All-In-One: Markieren, Ablatieren und Mikrobohren

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Genau dosierter Wärmeeintrag

Der Laser ermöglicht dauerhaftes, unverwischbares Markieren. Den nötigen Kontrast der Markierung gegenüber dem Untergrund kann der Laser auf mehrere Arten erreichen: Bei Kunststoffen erzeugt er den Kontrast meist durch einen Farbumschlag des Materials, bei Metallen durch thermisch erzeugte Anlassfarben. Im Unterschied zum laserunterstützten Gravieren oder Abtragen entstehen bei diesen beiden Verfahren weder Grate noch Raupen oder Furchen auf der markierten Oberfläche. Generell punktet der Laser als Werkzeug gegenüber anderen Bearbeitungsverfahren unter anderem durch berührungslose Arbeitsweise und einem genau auf die Bearbeitung abgestimmten Energieeintrag. Ausserdem ist der Laserstrahl auf äusserst kleine Arbeitspunkte fokussierbar. Das Werkstück nimmt also nicht mehr Wärme auf, als es die Bearbeitung erfordert. Damit werden thermische Schäden vermieden.

Hohe Strahlqualität speziell für den Mikrobereich

Zur Mikrobearbeitung ist neben einem präzisen Scansystem auch eine sehr hohe Strahlqualität und -stabilität unabdingbar. Der in das Wombat-System integrierte diodengepumpte Festkörperlaser wurde von Newport Spectra-Physics speziell für diesen Applikationsbereich entwickelt. Er zeichnet sich durch besonders hohe zeitliche und räumliche Strahlstabilität bei allen drei verfügbaren Wellenlängen aus (349, 355 und 532 nm). Die verschiedenen eingesetzten Laserkristalle (Nd:YLF, Nd:Vanadat) bieten eine grosse Bandbreite einstellbarer Laserparameter.

Der Laser wird von einem aktiven Güteschalter (Q-Switch) gesteuert und emittiert Laserstrahlung im Grund-Mode TEM00. Im Strahlquerschnitt hat die Energieverteilung also die Form einer regelmässigen, glockenförmigen Gauss-Verteilung. Zusammen mit der optimal angepassten Optik und Strahlablenkungseinheit ermöglicht dies eine sehr kleine Fokussierung und eine Bearbeitung mit hoher räumlicher Auflösung. Mit Abweichungen von weniger als 3% weist der Laser auch bei hohen Pulsfolgefrequenzen eine ausgezeichnete Puls-zu-Puls-Stabilität auf. Die mittlere Leistung weicht auch über längere Zeiträume um weniger als 2?% vom Ausgangswert ab.

Für wechselnde applikationsabhängige Anforderungen lassen sich Wiederholungsrate und Pulsenergie über die Laser-Applikationssoftware «InScript» schnell und unkompliziert einstellen. Die präzise zeitliche Ansteuerung des aktiven Q-Switch über den integrierten Scanner-Controller ASC ermöglicht eine exakte Synchronisation von Laserpulsen und Spiegelbewegungen mit einem Jitter unter +/-0,5 ns. Weiter bietet der aktive Q-Switch den Vorteil einer konstanten Pulsenergie über einen breiten Pulsfrequenzbereich.

Varianten zur Optimierung der Bearbeitungsprozesse

Mit Nd:YLF als Lasermedium arbeitet das System mit einer Wellenlänge von 349 nm. Es liefert eine Pulsenergie von bis zu 120 Mikrojoule (µJ), Pulsdauern unter 5 Nanosekunden bei Pulsfolgefrequenzen vom Einzelpuls bis zu 5 kHz. Das Design des Laser-Resonators (mit so genannter Intra-Cavity-Verdoppelung und Verdreifachung der Laserstrahlung) stellt sicher, dass Änderungen der Pulsenergie und der Pulsfrequenz keinen oder nur einen minimalen Einfluss auf die Parameter des UV-Laserstrahls haben. Die Pulsenergie wird fortlaufend gemessen und die Messwerte mit der Energie der abgegebenen Pulse abgeglichen. Die exakte Erfassung und Steuerung der Pulse ermöglicht die perfekte Unterdrückung von Erstpulsen sowie das Selektieren von Puls-Bursts mit konstanter Energie.

Für Pulsfolgefrequenzen zwischen 20 und 150 kHz wird Nd:Vanadat als aktives Lasermedium eingesetzt. Dieses Medium kann Laserstrahlung mit einer mittleren Leistung von 2 W bei Wellenlängen von 532 nm und bis zu 500 mW bei 355 nm emittieren.

Um jedem Anforderungsprofil in möglichst vielen Aspekten zu entsprechen, stehen unterschiedliche Aperturen des Wombat zur Verfügung. Der Anwender kann den Akzent auf hohe Scangeschwindigkeit, kleinste Spotdurchmesser oder grosse Bearbeitungsfelder legen und zwischen telezentrischen und nicht telezentrischen Fokussieroptiken wählen.

Drei verschiedene Aperturen

Die 2D-Ausführungen mit den Aperturen 11 und 16 mm werden üblicherweise mit F-Theta-Linsen ausgerüstet. Die telezentrischen Ausführungen, bei denen der Laserstrahl auch in den Ecken des Scanfeldes immer senkrecht auf der Werkstückoberfläche auftrifft, eignen sich besonders für die Tiefengravur und andere abtragende Laserverfahren. Mit dem optional einsetzbaren schnellen Fokus-Translator (Z-Achse) kann bei diesen Anwendungen der Fokusbereich präzise nachgestellt werden, um tiefere Strukturen herzustellen.

Die 3D-Modelle mit einer Apertur von 21 mm sind serienmässig mit einem Fokus-Translator ausgestattet und können daher auf F-Theta-Linsen zur Fokussierung ganz verzichten. Die grosse Apertur erlaubt mit dem optimierten Fokussiersystem ausserordentlich grosse Arbeitsvolumina von 250 x 250 x 100 mm und gleichzeitig sehr kleine Spots, die mit F-Theta-Linsen nicht realisierbar wären.

Vielseitiges Produktionssystem

Neben den bereits erwähnten Metallen und Kunststoffen lassen sich auch transparente Werkstoffe wie Glas, Brillanten und andere Kristalle beschriften oder kennzeichnen. Fein fokussierte, hochenergetische Pulse ermöglichen, in diesen Materialien Markierungen auch im Inneren zu erzeugen. Innengravuren unterhalb der Werkstückoberfläche sind auch bei langjähriger Einwirkung aggressiver Umgebungseinflüsse nicht verwischbar. Auf diese Weise erhalten auch Flachbildschirme, Displays und Dünnfilm-Solarpanels eindeutige Kennzeichnungen für die Verdrahtung. Derartige Kennzeichen bieten ausserdem einen nicht veränderbaren Plagiatschutz.

Beim Mikrobohren von Glas können durch den UV-Laser-Explorer insbesondere die sehr aufwendigen und auch wesentlich teureren Excimer-Laser ersetzt werden.

Weitere Anwendungen finden sich bei der Herstellung mechatronischer und elektronischer Bauteile für die Industrie und den täglichen Gebrauch: zum Beispiel bei der Produktion von Geräten für Telekommunikation, Optik, Biotechnologie, Medizintechnik, Automobilbau oder Flugzeugbau.

Autor

Martin Wohlgenannt

Technischer Fachredakteur BR

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Information

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Bilder: Newport Spectra-Physics, Arges