Trends in der Lasertechnik: Was der Kurzpulslaser alles kann

Kurzpulslaser haben einzigartige Fähigkeiten. Die Industrie nutzt sie für zahlreiche Anwendungen. Die Bandbreite umfasst zum einen Kurzpulslaser mit Pulsdauern im Nanosekundenbereich, daher auch Nanosekundenlaser genannt. Zum anderen gehören die Ultrakurzpulslaser mit Pulsdauern im Piko- und Femtosekundenbereich dazu, die als Piko- und Femtosekundenlaser bezeichnet werden. Durch die kurze Einwirkzeit des Laserstrahls in das Material, ist die Wärmeeinflusszone sehr gering; man spricht hier von einer kalten Ablation. Dabei schmilzt das Material nicht, sondern verdampft. Die nichtlineare Absorption der Kurzpulslaser macht es möglich nahezu jedes Material zu bearbeiten, wie beispielsweise Stahl, Kupfer, Messing, Keramik, diverse Kunststoffe, Glas und vieles mehr.

Kurzpulslaser reinigen und strukturieren Bauteile in einem Arbeitsschritt

Mit Kurzpulslasern reinigen Anwender Bauteile. Sie können Metalle entlacken, also Sekundärmaterial abtragen. Mit einem entsprechend hohen Energieeintrag können sie auch das Bauteil selbst bearbeiten, zum Beispiel strukturieren. „Diese Anwendungen sind mit ein und demselben Kurzpulslaser möglich“, sagt Steffen Rübling, Produktmanager bei Trumpf in Ditzingen, Deutschland. Der Anwender muss dafür nur das Leistungsniveau, die Wiederholrate der Pulse und die Vorschubgeschwindigkeit einstellen. Bei Bedarf können Kurzpulslaser zum Beispiel das Reinigen und Strukturieren in nur einem Arbeitsschritt erledigen.

Markierung mit Farbumschlag auf nahezu jedem Material

Ultrakurzpulslaser ermöglichen Markierungen auf Materialien, die mit anderen Lasertechnologien schwer zu erzielen sind. So können beispielsweise Kunststoffe markiert werden, bei denen für gewöhnlich Laseradditive eingesetzt werden müssen. Durch den Ultrakurzpulslaser entfällt die Zugabe des Additivs, was Kosten und Zeiteinsparung bedeutet.

Außerdem ermöglicht der Ultrakurzpulslaser Markierungen mit gutem Kontrast und hoher Beständigkeit gegen Korrosion. Dies wird beispielsweise in der Medizintechnik eingesetzt, um Operationsbesteck aus Edelstahl mit einer kontrastreichen und korrosionsbeständigen schwarzen Markierung zu lasern. „Obwohl die Operationsbestecke viele Sterilisationszyklen durchlaufen, zeigt die Markierung mit Femto- und Pikosekundenlasern auch danach keine Korrosion. Der ursprüngliche Kontrast bleibt erhalten. Das garantiert die Rückverfolgbarkeit über den gesamten Produktlebenszyklus“, sagt Dina Reit, Geschäftsführerin der SK Laser GmbH, Wiesbaden, Deutschland.

Ablative Bearbeitung von mechanisch schwer zu bearbeitenden Materialien

Mechanisch schwer bearbeitbare Materialien, wie beispielsweise Diamantschichten auf Hartmetallsubstrat, können durch Ultrakurzpulslaser hoch präzise und mit guter Abtragsrate bearbeitet werden. „Gute Erfahrung haben wir gemeinsam mit unserem Partner IPG Laser bei der exakten Bearbeitung von Glas gemacht. Obwohl dieses Material bei einer Laserwellenlänge von rund 1 µm nahezu transparent für den Laserstrahl ist, können die Ultrakurzpulslaser Glas dank nichtlinearer Effekte gravieren, diffraktive Strukturen in die Oberfläche einbringen und selektive Glasoberflächenschichten abtragen, ohne das Glas zu beschädigen“, erläutert Reit.

Die Femto- und Pikosekundenlaser sind optimal geeignet für die Feinbearbeitung bei anspruchsvollen Anwendungen und erweitern das Spektrum der Laserbearbeitungen.

Kurzpulslaser entlacken Bauteile schnell und präzise

Die E-Mobilität ist eines von vielen Anwendungsfeldern für Kurzpulslaser. Das Schweißen der Hairpin genannten Kupferstifte von Elektromotoren ist beispielsweise besonders herausfordernd. Bevor die Hersteller der E-Motoren die feinen Hairpins schweißen können, müssen sie zunächst die Beschichtung aus Kunststofflack entfernen.

