mikro- und nanostrukturierung mit laserstrahlung
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mikro- und nanostrukturierung mit laserstrahlung
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 MIkro- und Nanostrukturierung mit Laserstrahlung Fraunhofer-Institut für Lasertechnik ILT Das Fraunhofer-Institut für Lasertechnik ILT zählt weltweit zu den bedeutendsten Auftragsforschungs- und Entwicklungsinstituten im Bereich Laserentwicklung und Laseranwendung. DQS zertifiziert nach Unsere Kernkompetenzen umfassen die Entwicklung neuer DIN EN ISO 9001 Laserstrahlquellen und -komponenten, Lasermess- und Prüf- Reg.-Nr. DE-69572-01 technik 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 Laseranlagentechnik, Prozessüberwachung und -regelung, Modellierung Fraunhofer-Institut sowie der gesamten Systemtechnik. Unser Leistungsspektrum für Lasertechnik ILT reicht von Machbarkeitsstudien über Verfahrensqualifizierungen Institutsleitung bis hin zur kundenspezifischen Integration von Laserprozessen Prof. Reinhart Poprawe M.A. in die jeweilige Fertigungslinie. Das Fraunhofer ILT ist eingebunden in die Fraunhofer-Gesellschaft. Steinbachstraße 15 52074 Aachen Telefon +49 241 8906-0 Fax +49 241 8906-121 [email protected] www.ilt.fraunhofer.de Änderungen bei Spezifikationen und anderen technischen Angaben bleiben vorbehalten. 03/2015. 2 1 Mikro- und Nanostrukturierung mit Laserstrahlung 4 3 5 6 Laserstrahlbohren Ausstattung Das Bohren mit Laserstrahlung kommt als Fertigungstechnik • 100 fs Laser (P = 1,5 W, λ = 800 nm), 4-Achs-Anlage für Geometrien und Werkstoffe zum Einsatz, die sich konven- • 500 fs Laser (P = 1 W, λ = 1043/522 nm), 5-Achs-Anlage H ohe Or t sa uf l ö s u n g d u rc h F o k u s s i e rb a rkei t auf weni ge M i krometer, geri nge Wärmeei nbri ngung und hohe tionellen Verfahren entziehen. Mit speziellen Bohrstrategien • 1,5 ps Laser (P = 50 W, λ = 1064/532 nm), 6-Achs-Anlage F le x ibilit ä t z e i c h n e n d e n L a s e rs tra h l a l s Werkz eug z ur Präz i s i ons s trukturi erung und O berfl äc henf unkt iona- wie Wendelbohren können mit Ultrakurzpulslasern Bohrungs- • 7 ps Laser (P = 50 W, λ = 1030 nm), 8-Achs-Anlage lisie r ung a us. D i e E i n s a tzb e re i c h e s i n d v i elfäl ti g und fi nden s i c h i n El ektroni k, Sens ori k, M edi zint echnik, durchmesser im Bereich einiger 10 µm bei Bohrtiefen von • 10 ps Laser (P = 50 W, λ = 1064/532/355 nm), 6-Achs-Anlage F e inw e r k t e c h n i k u n d M i k ro s ys te m te c h n i k. D as F raunhofer I LT entwi c kel t hi erfür mi krotec hni sche Fer t i- bis zu 2 mm mit minimaler Schmelzebildung erzeugt werden. • 10 ps Laser (P = 50 W, λ = 1064/532/355 nm), 5-Achs-Anlage gungsverfahren und Produktionssysteme, die an die jeweiligen Applikationen spezifisch angepasst sind. Für Anwendungen in der Filtertechnik und der Photovoltaik • 10 ps Laser (P = 6 W, λ = 1064/532/355 nm), 5-Achs-Anlage stehen neuartige Laserbohrverfahren mit Bohrraten bis • 10 ps Laser (P = 5 W, λ = 1064 nm), 6-Achs-Anlage 3.000 Bohrungen/s zur Verfügung. Mit neuartigen Ultrakurz- • 600 ps Laser (P = 67 mW, λ = 532 nm), Desktop-System pulslasern und innovativen Verfahrensansätzen lassen sich • 10 ns Laser (P = 36 W, λ = 532 nm) mit Wendelbohroptik über Multi-Photonen-Wechselwirkungsprozesse selbst Boh- • 10 ns Excimer Laser (λ = 193 nm), 4-Achs-Anlage Laserstrahlabtragen Nanostrukturierung Die Miniaturisierung von Produkten in Feinwerktechnik, Funktionale Oberflächen erfordern häufig Strukturen, welche rungsdurchmesser < 1 µm erzeugen. Für die Strukturierung • 20 ns Laser (P = 10 W, λ = 355 nm), 6-Achs-Anlage Elektronik und Sensorik erfordert Sub-Millimeter-Bauteil- die intrinsischen Eigenschaften der Werkstoffe verstärken dielektrischer