UKP-Laser in der Produktion Spielzeug oder Werkzeug? · unabhängig vom Stoff (Festkörper,...

Prof. Dr.-Ing. Michael Schmidt

Lehrstuhl für Photonische Technologien

1

UKP-Laser in der Produktion –

Spielzeug oder Werkzeug?



2

Theoretische Grundlagen der „kalten“ Bearbeitung

Potenzialanalyse

Mikromaterialabtrag

Glasschweißen

Nanostrukturierung

Zusammenfassung

Gliederung



3

[Kaspar et al. J. of Laser Applications Vol. 18, No. 2; 2006]

Bohrung in Glas mittels ns-Pulsen im Vergleich zu Bohrung mit ps-Pulsen

Vorteile ultrakurz gepulster Laser

8 ns 10 ps



4

Definition über die Dynamik des Wärmeeintrags

ultrakurz ↔ Optische Eindringtiefe größer als Thermische Diffusionslänge

Optische Eindringtiefe δ der Strahlung ins Material (Lambert-Beersches Gesetz):

δ = α -1 (α – Absorptionskoeffizient)

Thermische Diffusionslänge d (2. Fick‘sches Gesetz):

d = 2 ( D · t ) 0,5 (D – Wärmediffusionskonstante, t – Dauer des Laserpulses)

Definition unklar bei transparenten und teiltransparenten Stoffen!

Definition gilt nur für Einzelpulse

δ d

Optische Eindringtiefe Thermische Diffusionstiefe

Was bedeutet ultrakurz?



5

Enorm hohe Intensitäten eines ultrakurzen fokussierten Laserpulses ermöglichen

unabhängig vom Stoff (Festkörper, Flüssigkeit, Gas):

Multiphotonionisation, Tunnelionisation

Quasi instantaner Übergang vom Originalzustand des Stoffes zum Plasma

Plasmaexpansion „entfernt“ Wärme aus dem Werkstück

Plasma in Glas Plasma in Wasser Plasma in Luft

Definition über die nichtlineare Absorption

Was bedeutet ultrakurz?



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Multipulseffekte und Wärmeakkumulation Bei Bearbeitung mit ultrakurzen Laserpulsen Wärmeeinflusszone zwar minimal, aber

dennoch vorhanden

Kalte oder heiße Bearbeitung kann mittels der Repetitionsrate und des räumlichen Puls-

zu-Puls-Abstandes eingestellt werden (bei gleichen Pulsparametern!)

Temperatur

Zeit

Pulse

Abkühlung

Temperatur

Pulse

Zeit

Kalte Bearbeitung: Heiße Bearbeitung:

Wann ist ultrakurz wirklich kalt?



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Prozess-Werkstoff-Matrix

Metalle Kunststoffe Glas & Keramik Halbleiter

Urformen

Umformen

Trennen

Fügen

Beschichten

Stoffeigenschaften

ändern

Industrieeller Einsatz



8

UKP-Laser als Bohr- und Schneidwerkzeug

Bohren von Dieseleinspritzdüsen (Bosch)

Einbringung definierter Kerben in das Sensor-Element einer Lambda-Sonde (Bosch)

Trennen von Glaspanels bei der Display-Herstellung

Industrielle Applikation

Quellen: Bosch

Bohrungen Einspritzdüse Sensor-Element einer Lambda-Sonde



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Urformen

Umformen

Trennen Mikromaterialabtrag

Fügen

Beschichten

Stoffeigenschaften

ändern


Industrieeller Einsatz & weiterführende Forschungsarbeiten



10

Mikromaterialabtrag

Forschungsansatz Zielsetzungen beim Mikromaterialabtrag

Maximierung der Abtragseffizienz

Steigerung der Abtragsrate

Konstanz der Strukturqualität, d.h. reproduzierbarer Abtrag hoher Präzision

Realisierung durch Wahl geringer Spitzenfluenzen bei hohen Repetitionsraten

Simulierte Oberflächentemperatur

bei einer Repetitionsrate von 50 MHz

[Hu; Appl. Phys.