Beim Laserentlacken treffen die Laserpulse auf die Oberfläche des Werkstücks. Dabei verdampfen sie die Beschichtung. „Da der Werkstoff Kupfer besonders empfindlich ist, funktioniert dies nur mit dem präzisen Energieeintrag von Kurzpulslasern. Mit ihnen können Anwender die Kunststoffbeschichtung der Hairpins entfernen, ohne das Kupfer selbst zu bearbeiten“, erklärt Steffen Rübling von Trumpf. Für das Entlacken muss der Anwender den Energieeintrag so hoch wählen, dass der Laser den Lack entfernt, die Energie aber nicht ausreicht, das Grundmaterial anzugreifen, in dem Fall das Kupfer.

Laserreinigen von Werkstücken ist umweltschonend

Das Laserreinigen von Bauteilen funktioniert nach dem gleichen Prinzip. Eine typische Anwendung ist die Vorbereitung von Klebeverbindungen. Beispielsweise müssen Automobilhersteller Oberflächen von Bauteilen rückstandlos reinigen, kurz bevor sie diese schweißen oder miteinander verkleben können. Sie müssen Trennmittel wie etwa Öle entfernen, ohne das darunterliegende Bauteil zu beschädigen.

Die Oberflächen mit Nasschemikalien oder Schleifmitteln zu reinigen, würde ein zeitaufwändiges Maskieren der Teile erfordern. „Dies treibt die Kosten in die Höhe und macht die Reinigung aufwändiger, als sie sein muss“, so Rübling. Kurzpulslaser reinigen die Bauteile nur dort, wo es tatsächlich notwendig ist. Auf eine Nachbearbeitung können die Automobilhersteller verzichten. Zudem funktioniert das Laserreinigen immer gleich gut – und vor allem umweltschonend. Die Anwender sparen im Vergleich zu herkömmlichen Verfahren Wasser und chemische Reinigungsmittel.

Laserstrukturierung eignet sich für die verschiedensten Metalle

Auch beim Laserstrukturieren kommen Kurzpulslaser zum Einsatz. Das Laserstrukturieren ist eine saubere, schnelle und berührungslose Alternative zum Sandstrahlen, Ätzen mit Chemikalien oder Fräsen. Die Kurzpulslaser können verschiedene Metalle strukturieren. Dafür muss der Anwender lediglich die Parameter des Lasers je nach Metall anpassen, wie zum Beispiel die Laserleistung und Prozessgeschwindigkeit.

Laser wichtiges Werkzeug für Herstellung von Solarzellen

„Der Laser spielt bei der Herstellung von Photovoltaikanlagen eine wichtige Rolle. Bei der Herstellung dieser filigranen Zellen führt kein Weg am Kurzpulslaser vorbei“, sagt Mauritz Möller, bei Trumpf unter anderem für die Photovoltaikbranche zuständig.

Grundsätzlich unterscheidet die Sonnenenergie-Branche zwischen Dickschicht- und Dünnschicht-Solarzellen. Beide Varianten arbeiten nach dem Prinzip der Photovoltaik, der Umwandlung von Sonnenstrahlen in elektrische Energie. Sie nutzen jedoch unterschiedliche Halbleitermaterialien zur Stromerzeugung. Dickschicht-Solarzellen: kristallines Silizium. Dünnschicht-Solarzellen: nichtkristallines Silizium oder andere Halbleitermaterialien wie Kupferverbindungen. Dünnschicht-Solarzellen sind rund hundertmal dünner und deutlich leichter als Dickschicht-Solarzellen. Bei Dünnschicht-Solarmodulen läuft kein Metallrahmen um die einzelnen Module und je nach Trägermaterial, Glas oder Kunststoff-Folie, können die Hersteller die Zellen biegen. Dadurch lassen sich diese flexiblen Solarmodule harmonisch in die Architektur von Gebäuden integrieren. Dank ihrer Flexibilität und ihres niedrigen Gewichts sind die Dünnschichtzellen auch mobil einsetzbar, zum Beispiel beim Camping oder zur Stromerzeugung in abgelegenen Regionen.

Die Hersteller sprühen oder dampfen die Zellen auf das Trägermaterial auf. Die Dünnschicht-Solarzellen sind gerade einmal eins bis fünf Mikrometer dünn. Die Kurzpulslaser sind ein wichtiges Werkzeug, um Dünnschichtsolarmodule vor äußeren Einflüssen zu schützen. Damit es nicht zu einem Kurzschluss durch Staub oder Feuchtigkeit kommt, müssen die Hersteller die aufgedampften Schichten am Rand der Solarzelle auf einer Breite von etwa einem Zentimeter entfernen, bevor sie die Solarzellen mit einer Schutzfolie laminieren. „Früher nutzten die Hersteller dafür das Sandstrahlen. Kurzpulslaser haben diese Technik mittlerweile verdrängt“, sagt Möller.

