Pulsar Photonics GmbH

Was ist Laserwendelbohren?

Sonja Wichert — Thu, 26 Feb 2026 12:48:37 +0000

Was ist Laserwendelbohren?

Laserbohren- und schneiden mittels Wendelbohroptik – die Technologie und ihre Einsatzmöglichkeiten

Philip Oster | 26. Februar 2026 ᛫ 10 Min.

Die Herstellung feiner Bohrungen und präziser Strukturen stellt hohe Anforderungen an Fertigungsprozesse. Insbesondere bei kleinen Durchmessern, dünnwandigen Bauteilen oder schwer zerspanbaren Werkstoffen stoßen konventionelle Verfahren wie mechanisches Bohren, Stanzen oder funkenerosive Prozesse zunehmend an ihre Grenzen.

Mit dem Laser-Wendelprozess steht ein präzises Bearbeitungsverfahren zur Verfügung, das eine konturgeführte Erzeugung von Bohrungen und Schnitten ermöglicht. Im folgenden Beitrag vergleichen wir klassische Bohr- und Trennverfahren mit dem Laser-Wendelbohren und geben einen Überblick über das Verfahren, unsere Leistungen sowie die erzielbaren Qualitätsmerkmale und Anwendungsrahmen.

Wie funktioniert Laserwendelbohren?

Das Laser-Wendelbohren ist ein berührungsloses, hochpräzises Laserabtragsverfahren zur Herstellung feiner Bohrungen und konturgeführter Schnitte mit minimalem thermischem Einfluss. Der Materialabtrag erfolgt mittels eines Ultrakurzpulslasers ausschließlich ablativ, sodass weder ein Aufschmelzen noch eine mechanische Zerspanung stattfindet. Durch die extrem kurzen Pulsdauern wird die Energie stark lokalisiert in das Material eingebracht, wodurch die Wärmeeinflusszone sehr klein bleibt. Diese ist materialabhängig, liegt jedoch deutlich unter der thermischen Beeinflussung konventioneller mechanischer Verfahren. Da kein Werkzeugkontakt vorliegt, entstehen weder Schnittkräfte noch mechanische Spannungen im Werkstück.

Die Rotation des Laserstrahls zur Erzeugung der Wendelbewegung wird optisch über ein Prisma realisiert. In Kombination mit einer axialen Zustellbewegung entsteht eine schraubenförmige Relativbewegung zwischen Strahl und Werkstück, wodurch Bohrungen konturgeführt erzeugt werden können. Für größere Durchmesser oder Schnittgeometrien erfolgt die Bahnbewegung über die X- und Y-Achsen des Systems. Bohrungen sind ab etwa 150 µm Durchmesser herstellbar, wobei die realisierbare Geometrie von Werkstoff und Materialstärke abhängt. Bearbeitet wurden Keramik, Kupfer, Aluminium, Stahl sowie Glas bei Materialstärken bis zu 1,5 mm. Der Prozess zeichnet sich durch hohe Maßhaltigkeit, geringe Konizität, reproduzierbare Geometrien und eine stabile Prozessführung aus.

Zum Artikel: Was ist Laserbohren?

Schematische Darstellung des Wendelbohrprozesses. Schraubenförmige Relativbewegung zwischen Strahl und Material. © Pulsar Photonics GmbH.

Herkömmliche Bohr- und Schneidverfahren im Vergleich mit Laser Wendelbohren

Konventionelle Bohr- und Trennverfahren wie mechanisches Wendelbohren, Stanzen oder funkenerosive Prozesse stoßen insbesondere bei der Herstellung feiner Bohrungen, bei dünnwandigen Strukturen sowie bei schwer zerspanbaren Werkstoffen an ihre technologischen Grenzen. Mechanische Verfahren sind mit Werkzeugkontakt verbunden, wodurch Schnittkräfte, Werkzeugverschleiß und Gratbildung entstehen. Gerade bei kleinen Durchmessern oder empfindlichen Bauteilgeometrien kann dies zu Verformungen, Maßabweichungen oder zur Beeinträchtigung angrenzender Funktionsbereiche führen. Die Bearbeitung hochfester Werkstoffe, beispielsweise Nickelbasislegierungen mit hoher Warmfestigkeit und geringer Wärmeleitfähigkeit, ist zudem mit erhöhtem Werkzeugverschleiß und reduzierter Prozessstabilität verbunden. Funkenerosive Verfahren ermöglichen zwar eine hohe Präzision, sind jedoch auf elektrisch leitfähige Materialien beschränkt und gehen mit vergleichsweise langen Bearbeitungszeiten sowie Elektrodenverschleiß einher. Für Anwendungen mit hohen Anforderungen an Mikrostrukturierung, Maßhaltigkeit und reproduzierbare Qualität ergeben sich daraus deutliche technologische Einschränkungen.

