Laser-Mikrobearbeitung für alle Materialien

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Fastems Sales Agent: Gennaro Teta (omnino technology)

Auswahl Laser-Wellenlänge 1: Absorption

«Die Wellenlänge des verwendeten Laserlichts und somit der Lasertyp sollte sorgfältig auf die Eigenschaften der zu bearbeitenden Werkstoffe abgestimmt werden», erläutert N. Rizvi. Dies gilt insbesondere für Kunststoffe, deren spektrale Transparenz und somit Absorptionseigenschaften für Laserphotonen stark von der Wellenlänge abhängen können. Im Falle von Polyimid, einem Kunststoff, der in Medizin- und Biotechnikanwendungen häufig eingesetzt wird, tritt gute Absorption vor allem in drei deutlich abgegrenzten Fenstern auf, die sich mit den Wellenlängen marktgängiger Lasersysteme überdecken: Eines dieser Prozessfenster liegt im UV-Bereich, die beiden anderen dagegen im Bereich der infraroten Strahlung von CO2-Lasern. Weiterer Aspekt ist bei Kunststoffen der bereits erwähnte Zusammenhang zwischen der Photonenenergie des Laserstrahls und dem Energieniveau der dominierenden Bindung innerhalb der organischen Moleküle. Ein direktes Aufbrechen molekularer Bindungen ist nur möglich, wenn die Energie der auftreffenden Photonen die Bindungsenergie zumindest erreicht. Der dann erzielbare Ablationsmechanismus ist optimal, weil er maximale Effizienz der Bearbeitung bei zugleich minimalen Kollateralschäden durch Wärmeeintrag ins umliegende Material kombiniert. Ein Vergleich entsprechender Daten zeigt sehr schnell, dass hier im UV-Bereich emittierende Systeme wie Excimer-Laser oder Nd:YAG-Laser mit Frequenzvervielfachung um den Faktor 3 oder 4 entscheidende Vor-teile bieten.

Strahlcharakteristik 1: Strahlmodi

Ein für die Mikrobearbeitung bestimmter Laser sollte idealerweise nur eine Wellenlänge emittieren, und sein Strahl sollte einen Durchmesser von nahezu null ohne jegliche Divergenz und mit gleichmässiger Energiedichte aufweisen. Da die Realität natürlich leider anders aussieht, sollte man eine realistische Vorstellung von den wichtigsten Imperfektionen realer Lasersysteme haben. Dies kann dazu beitragen, unerfreuliche Überraschungen bei Beurteilung und Auswahl von Lasersystemen mit Blick auf die ins Auge gefasste Anwendung zu vermeiden. Zu den herausragendsten Charakteristiken eines Lasers zählt die Verteilung der Energiedichte über den Strahlquerschnitt. Treten elektromagnetische Schwingungen quer zur Ausbreitungsrichtung - die so genannten Quermodi - auf, so kommt es zu einer Aufspaltung, so dass mehrere Maxima auftreten. Diese Transverse-Electro-Magnetic-(TEM-)Charakteristik entsteht im Laserresonator. Während eine solche Aufspaltung des Spots bei Hochleistungssystemen für Schneid- und Schweissanwendungen oft nebensächlich ist, sollten Laser für die Mikrobearbeitung möglichst nur den Grundmodus TEM00 aufweisen. Dieser Grundmodus zeichnet sich durch ein einziges Maximum und eine weitgehend Gauss'sche Verteilung der Energiedichte über den Strahlquerschnitt aus. In diesem Zusammenhang verdient eine wichtige Ausnahme Erwähnung: Excimer-Laser, deren Strahlung aufgrund ihrer Bauart grundsätzlich sehr hohe TEM-Modi mit Tausenden von Maxima im Strahlquerschnitt aufweist. Die meisten anderen im Bereich Mikrobearbeitung eingesetzten Lasersysteme weisen dagegen niedrige TEM-Modi auf. Ihren Strahl kann man daher mit Hilfe von Optiken formen, die für eine Gauss'sche Strahlcharakteristik ausgelegt sind.