A 98-407; 2010] Wärme-

akkumulation

Inkubation

Plasmaab-

schirmung

Multipuls-

effekte



11

Laser,

10 ps Galvo-

scanner

Plasma

Experiment

Mikromaterialabtrag

Wolframcarbid-

beschichtete

Stahlprobe

0,1 1,0 J/cm² 10,00

200

400

600

µm²

1000

Sq

ua

red

ab

late

d r

ad

ius r

²

ln(Peak fluence 0)

N = 1

N = 10

N = 100

N = 1000

Material: 1.3343

Wavelength: = 1064 nm

Pulse frequency: fP = 50 Hz

n = 5

Mittlere Ablationsschwellen

Spitzenfluenz

Qu

ad

riert

er A

bla

tionsra

diu

s R

²

Wellenlänge:

Pulsfrequenz: fP = 50 Hz

Stahl 1.3343

Untersuchung der Inkubation anhand der

Pulsabhängigkeit der Abtragsschwelle

Wärmeakkumulation und Plasmaabschirmung

anhand Repetitionsratenvariation



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Abtragsverhalten in Abhängigkeit

der Repetitionsrate:

Änderung der Napfgröße in

Abhängigkeit der Frequenz

Abtragsratenzunahme durch

Wärmeakkumulation

Sinken der Effizienz infolge

Abschirmungseffekten

Temperatur nach dem N-ten

Laserpuls:

REM-Aufnahmen

von Napfstrukturen

Ergebnisse

Mikromaterialabtrag

(a) fP = 0,05 kHz (b) fP = 200 kHz (c) fP= 1 MHz

1

11

N

N TT mit 1

Re

pth

th

ft

t

0,1 1 10 kHz 100050

100

150

200

250

µm²

300

Na

pfu

ers

chn

itts

flae

ch

e A

ab

l

Pulsfrequenz fP

0 = 2,7 J/cm²

0 = 0,7 J/cm²

Napfstruktur

Werkstoff: Stahl 1.3343

Wellenlaenge: = 1064 nm

Pulsanzahl: N = 500

n = 3

Na

pfq

ue

rsch

nitts

flä

ch

e A

Abl

µm²



13

Systemauslegung durch Kenntnis der Plasmaabschirmung

Ermittlung erforderlicher Puls-Separation

Systemtechnik zur Strahlführung

Nutzung oder Vermeidung von Wärmeakkumulation

Materialtemperatur gezielt einstellbar

Steigerung der Abtragsrate

Temperatursensitive Materialien: Vermeidung unerwünschter

Materialmodifikationen z.B. Graphitisierung von diamantähnlichen Werkstoffen

Vorteile

Mikromaterialabtrag

Topografieänderung infolge

der Graphitisierung einer

DLC-Schicht

[König; Optics Express 13, 26; 2005]



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Werkzeugfertigung

Tribologische Dünnschichten

Passive elektronische Bauelemente

Sensorik

Diffraktive und refraktive Optiken

Anwendungspotenzial

Mikromaterialabtrag



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Urformen

Umformen

Trennen

Fügen Glassschweißen

Beschichten

Stoffeigenschaften

ändern

Forschungsarbeiten Industrieeller Einsatz & weiterführende Forschungsarbeiten



16

Ultrakurze Pulse zünden Plasma im transparenten Glas

Heißes Plasma verbleibt im Glasinneren

Plasma erwärmt Umgebung

Wahl einer hohen Pulsrepetitionsrate, so dass der Bearbeitungsprozess im heißen

Bereich abläuft

Schmelze um den Fokuspunkt verschweißt Gläser

Glassschweißen

Forschungsansatz



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Laser, 10 ps

Objektiv

Plasma

Glasprobe

x-y-Verschiebetisch

Glassschweißen

Experimenteller Aufbau



18

Vorschubgeschwindigkeit: 20 mm/s, Leistung: 2 W, Repetitionsrate 1 MHz, Dauer der

Schweißung: 0,45 s (9 mm)

Glassschweißen

Prozess in Zeitlupe



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Eigenschaften der Schweißverbindung:

Festigkeit im Bereich 100 MPa

Bindungsenergie ca. 2 J/m²

Hermetisch dicht

blz

Schweißnahtfläche

Bin

dungsenerg

ie

Fe

stig

ke

it

Geätzter Querschliff

Glassschweißen

Ergebnisse



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Einfache Implementierung

Prozess durchführbar bei Raumtemperatur

Verzicht auf Vor- und Nachheizen

Kurze Bearbeitungszeit

Keine Zusatzmaterialien (Klebstoffe, Absorber) notwendig

Hohe Qualität der Schweißnaht

Gute mechanische Festigkeit und Stabilität

Robust gegenüber thermischer Belastung oder chem. agressiven Umgebungen

Geringe selbstinduzierte Belastung / keine Defektstellen

Glassschweißen

Vorteile



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Chemie – Glasapparatebau, MEMS – mikro-elektro-mechanische Systeme,

