Der Ultrakurzpulslaser

Die Lasermaterialbearbeitung hat sich in vielen modernen Produktionsschritten und industriellen Fertigungsverfahren fest etabliert. Konventionelle Laserverfahren nutzen dabei entweder kontinuierliches Laserlicht für Prozesse wie Laserschweißen und Laserschneiden oder aber gepulste Laserstrahlung mit Pulslängen im Mikro- bis Nanosekundenbereich zum Laserbohren und Beschriften. Grundlage all dieser

Prozesse ist die Absorption der Laserstrahlung, die zu einem Schmelzen oder Verdampfen des zu bearbeitenden Materials führt. Daher muss bei der Auswahl der Laserstrahlquelle auf die Absorptionseigenschaften des Materials geachtet werden. Werden hingegen die Laserpulse zeitlich so sehr komprimiert, dass ultrakurze Lichtblitze mit Dauern von einigen Femtosekunden (1 fs = 10-15s) bis zu wenigen Pikosekunden (1 ps = 10-12s) entstehen, ändern sich bei der Materialbearbeitung die Absorptionseigenschaften und die Art des Wärmeeintrags ins Material vorteilhaft. Mit solchen Ultrakurzpulslasern werden völlig neue, materialschonende und hochpräzise Bearbeitungsverfahren

möglich. 

Erhöhte Präzision durch kalte Ablation

Die Pulsspitzenintensität solcher Ultrakurzpulslaser liegt bei Fokussierung auf wenige Mikrometer auf ein

Werkstück im Bereich mehrerer Gigawatt pro Quadratzentimeter. Dies ermöglicht es, dass der Werkstoff unmittelbar sublimiert, d.h. er verdampft direkt ohne eine Schmelze zu bilden. Dabei zeigt sich aufgrund der ultrakurzen Pulse auch, dass die Materialbearbeitung ohne Wärmeleitung in das Werkstück stattfindet. Man spricht von der „kalten Ablation“, die ungewollte Wärmeeinflusszonen mit Materialaufwürfen, thermischen Spannungen oder Werkstoffmodifikationen verhindert. Damit bieten sich materialschonende und hochpräzise Bearbeitungen insbesondere in der Feinwerktechnik, Medizintechnik und Dünnschichttechnik

an. Bearbeitet werden können neben Metallen auch temperaturempfindliche Materialien wie Keramiken, Halbleiter, Gläser und Polymere.

Transparent war gestern

Bei konventionellen Materialbearbeitungsverfahren werden die Laserstrahlquellen mit Blick auf die Absorptionseigenschaften des zu bearbeitenden Materials anhand der Wellenlänge sowie der notwendigen

Laserleistung oder Pulsenergie ausgewählt. Bei der Verwendung eines Ultrakurzpulslasers treten aufgrund der hohen Spitzenintensitäten über die üblichen Absorptionsprozesse hinaus sogenannte Multiphotonen-Absorptionsprozesse auf, die es ermöglichen, nahezu jedes Material, unabhängig von seinen Absorptionseigenschaften zu bearbeiten. Dadurch ist es möglich beispielsweise wartungsintensive UV-Laser durch Ultrakurzpulslaser zu ersetzen, um anspruchsvolle Materialien wie Faserverbundwerkstoffe oder auch Gläser zu bearbeiten.

Angepasste technische Oberflächen

Bei der Verwendung von Ultrakurzpulslasern treten zudem weitere, neue Wechselwirkungsmechanismen

zwischen Material und Laserstrahlung auf. So ist es möglich mit dem Ultrakurzpulslaser effizient und durch einen äußerst einfachen Bearbeitungsprozess selbstorganisierte Mikro- und Nanostrukturen großflächig

zu erzeugen und damit funktionale Oberfläche herzustellen. Durch die räumliche Selektivität dieses Verfahrens lassen sich Oberflächenmodifikationen in Bereichen weniger µm² bis hin zu mehreren cm² einfach herstellen. Die Modifikationsmöglichkeiten sind dabei vielfältig. So lassen sich die Benetzbarkeit,

die tribologischen oder auch die optischen Eigenschaften von Oberflächen gezielt verändern. Solche angepassten technischen Oberflächen können beispielsweise bei gleitenden Kontaktflächen von Pumpen und Dichtungen zum Einsatz kommen, dafür sorgen, dass bewegliche Teile reibungsärmer aufeinander gleiten und sich Schmierstoffe gleichmäßiger verteilen und sich der Verschleiß von hochbeanspruchten

Komponenten verringert. 

Technologietransfer für Unternehmen

Im Rahmen eines aktiven Technologietransfers steht in der Arbeitsgruppe für Angewandte Lasertechnik und Photonik (AG alp) der Hochschule Aschaffenburg ein hochmoderner Maschinenpark laserbasierter Fertigungsverfahren zur Verfügung. Für Unternehmen, die diese Technologien kennenlernen möchten,

bietet die AG alp am Zentrum für wissenschaftliche Services und Transfer (ZeWiS) im Industrie Center in Obernburg die Möglichkeit, konkrete technische Fragestellungen im aktiven Austausch zu bearbeiten. Die Spitzentechnologien können so von Unternehmen strategisch eingebunden werden, um ihr Innovationspotenzial zu vergrößern, Innovation zu beschleunigen und ihre Wettbewerbsfähigkeit langfristig sicherzustellen.

ZeWiS - Zentrum für wissenschaftliche Services und Transfer

Stefan Rung

Industrie Center Obernburg

63784 Obernburg

06022 813694

stefan.rung@h-ab.de

www.alp-aschaffenburg.de