AUFTRAGSFERTIGUNG

Laserstrukturieren

Laser eignen sich hervorragend für die Bearbeitung von metallischen Oberflächen. Dabei geht es um das Glätten bzw. Polieren von Oberflächen und den flächigen Abtrag von Verunreinigungen (z.B. Oxidschichten), Beschichtungen (z.B. Eloxalschichten) und den direkten Materialabtrag zur Erzeugung von Tiefenstrukturen. Wir ordnen diese Anwendungen folgenden Abtragtiefen zu:

• Polieren (< 1 µm)
• Reinigen (1 bis 10 µm)
• Entschichten (10 bis 100 µm)
• Materialabtrag (> 100 µm)

AUFTRAGSFERTIGUNG

Laserfeinschneiden

Das Laserschneiden erfolgt berührungslos und ist wegen des feinen Laserstrahles und der exakten Strahlführung präzise. Dies ist entscheidend beim Laserschneiden von dünnen Metallfolien mit Dicke < 50 µm sehr leicht verformt und beschädigt werden können.
Beim Laserschneiden von dünnen Metallfolien fällt sehr wenig Schmelze an, die durch den Strahlungsdruck des Lasers entfernt wird. Eine Nachbearbeitung, d.h. Entfernung von Schneidgraten, entfällt.
Zusammengefasst sind die Vorteile des Lasermikroschneidens:

• präzise Schnittkontur
• keine Nachbearbeitung (gratfrei)
• berührungsloses Schneiden
• keine Druckluft erforderlich

Prozessentwicklung

Laserprozesse

Wie beginnt man einen Laserprozess?

Bei einem Laserprozess in der Materialbearbeitung geht es um die Reaktion des Materials auf einen Laserstrahl. Zunächst werden die Eigenschaften des Materials unter die Lupe genommen, um dann die richtige Laserquelle dafür auszuwählen.

Materialeigenschaften

Absorption. In welchem Wellenlängenbereich absorbiert das Material Lichtenergie? Wie stark ist die Absorption?
Jedes Material absorbiert und reflektiert Licht in einem oder mehreren Wellenlängenbereichen. Je höher der Absorptionsanteil, desto mehr Lichtenergie wird im Material in Wärme umgewandelt. Diese Wärme verursacht die gewünschte Reaktion.

Materialreaktion. Welche Materialreaktion ist gewünscht und wie reagiert das Material auf die eingebrachte Wärme?
In der Mikromaterialbearbeitung werden im wesentlichen zwei Materialreaktionen betrachtet: Chemische und thermische Prozesse.
Chemisch: Lokales Aufschäumen und Farbänderung der Oberfläche.
Thermisch: Lokales Schmelzen und Verdampfen des Materials wie beim Materialabtrag, Schneiden und Schweißen.

Laserparameter

Wellenlänge. Jeder Laser besitzt eine charakteristische Wellenlänge. Ob dieser Laser für den Laserprozess geeignet ist, hängt davon ab, wie stark die Lichtenergie durch das Material absorbiert und in Wärme umgewandelt wird.

Betriebsart. Es gibt kontinuierliche (sog. CW-Laser, CW = Continuous Wave), die eine konstante Leistung abgeben, und gepulst betriebene Laser, die Laserpulse bestimmter Länge und Energie emittieren. Welche Laserbetriebsart zum Einsatz kommt, hängt von der zu erzielenden Materialreaktion ab. Der größte Anteil der Laserprozesse erfolgt mit gepulsten Laser.

Laserleistung. Die Laserleistung bestimmt, ob eine Reaktion aus energetischer Betrachtung stattfinden kann. Ist die Absorptionsrate des Materials hoch (z.B. 80-90%), reicht eine geringere Laserleistung aus als bei nur 40-50%.
Bei CW-Laser wird die kontinuierlich, bei gepulsten Laser die mittlere emittierte Leistung (das Produkt aus Pulsenergie und Pulsfrequenz) betrachtet.

Pulsspitzenleistung. Die Pulsspitzenleistung, das Verhältnis aus Pulsenergie zu Pulsdauer bestimmt, wie eine Reaktion stattfindet.
Pulsenergie und Pulslänge geben an, welche Lichtenergie ein Puls transportiert und wie lange dieser Puls dauert bzw. wieviel Zeit das Material hat, auf diesen Puls zu reagieren.

Pulsenergie. Je höher die Pulsenergie, desto höher die im Material absorbierte und in Wärme umgewandelte Energie.

Pulslänge. Je länger / kürzer ein Puls, desto länger / kürzer wirkt der Puls auf das Material. Das Material hat „viel“ / „wenig“ Zeit, die Lichtenergie aufzunehmen und in Wärme umzuwandeln.

Lange Pulse (µs-ms, 10^-6-10^-3s): Das Material hat genügend Zeit, um eine lokal homogene Schmelzzone auszubilden.
Beispiele:
Laserschneiden: Das Material wird im Schnittspalt aufgeschmolzen und die Schmelze mit Druckluft aus dem Schnittspalt getrieben.
Laserschweißen: Die beteiligten Materialschmelzen vermischen sich und gehen beim Abkühlen eine feste Verbindung ein.
Lasergravur: Eine oberflächlich aufgeschmolzene Materialmenge wird durch den Strahlungsdruck des Laserstrahls aus dem erzeugten Graben getrieben.

Kurze Pulse (ns-fs, 10^-9-10^-15s): Die Wirkzeit des Pulses reicht nicht aus, um eine Materialschmelze zu erzeugen. Der Laserpuls wirkt entweder nur rein oberflächlich oder verdampft Materialpartikel, bevor diese überhaupt in den Schmelzzustand übergehen können.
Beispiele:
Lasermarkieren: Die Materialobefläche ändert durch Aufschäumen oder Farbänderung ihren Kontrast, wodurch der bearbeitete Bereich lesbar wird.
Laserabtrag: Die Pulsspitzenleistung ist so hoch, dass die eingebrachte Energie in Menge und Wirkzeit ausreicht, um die Schmelzphase des Materials zu überspringen und Materialpartikel zu verdampfen, d.h. die Partikel gehen direkt in die Gasphase über. Da der Wärmeeintrag hier relativ gering ist, spricht man auch von kalter Bearbeitung.

Prozessperipherie
Welche Bedeutung haben Schutzgase, die Absaugung der Prozessgase und die Laserkühlung für den Laserprozess? Schutzgase schützen die Materialoberfläche vor Korrosion. Prozessgase können Laserleistung absorbieren und beeinflussen die Bearbeitungsqualität. Eine konstante Betriebstemperatur ist entscheidend für die Laserqualität.