Strahlcharakteristik 2: Minimaler Spotdurchmesser und Fokustiefe

Dass bei Systemen für die Mikrobearbeitung ein möglichst kleiner Werkzeugdurchmesser erzielbar sein sollte, versteht sich quasi von selbst. Aus diesem Grund wird der von der Laserquelle emittierte Strahl mit Hilfe geeigneter optischer Komponenten - Spiegel, Linsen und Fasern - geformt und gebündelt. Leider weisen reale Laserstrahlen jedoch eine gewisse Streuung auf, d.h. eine lineare Aufweitung des Strahldurchmessers mit Zunahme der Entfernung von der Lichtquelle. Dieses Phänomen hat direkte Auswirkungen auf den minimal erzielbaren Brennfleckdurchmesser. Wichtigster Qualitätsparameter für den Strahl ist in diesem Zusammenhang der so genannte M2-Faktor, der die Fokussierbarkeit des Laserstrahls charakterisiert. Sein theoretischer Grenzwert ist 1. Ein guter M2-Faktor sollte so knapp wie möglich darüberliegen. Neben dem minimal erzielbaren Brennfleckdurchmesser beeinflusst M2 auch die erreichbare Fokustiefe. Darunter ist der Abstand zu verstehen, in dem der Laserstrahl noch oberhalb bzw. unterhalb der Fokusebene nutzbar ist. Weitere wichtige Einflussgrösse auf den minimalen Brennfleckdurchmesser ist die Wellenlänge. Für einen auf dem 4fachen der Grundfrequenz (Wellenlänge 266 nm) emittierenden Nd:YAG-Laser mit einem M2-Faktor von 1,2, einem Strahldurchmesser von 5 mm und einer Fokussierlinse mit 50 mm Brennweite liegt der kleinste erreichbare Brennfleckdurchmesser bei 4,1 µm. Ein vergleichbar ausgerüsteter Nd:YAG- Laser ohne Frequenzvervielfachung (Wellenlänge 1064 nm) erreicht dagegen nur 16,2 µm, während der Brennfleckdurchmesser eines bei 10600 nm arbeitenden CO2-Lasers nicht enger werden kann als 162 µm.

Pulsen - ein entscheidender Aspekt

Während Anlagen für Schneid- und Schweissanwendungen ihre Laserenergie oft kontinuierlich abgeben, empfiehlt sich bei der Mikrobearbeitung grundsätzlich die Verwendung gepulster Laserstrahlung. Wichtigster Grund hierfür ist die wesentlich höhere Energiedichte der Strahlung im Verlauf der einzelnen Pulse. Dies wiederum bewirkt eine Verschiebung der Wirkung auf das Werkstück, weg von einem allmählichen Aufschmelzen und hin zu Eruptions- und Verdampfungsvorgängen. Dies verringert den Wärmeeintrag ins Material und damit die Ausdehnung der Wärmeeinflusszone. Besonders effizient ist der Einsatz kurzer Impulse bei der Bearbeitung leitfähiger Materialien wie Metallen oder Silizium mit ihrer besonders hohen Wärmeleitfähigkeit. Generell gilt hierbei, dass Bearbeitungsgenauigkeit und Oberflächenqualität um so besser sind, je kürzer die einzelnen Pulse sind, obwohl es hiervon auch Ausnahmen gibt. Ein weiterer Gesichtspunkt ist die bessere Kontrollierbarkeit des Prozesses, da moderne Lasersysteme Pulssequenzen in genau vorwählbarer Anzahl abgeben können - bis herab zum einzelnen Schuss. Von den zusätzlichen Parametern für die Charakterisierung von Pulslasern sind vor allem die mittlere Leistung und die Fluenz hervorzuheben. Die mittlere Leistung, d. h. das Produkt aus Pulsenergie mal Pulsrate, ermöglicht eine Abschätzung der Produktivität des Materialabtrags. Eine hohe Pulsleistung allein nützt demnach nicht viel, wenn der Laser nur wenige Pulse pro Zeiteinheit abzugeben vermag. Die Fluenz charakterisiert dagegen die Energiedichte des Laserpulses auf der Oberfläche des Werkstücks. Sie ermöglicht es demnach abzuschätzen, wie heftig der einzelne Laserpuls auf das Werkstück einwirkt.

