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Lasermikrobearbeituing

Was ist die Lasermikrobearbeitung und wie funktioniert sie?

Der ständige Trend zur technologischen Miniaturisierung von mechanischen Geräten optischer und elektronischer Art wird die zukünftige Entwicklung vorantreiben. Kleiner, leichter, feiner - dies ist das Motto der Entwicklung der Produkte des einundzwanzigsten Jahrhunderts.

Die Lasermikrobearbeitung ist das Hauptinstrument mit dem eine Mikrofertigung in einem Bereich jenseits des Schwellwerts von einem Mikrometer (ein millionstel Meter) möglich ist. Das Grundprinzip, um eine solche Genauigkeit in der Bearbeitung erreichen zu können, ist die Strahlenenergie fast vollständig zu nutzen, um mit dem Material chemisch interagieren zu können (elektronische Bindungen aufzubrechen) und den Nebeneffekt der Erwärmung zu vermeiden. Dieses Verfahren wird „kalte Ablation“ genannt und wird mit hochmodernen Ultrakurzpuls-Laserquellen (USP) durchgeführt, die eine Dauer im Bereich der Pikosekunden (10-12s) oder Femtosekunden (10-15s) aufweisen und die es ermöglichen, im Zeitverlauf, impulsartige, hohe Energiespitzen auf das Material zu übertragen. Eine weitere wichtige Herausforderung für die Lasermikrobearbeitungsanlagen besteht darin, die erhöhte Produktivität zu erreichen, die für die hohen Durchsätze der Industrie erforderlich sind. Um dies zu erreichen, genügt es nicht immer, die mittlere Leistung der Bearbeitung zu erhöhen, da die nicht lineare Wirkung der Absorption Wärmeeinflusszonen (WEZ) schaffen und die Genauigkeit der Bearbeitung beeinträchtigen würde. Um diesen physikalischen Nachteil auszugleichen, werden Burst-Pulse oder Pulsketten verwendet, die die Fluenz (J/cm3) so steuern, dass der thermische Schwellwert nicht überschritten und die Ablationsgeschwindigkeit maximiert wird.

Anwendungsbereiche Lasermikrobearbeitung

Viele Bereiche verwenden Teile oder Produkte, die Bearbeitungen mit kleinsten Abmessungen erfordern und in Zukunft werden immer mehr Anwendungen betroffen sein. Im Folgenden einige Beispiele für Anwendungen:

Mikrobearbeitung in der Automobilindustrie

Die Automobilindustrie treibt die Forschung voran und auch die Mikrobearbeitung findet in verschiedenen Bereichen Anwendung. Eine der am weitesten verbreiteten Anwendungen ist die Erstellung von Öffnungen für das Einspritzen von Treibstoff, aber auch die Herstellung von Diesel- oder Benzinfiltern oder die Herstellung von Smart-Sensoren, die sich immer häufiger in unseren Fahrzeugen befinden. Sportwagen oder die immer häufigeren Elektro-Autos haben zu einer gesteigerten Notwendigkeit der Verwendung von haltbaren und ultraleichten Verbundfasern geführt, die schwierig zu bearbeiten sind. Die ultraschnellen Laser haben die Probleme beim Schneiden, bei den Bohrungen und der Oberflächenbearbeitung gelöst.

Mikrobearbeitung im Medizinbereich

Medizin und Biotechnologie sind Bereiche, in denen die Lasermikrobearbeitung mit am häufigsten verwendet wird, insbesondere, was den Bereich der Mikrofluidik angeht (Mikrofilter, Mikropumpen, Katheter usw.). Sie wird außerdem verwendet, um

Medikamentendosiervorrichtungen, Vernebler, Stents und transdermale Pflaster zu verwenden.

