Mikrosystemtechnik 03.06.2005, 18:38 Uhr

Innovative Mikrosystemtechnik ist eine Wachstumsnische der Laserexperten  

Ohne Laser keine Mikrosystemtechnik, das verdeutlicht vom 13. bis 16. Juni in München die Messe Laser 2005. Kleinste Bauteile in miniaturisierter Feinwerktechnik herzustellen ist zwar eher ein Nischenmarkt, aber dort findet die interessante Lasertechnologie statt.

Das Bohren von Leiterplatten und Düsen, Displaytechniken mit feinsten Siliziumschichten auf Glasträgern, Mikroelektromechanische Systeme oder das Strukturieren von Landezonen für den Schreiblesekopf der Festplatte im heimischen Computer sind ohne Laser undenkbar. „Ein typisches Beispiel für eine innovative Laseranwendung, ist die Stereolithographie“, erzählt Heinz-Heinrich Gatzen, Leiter des Instituts für Mikrotechnologie der Universität Hannover. Mikrobauteile aus Kunststoff müssen nicht geschnitten oder gefräst werden, sondern entstehen durch das dreidimensionale Bestrahlen einer flüssigen Polymerbasis. CAD-Daten liefern die Form, der Laser härtet das Bauteil im Becken.

In Aachen schmelzen die Wissenschaftler des Instituts für Lasertechnik ILT dreidimensionale Formen schichtweise aus einem Metall-Pulverbett: Rapid Tooling im Mikromaßstab. „Die andere Möglichkeit ist, aus einem massiven Metallblock schichtweise Präzisionsgeometrien abzutragen“, gewährt Dr. Arnold Gillner Einblick in die Aachener Entwicklungshallen. „Diese Verfahren“, so der Wissenschaftler, „haben industrielle Fertigungsreife. Bei den ganz feinen Geometrien mit Strukturgrößen um 100 µm und kleiner tragen wir aus dem Block heraus ab und die größeren Bauteile können wir aus dem Pulverbett herstellen.“

Und selbst Mikrobauteile aus Keramik lassen sich mit Lasern aus Blöcken schneiden. „Keramik kann man sehr schön mit frequenzkonvertierten Festkörperlasern bearbeiten“, so Gillner. „Wenn wir die Frequenz in den UV-Bereich auf 355 nm verschieben, erreichen wir eine für Keramik besonders gute Absorption.“ Unter der typischen Frequenz eines verdreifachten Nd:YAG-Lasers verdampft jede beliebige Keramik – und sogar Diamant. „Wir haben jetzt ein Verfahren entwickelt, bei dem wir die ungebrannte grüne Keramik bearbeiten können“, erzählt er. Der Binder der Keramikmasse verdampft unter dem Lichtstrahl, sprengt die mineralischen Bestandteile aus dem Block und lässt eine 20 Mal schnellere Bearbeitung der Keramik zu.

„Diese frequenzkonvertierten Dioden-gepumpten Festkörperlaser sind technologisch die Zukunft“, ist der Laserfachmann Arnold Mayer, Geschäftsführer der Optech Consulting im Schweizer Tägerwilen, überzeugt. Und geschickt miteinander kombiniert, liefern sie ein Werkzeug, das ganz neue Möglichkeiten in der Laserbearbeitung eröffnet: Ultrakurzpuls-Laser. „Eine neue Anwendung für Ultrakurzpulslaser ist das Trimmen von Sensoren“, sagt Torsten Temme, Spezialist für Mikrostrukturen am Laser Zentrum Hannover LZH. „Das sind mikromechanische Sensoren, die beispielsweise in der Automobilindustrie eingesetzt werden – Überschlags- oder Fahrstabilitätssensoren. Wir verändern nachträglich das Schwingungsverhalten des eigentlich schon fertigen Sensors – Feintuning sozusagen.“

Aber eigentlich sind Bohren und Schneiden die Domänen der frequenzkonvertierten Dioden-gepumpten Festkörperlaser. Die ultrakurzen Pulse haben gegenüber traditionellen Lasern einen entscheidenden Vorteil: Ihre Pulse sind so stark, dass sich unter dem Laserlicht keine Schmelze bildet, sondern das bestrahlte Material sofort verdampft. Keine Schmelze – kein Grat und damit keine aufwändige oder sogar unmögliche Nachbearbeitung von zarten Mikrostrukturen. Der Preis für diese elegante Lösung sind allerdings teure, aufwändige Systeme, die lange als Spielzeug der Laserforscher galten. „Aber inzwischen gibt es Unternehmen, die Femtosekunden-Laser auf kommerzieller Basis einsetzen“, weiß Temme. „Es sind zwar hauptsächlich Produkte mit hoher Wertschöpfung, aber das ist vielleicht dennoch eine erste Trendwende.“

Das – nach eigenen Angaben – erste Lohnfertigungsunternehmen, das Ultrakurzpuls-Laser einsetzt, ist aus dem LZH entstanden. Micreon fertigt in Hannover Stents, Bauteile für Röntgenapparate oder Sensoren für die Automobilindustrie. Kleinserien aus den Entwicklungsabteilungen großer Firmen sind der Markt, für den die Hannoveraner schneiden, bohren, abtragen oder auch neue Technologien entwickeln. „Beispielsweise kann man in transparenten Materialien durch intensive Pulse eine Änderung des Brechungsindex hervorrufen und durch diese Bahnen später einen Laserstrahl führen“, erzählt Günter Kamlage, Geschäftsführer der Micreon. „Das ist allerdings noch weit von der industriellen Anwendung weg, aber wir arbeiten eben weiterhin mit Forschungsinstituten zusammen.“ Häufig arbeiten sie aber auch nur als Veredler und bohren ein letztes 15-µm-Loch in einen fast fertigen Gassensor.

Und eine weitere Hürde im „Scale-down“ des Werkzeugbaus haben Lasertechniker überwunden. „Wir haben jetzt ein neues Schweiß-Verfahren entwickelt – Shadow. Das ist ein Mikro-cw-Schweißverfahren, also ein kontinuierliches Schweißen, wie es in der Makrotechnik üblich ist“, so Gillner. Der Name Shadow steht für Stepless High-Speed Accurate and Discrete One Puls Welding und ist Programm: Innerhalb eines einzigen Pulses erzeugen die Aachener Stahl-Schweißnähte von bis zu 40 mm Länge und nur 200 µm Breite. Statt, wie bislang üblich, das Material Punkt für Punkt miteinander zu verbinden, bewegen die Laserexperten den Scanner-gesteuerten Laserstrahl mit einer Geschwindigkeit von 10 m/min. über die Nahtstelle und erzeugen trotz des eigentlich gepulsten Laserstrahls eine echte cw-Schweißnaht. Einer der Vorteile: „Statt einiger Sekunden dauert das Anfertigen einer Schweißnaht nun nur noch 20 ms.“ Jo Schilling/Si

Ultrakurzpulslaser trimmen Sensoren für das Automobil

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