SELEKTIVES LASERäTZEN VON GLAS UND SAPHIR

F R A U N H O F E R - I N S T I T U T F Ü R L aserte c hni k I L T
Selektives Laserätzen
von Glas und Saphir
Fraunhofer-Institut für Lasertechnik ILT
Mit rund 420 Mitarbeitern und über 11.000 m² Nutzfläche
zählt das Fraunhofer-Institut für Lasertechnik ILT weltweit zu
den bedeutendsten Auftragsforschungs- und EntwicklungsDQS zertifiziert nach
instituten im Bereich Laserentwicklung und Laseranwendung.
DIN EN ISO 9001
Unsere Kernkompetenzen umfassen die Entwicklung neuer
Reg.-Nr. DE-69572-01
Laserstrahlquellen und -komponenten, Lasermess- und Prüftechnik sowie Laserfertigungstechnik. Hierzu zählt beispielsweise das Schneiden, Abtragen, Bohren, Schweißen und Löten
sowie das Oberflächenvergüten, die Mikrofertigung und das
Rapid Manufacturing.
Übergreifend befasst sich das Fraunhofer ILT mit Laseranlagen-
Fraunhofer-Institut
technik, Prozessüberwachung und -regelung, Modellierung
für Lasertechnik ILT
sowie der gesamten Systemtechnik. Unser Leistungsspektrum
Institutsleitung
reicht von Machbarkeitsstudien über Verfahrensqualifizierungen
Prof. Dr. Reinhart Poprawe M.A.
bis hin zur kundenspezifischen Integration von Laserprozessen
in die jeweilige Fertigungslinie. Das Fraunhofer ILT ist ein-
Steinbachstraße 15
gebunden in die Fraunhofer-Gesellschaft mit 67 Instituten,
52074 Aachen
23.000 Mitarbeitern und einem jährlichen Forschungsvolumen
Telefon +49 241 8906-0
von 2 Mrd. EUR.
Fax +49 241 8906-121
[email protected]
www.ilt.fraunhofer.de
Änderungen bei Spezifikationen und anderen technischen Angaben bleiben vorbehalten. 03/2014.
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Selektives Laserätzen
von Glas und Saphir
Formschneiden und Formbohren
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von 10 µm sind bei einer Länge von einigen mm möglich.
Durch Scannen im Volumen können Kanäle, Verzweiger und
Für seine Haupteinsatzbereiche Feinmechanik und Medizin-
beliebige Hohlstrukturen hergestellt werden.
technik werden mit dem SLE-Verfahren Bauteile aus Saphir
Mit de m ne u e n L a s e rfe rti g u n g s v e rfa h re n »Sel ekti v es L as erätz en« (Sel ec ti v e L as er Etc hi ng SLE) st ellt
und Glas ausgeschnitten. Das Verfahren zeichnet sich durch
Durch die Entwicklung neuartiger Hochgeschwindigkeits-
da s F r a unhof e r-I n s ti tu t fü r L a s e rte ch n i k I LT ers tmal s ei n H ers tel l ungs v erfahren für M i krokan äle, For m -
extrem kleine Schnittbreiten von z. B. < 5 µm bei einer Material-
Mikroscanner ist die Belichtungszeit von mikrostrukturierten
bohr unge n un d -s ch n i tte i n tra n s p a re n te n Bautei l en aus Q uarz gl as , Boros i l i katgl as , Saphi r und Rubin zur
stärke von 1 mm aus. Durch den Einsatz eines speziellen
Bauteilen von derzeit einigen Minuten (mit 1 W-Laser) auf
Verfügung. Mikrometerfeine Strukturen und ganze Bauteile werden direkt aus 3D-CAD-Daten hergestellt.
Mikroscanners werden beliebige Formen bis auf 1 µm genau
wenige Sekunden reduziert worden. Die Skalierbarkeit des
geschnitten, wobei sowohl das ausgeschnittene Bauteil als
SLE-Verfahrens ist zum Beispiel durch eine 3D-Mikrofluidik in
auch die resultierende Formbohrung eine Rauheit Rz < 1 µm
Quarzglas, die innerhalb weniger Sekunden belichtet wurde
aufweisen.
(Bild 4), erfolgreich demonstriert worden. In Saphir beträgt die
Das Verfahren
Diese Eigenschaften sind am Fraunhofer ILT in Zusammenarbeit mit dem Lehrstuhl für Lasertechnik LLT der RWTH
Selektivität > 10.000:1, so dass ein minimaler Kanalquerschnitt
Mikrostrukturierte 3D-Bauteile
von 1 - 10 µm auf einer Länge von 1 cm erreicht wird.
duellen mikrostrukturierten Bauteilen aus Glas und Saphir zu
Mikrostrukturierte Bauteile für Feinmechaniken wie sie im
Perspektiven
volumen wird das transparente Material (beispielsweise Glas
Kosten möglich, wie sie bisher nur mit Maskenverfahren oder
Uhrenbau, in der Mikrooptik oder der Medizintechnik zum
oder Saphir) rissfrei in seinen optischen und chemischen
abformenden Verfahren für identische Bauteile aus Kunststoff
Einsatz kommen, können mit dem SLE-Verfahren in Saphir und
Am Fraunhofer ILT wird das SLE-Verfahren kontinuierlich
Eigenschaften derart verändert, dass es selektiv chemisch
in großen Serien realisierbar waren.