Mikrobearbeitung in der Elektronik

Die Elektronik ist mit Sicherheit ein Bereich, der die Maschinen für die Lasermikrobearbeitung mit am meisten nutzt, insbesondere für die Herstellung von Leiterplatten mit Mikroschnitten und Mikrolöchern (Vias), Lötmasken (Solder Mask Stencil), Displays, für das Trimmen elektronischer Komponenten, für die Herstellung und Strukturierung von MEMS oder für die Herstellung von RFID-Schaltkreisen mit immer kleineren Abmessungen.

Matrizen

Im Bereich der Matrizen werden Maschinen für die Lasermikrobearbeitung für die Oberflächenstrukturierung genutzt. Häufig werden in der Automobilindustrie oder Unterhaltungselektronik besondere Oberflächenstrukturen benötigt, um den Effekt von Leder zu imitieren oder bestimmte Berührungsempfindungen auszulösen. Dies erfolgt durch die Herstellung von Matrizen mit speziellen Oberflächenstrukturen, häufig in 3D, für die sehr genaue Laser benötigt werden.

Luft- und Raumfahrt

Die Luft- und Raumfahrt ist ein extremer Bereich, was Materialien und Technologien anbelangt und auch hier spielt die Mikrobearbeitung eine Rolle. Die Oberflächenbearbeitung von Flugzeugturbinen und -rotoren, die Bearbeitung der Verbundmaterialien, die Bearbeitung von Weltraumantennen (mit dünner Beschichtung) sind nur einige Beispiele ihrer Verwendung.

Fotovoltaik und Halbleiter

Bei der Herstellung von Halbleiterbauteilen wird die Lasermikrobearbeitung für Siliziumwaferprozesse zur Vereinzelung und Oberflächenstrukturierung von Chips (Dicing, Scribing) verwendet.

Uhrenherstellung

Die Uhrenherstellung ist ein Bereich, der seit jeher Bedarf an Mikrokomponenten hatte. Die Mikrostrukturierung von Zahnrädern und Kleinteilen der Uhren ist ein Fall für die Lasermikrobearbeitung. Auch Mikrogravuren und die Oberflächenbearbeitung der Gehäuse für Zwecke der Ästhetik sind häufige Anwendungen.

Biotech

Dieser neue Bereich hat einen wachsenden Bedarf an Lasermikrobearbeitung, insbesondere für die Bearbeitung von speziellem Laborglas und -filtern oder für die innovativen implantierbaren und nicht-implantierbaren Lab-on-a-Chips, die menschliche Funktionen mit Technologien mit besonders kleinen Abmessungen überwachen.

Energie

Energie ist die Herausforderung der erneuerbaren Ressourcen und eines der am heißesten diskutierten Themen unserer Zeit. Lasermikrobearbeitungen werden auch in diesem wichtigen Bereich für die Herstellung von Solarzellen (Thin Film Patterning, Reinigung der Leiter und Kanten der Solarzellen) verwendet.

Der Bereich der Lithiumionenbatterien wächst besonders stark. Bearbeitungen wie der Schnitt der Elektroden und Isolierungen, das Mikroschweißen oder die Oberflächenbearbeitung werden von Maschinen für die Lasermikrobearbeitung durchgeführt.

Die Herstellung von LEDs mit niedrigem Energieverbrauch ist eine weitere verbreitete Anwendung für das Scribing, Dicing und die Lasermarkierung.

Arten von Lasermikrobearbeitung

Mikroschnitt und Mikrolöcher

Die Bearbeitungen, die Schnitte und Löcher im Mikrometerbereich erfordern, benötigen Materialablationssysteme mit sehr kleinen Spots und kleinen Wärmeeinflusszonen (WEZ). Es ist außerdem erforderlich, Bearbeitungsrückstände zu verhindern, um die anschließende zeitraubende Reinigung zu vermeiden, die die Präzision der Bearbeitung beeinträchtigen würde. Die Produktion von Mikrokomponenten (Zahnräder, Bolzen, Hebel usw.) wird auch Mikrostrukturierung genannt und der Schnitt ist eine grundlegende Bearbeitung bei Ihrer Herstellung. Bei den Löchern lassen sich spezielle Formen und Geometrien auf Grundlage der Anforderung der Anwendung erstellen, indem Senkungen an Ein- oder Auslass oder extrem geradlinige Durchgänge erstellt werden.

