Laser für die Feinarbeit

Neue Lasersysteme verändern jeden Tag die industrielle Produktion und machen Prozesse energiesparender und genauer. Ende Mai 2011 werden auf der Laser World of Photonics 2011 die neuesten Lösungen im Bereich Ultrakurzpulslaser vorgestellt.

29. April 2011

Vielfach ermöglichen erst innovative Laser bestimmte Fertigungsschritte, vor allem wenn es um die Mikromaterialbearbeitung geht – also das Bohren, Fräsen und Schneiden im mikroskopisch kleinen Bereich. Die dabei eingesetzten Laser emittieren das Licht nicht kontinuierlich, sondern werden „gepulst“ betrieben, das heißt sie geben ihr Licht in zeitlich begrenzten, sehr kurzen Zeitabschnitten ab und schonen damit das zu bearbeitende Material. Neue Ultrakurzpulslaser kombinieren dabei Pulsraten im Piko- oder Femtosekundenbereich, also von 10-12 bzw. 10-15 Sekunden, mit einer bisher nicht gekannten Leistungsstärke.

Herkömmliche Laser erzeugen bei empfindlichen Materialien thermische oder mechanische Schäden wie Grat- und Rissbildung oder unerwünschte Veränderungen der Oberflächenbeschaffenheit. Im Vergleich dazu entstehen bei der Verwendung von Ultrakurzpulslasern völlig andere Wechselwirkungen mit dem Material, wodurch negative Auswirkungen weitestgehend minimiert werden - umso mehr, je kürzer die Laserpulse sind.

Unternehmen und Forschungsinstitute präsentieren auf der Laser World of Photonics 2011 neue Ultrakurzpulslaser im Piko- und Femtosekundenbereich, die durch ihre hohe Leistung und ihren robusten Aufbau neue Anwendungen in der Industrie erschließen - angefangen vom Schneiden von Silizium-Wafern und Faserverbundstoffen über die Mikrostrukturierung von Oberflächen bis hin zum exakten Bohren. So können etwa Dieseleinspritzdüsen mit leistungsstarken Ultrakurzpulslasern viel exakter und feiner gebohrt werden, als dies bisher möglich war. Damit wird der Kraftstoff feiner zerstäubt, was die Bildung von Rußpartikeln verhindert und den Kraftstoffverbrauch senkt.

„Ultrakurzpulslaser haben das Potenzial, klassische Fertigungsverfahren zum Schneiden, Bohren und Abtragen in vielen Bereichen zu ersetzen", erklärt Dr. Sascha Weiler, Produktmanager Mikrobearbeitung, Trumpf Laser- und Systemtechnik GmbH, Ditzingen. "Sie ermöglichen aber auch ganz neue Applikationen, die bislang nicht denkbar waren. Ultrakurzpulslaser sind sehr effizient, weil die Energie exakt dort wirkt, wo sie wirken soll, ohne Wärme oder sonstige Einflüsse auf die Umgebung. Dadurch eignet sich das Verfahren insbesondere für sehr feine Bearbeitungen und empfindliche Materialien.“ Innerhalb des eigenen Ausstellungsbereichs „Laser und Lasersysteme für die Fertigung“ spielt das Thema Ultrakurzpulslaser deshalb eine besonders zukunftsweisende Rolle im Rahmen der Messe.

Neue Möglichkeiten für die Fertigung

Ultrakurzpulslaser im Pikosekundenbereich werden bereits in der Fertigung eingesetzt. „Besonders in der LED-Fertigung lösen Ultrakurzpulslaser im Pikosekundenbereich seit Kurzem die gängigen Nanosekundenlaser ab“, erklärt Dr. Müller, Director Marketing/Sales, Lumera Laser GmbH, Kaiserslautern. „Es hat sich gezeigt, dass beim LED-Dicing, also dem Vereinzeln der LEDs, mittels Pikosekundenlaser, eine hohe Effizienz der Dioden und eine größere Ausbeute erzielt werden kann.“ Diese und weitere aktuelle Anwendungsbeispiele für seine industriellen Pikosekundenlaser in Leistungsbereich von 6 Watt bis 50 Watt präsentiert das Unternehmen auf der Messe.

Auch in der Druckindustrie für die Fertigung von Druckwalzen, im Werkzeugbau oder in der Glasbearbeitung für die Herstellung von Touch-Displays kommen Pikosekundenlaser zum Einsatz, wie sie auf der Laser World of Photonics unter anderem von High Q Laser vorgestellt werden. Das Unternehmen präsentiert auf der Messe seine neueste Generation an gepulsten Lasern im Pikosekunden-Bereich. Die neue Lasergeneration zeichnet sich durch ihre äußerst kompakte Bauart von nur 20x12x9,6 cm aus. Mit ihrem robusten Aufbau eignen sich die neuen Pikosekundenlaser besonders für den industriellen Einsatz und können durch die kompakte Bauform sehr flexibel auch in bereits bestehende Systeme integriert werden.

Femtosekundenlaser erreichen Marktreife

Auch die nächste Generation von Ultrakurzpulslasern mit Pulsraten im Femtosekundenbereich erreicht gerade die Marktreife. Die ersten industriell nutzbaren Strahlquellen, also die Laser selbst, sind bereits verfügbar. Auf der Messe stellt etwa die Topag Lasertechnik GmbH als Vertriebspartner des Herstellers Light Conversion GmbH deren Femtosekundenlaser mit einer Leistung von bis zu zehn Watt vor. Die Systeme sind temperaturstabilisiert und hermetisch verschlossen und können damit sowohl im Labor als auch in industriellen Umgebungen ohne Modifikationen eingesetzt werden. Während Femtosekundenlaser zuerst in der Augenchirurgie eingesetzt wurden, eröffnen Strahlquellen mit einer größeren Leistung von bis zu zehn Watt, jetzt auch neue Anwendungen, die mit der bisherigen wesentlich geringeren Leistung von chirurgischen Lasern nicht möglich waren - wie in der exakten Mikro- und Nanostrukturierung von Dünnschicht-Solarzellen.

Der aktuelle Technologietrend bei Femtosekundenlasern geht hin zur weiteren Optimierung der Systeme wie der Verbesserung der Strahlführung. Darüber hinaus arbeitet die Industrie an der Implementierung der neuen Technologie in die Produktionsketten: Die Leistungsmerkmale der neuen Laser werden dabei für die verschiedensten Materialien erprobt und definiert. Dabei wird exakt festgelegt, welche mittlere Leistung für ein bestimmtes Material optimal geeignet ist, um den nötigen Materialabtrag und die exakte Eindringtiefe für eine festgelegte Aufgabe zu gewährleisten. Damit werden jetzt die industriellen Standards geschaffen, die den Femtosekundenlasern in Zukunft den Weg in die industrielle Anwendung weiter erleichtern.

Um die neue Generation der Femtosekundenlaser in Zukunft möglichst breit für die Industrie nutzbar zu machen, arbeiten Unternehmen und Forscher an der Entwicklung noch leistungsfähigerer Laser im Bereich von etwa einem Kilowatt (kW) Leistung. Als eines der führenden Institute in diesem Bereich konnte das Fraunhofer-Institut für Angewandte Optik und Feinmechanik IOF, Jena, die Leistung von Femtosekundenlasern bereits auf Durchschnittswerte von 830 Watt erhöhen und präsentiert seine Expertise im Bereich Ultrakurzpulslaser und Materialbearbeitung sowohl im Ausstellungsbereich der Messe als auch im Rahmen der Praxisvorträge des World of Photonics Congress.