Glas hergestellt werden. Beispielsweise lässt sich ein Röhrchen
weiterentwickelt und für kundenspezifische Anwendungen
aus Quarzglas mit einer Länge und einem Durchmesser von
optimiert. Schwerpunkte sind dabei die Verringerung der
Ultrakurz gepulste Laserstrahlung wird innerhalb eines
Aachen University erstmals realisiert worden. Die Entwicklung
transparenten Werkstücks fokussiert und nur im Fokusvolumen
schneller Ablenksysteme macht die Herstellung von indivi-
durch Mehrphotonenprozesse absorbiert. In diesem Fokus-
ätzbar wird. Durch Bewegen des Fokus mit Hilfe eines Mikroscanners werden jene Bereiche belichtet, die nachfolgend
Durch das Skalierungspotenzial auf Taktzeiten im Bereich von
1 mm und einer Wandstärke von lediglich 8 µm mit einer
Oberflächenrauheit, die Prozessentwicklung zur Erweiterung
durch nass-chemisches Ätzen entfernt werden sollen. Somit
Sekunden wird die direkte industrielle Umsetzung möglich.
Rauheit Rz von 1 µm präzise fertigen. Da das zu entfernende
der bearbeitbaren Werkstoffpalette und die Vergrößerung
können Mikrokanäle, Formbohrungen, strukturierte Bauteile
Mittelfristig sind somit kostengünstige Bauteile aus Gläsern
Material im Volumen mit µm-Präzision belichtet wird, können
der Vorschubgeschwindigkeit durch den Einsatz neuer
und komplexe, zusammengesetzte mechanische Systeme
und Saphir herstellbar, die sich gegenüber heutigen Kunst-
zusammengesetzte Bauteile wie zum Beispiel ein Zahnrad,
Femtosekundenlaser mit mittleren Ausgangsleistungen
in Glas oder Saphir hergestellt werden.
stoffbauteilen durch große Beständigkeit auszeichnen und
drehbar auf einer Achse, direkt montiert gefertigt werden.
von 200 - 1000 W.
einfach gereinigt und sterilisiert werden können. Langfristig
Eine aufwändige Justage und Montage bei der Herstellung
Mehr Wirtschaftlichkeit für Groß- und Kleinserien
bietet sich mit SLE außerdem ein enormes Potenzial für eine
von komplexen mikromechanischen Systemen wird mit dem
individualisierte Massenproduktion, da keine teuren Masken
SLE-Verfahren überflüssig.
Ansprechpartner
Das SLE-Verfahren ist gekennzeichnet durch große Energie-
oder Abformwerkzeuge erforderlich sind und somit keine bau-
effizienz (Umschmelzen statt Verdampfen), große Material-
teilspezifischen Fixkosten anfallen. Ein Bauteil kann innerhalb
effizienz (Schnittfugen von wenigen Mikrometern), große
von Sekunden direkt aus der Software (CAD-Daten) generiert
Präzision in drei Dimensionen (1 µm Fokus, keine Ablagerungen)
werden. Das SLE-Verfahren ermöglicht so die Herstellung von
Mikrofluidische Systeme können mit dem SLE-Verfahren in
und die Skalierbarkeit zu großer Geschwindigkeit durch
Prototypen, Kleinserien und Großserien mit übertragbaren
thermisch und chemisch beständigen Materialien wie Quarz-
Dipl.-Phys. Martin Hermans
Laserstrahlquellen mit großen Pulsfrequenzen.
Verfahrensparametern sowie die Fertigung kundenspezifischer,
glas, Borosilikatglas oder Saphir für diverse Anwendungen
Telefon +49 241 8906-471
mechanischer Mikrosysteme mit völlig neuen Funktionsmerk-
zum Beispiel in der medizinischen Diagnostik hergestellt
[email protected]
malen bei gleichzeitiger Kosten- und Zeitersparnis. Zudem
werden. In Quarzglas wird das durch die Laserstrahlung
Dr. Jens Gottmann
Mikrokanäle im Inneren von Glas und Saphir
Telefon +49 241 8906-406
[email protected]
bietet SLE den Vorteil der uneingeschränkten Geometriefreiheit
modifizierte Volumen um den Faktor 1000 schneller geätzt
3 Mikrolinsenrohling strukturiert
Titelseite: Bewegliches Zahnrad (Ø 3 mm) in Quarzglas.
unter Berücksichtigung der serienidentischen Gebrauchseigen-
als das unmodifizierte Glas. Die Kantenwinkel der Kanäle
in Quarzglas (Ø 500 µm).
1 Komplexe Mikrofluidik in Quarzglas.
schaften bei transparenten Bauteilen.
entsprechen dieser Selektivität. Minimale Kanaldurchmesser
4 3D-Mikrofluidik, belichtet in wenigen Sekunden.
2 Pfeilverzahntes Planetengetriebe in Quarzglas.
5 Mikrobauteil in 1 mm Quarzglas.