Ein Laser für alle Fälle in der Kunststoffbearbeitung: Mission erfüllt

KMU-innovativ
02.05.2016
Erstellt von BMBF-Verbundprojekt SUMER

BMBF-Verbundprojekt SUMER erfolgreich abgeschlossen / Erste Applikationsergebnisse auf Abschlusstreffen vorgestellt.

Die Bearbeitung von TROGAMID (PA) und PLEXIGLAS (PMMA) hat in den letzten Jahren für viele zukunftsweisende Anwendungen stark an Bedeutung gewonnen. Diese Kunststoffe überzeugen durch Materialeigenschaften wie hervorragende Lichtdurchlässigkeit, hohe Witterungsbeständigkeit, hohe Oberflächenhärte, gute Kratzfestigkeit, hohe Steifigkeit, gute Chemikalienbeständigkeit und leichte Wiederverwertbarkeit.

Die Anwendungsgebiete von PA- und PMMA-Kunststoffen (Polymeren) sind dementsprechend breit gefächert, sie finden beispielsweise als Linsen und Brillengläser, schmutzabweisende Oberflächen, Lichtleiter in Backlight-Unit-Modulen für Notebooks und Flachbildschirme oder auch als LCD Schutzgläser Anwendung. Bearbeitungsmethoden wie Funktionalisieren, Bohren, Trennen und Fügen stellen somit eine Schlüsseltechnologie dar. Bis heute fehlten allerdings universelle Bearbeitungswerkzeuge, die alle Laserbearbeitungsmethoden der genannten Materialien vereinen und dabei eine hohe Energieeffizienz gewährleisten.

Die Bearbeitung von Polymeren kann heutzutage mittels verschiedener kommerziell verfügbarer Lasersysteme durchgeführt werden. Dabei müssen mehrere Lasersysteme kombiniert werden, um ein Werkstück, z. B. mikrofluidische Elemente, herzustellen. Dies stellt bis heute eine technische und wirtschaftliche Herausforderung dar. Darüber hinaus ist es erforderlich, das Polymer-Rohmaterial mit additiven Stoffen zu modifizieren, damit es mit den verfügbaren Lasersystemen bearbeitet werden kann.

Im März 2014 haben sich mit den fünf Partnern LISA laser products OHG aus Katlenburg-Lindau, dem Laser Zentrum Hannover, der LPKF Laser & Electronics AG aus Fürth und der Evonik Industries AG aus Darmstadt sowie der PicoQuant GmbH aus Berlin vier führende Unternehmen und das Forschungsinstitut Laser Zentrum Hannover verbunden und sich das gemeinsame Ziel gesetzt, einen umschaltbaren Laser im Wellenlängenbereich um 2 µm im Rahmen des SUMER-Projekts zu entwickeln. Das Projekt wird vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) im Rahmen der Initiative "KMU-innovativ: Photonik/Optische Technologien" gefördert.

Dies eröffnet die Möglichkeit, die Wechselwirkung zwischen den genannten Materialien und der Laserstrahlung bei einer Wellenlänge von 2 µm in einem breiten Parameterfeld zu untersuchen, um einen deutlich effizienteren Fertigungsprozess zu etablieren. Ein großer Vorteil dabei ist, dass die genannten Polymere bei dieser Wellenlänge auch ohne additive Stoffe direkt bearbeitet werden können. Der anvisierte umschaltbare kontinuierliche und gepulste Betrieb wurde darüber hinaus so konzipiert, dass sämtliche Prozessschritte mit ein und demselben Laser erledigt werden können.

Vor dem Abschlusstreffen bei der LPKF AG in Fürth wurden mit dem zuvor realisierten SUMER-Funktionsprototypen Applikationstests mit verschiedensten Kunststoffen durchgeführt. Hierbei  zeigten sich die vielfältigen Einsatzmöglichkeiten des Lasers. Im Fokus der Applikationen standen mikrofluidische Elemente, welche bisher mit verschiedenen Technologien hergestellt werden mussten. Der kompakte SUMER-Laser hingegen deckt dank seines hybriden Charakters sämtliche Prozessschritte ab. Dem Konsortium ist es gelungen, die anspruchsvolle multitechnologische Fusion von Halbleiter- und Festkörperlasern umzusetzen.

Die kombinierten wichtigsten Vorteile sind der Pulstreiber, der arbiträre Pulsformen im Pulsdauerbereich zwischen 100 ps (1 Pikosekunde = 10-12 Sekunden) und 100 ns (1 Nanosekunde = 10-9 Sekunden) ermöglicht, die effizienten neuartigen faserbasierten Komponenten und die Realisierung eines mehrstufigen Verstärkersystems. Der final realisierte Funktionsprototyp konnte als Tabletop-Ausführung mit Faserführung konstruiert und gefertigt werden, sodass eine leichte Integration in die Laser-Bearbeitungsanlage gewährleistet ist.