Spezielle Lasertypen: Excimer- und Femtosekunden-Laser

Unter den gängigen Lasern unterscheiden sich zwei Typen so sehr von den anderen Systemen, dass sie an dieser Stelle gesondert vorgestellt werden sollen. Zur ersten Gruppe gehören die Excimer-Laser, die in vier verschiedenen UV-Wellenlängen angeboten werden. Wie bereits erwähnt, weisen sie sehr hohe TEM-Modi mit Tausenden von Maxima im Strahlquerschnitt auf und lassen sich daher nur schlecht direkt fokussieren. Hier kommen aufwändige Strahlformungs- und Homogenisierungsoptiken mit multiplen Linsen ins Spiel. Im Ergebnis erhält man einen vergleichsweise grossflächigen Strahl mit einer mehr oder weniger gleichmässig über die gesamte Fläche verteilten Intensität. Dieser dient meist als Lichtquelle für die Belichtung einer Maske, deren Abbild über eine Optik massstäblich auf das Werkstück projiziert wird. Maske, Lasersystem und Werkstück können unabhängig voneinander bewegt werden, was dem Ingenieur zahlreiche interessante Freiheitsgrade bei der Prozessauslegung eröffnet. Dank ihrer hohen Photonenenergien eignen sich Excimer-Laser ganz besonders für die Bearbeitung von Kunststoffen. Vergleichsweise niedrige Leistungskennziffern und niedrige Pulsraten setzen den erzielbaren Abtragsraten allerdings deutliche Grenzen. Ein weiterer Gesichtspunkt sind die geringen Fokustiefen, was die Eignung zur 3D-Bearbeitung merklich begrenzt. Die zweite hier anzusprechende Gruppe von Lasersystemen sind Ultrakurzpuls-Laser mit Pulslängen im Bereich von Femtosekunden. Diese extrem kurzen Pulsdauern bewirken ganz spezielle Reaktionen des bestrahlten Materials und damit einen gänzlich anderen Ablationsmechanismus. Dadurch wird es möglich, praktisch jedes nur denkbare Material zu bearbeiten, einschliesslich transparenter Werkstoffe. Zusätzlicher Sondereffekt ist der äusserst geringe Energieeintrag in die Proben. So lässt sich selbst ein Streichholzkopf bearbeiten, ohne dass es zur Zündung kommt. Weitere Vorteile sind hohe Präzision und die entsprechend gute Qualität der bearbeiteten Werkstücke. Diesen Vorteilen stehen auf der anderen Seite jedoch auch Einschränkungen gegenüber. Derzeit erhältliche Femtosekunden-Laser sind noch nicht so ausgereift wie andere am Markt erhältliche Systeme, und die erzielbaren Abtragsraten sind merklich begrenzt. Je nach Anwendungsfall kann es daher ratsam sein, vor einer Investitionsentscheidung die Möglichkeit des Einsatzes alternativer Systeme wie z. B. Pikosekunden-Laser zu überprüfen.

Grenzen der Technologie

Während der Einsatz von Lasern zur Mikrobearbeitung eine ganze Reihe von Vorteilen bietet, hat die Technologie auf der anderen Seite auch gewisse Grenzen. Wichtigster Schwachpunkt ist die mangelnde direkte Kontrolle der Bearbeitungstiefe. Dies begrenzt die Möglichkeiten zum Aufbau geschlossener Prozessregelkreise. Weitere Defizite ergeben sich bezüglich der erzielbaren Oberflächenqualität. Während der Laser als ausgezeichnetes 2,5D-Werkzeug angesehen werden kann, sollte man seine Anwendbarkeit sehr genau prüfen, wenn das Lastenheft umfassende 3D-Abtragung mit grosser Bearbeitungstiefe vorsieht. Weitere Grenzen der Anwendbarkeit können sich durch die Rauheit der erzeugten Oberfläche ergeben, vor allem bei Anwendungen im Bereich Mikrofluidik oder -optik. Weitere Aspekte, deren Abklärung bereits im Vorfeld dringend anzuraten ist, betreffen die Komplexität des Systems, die Stabilität des erzeugten Strahls sowie Kosten und Produktivität. Zwar können nicht wenige der heute am Markt verfügbaren Laser von normal qualifiziertem Personal - Laboranten oder Techniker - bedient und gewartet werden, doch gibt es auf der anderen Seite auch Systeme, die eher in die Hand eines promovierten Physikers gehören und entsprechende Aufwendungen bei den Personalkosten bedingen. Nicht zuletzt sollte man auch stets ein Auge auf den Systempreis haben, denn bezogen auf die gewünschte Leistung können manche Technologien mehr als zehn mal soviel kosten wie andere. Kosten in unerwarteter Höhe können darüber hinaus auch durch erforderliche Betriebsstoffe wie z.B. spezielle Gasmischungen entstehen. Ein durchaus kritischer Gesichtspunkt ist vielfach auch die Stabilität des Laserstrahls. Angesichts des Fehlens geschlossener Regelkreise für das Bearbeitungsresultat ist ein verlässlich konstantes Energieniveau des Strahls umso entscheidender für die Erzielung reproduzierbarer Bearbeitungsergebnisse. Die Strahlleistung von Lasern hängt von einer ganzen Reihe von Einflussgrössen ab und kann sich signifikant ändern. Besonders gross ist hierbei der Einfluss der Pumplichtquelle. Wo immer möglich, sollte man diodengepumpten Lasern den Vorzug vor lampengepumpten Systemen geben. Dioden haben nicht nur eine deutlich höhere Lebensdauer, ihre Strahlcharakteristik neigt auch weniger zum Driften. Dies führt zu geringeren Ausfallzeiten und entsprechend höherer Anlagenverfügbarkeit. Die stabilere Laserleistung führt zu höherer Produktqualität und niedrigeren Ausschussquoten.

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