l LASERMIKROBEARBEITUNG l SCHNEIDEN ›Heißer Tanz‹ mit hoher Präzision Für hochpräzise Anwendungen ist das MIKROSCHMELZSCHNEIDEN eine interessante Alternative zur kalten Ablation mit Scannern. Weitere Optimierungspotenziale des Verfahrens liegen in der Kompensation des Taperwinkels, beispielsweise durch Trepanieroptiken zur Strahlanstellung, in der Prozessgaszuführung oder im Teilehandling. Bild 1. UKP-Laserbearbeitung durch kalte Ablation. Links: Mikrokanäle von circa 200 µm Breite ohne thermische Einflusszone oder Schmelzphase in einem Lab-onChip-System aus Kunststoff. Rechts: Messing-Uhrzeiger mit qualitativ hochwertigen Schnittkanten, die jedoch einen signifikanten Taperwinkel aufweisen (0,7 mm breiter Bildausschnitt) JANKO AUERSWALD U ltrakurzpuls-(UKP-)Laser verlassen in zunehmenden Stückzahlen die Forschungslabore und halten in der industriellen Mikro-Materialbearbeitung Einzug. Pulse im Pikound Femtosekundenbereich sind in der Lage, das Material ›kalt‹ zu verdampfen, ohne es zu schmelzen. Durch diese kalte Ablation wird zum Beispiel der schichtweise Abtrag von Glas, Metall, Keramik oder Polymeren realisiert. Die Uhrenindustrie etwa nutzt dieses Verfahren für Feingravuren oder das Schneiden und Bohren von Verbundwerkstoffen ohne Schmelz- oder Wärmeeinflusszone. Das Resultat sind Oberflächen und Kanten von hoher Qualität (Bild 1). Ultrakurze Pulse verhindern thermisch induzierte Schäden Allerdings reichen die Präzision und der Kantenwinkel (Taperwinkel), die bei der kalten Ablation mit Galvo-Scannern erzielt werden können, für manche Anwendungen nicht aus. Schräge Kantenwinkel entstehen, wenn am Rande des Schnittspalts ein geringerer Energieeintrag (Fluenz) in das Material erfolgt oder wenn sich Material dort wieder abschei- det. In diesem Fall ist das Arbeiten mit Festoptiken, Prozessgasdüsen und hochpräzisen Achsen angebracht. Die Beschleunigungen und Vorschubgeschwindigkeiten der Achsen sind jedoch nicht so hoch wie bei Galvo-Scannern mit ihren viel geringeren Trägheitsmomenten. Daher kommt es beim Arbeiten mit Festoptiken und Achsen zur Ausbildung einer Schmelzphase. Diese darf aber die Qualität des Bauteils nicht negativ beeinflussen. Im Unterschied zu klassischen Schmelzschneideverfahren, wie etwa mit Scheibenlasern oder CO2Lasern, sorgen die ultrakurzen Pulse dafür, dass der Hitzeeintrag räumlich und zeitlich sehr begrenzt erfolgt. Die Bauteile tragen keine thermisch induzierten Schäden davon. Es handelt sich hier im übertragenen Sinne um einen sehr kontrollierten ›heißen Tanz‹ von höchster Präzision auf engstem Raum. > KONTAKT HERSTELLER TRUMPF Laser- und Systemtechnik GmbH 71254 Ditzingen Tel. +49 7156 303-0 Fax +49 7156 303-930309 www.trumpf.com © MIKROvent, Mainburg MIKROPRODUKTION 02/15 Bilder: TRUMPF © MIKROvent GmbH, Mainburg – www.mikroproduktion.com – nicht zur Verwendung in Intranet- und Internetangeboten sowie elektronischen Verteilern 36 © MIKROvent GmbH, Mainburg – www.mikroproduktion.com – nicht zur Verwendung in Intranet- und Internetangeboten sowie elektronischen Verteilern SCHNEIDEN l LASERMIKROBEARBEITUNG l 37 Bild 2. Mikroschmelzschneiden führt zu höherer Präzision und steileren Kantenwinkeln als die kalte Ablation mit Scannern. Links: ein circa 5 mm großes Zahnrad. Rechts: Die Prozessgaszuführung über Düsen (oben) sowie geeignete Bauteilhalterungen (unten) sind entscheidend für eine hohe Qualität Steilere Taperwinkel und gute Kantenqualität Bei richtiger Prozessführung lassen sich beim Mikroschmelzschneiden neben guter Kantenqualität auch steilere Taperwinkel erreichen als beim Schneiden durch kalte Ablation mit Scannern. Optimierte Düsen treiben die Schmelze mit Prozessgasen unter erhöh- tem Druck aus dem Schnittspalt aus. Düsengeometrie und -position sowie Prozessgasdruck und -typ haben neben den Laserparametern einen entscheidenden Einfluss auf das Ergebnis. Ein weiterer wichtiger Aspekt ist die Entwicklung geeigneter Halterungen. Sie sollten das Bauteil zuverlässig fixieren, gleichzeitig