Die Lasertechnik bietet für die Fertigung eine Reihe herausragender Eigenschaften. Welche Strahlquelle zum Einsatz kommt, muss sorgfältig ausgewählt werden. Nur dann sind optimale wirtschaftliche Ergebnisse zu erzielen.
Medizinprodukte unterliegen besonderen Anforderungen hinsichtlich Langzeitstabilität, Genauigkeit, Sterilisierbarkeit und Bioverträglichkeit. Die Lasertechnik bietet für die Fertigung eine Reihe von herausragenden Eigenschaften.
Für ein optimales Bearbeitungsergebnis gilt es dabei vorrangig, für die jeweilige Anwendung die richtige Laserstrahlquelle, die richtige Wellenlänge und die richtige Pulsdauer auszuwählen. Neben Faserlasern zum Schweißen und Schneiden von Metallen und UV-Lasern sowie CO2-Lasern zur Bearbeitung von Kunststoffen haben sich in den vergangenen Jahren vor allem Kurzpuls- und neuerdings auch Ultrakurzpulslaser als Werkzeug zur exakten Strukturierung qualifiziert.
Auf der Fachmesse Laser World of Photonics im Juni stellt für diesen Anwendungsbereich das Fraunhofer-Institut für Lasertechnik ILT erstmals das derzeit leistungsstärkste Ultrakurzpulslaser-Modul aus. Mit einer mittleren Leistung von über 400 W hält es den Weltrekord hinsichtlich mittlerer Leistung eines Femtosekundenlasers (fs-Laser).
Die fs-Laser, also Laser mit Pulsdauern kleiner als eine Pikosekunde, gelten als Schlüssel zur Ultrapräzisionsbearbeitung in unterschiedlichen Anwendungsfeldern. Mit dieser Technologie lassen sich hochpräzise dünne Schichten abtragen, faserverstärkte Kunststoffe bohren oder Oberflächen von Keramik-Bauteilen strukturieren. „Mit fs-Laser erzielen wir Bearbeitungsergebnisse, die durch kein anderes Verfahren erreicht werden“, sagt Dr. Peter Rußbüldt, Gruppenleiter Ultrakurzpulslaser am Fraunhofer ILT.
Die praktischen Grenzen des Ultrakurzpulslasers scheinen nach Erkenntnissen der Wissenschaftler derzeit noch nicht erreicht. Daher befasst sich das Institut bereits mit der Skalierung des fs-Lasers zu Leistungen größer 1000 W.
Neben neuen Ultrakurzpulslasern kommen für die Präzisionsbearbeitung von Medizinprodukten je nach Applikation Festkörperlaser, UV- Laser und Diodenlaser zum Einsatz. Insbesondere durch die Entwicklung von von Festkörperlasertypen wie Scheiben- und Faserlasern wurden die speziellen Eigenschaften wie
- hohe Strahlqualität
- gute Fokussierbarkeit
- hoher Wirkungsgrad (diodengepumpte Systeme)
- cw-Betrieb mit hohen mittleren Leistungen bis 8 kW
- Puls-Betrieb mit Leistungen bis 100 kW
- Strahlführung über Glasfasern
nochmals deutlich verbessert, so dass mit diesen Systemen ein weites Anwendungsspektrum von Feinschneiden, Schweißen, Abtragen, Bohren bis zum Beschriften abgedeckt werden kann. Neuere Entwicklungen bei Faserlasern hin zu Wellenlängen zwischen 1 µm und 2 µm ermöglichen zum Beispiel das additiv-freie Fügen und Schweißen von Kunststoffen.
Für die Bearbeitung von Kunststoffen sowie zum exakten Strukturieren mit Auflösungen im Mikrometerbereich sind UV-Laser wie Excimer-Laser und frequenzkonvertierte Festkörperlaser das System der Wahl. Diese Strahlquellen kommen etwa in der Lithographie, beim Präzisionsabtrag von Kunststoffen, bei der Dünnschichtmodifikation oder in der Augenheilkunde zum Einsatz.
Eine besondere Stellung nehmen Diodenlaser ein. Nicht nur, dass sie durch das All-Solid-State-Konzept die kleinste Bauform aller Laser aufweisen – durch die steigende Stückzahl ist auch der Systempreis deutlich gesunken, so dass Diodenlaser heute bereits für viele Applikationen zu einer wirtschaftlichen Alternative zu konventionellen Verfahren geworden sind. Zu ihren herausragenden Eigenschaften zählen
- kompakte Bauform
- hoher Wirkungsgrad
- cw-Betrieb mit hohen mittleren Leistungen bis 6 kW
- Wellenlängen von 400 nm bis 2 µm
Sie finden Anwendungen etwa beim Kunststoffschweißen, Löten, beim Pumpen von Festkörperlasern sowie im Medizinbereich.
Die Wahl der richtigen Laserstrahlquelle hängt entscheidend ab von Bearbeitungsverfahren, Werkstoff, Bearbeitungsgeschwindigkeit und Bearbeitungsgenauigkeit. „Nur durch die richtige Wahl kann ein optimales wirtschaftliches und technologisches Ergebnis gewährleistet werden“, betont Dr.-Ing. Alexander Olowinsky, Gruppenleiter Mikrofügen am Fraunhofer ILT.
Beim Schneiden und Abtragen beispielsweise ist eine kurze Wechselwirkungszeit zur Vermeidung thermischer Schäden erforderlich. Für Kunststoffe und Keramiken ist für für eine exakte Bearbeitung die Wahl der Wellenlänge häufig das entscheidende Kriterium, und für das Schweißen und Schmelzen zählt vor allem eine hohe Strahlqualität.
Dr.-Ing. Arnold Gillner Leiter der Abteilung Mikrotechnik am Fraunhofer ILT in Aachen
Ihr Stichwort
- Ultrakurzpulslaser
- Festkörperlaser
- UV-Laser
- Diodenlaser
- Kunststoffbearbeitung
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