Kurzpulslaser haben einzigartige Fähigkeiten. Wie ihr Name sagt, arbeiten sie mit kurzen Laserpulsen, die hohe Pulsenergien liefern. Beim Entschichten geht der Laserpuls durch die Glasoberfläche, trifft auf die Beschichtung der Rückseite und „sprengt“ diese ab, ohne das Glas zu beschädigen. Dadurch hat die Solarzelle eine längere Lebensdauer und es entstehen keine giftigen Abfälle wie beim Sandstrahlen. Da die Beschichtungen hauchdünn sind, funktioniert dies nur mit dem präzisen Energieeintrag von Kurzpulslasern. Für das Entschichten muss der Anwender den Energieeintrag so hoch wählen, dass der Laser zwar die aufgedampfte Beschichtung entfernt, das Grundmaterial aber nicht angreift und beschädigt. Der Energieeintrag ist je nach Materialkombination unterschiedlich.

Oled-basierte flexible/faltbare Displays

Zahlreiche Displays für mobile Geräte werden in der Regel gleichzeitig auf großen Mutterglasscheiben hergestellt. Nachdem alle Schaltkreise erstellt und verschiedene andere Schichten hinzugefügt wurden, wird das große Substrat in Zellen geschnitten, die bis zu zehn Displays umfassen. Dies geschieht, weil Zellen, die nur wenige Displays enthalten, viel einfacher zu handhaben und zu transportieren sind als das ursprüngliche große Substrat. Die letzten Schritte der Montage von Mobilgeräten erfolgen in der Regel in einer separaten Produktionsstätte - oft in einem anderen Land.

„Jedes einzelne Display muss vor der Montage des Telefons oder Tablets aus der Zelle ausgeschnitten werden. Außerdem müssen bei vielen Designs an beliebigen Positionen im Display Löcher für Kameras und andere Sensoren eingebracht werden. Manchmal werden auch nur einige der Displayschichten in einem bestimmten Bereich entfernt, z.B. um Fingerabdrucksensoren unterzubringen“ erklärt Dr. Oliver Haupt, Direktor Strategisches Marketing Displays, bei Coherent, Göttingen, Deutschland. Diese Prozesse werden als Form- und Lochschneiden bezeichnet. Sie müssen mit hoher mechanischer Präzision und Qualität durchgeführt werden, d. h. mit engen Toleranzen und hoher Wiederholbarkeit. Dies ist notwendig, um Probleme beim Zusammenbau zu vermeiden. Außerdem muss der Durchsatz sehr hoch sein, da der größte Teil der Kosten zu diesem Zeitpunkt bereits in die Displays eingeflossen ist.

Bei diesen Schneidprozessen ist es aus mehreren Gründen wichtig, die Wärmeeinflusszone (WEZ) so gering wie möglich zu halten, auch um Schäden an den Schaltkreisen zu vermeiden. Bei faltbaren Telefonen können Blasen und Mikrorisse, die in der WEZ entstehen und Quellen sein, aus denen sich schlussendlich makroskopische Risse bilden oder ausbreiten können. Folglich sollte die maximale WEZ-Spezifikation für das Formschneiden eines typischen Telefons weniger als 100 µm betragen. Für ein faltbares Display sollten es weniger als 50 µm sein. Beim Schneiden von Löchern ist es nicht ungewöhnlich, dass die maximal zulässige WEZ unter 20 µm liegt.

Laser mit Nanosekunden-Pulsen können diese Kantenqualität nicht liefern. Display-Hersteller verwenden daher Kurzpulslaser, um die von ihnen benötigte kleine WEZ zu erreichen.

Herstellung medizinischer Instrumente

Der Hauptgrund für die jüngste Zunahme der Femtosekunden-Laserbearbeitung in der Medizintechnik ist die Nachfrage nach medizinischen Instrumenten, die sich durch kleinere, dünnwandigere Komponenten mit einer größeren Anzahl von Schnittdetails auszeichnen (z. B. periphere Stents, Hypotubes, minimalinvasive Werkzeuge usw.). Dies gilt insbesondere für die Nachfrage nach Maschinen, die für das Schneiden von Rohrgeometrien konfiguriert sind. Darüber hinaus ist die Verwendung von anspruchsvolleren und teureren Werkstoffen ein weiterer Treiber.