Das Laser-Wendelbohren stellt hierzu eine leistungsfähige Alternative dar. Im Gegensatz zum Perkussionsbohren, bei dem wiederholte Pulse ortsfest auf eine Position treffen und die Bohrung primär durch Tiefenabtrag entsteht, erlaubt das Wendelbohren eine definiertere Geometrieausbildung und eine verbesserte Reproduzierbarkeit der Lochform. Durch den Einsatz eines Ultrakurzpulslasers erfolgt der Materialabtrag überwiegend durch direkte Ablation mit minimalem Wärmeeintrag, sodass die Wärmeeinflusszone stark reduziert wird. Bohrungen sind ab Durchmessern von etwa 150 µm aufwärts prozesssicher herstellbar. Der berührungslose Prozess verursacht keine mechanischen Belastungen des Werkstücks und eliminiert Werkzeugverschleiß vollständig. Die lokal stark begrenzte Energieeinbringung sowie die präzise Strahlführung ermöglichen eine hohe Maßhaltigkeit und stabile Prozessbedingungen, wodurch sich das Laser-Wendelbohren insbesondere für präzise Mikrobohranwendungen eignet.

Laserwendelbohren bei Pulsar Photonics

Die Vorteile im Laseranwendungszentrum im Überblick

Das Verfahren wird zur Herstellung von Mikrobohrungen, Düsen, Filterstrukturen und Funktionsbohrungen eingesetzt. Aufgrund der berührungslosen Bearbeitung, des fehlenden Werkzeugverschleißes und der minimierten Wärmeeinbringung eignet sich das Laser-Wendelbohren insbesondere für präzise Anwendungen in der Elektronik, Feinwerktechnik sowie in der Düsen- und Mikrofluidtechnik. Die Fertigung erfolgt im Bereich von Kleinserien und Forschungsanwendungen. Eine mechanische Nachbearbeitung ist in der Regel nicht erforderlich; gegebenenfalls erfolgt eine Reinigung mittels Ultraschallbad, elektrochemischer Verfahren oder Ethanol. Der Prozess ist weitgehend automatisierbar, wobei Werkstückeinbau und anschließende Vermessung manuell erfolgen.

Erzielbare Qualitäten und Anbwendungsrahmen beim LaserwendelBohren

Bauteile: Dünnwandige Düsen, Platinen, Uhrwerke
Materialien: Edelstähle, Aluminium, Kupfer, Kunstoffe, Keramik, Glas
Materialstärken: ca. 50 – 1500 µm
Geometrien: Individuell
Bohrungsdurchmesser: > 150 µm
Erzielbare Rundheit: > 97 %
Durchmessertoleranzen: < 10 µm / 1 -2 %

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Mehr über den Autor:

Philip Oster, M. Sc.

Philip Oster ist Leiter des Laseranwendungszentrums bei Pulsar Photonics. Er hat ein abgeschlossenes Studium der Applied Physics mit dem Schwerpunkt Lasertechnik sowie über 10 Jahre praktische und leitende Projekterfahrung.

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Open-Source-Monitoring-Tool „Sentry“

Sonja Wichert — Fri, 25 Jul 2025 14:49:00 +0000

Einsatz vom Open-Source-Monitoring-Tool „Sentry“ in unserer Maschinensoftware Photonic Elements

Warum wir Sentry zum Monitoring in Photonic Elements einsetzen – und was unsere Kunden davon haben

Benjamin Ipp | 25. Juli 2025 ᛫ 10 Min.

„Wir überwachen Ihre Maschine, bevor es kritisch wird. Mit Sentry erkennen wir Fehler in Echtzeit, beheben Störungen oft noch bevor sie bemerkt werden und halten Ihre Produktion am Laufen. Mehr Verfügbarkeit. Weniger Ausfälle. Maximale Effizienz.“

In der Welt der Maschinensteuerung zählt jede Millisekunde. Ob beim ersten Einschalten einer neuen Anlage, bei der Inbetriebnahme vor Ort oder im laufenden Produktionsbetrieb – Fehler müssen schnell erkannt, analysiert und behoben werden. Denn Stillstand kostet Zeit, Geld und Nerven.

Deshalb setzen wir in der Entwicklung und beim Betrieb unserer Maschinensteuerungssoftware Photonic Elements (PE) konsequent auf Sentry – ein leistungsfähiges Tool für Monitoring und Fehleranalyse. In diesem Artikel erklären wir, warum wir Sentry nutzen, wie es uns und unseren Kunden hilft und welche Vorteile es besonders im Maschinenbau bietet.

Photonic Elements

„Sentry“ – was ist das eigentlich?

Sentry ist ein Open-Source-Monitoring-Tool, das ursprünglich für die Web- und App-Entwicklung konzipiert wurde. Es sammelt Fehler (sogenannte „Events“) und Performance-Daten, sobald sie im System auftreten. Entwickler erhalten damit sofortigen Einblick, wann, wo und warum ein Fehler passiert ist – inklusive Kontextinformationen wie Stack-Traces, Logs und Parameter.

