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Ultra-kurz und klein

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Nein, wir schlagen mit dem Laser nicht alles ultra-kurz und klein, sondern wir brauchen den Laser nur sehr kurz, um damit sehr kleine Strukturen herzustellen. Sie brauchen eine Bohrung, dünner als ein menschliches Haar,  Oberflächenstrukturen mit Dimensionen kleiner als 1/10 mm oder Schnittteilchen ähnlicher Dimensionen? Im Labor für Laser-Mikrobearbeitung werden Lasersysteme mit ultra-kurzen Pulsen eingesetzt, um solche Wünsche zu erfüllen.

Was heisst ultra-kurz?
Ultra-kurze Laserpulse sind «Laserblitze», die nur einige Piko- bis Femtosekunden dauern. Um die Distanz Erde- Mond zurückzulegen, benötigt das Licht ca. 1,3 s. In 10 Pikosekunden legt es 3 mm und in 200 Femtosekunden gerade noch etwa die Dicke eines menschlichen Haars zurück; es handelt sich also um unvorstellbar kurze Zeiten. Die Spitzenleistung in einem Puls jedoch kann durch die ultrakurze Pulsdauer auch bei geringen Pulsenergien bis einige GW betragen, was mehr als der Leistung eines Atomkraftwerks entspricht, aber eben nur während dieser sehr kurzen Dauer.

Mikro-Dino aus Stahlblech, (100 Mikrometer Dicke), Foto: B. Joss, ALPS BFH-TI

Vorteile
Durch die kurzen Einwirkzeiten kann die Energie lokal nicht nur sehr gezielt eingebracht werden – was generell eine Eigenschaft der Laserstrahlung ist –, sondern sie fliesst auch nicht in die Umgebung ab. Damit wird sie optimal zum Verdampfen des Materials genutzt, und es können mit diesen Pulsen praktisch alle Materialien sehr präzise und mit minimalen thermischen Schäden in den Randzonen bearbeitet werden. Damit entfällt die häufig übliche Nachbearbeitung der mit dem Laser bearbeiteten Werkstücke, und es ist erst noch eine wesentliche Steigerung der Präzision möglich.

Mikro-Dino mit Schnittmuster, Foto: B. Joss, ALPS BFH-TI

Relevant für die Industrie
Waren ultra-kurze Pulse bis vor 10 Jahren noch eher von akademischer Relevanz, hat sich die Situation heute vollständig verändert. Mit dem Aufkommen industrietauglicher Lasersysteme haben das Interesse und die Anwendungen in der Industrie markant zugenommen. Gerade für die Schweizer Unternehmen mit ihrer Tradition in der Mikro- und Feinmechanik ergeben sich dadurch neue Perspektiven. Mögliche Anwendungen liegen z.B. in den Bereichen Formenbau, Prägevorlagen, tribologische Oberflächen, Düsenbohrungen, Mikroschneiden, Oberflächenveredelung usw. Auch sonst eher schwierig zu bearbeitende Werkstoffe wie Gläser und Kristalle, sehr harte Werkstoffe (Hartmetalle, polykristalliner Diamant), Keramiken oder auch dünne Schichten (z.B. Dünnschichtsolarzellen) stellen für ultra-kurze Pulse gewöhnlich kein Problem dar.

Herausforderungen
So faszinierend ultra-kurze Laserpulse auch sind, stehen sie in der Praxis in Konkurrenz zu vielen anderen Bearbeitungsmethoden. Nur wenn sich der Einsatz dieser Technologie schliesslich in eingesparten oder neu gewonnenen Franken und Rappen niederschlägt, wird sie in der Produktion auch eingesetzt werden. In diversen Projekten (KTI, Direktaufträge und Studienarbeiten) beschäftigen wir uns mit der Anwendung ultra-kurzer Laserpulse für industrielle Prozesse. Dabei ist neben der eigentlichen Prozessentwicklung vor allem die Effizienzsteigerung im Fokus. Arbeiten unserer Gruppe haben klar aufgezeigt, dass der Materialabtrag pro Laser-Energie maximiert werden kann, wenn man mit moderaten Pulsenergien arbeitet.

TUX, Graustufenbild übersetzt in Höheninformationen, strukturiert in Kupfer mit ps-Pulsen Bild: B. Jäggi, BFH-TI

Zusätzlich haben wir Strukturierungsstrategien entwickelt, die eine minimale Oberflächenrauheit (z.B. Ra<100nm bei Kupfer) bei sehr hoher Präzision garantieren. Wir konnten auch aufzeigen, dass für die meisten Materialien kürzere Pulsdauern zu einer höheren Abtrageffizienz führen. Allerdings muss dieser Vorteil den höheren Systempreisen gegenübergestellt werden. Um bei hohen mittleren Leistungen, die für einen hohen Durchsatz nötig sind, nahe der maximal möglichen Prozesseffizienz zu arbeiten, müssen entweder ein grosser Fokusdurchmesser, sehr schnell bewegte Strahlen oder parallele Prozesse genutzt werden. Die erste Variante geht auf Kosten der Präzision, für die zweite stossen die heutigen Strahlführungssysteme viel zu früh an ihre Grenzen und die dritte birgt ganz neue Anforderungen an die verwendeten optischen Komponenten in sich. Um zudem mit möglichst hoher Präzision zu arbeiten, müssen die mechanischen Achsen auf den Lasertakt synchronisiert werden, d.h. der Laser agiert als Master und gibt den Takt vor. Um solche Herausforderungen zu meistern, ist für uns Zusammenarbeit sehr wichtig, sei es innerhalb unseres Departements, z.B. mit dem Institut für mechatronische Systeme, oder mit externen Institutionen wie dem Institut für Angewandte Physik der Universität Bern oder dem Institut für Produkt- und Produktionsengineering der FHNW. So sind wir überzeugt, unseren Beitrag zur Etablierung ultra-kurzer Pulse in der Schweizer Industrie leisten zu können.

Topographie der Schweiz in Kupfer und Detailaufnahme von Eiger, Mönch und Jungfrau REM-Aufnahme: J. Zürcher, BFH-TI