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
info@ilt.fraunhofer.de
www.ilt.fraunhofer.de
Änderungen bei Spezifikationen und anderen technischen Angaben bleiben vorbehalten. 03/2015.
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Mikro- und Nanostrukturierung
mit Laserstrahlung
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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
christian.fornaroli@ilt.fraunhofer.de
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,
arnold.gillner@ilt.fraunhofer.de
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.