Wir haben Sentry für die Anforderungen im Maschinenbau adaptiert. In unseren Maschinensteuerungen läuft das Tool als stille „Blackbox“, die alle relevanten Ereignisse aufzeichnet. Sobald ein Problem auftritt, wissen wir innerhalb von Sekunden darüber Bescheid – und können reagieren.

Wo wir „Sentry“ einsetzen

Unsere Maschinensteuerungssoftware ist in verschiedenen Phasen im Einsatz:

1. In der Entwicklung

Sentry hilft uns bereits während der Entwicklung, Fehler schneller zu erkennen. Anstatt Fehlerberichte mühsam nachzustellen, erhalten wir direkt detaillierte Informationen zu einem Crash oder einem unerwarteten Verhalten. Das spart wertvolle Entwicklerzeit und reduziert die Anzahl der Fehler, die bis zur Auslieferung unentdeckt bleiben.
Vorteil für unsere Kunden:

Software ist bei Auslieferung stabiler
Schnellerer Entwicklungsprozess = kürzere Lieferzeiten

2. Bei der Inbetriebnahme (FAT und SAT)

Die Inbetriebnahme ist ein kritischer Moment. Bei der Factory Acceptance Test (FAT)-Phase im Werk und beim Site Acceptance Test (SAT) beim Kunden ist es normal, dass es noch zu Anpassungen kommt – jede Produktionsumgebung ist anders. Mit Sentry haben unsere Teams live Einblick in das System. Tritt ein Fehler auf, sehen wir sofort:

Welche Funktion betroffen ist
Welche Schritte vor dem Fehler ausgeführt wurden
Welche Parameter und Eingaben vorlagen

Wir müssen nicht mehr auf Fehlerprotokolle warten oder den Fehler „nachstellen“. Stattdessen können wir innerhalb von Minuten eine Diagnose erstellen und oft schon aus der Ferne eine Lösung entwickeln.
Vorteil für unsere Kunden:

Weniger Stillstand während der Inbetriebnahme
Schnellere Reaktionszeiten unserer Experten
Früherer Start der Produktion

3. Im laufenden Betrieb (Produktion)

Viele unserer Kunden erlauben uns, Sentry auch im Produktionsbetrieb weiter zu nutzen. Das ist besonders bei komplexen Fertigungsprozessen ein großer Vorteil. Mit Sentry können wir:

Fehler frühzeitig erkennen, bevor sie zu einem Ausfall führen
Performance-Daten analysieren, um Engpässe zu identifizieren
Änderungen an der Software auf ihre Wirkung überwachen

Sollte es dennoch zu einem Fehler kommen, kann unser Support-Team proaktiv eingreifen. Oft wissen wir bereits vom Problem, bevor der Bediener es bemerkt.
Vorteil für unsere Kunden:

Höhere Verfügbarkeit der Maschine
Proaktive Wartung statt reaktiver Fehlerbehebung
Weniger ungeplante Stillstände und Produktionsausfälle

4. Einsatz von Sentry Im Laseranwendungszentrum

In unserem Laseranwendungszentrum überwachen wir alle Maschinen mit Sentry. Hier sammeln wir wertvolle Daten über das Verhalten der Maschinen unter realen Produktionsbedingungen. Diese Erkenntnisse fließen zurück in die Weiterentwicklung unserer Software.
Vorteil für unsere Kunden:

Kontinuierliche Verbesserung der Software
Updates basieren auf Erkenntnissen unter realen Bedingungen
Schnellere Reaktion auf neue Anforderungen

Die Vorteile für unsere Kunden im Überblick

1. Schnellere Fehlerbehebung
Wir sehen Fehler in Echtzeit und können sofort reagieren – oft, bevor ein Bediener einen Supportfall meldet.

2. Weniger Ausfallzeiten
Durch proaktives Monitoring können wir Stillstände vermeiden oder auf ein Minimum reduzieren.

3. Stabilere Maschinensteuerung
Fehler werden schon in der Entwicklung erkannt und beseitigt. Das Ergebnis: weniger Überraschungen im Feld.

4. Detaillierte Fehleranalysen
Sentry liefert alle Kontextinformationen, die unsere Entwickler benötigen, um auch komplexe Probleme schnell zu lösen – ohne Vor-Ort-Termine.

5. Schnelle Updates und Anpassungen
Dank der Daten aus Sentry können wir Änderungen gezielt und mit minimalem Risiko umsetzen.

