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Licht als Werkzeug - innovative Lasertechnik auf der World of Photonics 2015 Glas mit Pulsen schnellschneiden und Folien-Displays für Wearables entkleben

| Autor / Redakteur: Peter Königsreuther / Rainer Graefen

Mit dem EUV-Laser Sub-10-Nanometer Chips belichten, gehört derzeit zur Königsdisziplin der Laseranwendungen. IBM wies gerade in einer konzertierten Forschungsaktion nach, dass die Extrem Ultra Violetten Laser in diesem Bereich hilfreich sein können. Doch auch andersfarbige Laser können Produktionsprozesse optimieren.

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„Laser-Show“ mit dem Vorsitzenden Trumpf-Geschäftsführer in Sachen Laser, Dr.-Ing. E. H. Peter Leibinger auf der LASER - World of Photonics 2015 in München. Rasanteres Glasschneiden und wirtschaftliches Kupferschweißen gehörten dabei zu den vielen Highlights und Weltpremieren der Präsentation. Hier erklärt Peter Leibinger anhand eines Modells, wie die Trumpf-Technik EUV (Extrem ultraviolettes Laserlicht) die Computerchip-Herstellung unterstützen kann und auch wird; denn erste Systeme arbeiten bereits.
„Laser-Show“ mit dem Vorsitzenden Trumpf-Geschäftsführer in Sachen Laser, Dr.-Ing. E. H. Peter Leibinger auf der LASER - World of Photonics 2015 in München. Rasanteres Glasschneiden und wirtschaftliches Kupferschweißen gehörten dabei zu den vielen Highlights und Weltpremieren der Präsentation. Hier erklärt Peter Leibinger anhand eines Modells, wie die Trumpf-Technik EUV (Extrem ultraviolettes Laserlicht) die Computerchip-Herstellung unterstützen kann und auch wird; denn erste Systeme arbeiten bereits.
(Bild: Königsreuther)

Glas per Licht bearbeiten zu wollen – das scheint zunächst ein irrwitziger Gedanke zu sein: Denn die offensichtlichste Eigenschaft von Glas ist es schließlich, dass es Licht hindurch läßt. Die meist infraroten Strahlen eines Festkörperlasers lassen das transparente Material deshalb unbeeindruckt. Bei ultrakurz gepulstem Laserlicht im Piko- oder Femtosekundenbereich ist das allerdings nicht so. Die hohe räumliche und zeitliche Photonendichte in den Pulsen verändert den Absorptionsmechanismus transparenter Materialien. Werkstoffe wie Saphir und Glas werden mittels Laserstrahlen damit gut bearbeitbar. Was sich mit dieser Erkenntnis alles anstellen lässt, erfahren Sie hier - und noch Einiges mehr...

Glas jetzt 100 Mal schneller schneiden

Statt Glas ablativ zu schneiden, und sich Puls um Puls durch das Material zu arbeiten, gibt es seit kurzem ein elegantes Verfahren, um speziell dünne, gehärtete Gläser zu trennen, die etwa für Smartphone-Displays genutzt werden - die Material-Modifikation: Ultrakurz gepulste Laserstrahlen fokussieren in das Innere des Glases und modifizieren dort eine schmale Zone entlang der gewünschten Trennlinie. Die Veränderung erzeugt eine intrinsische Spannung, das Glas reißt kontrolliert und spiegelglatt auf den Hundertstelmillimeter genau – und das in völlig frei gestaltbaren Konturen.

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Trumpf stellte auf der Messe nun eine Optik vor, die diesen Vorgang um das Hundertfache beschleunigt: die TOP Cleave. Dabei verteilt sich die Intensität des Laserlichts gleichmäßig entlang der Strahlachse. So wird der Fokus in die Länge gezogen – aus dem Fleck wird eine Fokuslinie. Auf diese Weise rastern die Laserpulse das Glas nicht mehr Ebene für Ebene durch, sondern modifizieren mit einer einzigen Überfahrt – je nach Pulsenergie – die komplette innere Trennfläche einer bis zu 700 µm dicken Scheibe. Die leistungsstarken TruMicro Laser kommen bei dieser Dicke mit der TOP Cleave auf eine Trenngeschwindigkeit von maximal 1m/s. Das ist 100 Mal schneller als ohne diese neuartige Technik.

