Weiterentwicklung einer laserbasierten Technologie zur

Weiterentwicklung einer laserbasierten Technologie zur Herstellung von SubMikrostrukturen auf Metallwerkzeugen
Zusammenfassung
Im Zuge der immer weiter fortschreitenden Entwicklung in der Mikrotechnik (z.B. Photovoltaik, Medizintechnik, Display- und Beleuchtungstechnik) entsteht ein zunehmender
Bedarf, Strukturen in einer Größenordnung von einigen Nanometern bis wenigen Mikrometer auf immer größeren Flächen zu generieren. Die Fertigung solcher submikrometergroßen Strukturen (Größenbereich: 300 nm bis 1 µm) mit hoher Präzision ist in vielen
Bereichen noch weit entfernt von einer industriellen Umsetzung. Insbesondere in der
Mikrometallbearbeitung gibt es noch wesentliche Probleme extrem feine Mikro- und
Nanostrukturen großtechnisch herzustellen. Neben qualitativen Aspekten, wie die
Herstellung von formstabilen Strukturen, spielt die Wirtschaftlichkeit hierbei eine zentrale
Rolle. Gelingt es, mikrostrukturierte Oberflächen in einem Prozessschritt direkt auf das
Werkstück (z.B. Prägewalzen) einzubringen, können solche Mikrostrukturen durch Replikationsprozesse, z.B. auf flexiblen Folien mittels Rolle-zu-Rolle-Verfahren, massenproduktionstauglich und kostengünstig hergestellt werden. Neben der eigentlichen
Formübertragung können solche Sub-µm-Strukturen dann gezielt auch Oberflächenfunktionalitäten (z.B. schmutzabweisende Effekte, Entspiegelungs-Strukturen) erzeugen. Im
konventionellen Druckverfahren (indirekter Tiefdruck) können Strukturen im Sub-µmBereich auf Werkzeugen wie Prägewalzen oder Pressbändern und -blechen nicht
produziert werden, denn die Feinheit einer Struktur im Sub-µm-Bereich lässt sich nicht
mit der erforderlichen Präzision drucken. Das Kernproblem des Vorhabens betrifft
deshalb die Generierung periodischer Oberflächenstrukturen im Sub-µm-Bereich direkt
auf Metalloberflächen, um feinste Masterstrukturen für Stempel- und Abformwerkzeuge
herzustellen (Abb. 1).
Abbildung 1: Konzept der Master-Slave-Replikation periodischer Submikrostrukturen
Neben Diamantzerspanungsprozessen und lithographischen Technologien zur metallischen Mikrostrukturierung genügt insbesondere der Einsatz laserunterstützter Verfahren
den Anforderungen nach einer hohen Strukturgenauigkeit im Mikrobereich und
ermöglicht gleichzeitig eine hohe Flexibilität bei der Materialauswahl. Als innovatives
Laserverfahren, um Sub-µm-Strukturen direkt auf Metallen herzustellen, wird am
Fraunhofer Institut für Werkstoff- und Strahltechnik (IWS) die direkte LaserSeite 1
interferenzstrukturierung (DLIP) verwendet. Die DLIP bietet eine einfache und
industrietaugliche Lösung zur Generierung hochwertiger Strukturen auf unterschiedlichen
Materialoberflächen. Der Primärstrahl wird mittels Strahlteilern in mindestens zwei
kohärente Teilstrahlen aufgespaltet, die mit Hilfe eines Systems verschiedener optischer
Komponenten unter einem bestimmten Winkel auf der zu behandelnden Oberfläche zur
Interferenz gebracht werden. Aufgrund der Wechselwirkung zwischen dem Substratmaterial und der Laserstrahlung entsteht ein periodisches Muster im Mikro- bzw. Submikrometerbereich.
Ziel des Projektvorschlags ist die Weiterentwicklung der direkten Laserinterferenzstrukturierung auf der Basis eines Sub-Nanosekundenpulslasers zu einer Fertigungstechnologie für die wirtschaftliche Herstellung von Strukturen im Submikrometerbereich
auf ebenen und zylinderförmigen metallischen Werkzeugen. Dabei kommt es darauf an,
dass die Strukturen nicht nur von hoher Qualität, sondern auch formstabil sind. Durch
Optimierung der Eigenschaften eines am Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf
(HZDR) entwickelten Festkörperlasers wird versucht, den Strukturierungsprozess so zu
beeinflussen, dass es möglich ist, präzise Strukturen im Größenbereich der Wellenlänge
auf Metalloberflächen zu erzeugen. Demonstriert wird die Leistungsfähigkeit des
Verfahrens modellhaft an periodischen Linienstrukturen, die, auf einer Metallwalze aus
Edelstahl aufgebracht, über ein Rolle-zu-Rolle-Verfahren auf eine flexible Polymerfolie
abgeformt werden. Am Ende der Projektbearbeitung soll eine Technologie zur
Strukturierung von 3D-Oberflächen zur Verfügung stehen, die dort eingesetzt wird, wo
großflächig und schnell Mikrostrukturen generiert werden müssen, z.B. auf Prägewalzen,
die als Master zur Endlosfertigung genutzt werden, um feinste Strukturen  1 µm in
großflächige, flexible Folien einzuprägen.
KONTAKT:
Prof. Dr. Andrés Lasagni
Fraunhofer Institut für Werkstoff und Strahltechnik (IWS)
Winterbergstr. 28
01277 Dresden
Email: [email protected]
Tel.: (0351) 83391 - 3007
Dr. Mathias Siebold
Helmholtz-Zentrum Dresden Rossendorf (HZDR)
Institut für Strahlenphysik
Bautzner Landstr. 400
01328 Dresden
Email: [email protected]
Tel.: (0351) 260 - 3049
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