Datenschutz und Sicherheit

Wir wissen: Produktionsdaten sind sensibel. Deshalb setzen wir auf eine sichere Integration von Sentry. Alle Daten werden verschlüsselt übertragen, und wir erfassen nur technische Informationen, die für die Fehleranalyse notwendig sind – keine Betriebsgeheimnisse oder personenbezogenen Daten. Wir teilen keine Daten mit unseren Kunden, sondern nutzen diese nur für die interne Verbesserung der Software.

Unsere Kunden behalten die volle Kontrolle: Sentry kann jederzeit deaktiviert werden und wir passen den Umfang der Datenerfassung an die jeweiligen Anforderungen an.

Worauf man beim Kauf einer Laseranlage achten sollte lesen Sie hier

Infos zum Anlagenkauf

Ein Blick in die Zukunft: Predictive Maintenance

Mit Sentry schaffen wir die Grundlage für Predictive Maintenance: Die gesammelten Daten ermöglichen es, Muster zu erkennen und Ausfälle vorherzusagen, bevor sie eintreten. So wird aus reaktiver Wartung eine vorausschauende Betreuung.

Für unsere Kunden bedeutet das:

Planbare Wartungsintervalle
Minimale Unterbrechungen der Produktion
Noch höhere Effizienz der Anlagen

Fazit: Mehr Transparenz, mehr Sicherheit, mehr Leistung

Sentry ist für uns mehr als ein Entwickler-Tool – es ist ein zentraler Baustein, um unseren Kunden maximale Verfügbarkeit und Performance zu bieten. Vom ersten Einschalten bis zum laufenden Produktionsbetrieb sorgt es dafür, dass unsere Maschinensteuerungssoftware zuverlässig läuft und Probleme gar nicht erst zu solchen werden.

Der Mehrwert für unsere Kunden: Schnellere Inbetriebnahmen, weniger Stillstände, planbare Wartung und letztlich ein sicherer und effizienter Produktionsbetrieb.

Möchten Sie mehr darüber erfahren, wie wir Sentry in unseren Maschinen einsetzen?
Oder interessieren Sie sich für ein individuelles Monitoring-Konzept für Ihre Anlage? Kontaktieren Sie uns – wir beraten Sie gerne.

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Mehr über den Autor:
Benjamin Ipp

Benjamin Ipp ist Leiter des Softwarebereichs bei Pulsar Photonics. Er hat nach seinem Ingenieurstudium an der RWTH Aachen mehr als 10 Jahre Erfahrung im Aufbau und der Leitung von Softwareentwicklungsteams gesammelt. Seine Leidenschaft ist die Verknüpfung von Software und Hardware, wie sie besonders im Bereich des Maschinen- und Anlagenbaus zu finden ist.

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Laserbohren neu definiert: Pulsar Photonics‘ RDX2Drill arbeitet im Einzelpulsverfahren

Sonja Wichert — Tue, 22 Apr 2025 11:41:13 +0000

Laserbohren neu definiert: Pulsar Photonics‘ RDX2Drill arbeitet im Einzelpulsverfahren

Dicke Metallbleche präzise und effizient bohren

Pulsar Photonics nutzt das Einzelpulsbohrverfahren in der neuen RDX2Drill-Baureihe, um präzise und effizient Löcher in dicke Metallbleche zu »schießen«. Das Plus: Es lassen sich nun auch Siebe oder Filter aus hochfesten Werkstoffen und dicken Blechen mit dem Laser mikrobohren. Solche Filter können damit hohen Drücken oder stärksten mechanischen Beanspruchungen standhalten.

Die Pulsar Photonics GmbH aus Aachen setzt bei der Maschinenbaureihe RDX2Drill bewusst auf das Einzelpulsbohren. »Es sind hochenergetische Pulse, die nicht wie sonst üblich im Ultrakurzpuls-Takt arbeiten, sondern Mikro- oder sogar Millisekunden dauern«, erläutert Dr. Marius Gipperich, Manager Key Account & Business Development. »Sie haben daher so viel Energie, dass jeder Puls im Prinzip ein Loch ins Material schießt.«

RDX2Drill – Lasermaschine

Wenn der Laser pro Sekunde 50 Löcher »schießt« …

Das Verfahren weist zwar nicht so viele Pulse pro Zeit auf wie der Ultrakurzpulslaser, trotzdem kann sich das Tempo sehen lassen. So läuft momentan für einen Anwender ein Prozess mit 1,5 Millimeter dickem Edelstahl-Blech, in das die RDX2Drill pro Sekunde 50 Löcher laserbohrt. Dieser Wert lässt sich seiner Ansicht nach noch weiter steigern. Die neue Anlage kann daher bis zu Hunderttausende Löcher mit Durchmessern von 100 bis 400 Mikrometern in metallische Werkstoffe mit einer Materialstärke von 0,5 bis 1,5 mm höchst präzise bohren. Gipperich: »Die Effizienz und die Kosten, primär bei der Anfertigung von Löchern mit Durchmessern um die 200 Mikrometer, sprechen deutlich für unser Laserbohren.«