Materialien wie Glas, Saphir und anderen schwer • 40 ns Laser (P = 10 W, λ = 355 nm) mit Interferenzoptik komponenten mit Genauigkeiten im Mikrometer-Bereich. bzw. aufgrund ihrer Dimension einen besonderen Effekt bearbeitbaren Werkstoffen wie Halbleitern sind darüber • 0,7/1,5 µs Laser (P = 700/60 W, λ = 1030 nm), 5-Achs-Anlage Für Keramiken, Metalle und Polymere stellen hochgenaue hervorrufen. Bei optischen Funktionen, beispielsweise Oberflä- hinaus Kombinationsverfahren verfügbar, bei denen über eine • Faserlaser (P = 1000 W, P = 300 W, λ = 1070 nm), Feinschneidanlage Laserabtragsverfahren eine fertigungstaugliche Lösung dar. chen- und Volumengittern, biologischen Funktionen, wie zum Multiphotonenmodifikation und nachfolgende Ätzschritte • Diodenlaser (P = 500 W, λ = 800 - 980 nm), Heißprägeanlage Hier ermöglicht die Lasertechnik mit dem Abtrag durch Beispiel Zellleitstrukturen und analytischen Funktionen mit Strukturen mit Nanometergenauigkeit herstellbar sind. Excimer-Laser, frequenzkonvertiertem Nd:VO4-Laser und Ultra- chemischen Koppelarealen sind Nanostrukturen erforderlich, kurzpulslaser eine Präzisionsbearbeitung mit Sub-Mikrometer- die sich reproduzierbar mit hoher Geschwindigkeit erzeugen Genauigkeit. Für die Massenherstellung von Mikrobauteilen lassen. Hierfür wurde eine neue Mehrstrahl-Interferenztechnik durch Spritzgießen und Stanzen lassen sich mit dieser Technik entwickelt, mit der periodische Oberflächenstrukturen im Laserverfahren sind selektive Verfahren, bei denen eine Telefon +49 241 8906-642 Werkzeuge mit Strukturgrößen im Bereich 5 - 10 µm bei Bereich 100 nm - 500 nm erzeugt werden können. Abtragsgeometrie durch serielles Abrastern der Oberfläche [email protected] Ansprechpartner Hybride Verfahren zur Mikrostrukturierung Dipl.-Ing. Dipl.-Wirt.Ing. Christian Fornaroli erzeugt wird. Dies begrenzte den Lasereinsatz bislang auf Oberflächengenauigkeiten < 200 nm herstellen. Hier bietet kleine Bauteile bzw. verursachte lange Bearbeitungszeiten. Dr. Arnold Gillner Für große Bauteile mit hohen Anforderungen an die Prozess- Telefon +49 241 8906-148 Das Laserstrahlfeinschneiden zur Herstellung von Mikro- zeit wurde am Fraunhofer ILT eine Hybridtechnik entwickelt, [email protected] bauteilen ist ein eingeführtes Fertigungsverfahren. Die bei der mit laserstrukturierten Hartmetallwerkzeugen und berührungslose Bearbeitung mit Schnittbreiten im Bereich einer prozessbegleitenden selektiven Laserheizung Geometrien < 20 µm ermöglicht die Herstellung auch sehr filigraner mit Abmessungen von 300 nm bis einigen 100 µm auf großen Bauteile, wie sie mit konventionellen Verfahren praktisch nicht Flächen geprägt werden können. Darüber hinaus lassen mehr zu fertigen sind. Mit kompakten Faserlasern und neuen sich mit diesem Verfahren Mikrostrukturen auch in harte 1 Superhydrophobe Oberfläche durch Verfahrensansätzen sind hohe Schneidgeschwindigkeiten und schwer umformbare Werkstoffe wie Metall und Glas 4 Werkzeugeinsatz für ein Mikrostrukturierung mit Pikosekundenlasern. und Schneidqualitäten möglich, mit denen konventionelle einbringen. Präzisions-Spritzgusswerkzeug. 2 Nanostrukturierte Prägewalze Stanzprozesse bei kleinen und mittleren Stückzahlen abgelöst 5 Mikrosieb für die Filtertechnik aus Vergütungsstahl (1.7225). und eine deutliche Erhöhung der Fertigungsflexibilität erzielt mit Bohrungsdurchmessern < 20 µm. 3 Lichtleitelement mit Mikrolinsen werden können. 6 Laserstrahlgeschnittene Gefäßstütze (Stent) die Laserabtragstechnik mit Ultrakurzpulslasern eine flexible Laserstrahlfeinschneiden Ergänzung zu konventionellen EDM- und HSC-Fräsverfahren für die Herstellung von Werkzeugen und Bauteilen. zur homogenen Lichtverteilung. aus Edelstahl mit Steggeometrien < 100 µm.