Fraunhofer-Institut für Lasertechnik ILT
Fraunhofer-Institut für Lasertechnik ILT

Strukturieren und Polieren mit UKP-Laserstrahlung

Konzept-Video: Multistrahlbearbeitung mit 1kW und 64 Teilstrahlen im MultiFlex-Projekt

Parallelbearbeitung einer Oberfläche mit mehreren Laserstahlen.
© Fraunhofer ILT, Aachen.
Parallelbearbeitung einer Oberfläche mit mehreren Laserstahlen.

Die Anwendung von UKP-Strukturierungsprozessen auf großen Flächen scheitert heute häufig an der Prozessdauer und den damit verbundenen Kosten. Ziel des MultiFlex-Projekts ist es, durch flexible Multistrahlbearbeitung, die Produktivität von UKP Prozessen deutlich zu steigern.

Nachdem die konzeptionelle Phase des Projekts im Frühjahr 2020 abgeschlossen wurde, können wir nun in einem Video einen Einblick in unser Projekt und das Maschinenkonzept für den MultiFlex-Ansatz zur Laserbearbeitung geben. Begleiten Sie uns auf einer Reise, die mit der Idee hinter MultiFlex beginnt, dem Laserstrahl durch die Maschine folgt und einige der vielen möglichen Anwendungen beleuchtet!

Photonische Prozesskette zur effizienten UKP-Lasertexturierung

Photonische Prozesskette mit UKP-Strukturieren, -Reinigen und -Polieren.

Die industrielle Lasertexturierung ist derzeit noch von Nanosekundenlasern geprägt. Neue Ansätze zeigen, dass mittels UKP-Laserstrahlquellen die Produktivität von Nanosekundenlasern bei gleichbleibender Qualität um einen Faktor 4 übertroffen wird. Eine Abtragsrate von bis zu 20 mm³/min mit einer Oberflächenrauheit von Ra = 1,5 µm kann dabei erreicht werden. Auch Rauheiten von < 0,5 µm können mit einer Abtragsrate von bis zu 10 mm³/min erzielt werden. Die photonische Prozesskette zeigt, dass mit dem universellen Tool eines UKP-Lasers auch Folgeprozesse wie Reinigen und Polieren in derselben Anlage ohne aufwendiges Rüsten oder Umspannen des Werkstücks durchgeführt werden können.

Laserstrukturieren mit dreifacher Produktivität

Einsatz eines UKP-Lasers zum Reinigen und Polieren nach der Strukturerzeugung.
© Fraunhofer ILT, Aachen / Voker Lannert.
Einsatz eines UKP-Lasers zum Reinigen und Polieren nach der Strukturerzeugung.

Kunststoffverkleidungen im Pkw werden heute mit verschiedenen Verfahren geprägt. Die Herstellung der Werkzeuge dafür dauert allerdings extrem lange. Mit einer neuen Lasermaschine, die einen leistungsstarken Ultrakurzpulslaser sowie eine optimierte Software und Prozesssteuerung nutzt, geht das dreimal so schnell und dabei werden noch feinere Strukturen möglich. Das Know-how für die verschiedenen Komponenten und Prozesse wurde im Projekt »eVerest« von Partnern aus Forschung und Industrie entwickelt.

Mit der neuen Prozesssteuerung in der Maschine lassen sich auch mehrere Arbeitsschritte nacheinander in derselben Aufspannung durchführen. So kann zum Beispiel eine prozessbedingte schwarze Oxidschicht nach dem Laserstrukturieren mit dem Laser beseitigt werden. Durch das Aneinanderreihen der Prozesse Laserstrukturieren, Laserreinigen und Laserpolieren entsteht eine photonische Prozesskette.

Farbkodierung durch Mikro- und Nanostrukturen

Mittels Interferenzstrukturierung erzeugte Farben.
© Fraunhofer ILT, Aachen.
Mittels Interferenzstrukturierung erzeugte Farben.

Das sichtbare Farbspektrum zwischen 400 nm und 800 nm ist ein Ausschnitt aus dem elektromagnetischen Spektrum, dessen einzelne spektrale Komponenten vom menschlichen Auge als Farbe wahrgenommen werden. Trifft das Spektrum einer Lichtquelle auf eine mikro- oder nanostrukturierte Oberfläche, wird es in verschiedene Anteile aufgeteilt, sodass unterschiedliche Farben in Abhängigkeit des Blickwinkels wahrgenommen werden. Mittels ultrakurz gepulster Laserstrahlung können definierte Strukturen auf Oberflächen erzeugt werden, die spezifische Anteile des Farbspektrums reflektieren oder absorbieren. Ziel ist es, ein vordefiniertes farbiges Muster durch einen automatisierten Mikrostrukturierungsprozess auf verschiedenen Werkstoffen zu realisieren.

Neben dekorativen Anwendungen werden die Strukturen zur Erzeugung technischer Oberflächen im medizinischen und biotechnischen Bereich angewendet.

Mikrostrukturierung als Teil der vernetzten adaptiven Prozesskette

Multisensorsystem zur Prozessüberwachung.
© Fraunhofer ILT, Aachen.
Multisensorsystem zur Prozessüberwachung.

Die laserbasierte Mikrostrukturierung wird im Rahmen des Leistungszentrums »Vernetzte adaptive Produktion« als letzter Schritt in eine Prozesskette für mit Losgröße 1 gefertigte Werkzeuge für Automobilanwendungen integriert. Dabei wird zwischen zwei Prozessen differenziert: schnellere ns- und präzisere ps-Strukturierung. Anhand wichtiger Kriterien wie Bearbeitungszeit, -kosten und -genauigkeit, Oberflächen-rauheit sowie dem aktuellen Maschinenzustand wird noch während der Fertigung entschieden, mit welcher Prozesskombination die besten Ergebnisse erreicht werden können.
 

Anwendungsfelder für das Echtzeit-Prozessüberwachungssystem

  • Mikrostrukturierung in der Automobil-, Beleuchtungsindustrie sowie in Luft- und Raumfahrt
  • Weitere Fertigungsverfahren in I4.0-Prozessketten
  • Scannerbasierte Laseranwendungen

Großflächige Mikrostrukturierung durch UV-Laserstrahlung

Line-Beam mit 155 x 0,3 mm Feldgröße.
© Fraunhofer ILT, Aachen.
Line-Beam mit 155 x 0,3 mm Feldgröße.

Der selektive Abtrag und die Modifikation mikro- und nanometerskaliger Schichten mittels UV-Laserstrahlung ist ein etablierter Herstellungsprozess in der Displayproduktion. Die vernachlässigbare thermische Beeinflussung der Bauteile durch die geringe optische Eindringtiefe und kurze Pulsdauer qualifiziert gepulste UV-Excimerlaserstrahlung für die präzise und schonende Funktionalisierung von dünnen Schichten aus leitenden, halbleitenden oder isolierenden Materialien. Um diese Eigenschaften der Bearbeitung auf unterschiedliche Schichtsysteme und eine große Produktpalette zu übertragen, wurde am Fraunhofer ILT in enger Kooperation mit Coherent ein UV-Laserlinienstrahlsystem in Betrieb genommen. 

Mit diesem Laserstrahlsystem wird branchenübergreifend vor allem kleinen und mittleren Unternehmen die technologische Basis zur Entwicklung neuer Produkte mit innovativen Schichtfunktionalitäten zur Verfügung gestellt.