Ein QCW (Quasi Continuous Wave)-Faserlaser mit einer Leistung von mehreren Kilowatt perforiert Werkstücke mit einer Wellenlänge von 1060 bis 1080 nm (infrarot). Eine der Stärken ist das Zusammenspiel von flexibler Anlagentechnik aus dem modularen Baukasten mit individueller Software. Gipperich: »Eines unserer Alleinstellungsmerkmale ist die Maschinensteuerung Photonic Elements, die wir komplett nur für die Laserbearbeitung entwickelt, ausgelegt und perfektioniert haben.«

Einzelpuls à la carte: Die RDX2Drill-Baureihe kann dank selbst entwickelter Steuerungssoftware effizient dicke Metallbleche von metallischen Sieben und Filtern laserbohren. Durch die digitale Prozesskette lassen sich leicht Produktvarianten abbilden. © Pulsar Photonics GmbH.

Bearbeitungskopf einer Laserbohranlage RDX2Drill zur Bearbeitung mit QCW- und CW-Lasern. Die Abfuhr der entstehenden Schmelze im Bohrprozess und ein Management der eingebrachten Wärme in das Bauteil sind Kernaufgaben einer Prozessentwicklung.
© Pulsar Photonics GmbH.

Spezial-Software nur für die Laserbearbeitung

Photonic Elements ermöglicht eine präzise Kontrolle sowie optimierte Prozessführung und steigert so die Präzision und Effizienz beim Laserbohren. Die digitale Steuerung erlaubt darüber hinaus, schnell und einfach zwischen verschiedenen Bauteilvarianten zu wechseln. Sie sorgt so für Flexibilität: Das ist ein besonderer Vorteil bei Sieben und Filtern mit hohen Materialstärken, die unter hohen Druckbelastungen stehen und präzise, kundenspezifische Bohrmuster erfordern. Das Einführen dieses Verfahrens war eine Herausforderung, betont Gipperich: »Bei diesem schmelzbasierten Prozess müssen wir pro Bauteil mehrere hundert Gramm Schmelze entfernen«. Daher erhalten die Anlagen eine Einhausung, die den Prozessbereich umschließt. Der Großteil der Schmelze wird abgesaugt, gesammelt und sicher entsorgt.

Jede Sekunde 50 Löcher: Die RDX2Drill-Baureihe ermöglicht das Bohren von 100 bis 400 Mikrometer großen Löchern in metallischen Werkstoffen mit hoher Präzision. © Pulsar Photonics GmbH.

Blog – Was ist Laserbohren?

Automatische Fokusnachführung statt Bauteilverzug

Der Prozess bringt viel Wärme in das Bauteil, die zu Verzug führt. Bewährt hat sich als Gegenmaßnahme die automatische Fokusnachführung, die Bauteilverformungen etwa durch thermische Belastung kompensiert. Der Anwender steigt mit dem Kauf in eine komplexe Technologie ein, die eine spezielle Schulung durch die Aachener erfordert: Trotzdem lohnt sich der Einstieg, weil sich die neue RDX2Drill-Baureihe für viele Anwendungen eignet: zum Beispiel bei Sieben und Filtern für die Bereiche Schmutzwasserfiltration, Wasserstoffproduktion, Recycling und Energieerzeugung

Dr. Marius Gipperich, Pulsar Photonics GmbH, Aachen: »Wir begleiten den Kauf einer Laserbohranlage mit umfassenden Schulungen, um sicherzustellen, dass das Bedienpersonal die Technologie und den Prozess effektiv nutzen kann.«
© Pulsar Photonics GmbH.

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Pulsar Photonics

Die Pulsar Photonics GmbH ist ein innovatives HighTech-Unternehmen in der Lasertechnik. Das Leistungsspektrum des Unternehmens umfasst das Laseranwendungszentrum, den Anlagenbau mit Software-Entwicklung sowie die Sparte Laser-Systemtechnik.

Das Unternehmen beschäftigt sich seit der Gründung intensiv mit Skalierungsansätzen für die Produktion. Für Kunden werden dafür exklusiv Leistungen von der professionellen Anwendungsentwicklung, über das Ramp-Up bis zum Aufbau automatischer Produktionsmaschinen mit Service und Know-How-Transfer abgebildet. Pulsar Photonics investiert kontinuierlich in eigene Fertigungskapazitäten für die Einzelteil- und Serienfertigung mit (Ultra-) Kurzpulslasern. Kernprozesse sind das Strukturieren, Bohren und Präzisionsschneiden.

Das Unternehmen wurde 2013 als Spin-Off des Fraunhofer ILT in Aachen gegründet, hat seinen Hauptsitz in Aachen und betreibt drei Produktionswerke. Seit 2021 ist Pulsar Teil der Schunk Group und zählt heute rund 100 Mitarbeitende.

