Höhere Schreibgeschwindigkeit durch Laserstrahl-Aufspaltung

BMBF-Projekt „Multisurf“ zur Mikrostrukturierung von Oberflächen mit dem Ultrakurzpulslaser gestartet: Mehr Anwendungsmöglichkeiten durch Nutzung von Laserstrahl-Bündeln.

Paralleles Schreiben mit einem grünen Laserstrahlenbündel. Bild: Fraunhofer ILT

28.04.15

BMBF-Verbundprojekt „Multisurf“

Ultrakurzpulslaser werden bereits heute vielfach dazu genutzt, Mikrostrukturen mit hoher Präzision direkt in ein Material einzubringen. Der besondere Vorzug liegt in der hohen Flexibilität des Verfahrens, mit dem nur durch eine entsprechend präzise Steuerung des Laserstrahls in direkter Weise nahezu beliebige Strukturen geschrieben werden können.

Diese Vorgehensweise eignet sich besonders gut, um sogenannte Master herzustellen, die dann später für die parallele Vervielfältigung der Struktur verwendet werden, wie beispielsweise Druck- oder Prägewalzen. Dieser zweite Vervielfältigungsschritt ist zweckmäßig, da ein Nachteil des direkten Laserschreibens in seinem genuin seriellen Charakter liegt, d.h. der Strahl muss wie ein Stift über alle diejenigen Bereiche einer Oberfläche geführt werden, auf denen ein Materialabtrag erfolgen soll.

Dies ist ein vergleichsweise zeitaufwändiger Prozess. Die Dauer wird im Wesentlichen bestimmt durch die Geschwindigkeit, mit der der Strahl in kontrollierter Weise abgelenkt, also über die Oberfläche geführt werden kann, sowie die Zeitdauer, die erforderlich ist, um an eine bestimmten Ort einen definierten Materialabtrag zu erzielen. Letzteres ist die kritische Engstelle bei der Beschleunigung des Verfahrens, da man nicht einfach die Leistung des Lasers immer weiter erhöhen kann, um die Abtragsrate zu verbessern und dadurch die Verweilzeit des Lasers an einer Stelle zu vermindern.

Vielmehr befindet man sich bereits heute auf einem Leistungsniveau, oberhalb dessen sogenannte „nichtlineare Effekte“ in der Wechselwirkung des Lasers mit dem Material auftreten, die zu einer Verschlechterung der Strukturqualität führen.

Das vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) geförderte Projekt „Multisurf“ (Projekttitel: „Mikro- und nanoskalige Oberflächenfunktionalisierung durch Multistrahl-Laserverfahren“) untersucht ein Verfahren, das durch eine massive Aufspaltung eines Laserstrahls hoher Leistung in viele Teilstrahlen eine deutliche Erhöhung der Schreibgeschwindigkeit erlaubt. Die besondere Herausforderung liegt darin, die vielen Teilstrahlen unabhängig voneinander mit der erforderlichen Präzision und bei unveränderter Strahlqualität zu steuern.

Mit den zunächst bis zu einhundert Teilstrahlen wird das direktschreibende Verfahren deutlich beschleunigt, so dass es für Anwendungen einsetzbar wird, für die es bislang zu teuer war. Gleichzeitig werden bestehende Verwendungen günstiger, so dass mit einer häufigeren Nutzung dieser etablierten Praktiken zu rechnen ist.

Neben diesem zentralen Aspekt des Projekts werden noch weitere Verbesserungen untersucht. Durch eine Halbierung der Laserfrequenz wird es möglich, feinere Strukturen zu schreiben und andere Materialien zu bearbeiten, als mit dem etablierten Infrarotlaser. Eine weitere Innovation liegt darin, auch Verfahren zur Laserpolitur von Oberflächen, was durch kurzes lokales Aufschmelzen der Oberfläche erfolgt, mittels der Nutzung mehrerer Teilstrahlen zu parallelisieren.

Das langfristige Ziel liegt in einer Maschine, die flexibel unterschiedliche Materialien sowohl strukturieren, als auch polieren kann. Dabei sollen nicht nur einfache Strukturen beispielsweise für Prägestempel herstellbar sein, sondern auch komplexe Formen, etwa zur Beeinflussung des Benetzungsverhaltens auf Oberflächen nach Vorbild des Lotos-Effektes erzeugt werden. Auch die antibakterielle Modifikation der Oberfläche ist auf diese Weise möglich, ebenso die definierte Einstellung bestimmter haptischer Eigenschaften.

Der Multisurf-Verbund wird vom Bundesministerium für Bildung und Forschung mit rund 3,2 Millionen Euro im Rahmen der Initiative „Die Basis der Photonik: funktionale Oberflächen und Schichten“ gefördert. Das Projekt ist Anfang April 2015 gestartet und wird voraussichtlich Ende März 2018 abgeschlossen. Projektpartner sind die Saueressig GmbH + Co.KG (Vreden), die EdgeWave GmbH (Würselen), die LIMO Lissotschenko Mikrooptik GmbH (Dortmund), die Heidelberger Druckmaschinen AG (Thalheim), das Fraunhofer Institut für Lasertechnik ILT (Aachen) und die Sandvik Materials Technology Deutschland GmbH (Ennepetal).

Weitere Informationen

Download Steckbrief BMBF-Verbundprojekt „Multisurf“ (PDF)

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