Mikrolaserablation (Mikrogravur)

Die Mikrolaserablation wird verwendet, um Mikroschnitte in das Material einzubringen, um Muster oder einfach Aushöhlungen jeglicher geometrischer Art zu erzeugen. Manchmal dienen diese Verfahren einer Funktion und werden verwendet, um die Oberflächeneigenschaften des Materials zu verändern (Benetzbarkeit, wasserabweisende Eigenschaften usw.).

Eine mit der Mikrolaserablation verbundene wichtige Anwendung ist die Entfernung des Dünnfilms von Substraten, die häufig im Bereich der Elektronik und Halbleiter Anwendung findet.

Mikrotexturieren

Diese besondere Bearbeitung wird verwendet, um auf einer Oberfläche eine systematische Geometrie für eine funktionelle oder ästhetische Wirkung zu erschaffen. Die Oberflächen können in 3D sein und große Abmessungen haben. Die Hauptverwendung liegt in der Herstellung von Matrizen für Bauteile der Unterhaltungselektronik oder der Automobilindustrie.

Mikromarkierung

Diese Bearbeitung wird dafür verwendet, Logos oder Codes auf Materialien mit reduzierten Abmessungen, wie Miniaturelektronikbauteilen oder in einem ganz anderen Bereich, zur Identifizierung von Diamanten, anzubringen.

Mikrobearbeitung – Materialien

Keramik
Kupfer
Eisen
Papier
Kohlenstoff
Karton
Gold
Plastik
Holz
Stahl
Glas
Haut

Materialien, die für Mikrobearbeitungsprozesse verwendet werden können, sind sehr zahlreich, weil die Wechselwirkung zwischen Materie und Licht mit Ultrakurzpuls-Laserquellen (USP) erfolgt, wobei hohe Pulsenergiespitzen auf die chemischen Bindungen der Materialien einwirken. Aus diesem Grund besteht eine große Auswahl an geeigneten Materialien, die auch auf die Wellenlänge der verwendbaren USP-Laser zurückzuführen ist: UV (355 nm), Grün (532 nm), IR (1064).

Metall Luft- und Raumfahrt, Automobilindustrie, Uhrenherstellung (breite Anwendung auch für Superlegierungen, die für hohe Temperaturen geeignet sind)

Kunststoffpolymere Mikrofluidik, Sensoren

Glas, Keramik Harte und isolierende Materialien (Mikrofluidik und Sensoren von Mikroaktoren)

Halbleiter Elektronik und Fotovoltaik

Welche Vorteile bieten die Lasermikrobearbeitungen im Vergleich zu anderen Technologien?

Bei einem Vergleich auf hohem Niveau zwischen mechanischen und Laserprozessen lässt sich feststellen, dass die Laserbearbeitung ein kontaktloser Prozess ist (der somit ohne Verschleiß von Werkzeugen oder Verbrauchsstoffen auskommt), der eine erhöhte Präzision und Qualität aufweist (keine Nachbearbeitung erforderlich), um kleinere Teile mit einer erhöhten Wiederholgenauigkeit zu bearbeiten und eine Flexibilität für die Bearbeitung von fast allen Materialien mit sich bringt (zum Beispiel nicht möglich bei EDM). Außerdem werden für den Prozess keine chemischen Stoffe oder spezielle Energiequellen benötigt (Green Process).

Sehen wir uns einen Vergleich der erreichbaren Präzisionsniveaus genauer an:

Präzision

  • Laser: <1µm
  • EDM: 100 µm (mit Verbrauchsstoffen und Notwendigkeit einer anschließenden Nachbearbeitung)
  • Mikrofräsen: 100 µm (mit Verbrauchsstoffen und Notwendigkeit einer anschließenden Nachbearbeitung)
  • Chemische Ätzung: 200 µm (mit chemischem, giftigem Material, das entsorgt werden muss)

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