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Sonja Wichert
Telefon: +49 (0) 2405 49 504 – 36
E-Mail: wichert@pulsar-photonics.de
Pulsar Photonics GmbH
Alte Würselener Str. 13, 52080 Aachen
Website: www.pulsar-photonics.de

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Fraunhofer ISE: Neue Laseranlage ermöglicht digitale Strukturierung von Feingewebe-Sieben

Sonja Wichert — Thu, 17 Apr 2025 09:29:19 +0000

Neue Laseranlage ermöglicht digitale Strukturierung von Feingewebe-Sieben

EIne Presseinformation des Fraunhofer-Instituts für solare Energiesysteme ISE

Gemeinsam mit der Pulsar Photonics GmbH hat das Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE im Projekt »Laser2Screen« eine Anlage für die Micro-Materialbearbeitung entwickelt, die auf Ultrakurzpulslaser-Technologie und präziser 3D-Scantechnologie basiert. Diese Laserlösung ermöglicht die Strukturierung von Feingewebe-Sieben und Metallfolien-Schablonen mit Öffnungsbreiten von nur 2 Mikrometern. Diese sind essenziell für die Metallisierung von Solarzellen aber auch im Bereich der Opto-Elektronik, Halbleiterfertigung sowie Aufbau- und Verbindungstechnik. Besucherinnen und Besucher der Smarter E Europe / Intersolar in München, können sich vom 7.-9. Mai 2025 ein laserstrukturiertes Feingewebe-Sieb am Stand des Fraunhofer ISE in Halle A ansehen.

Ein Feingewebe-Sieb erhält feine Laserstrukturen, die dann ein präzises Aufdrucken der Metallisierungspaste im Flachbett-Siebdruckverfahren auf die Solarzellen ermöglicht.
© Fraunhofer ISE / Foto: Andreas Lorenz.

Der Herstellungsprozess von Feingewebe-Sieben und Metallfolien-Schablonen ist mehrstufig: Spezialisierte Drahtwebereien produzieren zunächst das hochfeine Drahtgewebe mit Drahtstärken, die mit bis zu 5 Mikrometern Durchmesser deutlich dünner sind als ein menschliches Haar. Anschließend werden diese Feingewebe auf einen Siebrahmen gespannt, mit einer dünnen flexiblen Sperrschicht versehen und – je nach Verwendungszweck – mittels UV-Licht oder Laser strukturiert.

»Die Laserstrukturierung von Feingewebe-Sieben für die Metallisierung von Solarzellen findet aktuell ausschließlich in Asien statt«, erklärt Dr. Andreas Lorenz, Gruppenleiter für Drucktechnologien am Fraunhofer ISE. »Mit dieser neu entwickelten Laser-Anlage sind wir am Fraunhofer ISE erstmals in der Lage, hochpräzise Feingewebe-Siebe für eine ressourcenschonende Solarzellen-Metallisierung auf höchstem Qualitätsniveau zu strukturieren. Hinsichtlich der Strukturgrößen können wir mit der Anlage sogar Strukturen bis in den Sub-Mikrometerbereich realisieren. Damit lassen sich künftig innovative Anwendungen realisieren, die heute weit außerhalb der aktuellen drucktechnischen Möglichkeiten liegen.«

Die entwickelte Technologie bietet neue Möglichkeiten zur Strukturierung hochpräziser Siebe in der Forschung und kann Siebherstellern Märkte in der Photovoltaik-Branche eröffnen. »Für die Solarzellen-Metallisierung benötigt man sehr feine Strukturen und gerade Deutschland ist traditionell sehr stark in der Gewebe- sowie Siebherstellung«, ergänzt Andreas Lorenz.

Der volldigitale Laserprozess der neuen Anlage ersetzt das konventionelle Herstellungsverfahren mit UV-Belichtung einer photoreaktiven Sperrschicht und bietet dabei eine flexible Anpassung an Werkstückschwankungen sowie eine integrierte optische Vermessung der erzeugten Strukturen. Die nachhaltige Lasertechnologie kommt ohne chemische Ätzmittel oder Photolacke aus. Durch die besonders feinen laserstrukturierten Öffnungen der Kontakte spart man bei der Metallisierung Silber ein und erhöht gleichzeitig die Leistung der Solarzelle durch eine geringere optische Abschattung. Die Lösung ist auch für anspruchsvolle Anwendungen in der Opto-Elektronik, Halbleiterfertigung und Aufbau- und Verbindungstechnik interessant und könnte perspektivisch eine kostengünstige und Ressourcen schonenden Alternative zu aufwändigen Photolithografie-Verfahren ermöglichen.
Die Forschungsergebnisse sind im Rahmen des Projekts »LASER2SCREEN« entstanden. Das Verbundprojekt mit den Industriepartnern NB Technologies GmbH, Hans Frintrup GmbH, Pulsar Photonics GmbH, Kissel + Wolf GmbH, Benecke-Kaliko AG und Anton Paar Germany GmbH wurde vom Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz (BMWK) unter dem Förderkennzeichen FKZ: 03EE1100E gefördert. Es adressiert die Entwicklung und Optimierung innovativer Prozesse für die Strukturierung von Feinliniensieben und Schablonen.