Medizintechnik, Optik, Telekommunikation, Bauwesen, Design

Adams and Chittenden

Scientific Glass Canon National Physical

Laboratory, UK

Anwendungspotenzial

Glassschweißen



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Urformen

Umformen

Trennen Nanostrukturierung

Fügen

Beschichten

Stoffeigenschaften

ändern

Forschungsarbeiten



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Unterschreitung der Beugungsbegrenzung durch Multiphotonen- und

Nahfeldeffekte

CPLA-Strukturierung

2 ² Lf

L

M fw

d

Nanostrukturierung mit Optischer Pinzette



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Positionierung von Mikrolinsen mit einem fokussierten cw-Laser

Potenzialsenke einer Optischen Pinzette

Prozessprinzip




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Zusammenspiel einer Vielzahl physikalischer Faktoren

Van-der-

Waals-Kräfte Gravitation

Druckwellen

durch

Abtrag

Doppel-

schicht-

Abstoßung

Stokes-

Reibung

Brownsche

Bewegung

Strukturier.-

Laser

Trapping-

Laser

Optische Kräfte

Einfluss d. Mediums Oberflächenkräfte




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Versuchsaufbau

Optical trap

Imaging

Pulsed structuring laser




27

Ergebnisse

a) Partikel: SiO2; d = 2 µm; n = 1,458

Laser: = 532 nm; t = 10 ps; F = 8 mJ/cm²

Vorschub: v = 5 µm/s

Substrat: Polyimid

b) Particle: PS; d = 1,7 µm; n = 1,54

Laser: = 800 nm; t = 100 fs

Substrat: Quarzglas

Einzelpulsbohrung

100 nm

b)




28

Größenvergleich

Laserbeschriftetes

menschliches Haar

[Laser Zentrum Hannover]




29

Ergebnisse

0 25 50 75 100 µW

0

100

200

300

nm

500 SiO2; d=2µm

SiO2; d=1µm

PS; d=1,7µmD

urc

hm

esser

Leistung

Substrat: Polyimid

Pulsdauer t=100 fs;

Wellenlänge =400 nm

nPS = 1,58

nSiO2 = 1,45




30


Effiziente Transfektion

durch Nahfeld-Zellchirurgie

Gezielte Bearbeitung von

Zellbestandteilen

Anwendungspotenzial in Forschung und Technik: Biologie / Medizin



31


Additive Fertigung:

Mehrphotonenpolymerisation und

lichtinduzierte Metallabscheidung

Kombinierte additive und subtraktive

Herstellung von Metamaterialien

Bild: http://www.materialsviews.com

Particle

Anwendungspotenzial in Forschung und Technik: Additive Fertigung



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Urformen

Umformen Mikroschockwellen

Umformung

Mikroschockwellen

Umformung

Mikroschockwellen

Umformung

Trennen Abtrag, Oberflächen-

strukturierung

Oberflächen-

strukturierung

Trepanieren, Abtrag,

Oberflächen-

beschriftung

Abtrag (Solarzellen),

Oberflächen-

strukturierung

Fügen Glas-Metall-Fügen Glassschweißen Glas-Halbleiter-

Fügen

Beschichten

Stoffeigenschaften

ändern

Wellenleiter-

erzeugung,

Innenbeschriftung

Forschungsarbeiten Industrieeller Einsatz Zukunftspotenzial



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Immer komplexere Fragestellungen lassen die Disziplinen wieder zusammenwachsen…

… und verändern das Anforderungsprofil an den modernen Ingenieur.

Mechanik,

Elektrotechnik, etc.

Klass. Ing.-wesen

Fluiddynamik,

Thermodynamik,

etc.

Spez. Ing.-wesen

Molekülwechsel-

wirkungen bis

Verfahrenstechnik

Chemie

Optik,

Elektrodynamik,

Quantenmechanik

Physik

Programmierung,

Bildverarbeitung,

Statistik, etc.

Mathematik/

Informatik

Buchhaltung,

Bilanzierung,

Logistik, etc.

BWL Ingenieur

Neue Herausforderungen

Metalle, Polymere

Verbundwerkstoffe

Nanowerksstoffe

Materialwiss.



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Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit.



Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg

Paul-Gordan-Straße 3

91052 Erlangen

Tel.: +49 / (0)9131 / 85 23241

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