Grüner Femtolaser hat mehr Tiefenschärfe

Speziell den TruMicro 5080 gibt es nun auch als Femto Edition. Er ist der erste Industrielaser, der Femtopulse mit grüner Wellenlänge erzeugen kann. Damit verbindet er das Beste zweier Welten: Trotz höherer Spitzenintensitäten tragen Femtosekunden-Laserpulse noch weniger thermische Energie in das Werkstück ein als Pikosekundenpulse und eignen sich damit besonders zur extrem feinen Bearbeitung von Metall oder thermisch sensibler Materialien wie spezieller Folien. Grünes Licht lässt sich sehr klein fokussieren. Die grünen Strahlen haben eine größere Rayleigh-Länge als infrarotes Licht und dadurch mehr Tiefenschärfe. Daher eignet sich der TruMicro 5080 besonders gut dazu, extrem feine und präzise Löcher zu bohren, etwa für Einspritzdüsen.

Ein weiterer Vorteil des TruMicro 5080: Er ist leicht integrierbar in Industriemaschinen und lässt sich im Inneren der Anlage warten. Eine aufwändige Entnahme und anschließende Neujustierung des Strahlwegs entfällt. Dafür sorgt ein neues technisches Konzept: Alle relevanten Komponenten für Wartung und Austausch – etwa Stromleitungen, Kühlleitungen, Elektronik oder optischer Raum – sind leicht zugänglich. Das senkt die Stillstandzeit der Bearbeitungsmaschine und erhöht deren Wirtschaftlichkeit beträchtlich.

Folien-Displays via Lift-off-Verfahren fertigen

Gebogene starre Displays sind in. Aber frei biegbare Exemplare sind bereits im Kommen – besonders für sogenannte Wearables, also smarte Geräte, die man am Körper trägt, wie beispielsweise als Brille oder Armband. Dazu beschichtet die Elektronikindustrie Trägerglasplatten mit dem Kunststoff Polyimid (PI). Der getrocknete Kunststoff bildet das Substrat für das flexible Display.

Auf das PI werden dann organische Leuchtdioden (OLEDs) appliziert. Nach den Beschichtungsprozessen soll das flexible Display aber wieder schadlos von der Glasplatte abgelöst werden, und das funktioniert so: ein Laserstrahl schießt von der Rückseite durch das Trägerglas hindurch auf die Polyimidfolie des Displays und heizt die Folie auf. Dabei verliert sie die Haftung und löst sich ab. Die empfindlichen OLEDs aber bleiben völlig unberührt.

Auf der Messe stellte Trumpf für dieses Verfahren den Festkörperlaser TruMicro 7370 vor – eine Weltpremiere. Anders als die für diese Anwendung bislang üblichen Excimer-Laser ist diese Strahlquelle sehr wartungsarm, erhöht die verfügbare Betriebszeit und senkt damit Produktionskosten. Die sehr kurzen Pulse machen den Prozess hocheffizient, denn ein einzelner Puls kann eine größere Fläche bearbeiten.

Der TruMicro 7370 arbeitet extrem präzise und prozesssicher. Dafür sorgt unter anderem die hohe Stabilität der Pulsenergie sowie der zeitlichen Pulsabfolge. Beides gewährleistet Trumpf mit einer speziellen Puls-Synchronisierungstechnik. Die eingebaute Regelung bringt zusätzliche Stabilität in den gesamten Anwendungsprozess.

UV-Laser markiert Kunststoffe schärfer und günstiger

Neben dem Markieren von Glas, Keramik und organischen Materialien ist das Haupteinsatzgebiet des diodengepumpten Festkörperlasers das Markieren von Kunststoffen. Der neue TruMark 3330 ist dazu mit einer effizienten Luftkühlung ausgestattet. Das führt zu einem deutlich geringeren Wartungsaufwand und somit niedrigeren Betriebskosten des Lasers.

Weiterer Pluspunkt des neuen Markierlasers ist sein geringer Energieverbrauch bei gleichzeitig hohem Wirkungsgrad. Darüber hinaus ist der neue TruMark 3330 dank seiner offenen Schnittstellenarchitektur und der sogenannten Plug-&-Produce-Anbindung flexibel einsetzbar.

Er lässt sich problemlos in neue oder auch bereits bestehende Fertigungslinien integrieren und kommuniziert dabei über alle gängigen Schnittstellen wie beispielsweise ProfiBus, ProfiNet oder EtherCAT mit den weiteren Komponenten im Fertigungssystem. Neu für die TruMark Serie 3000 ist zudem die im Markierlaser verbaute Scanneroptik. Sie arbeitet genauer und dynamischer, was wiederum zu einer höheren Produktivität des Lasers und zu einer höheren Qualität der Markierungen führt.

