Materialbearbeitung mit kurzen und ultrakurzen Laserpulsen

U. Löschner, J. Schille, L. Schneider, S. Mauersberger,
R. Ebert, H. Exner
Materialbearbeitung mit kurzen und
ultrakurzen Laserpulsen
Im Rahmen der vom BMBF geförderten
Innoprofile – Initiative hat die
involvierte Forschergruppe eine
leistungsfähige Laseranlage für Mikrobearbeitungsverfahren
aufgebaut, zu
deren Kennwerten und Möglichkeiten
bereits im Lasermagazin Nr.5/6 2007
berichtet wurde. Kernstück der Anlage
bilden ein Kurzpuls-Nd:YVO4-Laser (Pulsdauer 6 ns,
Fa. Edgewave) sowie ein hochrepetierender Ultrakurzpulslaser
(IMPULSE, Fa. Clark MXR) hoher
Pulsenergie (8µJ) mit einer Pulsdauer von 250 fs
(sech²) und einer Wellenlänge von 1030 nm. Im
Folgenden wird ein Überblick zu Bearbeitungsergebnissen
in Glas und Metall gegeben.
Bearbeitung von Glas mit ns- und fs-Laserpulsen
Die meisten Gläser sind für Laserstrahlung im nahen
Infrarot transparent, sodass ein linearer Einphotonen-Absorptionsprozess
nicht stattfinden kann.
Wird das Material mit hohen Intensitäten
(>10 9 W/cm²) bestrahlt, steigt die Wahrscheinlichkeit
der nichtlinearen Mehrphotonenabsorption, die für
die Einkopplung der Strahlungsenergie in das sonst
für die Wellenlänge transparente Material notwendig
ist. Mit den beschriebenen Laserquellen können
diese hohen Intensitätswerte erreicht und so durch
gezielte Erzeugung von laserinduzierten Mikrodefekten
3D-Körper aus Glas ausgeschnitten werden.
Zu Beginn wurden geeignete Laserparameterbereiche
ermittelt, die eine gesteuerte Mikrodefekterzeugung
im Glas ermöglichen. Fokussierte Laserstrahlung
mit 6 ns kurzen Pulsen erzeugt in BK9-Glas
(etabliertes Glas für die Laserinnengravur) Mikrodefekte.
Diese Mikrodefekte bestehen aus Mikrorissen,
die von einem Zentrum aus, das den Ort des
Laserstrahlfokus darstellt, sternförmig in lateraler
Richtung verlaufen. In Richtung des einfallenden
Laserstrahls (axial) sind die Defekte kanalartig ausgebildet.
Die lateralen als auch die axialen Ausdehnungen
der Mikrodefekte hängen wesentlich von
150 µm
150 µm
Abb.1: a) Mikrodefekt-Array mit 150 μm Pulsdistanz
(Pulsenergie 0,2 mJ, Pulsdauer 6 ns), b) Materialzerstörung
mit fs-Pulsen (Pulsenergie 7,4 μJ, Pulsdauer
1,5 ps, laterale Pulsdistanz 0,7 μm)
der applizierten Pulsenergie und der Größe des
Laserfokusspots ab. Höhere Pulsenergien verursachen
größere Ausdehnungen, kleinere Laserfoki
führen bei gleicher Pulsenergie zu deutlich geringeren
Defektabmessungen. Bei Fokussierung mit 56
mm Objektivbrennweite und einer Pulsenergie von
1,2 mJ betragen die laterale Defektausdehnung
etwa 150 µm und die axiale 300 µm. Wurde hingegen
mit einer asphärische Linse mit 15 mm Brennweite
fokussiert, ließ sich die Defektabmessung
lateral auf 70 µm und axial auf 100 µm optimieren,
s. Abb.1a. Die beschriebene Form sowie die Abmessungen
der Defekte konnten auch in kommerziellen
Gläsern wie BK7, B270 und Lithosil (alle
Schott AG) reproduziert werden.
Mit den gewonnenen Erkenntnissen wurden geeignete
Bestrahlungsstrategien entwickelt, um 3D-
Körper aus dem Glas herauszuschneiden. Dazu
müssen die einzelnen Mikrodefekte so arrangiert
werden, dass das Bauteil von einer Hülle eingeschlossen
ist. Außerdem sind zum späteren
Herauslösen des Teils zusätzlich Freischnitte eingefügt
worden. Abb.2 zeigt einen auf diese Weise mit
optimierten Parametern hergestellten Würfel, der
aus einem BK9-Glasblock herausgelöst wurde. Die
Wände sind rissfrei und weisen eine typische Struktur
auf, wie man sie bei spröden Werkstoffen nach
dem Absprengen von Material kennt. Rauhigkeitsmessungen
an den Wänden lieferten mittlere Rauhigkeitswerte
von Ra = 2,5 µm.
500 µm
Abb.2: lichtmikroskopische Aufnahme eines herausgelösten
Würfels aus BK9 (Pulsenergie 0,2 mJ,
Pulsdauer 6 ns, Pulsdistanz lateral 75 µm und axial
100 µm)
Mit fs-Laserpulsen konnten keine Einzelmikrodefekte
erzeugt werden. Nur unter speziellen Prozessbedingungen
(starke Pulsüberlappung) und bestimmten
Laserparametern (Pulsenergie, Pulsdauer)
konnte eine schuppenartige Materialzerstörung im
Glas beobachtet werden. Die erzeugte Defektmorphologie
ist komplett anders im Vergleich zu jener,
die mit ns-Pulsen erzeugt wurde, s. Abb.1b. Auch
mit dieser Art von Materialdefekten konnten durch
ein entsprechend angepasstes Bestrahlungsregime
erste 3D-Körper in ähnlicher Qualität aus einem
Glasblock herausgeschnitten werden. Die Rauheit
der Wände liegt jedoch um Faktor 3 höher.