Pulsar Photonics: Herstellung von Mikrosieben

Nahaufnahme eines Feingewebe-Siebs nach der Laserstrukturierung.
© Fraunhofer ISE / Foto: Andreas Lorenz.

Rasterelektronenmikroskop-Aufnahme eines am Fraunhofer ISE gelaserten, ultrafeinen Siebkanals mit einer Öffnung von lediglich 4 Mikrometern.
© Fraunhofer ISE.

Weiterführende Informationen

Link zur Originalveröffentlichung des Fraunhofer-Instituts für Solare Energiesysteme ISE

Webseite des Projekts »LASER2SCREEN«

Forschung zu Feingewebe-Sieben und Schablonen am Fraunhofer ISE

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Pulsar Photonics

Fraunhofer-Gesellschaft

Die Fraunhofer-Gesellschaft mit Sitz in Deutschland ist die weltweit führende Organisation für anwendungsorientierte Forschung. Mit ihrer Fokussierung auf zukunftsrelevante Schlüsseltechnologien sowie auf die Verwertung der Ergebnisse in Wirtschaft und Industrie spielt sie eine zentrale Rolle im Innovationsprozess. Als Wegweiser und Impulsgeber für innovative Entwicklungen und wissenschaftliche Exzellenz wirkt sie mit an der Gestaltung unserer Gesellschaft und unserer Zukunft. Die 1949 gegründete Organisation betreibt in Deutschland derzeit 76 Institute und Forschungseinrichtungen. Etwa 32 000 Mitarbeitende, überwiegend mit natur- oder ingenieurwissenschaftlicher Ausbildung, erarbeiten das jährliche Forschungsvolumen von 3,4 Milliarden Euro. Davon fallen 3,0 Milliarden Euro auf den Bereich Vertragsforschung.

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Pulsar Photonics auf der LASER World of PHOTONICS 2025

Sonja Wichert — Tue, 01 Apr 2025 12:56:58 +0000

Pulsar Photonics auf der LASER World of PHOTONICS 24.-27. Juni 2025, München

Besuchen Sie uns in Halle B1 am Stand 310 gemeinsam mit unseren Schunk-Schwesterunternehmen Optotech und Aixemtec

Gemeinschaftsstand der Firmen Pulsar Photonics, OptoTech & Aixemtec Halle B1, 310
Maschinentechnik für die industrielle Laserfertigung – Von der Einzelteil- bis zur Serienfertigung
Jetzt Expertengespräch vereinbaren und Tagesticket erhalten

Pulsar Photonics, ein führender Innovator im Bereich der Photonik, gibt die Teilnahme an der LASER World of PHOTONICS 2025 bekannt, der weltweit führenden Fachmesse für Komponenten, Systeme und Anwendungen der optischen Technologien. Die Messe findet vom 24. bis 27. Juni 2025 auf dem Gelände der Messe München statt. Als etablierter Akteur in der Photonikbranche wird Pulsar seine neuesten Entwicklungen und sein umfassendes Know-how vor allem im Bereich der industriellen Lasermikrobearbeitung präsentieren.

In diesem Jahr werden die Schunk-Firmen OptoTech, Pulsar Photonics und Aixemtec zusammen auf einem Gemeinschaftsstand auftreten. Sie finden uns in Halle B1, am Stand 310.

Industrielle Lasermikrobearbeitung – Applikationsentwicklung, Einzelteil- bis zur Serienfertigung

Pulsar entwickelt individuelle Lösungen, die höchste Präzision, Effizienz und Prozesssicherheit gewährleisten – abgestimmt auf die komplexen Anforderungen unserer Kunden. Unser Schwerpunkt liegt dabei auf der industriellen Lasermikrobearbeitung, von der Applikationsentwicklung bis hin zur Einzelteil- und Serienfertigung auf maßgeschneiderten Maschinen oder in unserem Laseranwendungszentrum. Wir möchten Ihnen auf der LASER WoP Sondermaschinenlösungen und maßgeschneiderte Maschinentechnologien für spezifische Anforderungen aus den Bereichen Medizintechnik, Werkzeugtechnik, Keramik- und der Filterindustrie vorstellen.

Keramikbearbeitung mit der RDX1000 LWJ: Durch das Laserwasserstrahl-Verfahren können sprödharte Werkstoffe von Materialstärken von 2 bis zu 20 mm mit hoher Präzision bearbeitet werden.