aber auch ein Freischneiden ohne direkte 왘 Wir positionieren Medizintechnik. Hochpräzise. Kleinste Bohrungen - höchste Präzision Für das umfangreiche Gebiet der Medizin- und Biotechnologie bietet Steinmeyer Mechatronik ein breites Spektrum an hochpräzisen Positionierlösungen und mechatronischen Komponenten – ob Serienmodule in Computertomographen, Linearachsen für Mikrodispenser-Systeme oder Dreheinheiten für In-Vitro-Messungen. Dabei greifen wir auf bewährte Systeme zurück oder entwickeln in enger Zusammenarbeit mit unseren Kunden individuelle Lösungen. Das sagt alles: Bohrungen im Durchmesser ab 20µm in einem Edelstahlblech ab einer Materialstärke von t=20µm, mit einer Genauigkeit von ±2µm. Was Sie davon haben? Höchste Genauigkeit bei geringen Toleranzen für exakte Durchflussraten. www.laserjob.de MIKROPRODUKTION 02/15 www.steinmeyer.com l LASERMIKROBEARBEITUNG Bild 3. Mikroschmelzschneiden von Keramik. Das gezeigte Teil mit einem Durchmesser von circa 5 mm ist eine Testgeometrie für die Uhrenindustrie. Auch Saphir und Silizium lassen sich so bearbeiten l SCHNEIDEN Unterlage ermöglichen (Bild 2). Auch das Design muss lasergerecht aufbereitet werden, um sogenannte Einstichstellen zu vermeiden. Dabei darf man die Rolle der Messtechnik bei der Prozessentwicklung und der Qualitätsüberwachung nicht unterschätzen. Es muss gewährleistet sein, dass Form- und Lagetoleranzen mit einer Genauigkeit von mindestens 5 µm sowie Rauheiten von weniger als Ra < 1 µm zuverlässig Bild 4. Die Laser der ›TruMicro‹-Serie 5000 sind Pikosekundenlaser mit gemessen werden können. Laserleistungen von bis zu 100 W und Pulsenergien bis zu 250 µJ. Die Nicht nur Metalle sind durch diese Pulsdauern von weniger als 10 ps tragen neben anderen Prozessparametern spezielle Art des Mikroschmelz- entscheidend dazu bei, dass keine Wärmeeinflusszone erkennbar ist schneidens bearbeitbar, sondern auch Keramiken (Bild 3). Für kosteneffiziente Prozesse lasTrepanieroptiken für das sen sich mehrere Bearbeitungsoptiken parallel verBohren kleiner Löcher wenden. Die leistungsstarken Ultrakurzpulslaser der Eine immer wiederkehrende Anforderung sind Kan›TruMicro‹-Serie von Trumpf erlauben eine solche tenwinkel von 90 Grad. Für das Bohren kleiner Strahlteilung (Bild 4). Löcher ist dies bereits mithilfe sogenannter Trepanieroptiken möglich. Die Trepanieroptik stellt dabei den Strahl schräg an und rotiert ihn um einen TaumelNachbehandlungen verbessern punkt, um den Taperwinkel zu korrigieren. Dieser das Bearbeitungsergebnis Ansatz wird auch für komplexere Geometrien immer Diverse Nachbehandlungen können das Bearbeitungsinteressanter. Der hochpräzise Vorschub erfolgt ergebnis noch verbessern. Wie auch im Falle der dabei wiederum über die mechanischen Achsen. Elektroerosion oder des Mikrofräsens kann im NachAllerdings gibt es bei den meisten Trepanieroptiken gang an den Prozess des Mikroschmelzschneidens noch Entwicklungsbedarf, um sie speziell für solche eine Wärmebehandlung zur Einstellung einer beanspruchsvollen Anwendungen benutzerfreundlistimmten Härte oder Festigkeit respektive zur Entcher und damit industrietauglich zu machen. Vorteilspannung des Materials erfolgen. Um die Rauheit der haft, aber mechanisch anspruchsvoll wäre auch die Oberflächen weiter zu reduzieren, kann man diese Kompensation des Taperwinkels durch flexibel kippmit Politur nachbehandeln. Andere Bauteile wiederbare Probenhalterungen. ■ um werden im Anschluss an die Laserbearbeitung MI110356 galvanisiert. Die Uhrenindustrie ist eines der wichtigsten Anwendungsfelder des MikroschmelzschneiAUTOR dens und -bohrens, etwa für Rubinsteinlager, Zeiger Dr. JANKO AUERSWALD ist Leiter des Applikationsoder andere Designelemente. zentrums bei der TRUMPF Maschinen AG in Baar/Schweiz; [email protected] © MIKROvent, Mainburg MIKROPRODUKTION 02/15 Bilder: TRUMPF © MIKROvent GmbH, Mainburg – www.mikroproduktion.com – nicht zur Verwendung in Intranet- und Internetangeboten sowie elektronischen Verteilern 38