Mit einer Wellenlänge von 355 nm eröffnet der TruMark 3330 neue Möglichkeiten in der Kunststoffbeschriftung. Kunststoffe absorbieren die Energie des kurzwelligen UV-Lichtes deutlich besser als eine infrarote Laserstrahlung. Teure Zusätze ins Polymer zu mischen, ist oft nicht mehr notwendig. UV-Laser bieten somit eine deutlich kontrastreichere Beschriftung bei optimaler Beschriftungsqualität und gleichzeitig hoher Bearbeitungsgeschwindigkeit. Dank der sehr guten Strahlqualität von M² < 1,5 lässt sich die Laserstrahlung außerdem auf einen sehr kleinen Brennfleck fokussieren. Die absorbierte Laserleistung führt dann zu einer überwiegend photochemischen Reaktion im Kunststoff. Diese Art der Bearbeitung ist ausgesprochen materialschonend und führt zu einer sehr guten Oberflächenqualität.

Grünlaser schweißt Kupfer besser

Als ausgezeichneter Wärme- und Stromleiter ist Kupfer ein Allroundmetall, das seine Vorzüge in den unterschiedlichsten Branchen ausspielt. Neben Medizintechnik, Automobil-, Chemie- und Lebensmittelindustrie ist das rote Metall vor allem aus der Elektronik und Elektrotechnik nicht mehr wegzudenken. Aufgrund der immer kompakteren Gehäuse und der geforderten höheren Leistungsfähigkeit von Elektronikkomponenten steigen aber auch die Anforderungen an die Produktions- und Fügetechnik von Kupferbauteilen.

Rot auf Rot bringt oft nur Not

Beim Laserschweißen von Kupfer kommen heute üblicherweise Strahlquellen mit einer infraroten Wellenlänge zum Einsatz. Die zwei größten Herausforderungen hierbei: gute Reproduzierbarkeit und geringe Spritzerbildung. Kupfer weist bei 1000 nm Wellenlänge (IR) hochreflektierende Eigenschaften auf. Gleichbleibende Schweißnähte lassen sich – abhängig von der Oberflächenbeschaffenheit – nur in bestimmtem und für die Industrie oft nicht ausreichend hohem Maße gewährleisten.

Beim Tiefschweißen können zudem sehr viele Spritzer entstehen, die das Bauteil beschädigen und im schlechtesten Fall zu Kurzschlüssen auf den Platinen führen. Wie lassen sich diese beiden Probleme lösen? Man kann ihnen entgegenwirken, indem man Laserparameter wie die Leistungsdichteverteilung, die zeitliche Pulsform und die Form des Dampfkanals entsprechend anpasst – optimal sind die Ergebnisse oft dennoch nicht.

Was sich nicht beeinflussen lässt sind Oberflächenspannung und Viskosität von Kupfer. Beide Eigenschaften fallen im Vergleich zu Stahl kleiner aus, was zu einem weniger stabilen Schmelzbad führt. Hinzu kommt der höhere Energieverlust durch die hohe Wärmeleitfähigkeit von Kupfer. Eine deutliche Verbesserung des Prozesses bringt der gepulste grüne Laser von Trumpf.

Die Lösung ist grün und gepulst

Um die grüne Wellenlänge im TruDisk 421 pulse zu erzeugen, findet im Laserresonator eine Frequenzverdopplung der Laserstrahlung statt. Hierbei sind die Vorteile des grünen Lasers vielseitig. Kupfer absorbiert die grüne Wellenlänge deutlich besser als die Infrarote. Weil der Werkstoff somit seine Schmelztemperatur schneller erreicht, startet auch der Schweißprozess schneller und es ist weniger Laserleistung notwendig.

Während der infrarote Laser mit 2,6 kW Pulsspitzenleistung arbeitet, genügen beim grünen Laser 1,4 kW für dieselbe Schweißnaht. Der Prozess ist energieeffizienter und es bilden sich deutlich weniger Spritzer. Auch die Reproduzierbarkeit der Schweißergebnisse verbessert der grüne Laser: Egal ob die Oberfläche oxidiert, geschliffen, sandgestrahlt, rau oder hochglanzpoliert ist – mit grüner Laserstrahlung lassen sich Kupferschweißnähte stets mit gleichbleibender Qualität erzeugen.

Das liegt unter anderem daran, dass die Absorption bei Raumtemperatur unabhängig von der Beschaffenheit der Oberfläche ist. Der Einsatz von Zusatzgasen wie Argon oder Stickstoff führt zudem zu einer qualitativ hochwertigeren Schweißnaht. Diese Zusatzgase können nur beim Schweißen mit dem grünen Laser effizient und sinnvoll verwendet werden, weil bei infraroter Laserstrahlung die Schmelzoberfläche durch die Gase stärker reflektiert und beim Schweißen eine noch höhere Laserleistung notwendig wäre.

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