - länge (Formel 2). Berechnung der Rayleighlänge Der Einsatz von Mikroskopobjektiven ermöglicht kleinste Fokusdurchmesser und Auflösungen im Sub-µm-Bereich. In entsprechenden Anwendungen, zum Beispiel in der 2-Photonen-Polymerisation (2PP) [8], der Fluoreszenzanregung oder dem selektiven laserinduzierten Ätzen, sind dann nicht lineare Ab - sorptionsprozesse, sondern 2-Photonen-Prozesse aktiv. Das führt dazu, dass erst im Fokus die Bedingungen für den Laserprozess gegeben sind. Damit ist eine Bearbeitung im Volumen möglich, ohne dass Schichten, die der Laserstrahl bis zum Fokus durchdringt, beeinflusst werden. Glas und andere trans - parente Werkstoffe können mit diesem Prozess sehr gut bearbeitet werden. Typische Märkte für Ultrakurzpulslaser sind die Medizintechnik, die Uhren- und Schmuckindustrie, die Halbleitertechnik und Displayindustrie, speziell auch die Ophthalmologie sowie die Bearbeitung von Glas und Saphir, beispielsweise für Handys und Tablets. Ein weiterer Markt ist die Automotive- und Flugzeugindustrie. Anwendungen sind zum Beispiel die Bearbeitung optischer Materialien für Waveguides, die 2-Photonen- Polymerisation von Polymeren ( Ormocer ) und das selektive Laserätzen (Selective Laser Etching, SLE). UKP-Laser dienen auch zur Oberflächenfunktio - nalisierung, beispielsweise zur Generierung hydro - phober oder hydrophiler Eigenschaften. Das Schwärzen von Oberflächen für dekorative Zwecke oder zur Steigerung der optischen Absorption kann durch kleinste lichtabsorbierende Oberflächenstrukturen erzielt werden. In der Mikromaterialbearbeitung haben UKP-Laser das Potenzial, das Elektroerodieren abzulösen. Ein großer Vorteil ist die Flexibilität dieser Laserbearbeitung, die auch für nichtleitende Materialien eingesetzt werden kann. Auch das Strukturieren kleinster medizinischer Werkzeuge und Hilfsmittel einschließlich des Laserschneidens von Stents stellt einen weiteren großen Anwendungsbereich dar. In der Halbleitertechnik und Displayindustrie gibt es aufgrund der fortschreitenden Miniaturisierung eine Vielzahl von Applikationen. Gefragt ist hierbei eine Frequenzverdoppelung auf 515 nm oder eine Verdreifachung auf 343 nm für kleinere Fokusdurchmesser und/oder eine verbesserte Absorption. In der Fertigung von Li-Ionen-Batterien werden Folien verwendet, deren Laser-Microvia-Strukturierung die Batterieperformance deutlich steigern kann [9]. Somit lässt sich sagen, dass die Anwendungen für Femtosekundenlaser äußerst vielfältig sind. Einschränkungen ergeben sich eventuell durch die Kosten für entsprechende Laser. Der Zusatznutzen der Bearbeitung muss hoch genug sein, um den Einsatz des Femtosekundenlasers zu rechtfertigen. Oft gelingt dies durch eine reduzierte Nachbearbeitung oder ein größeres Prozessfenster mit einer verbesserten Ausbeute in der Produktion. Mitunter ist der Prozess wie in der 2-Photonen-Polymerisation oder der Ophthalmologie nur mit einem Femtosekundenlaser möglich. MIKROvent, Mainburg MIKROPRODUKTION 02/16

6 S 15 Wie flexibel ist Ihr Lasersystem? Ein weiterer Aspekt ist die Zukunftssicherheit bei der Investition in einen Femtosekundenlaser. Eine weitere Entwicklung hin zu industriellen Lasern mit noch kürzeren Pulsdauern (Attosekundenlaser) wird es wahrscheinlich nicht geben. Der Femtosekundenlaser wird so zum ultimativen optischen Werkzeug. Für den industriellen Einsatz von Lasern hat die Fasertechnologie eine Reihe von Vorteilen, die sich auch für fs-laser nutzen lassen. Die Femtosekundenlaser der Satsuma-Serie von Amplitude Systèmes basieren auf dieser Technik und sind in industriellen Anwendungen seit Jahren erfolgreich. Eine Skalierung der Fasertechnik für höhere Leistungen und Pulsenergien ist möglich und wird mit entsprechenden Produkten umgesetzt. Die Industrietauglichkeit der Femtosekundenlaser wird durch verschiedene Zertifizierungen und Qualitätsnormen einschließlich RoHs, Reach, HASS, HALT, ISO 9001 und sichergestellt. MI AUTOR MARK DRECHSLER ist Sales Manager bei Amplitude Systèmes/Laser 2000 GmbH in Wessling; REFERENZEN 1 Trepanning drilling of stainless steel using a high-power Ytterbium-doped fiber ultrafast laser: influence of pulse duration on hole geometry and processing quality; J. Lopez, M. Dijoux, R. Devillard, M. Faucon, R. Kling 2 Improvements in ultra-high precision surface structuring using synchronized galvo or polygon scanner with a laser system in MOPA arrangement; M. Zimmermann, B. Jaeggi, B. Neuenschwander, 3, 4 Surface structuring with ultra-short laser pulses: LS Lasersysteme überzeugen mit maßgeschneiderten Laserlösungen, die sich einfach und kostengünstig ausbauen lassen. Trimmen Beschriften Basics, limitations and needs for high throughput; B. Neuenschwander, B. Jaeggi, M. Schmid, G. Hennig, 5 Ablation efficiency of high average power ultrafast laser; J. Lopez, G. Mincuzzi, R. Devillard, Y. Zaouter, C. Hönninger, E. Mottay, R. Kling 6 Herstellung von 3D-Glasbauteilen durch selektives Damit Sie auch für zukünftige Herausforderungen gerüstet sind. laserinduziertes Ätzen; J. Gottmann, M. Hermans, J. Ortmann, N. Repiev, Lightfab GmbH 7 Transient waveguiding effects during glass processing by bursts of ultrashort laser pulses; K. Mishchik, C. Javaux L eger, o Dematteo Caulier, S. Skupin, B. Chimier, G. Duchateau, A. Bourgeade, R. Kling, C. Hoenninger, J. Lopez 8 Effizienz durch Zwei-Photonen-Absorption; R. Houbertz, S. Steenhusen. Besuchen Sie uns auch auf der SMT, Halle 6, Stand 301 Sensor+Test, Halle 5, Stand 141 Mikrobearbeiten formationen-1/pressemitteilungen_dateien/fraunhofer- isc-effizienz-durch-zwei-photonen-absorption 9 Femtosecond laser patterning of lithium-ion battery separator materials: impact on liquid electrolyte wetting and cell performance; J. Pröll, B. Schmitz, A. Niemöeller, B. Robertz, M. Schäfer, M. Torge, P. Smyrek, H. J. Seifert, W. Pfleging MIKROPRODUKTION 02/16 Wir bringen das Licht auf den Punkt Laser Systems GmbH Gollierstraße 70 D München Tel.: (+49) Fax: (+49) info@ls-laser-systems.com