Lasermikrostrukturierung von Edelstahl
Im Vergleich zum Laserabtragen mit konventionellen
fs-Laserstrahlquellen beeinflussen bei Einsatz
hochrepetierender Lasertechnologie neuartige Mechanismen,
wie z.B. Wärmeakkumulationseffekte
oder die Abschirmung des nachfolgenden Laserpulses
den Bearbeitungsprozess.
Durch die schnelle Abfolge der einzelnen Laserpulse
bei der Bearbeitung mit höherer Pulswiederholfrequenz
erfolgt pro Zeit ein höherer Energieeintrag
ins Material bei annähernd unveränderter Wärmeableitung.
Die Folge ist ein Ansteigen der mittleren
Temperatur des Werkstückes im Wirkbereich des
Laserstrahls, das wiederum eine verbesserte Einkopplung
der Laserstrahlung ins Material sowie ein
Absinken der Ablationsschwelle bewirkt und damit
höhere Abtragraten erwarten lässt.
Ab einer Pulswiederholfrequenz von ca. 500kHz
kommt es aufgrund des sehr kurzen zeitlichen Pulsabstandes
zur Abschirmung des folgenden Pulses,
die sich nachteilig auf den Abtragprozess auswirkt.
Der nach wenigen Mikrosekunden folgende Laserpuls
wechselwirkt mit dem durch den vorhergehenden
Puls erzeugten, noch vorhandenen, Plasma
bzw. Materialdampf oder den aus der Bearbeitungszone
abströmenden Partikeln.
Die Auswirkungen von Wärmeakkumulation bzw.
Pulsabschirmung auf den Abtragprozess verdeutlicht
Abbildung 3 anhand der bei Bearbeitung eines
Edelstahls (X5CrNi18-10) erhaltenen Strukturtiefen.
Abtragtiefe [µm]
100
75
50
25
0
Abtragtiefe in Abhängigkeit von Pulsabstand und
Pulswiederholfrequenz bei konst. Streckenenergie
200kHz
500kHz
1000kHz
7,5 3,8 1,9
Pulsabstand [µm]
Qs=1,1J/m
Abb.3: Abtragtiefen im Edelstahl, erzielt mit unterschiedlichen
Pulswiederholfrequenzen und Pulsabständen
bei konst. Steckenenergie (250 Scans)
Die bei der Bearbeitung mit 500 kHz gegenüber
200 kHz (lateraler Pulsabstand: 7,5 µm) geringere
Abtragtiefe begründet sich durch die für hohe Frequenzen
bereits beschriebene Abschirmung des
nachfolgenden Laserpulses, die einen geringeren
Energieeintrag ins Material zur Folge hat. Eine höhere
Bearbeitungsfrequenz (1000 kHz) bewirkt
dagegen wiederum ein Ansteigen der Abtragtiefe,
was sich durch die Überkompensation der Abschirmungsverluste
infolge von Wärmeakkumulationseffekten
erklärt.
Weiterhin wird das Bearbeitungsergebnis vom gewählten
lateralen Pulsabstand beeinflusst, wie Abbildung
3 mit einem deutlichen Ansteigen der Abtragtiefe
bei abnehmendem Pulsabstand zeigt.
Beaufschlagt man das Werkstück mit einer konstan-
ten Streckenenergie Qs, so wirkt bei kleinerem Pulsabstand
eine höhere Anzahl von Laserpulsen mit
einer geringeren Pulsenergie auf die Werkstückoberfläche.
Die so eingebrachte Laserenergie
kann im Material effizienter umgesetzt werden, was
zu einem erhöhten Abtrag führt. Auch wirkt sich das
Bestrahlen mit einer geringeren Pulsenergie vorteilhaft
auf den Abtragprozess aus, da die entsprechend
kleiner ausgeprägte Materialdampfwolke den
folgenden Puls weniger abschirmt.
Die Bearbeitung mit hoher Pulswiederholfrequenz
ermöglicht zudem auch mit geringem lateralem
Pulsabstand hohe Bearbeitungsgeschwindigkeiten,
was zusätzlich zur bereits diskutierten effizienten
Umsetzung der eingestrahlten Laserenergie hohe
Abtragraten erzielen lässt. Ein flächiges Abtragen
von Edelstahl ist beispielsweise mit 1,8mm³/min bei
einer Pulswiederholfrequenz von 5 MHz möglich.
Damit können zukünftig bei Einsatz der hochrepetierender
fs-Lasertechnologie auch für industrielle
Anwendungen interessante Prozesszeiten bei sehr
guter Bearbeitungsqualität (Abb.4) erreicht werden.
50µm
Abb.4: Grabenstruktur in Edelstahl mit: 100 Scans,
4 µJ Pulsenergie, 1 MHz Pulsfrequenz, 3750 mm/s
Scangeschwindigkeit
Bei einem zu hoch gewählten Energieeintrag entstehen
allerdings an der Abtragoberfläche periodische
Mikrostrukturen (LIPSS), die sich nachteilig auf
die Bearbeitungsqualität auswirken.
Unser besonderer Dank gilt dem BMBF für die Förderung
der Technologieentwicklung (03IP506) und
allen kooperierenden Firmen für die sehr gute Zusammenarbeit.
Kontakt
R. Ebert
Hochschule Mittweida (FH)
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