"Das Schneiden von Nitinolstents ist ein Beispiel dafür, wie Femtosekundenlaser sich im Markt durchsetzen", erklärt Dr. Geoff Shannon, Direktor Strategisches Marketing Precision Manufacturing, von Coherent, Santa Clara, USA. "Die Bearbeitung mit Faserlasern hinterlässt Materialrückstände, die nach dem Schneiden entfernt werden müssen. Das Schneiden mit dem Femtosekundenlaser erzeugt glatte Kanten ohne Rückstände und macht das Reinigen/Entgraten überflüssig. Der Wegfall des nachgelagerten Reinigungsprozesses und die daraus resultierende Steigerung der Teileausbeute bieten einen erheblichen Kostenvorteil", fügt Shannon hinzu.

Beim Schneiden von Metallen in Medizintechnik-Anwendungen können Faserlaser aufgrund ihrer höheren verfügbaren Leistung immer noch schneller schneiden und dickere Teile schneiden. Die optimale Wahl des Lasers - Femtosekundenlaser oder Faserlaser - hängt also sehr stark von den spezifischen Anwendungsdetails ab. Eine der größten Fragen für jeden Anwender in der Medizintechnik, der heute eine neue Maschine erwirbt, ist daher die Wahl zwischen Femtosekunden- oder Faserlaser: höhere Geschwindigkeit oder höhere Kantenqualität? Aus diesem Grund sind die neuesten Lasermaschinen für das Schneiden medizinischer Instrumente wahlweise mit Femtosekunden- oder Faserlaser oder als Hybridoption mit beiden Lasern erhältlich. Mit der letztgenannten Option können die Benutzer nahtlos zwischen den Lasern wechseln, selbst bei einem einzigen Auftrag, bei dem es Schnitte geben kann, die mit einem Faserlaser wirtschaftlicher als mit einem Femtosekundenlaser ausgeführt werden können und umgekehrt.

Schweizer Uhren

Eine interessante Anwendung für Femtosekundenlaser ist die Herstellung von Kleinteilen für hochwertige Schweizer Uhren. Im Gegensatz zu medizinischen Instrumenten, die in der Regel mit röhrenförmigen Rohlingen beginnen, werden die meisten dieser Teile aus flachen Substraten mit für diesen Zweck optimierten Maschinen geschnitten.

TechnoCut mit Sitz in Bonfol, Schweiz, war ein sehr früher Anwender der Femtosekunden-Lasertechnologie. Das Unternehmen wurde 2005 mit dem Ziel gegründet, die Lasertechnologie für die Auftragsfertigung von Kleinteilen für die ikonische Industrie des Landes zu nutzen, wobei es vor allem um Laserschneiden und -gravieren geht. Julien Montavon ist technischer Direktor und Mitbegründer von TechnoCut. Er erklärt: „Wir haben uns für den Femtosekundenlaser wegen seiner Vielseitigkeit entschieden; die Uhrenindustrie verwendet eine unglaublich breite Palette von Materialien. Innenteile werden aus Messing, Kupferlegierungen und Stahl hergestellt. Bei Zifferblatt und Zeigern können jedoch alle Arten von Metallen und exotischen Nichtmetallen verwendet werden, um die Ästhetik, den wahrgenommenen Markenwert und die Exklusivität zu steigern. Beispiele hierfür sind Keramik, Karbonfasern, Perlmutt und natürlich verschiedene Edelmetalle." Montavon weist darauf hin, dass all diese Werkstoffe mit einem Femtosekundenlaser problemlos geschnitten werden können, oft ohne Nachbearbeitungsschritte wie das Polieren im Taumelverfahren.

Mit dem Laser gegen Mikroplastik

Bislang sind Kläranlagen kaum in der Lage die winzigen Mikroplastikteile im Abwasser ausreichend herauszufiltern. Nun wurde der erste lasergebohrte Mikroplastikfilter in einem Klärwerk in Walleshausen erfolgreich durch das Unternehmen Klass-Filter GmbH aus Eresing getestet. Er enthält Bleche mit kleinen Löchern von nur zehn Mikrometern Durchmesser. Die Technologie, um Millionen von Löchern effizient zu bohren, wurde am Fraunhofer-Institut für Lasertechnik ILT in Aachen entwickelt. Die Arbeiten fanden im BMBF-geförderten Projekt SimConDrill unter der Leitung der Klass-Filter GmbH und Beteiligung des Fraunhofer ILT und der Industriepartner LaserJob GmbH aus Fürstenfeldbruck, Lunovo GmbH aus Herzogenrath und OptiY GmbH aus Estenfeld statt. Im Fraunhofer Cluster of Excellence Advanced Photon Sources Caps, der vom Fraunhofer ILT in Aachen und vom Fraunhofer IOF in Jena koordiniert wird, arbeiten aktuell 13 Fraunhofer Institute an der Skalierung der Ultrakurzpuls-Lasertechnologie im kW-Bereich.