Demonstratorbauteil zur großflächigen Lasermikrobearbeitung mit Ultrakurzpulslasern: Die Laseranlage RDX2800 bearbeitet vollflächig quadratmetergroße Bauteile mit dem Laser im Multistrahlverfahren.

LASER World of PHOTONICS – 27. Weltleitmesse und Kongress für Komponenten, Systeme und Anwendungen der Photonik

Die LASER World of PHOTONICS gilt als die weltweit führende Plattform für die Photonikindustrie. Sie setzt seit 1973 Maßstäbe in Bezug auf Größe, Vielfalt und Relevanz. Die Messe zeichnet sich durch eine einzigartige Kombination aus Anwendern, Herstellern von Laserquellen und Systemanbietern aus und ist damit der zentrale Treffpunkt für internationale Industrieunternehmen sowie Wissenschaftler im Bereich der Laser- und Photoniktechnologie. Besucher haben die Möglichkeit, die neuesten Innovationen kennenzulernen, an Workshops und Fachvorträgen teilzunehmen und sich mit Branchenexperten auszutauschen. Die Messe bringt Wissenschaftler, Unternehmer und Anwender aus der ganzen Welt zusammen. So sind führende Anbieter von Lasersystemen für verschiedene Anwendungsbereiche sowie Experten aus Optoelektronik, Sensorik und Messtechnik hier vertreten. Das hochkarätige Rahmenprogramm beleuchtet die neuesten Anwendungen von Lasern und Photonik in Foren, Panels und exklusiven Roundtables.

Vereinbaren Sie einen Termin mit den Experten vor Ort

Besucher der LASER World of PHOTONICS 2025 sind herzlich eingeladen, unsere Expertinnen und Experten von Pulsar vor Ort zu treffen. Vereinbaren Sie noch heute einen Termin, um Ihre spezifischen Anforderungen zu besprechen und mehr über die Lösungen im Bereich der industriellen Lasermikrobearbeitung zu erfahren. Nutzen Sie diese Gelegenheit, um detaillierte Einblicke in unsere Applikationsentwicklung und die Maschinentechnik zu erhalten.

Fragen Sie einfach ein kostenfreies Ticket bei uns an und schicken Sie uns eine Mail an presse@pulsar-photonics.de mit ihrem Terminwunsch.

Pulsar Photonics im Ausstellerverzeichnis der LASER World of PHOTONICS 2025.

Tagesticket anfragen

Pulsar Photonics

Die Pulsar Photonics GmbH ist ein innovatives HighTech-Unternehmen in der Lasertechnik. Das Leistungsspektrum des Unternehmens umfasst die Laser-Prozesstechnik, den Anlagenbau mit Software-Entwicklung sowie die Sparte Laser-Systemtechnik.

Das Unternehmen beschäftigt sich seit der Gründung intensiv mit Skalierungsansätzen für die Produktion. Für Kunden werden dafür exklusiv Leistungen von der professionellen Anwendungsentwicklung, über das Ramp-Up bis zum Aufbau automatischer Produktionsmaschinen mit Service und Know-How-Transfer abgebildet. Pulsar Photonics investiert dazu kontinuierlich in eigene Fertigungskapazitäten für die Einzelteil- und Serienfertigung mit (Ultra-) Kurzpulslasern. Kernprozesse sind das Strukturieren, Bohren und Präzisionsschneiden.

Die Pulsar Photonics GmbH hat ihren Hauptsitz in Aachen und betreibt zwei Produktionswerke. Das Unternehmen wurde 2013 als Spin-Off des Fraunhofer ILT in Aachen gegründet und in der Wachstumsphase vom Hightech-Gründerfond HTGF, Bonn finanziert. Seit 2021 ist Pulsar Photonics Teil der Schunk Group.
Das stark wachsende und profitable Unternehmen gehört mit heute knapp 100 Beschäftigten zum deutschen Mittelstand und ist Teil der Strukturwandel-Initiative LaserRegionAachen.

Weitere Informationen unter www.pulsar-photonics.de

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Ansprechpartner
Dr. Stephan Eifel
Geschäftsführung
Telefon: +49 (0) 2405 49504 – 41
E-Mail: eifel@pulsar-photonics.de
Pulsar Photonics GmbH
Alte Würselener Str. 13, 52080 Aachen
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E-Mail: info@pulsar-photonics.de
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Cool Cut: Laser und Wasser für präzise Keramikbearbeitung

Sonja Wichert — Wed, 26 Mar 2025 08:38:02 +0000

Cool Cut: Laser und Wasser für präzise Keramikbearbeitung

Pulsar Photonics RDX1000 LWJ: Sprödharte Materialien mit dem Laser-Wasser-Verfahren im Griff

Mit der RDX1000 LWJ bringt Pulsar Photonics eine neue Anlagen-Generation für Präzisionsbearbeitung auf den Markt. Die Kombination aus klassischer Laserbearbeitung und Laser-Wasserstrahl-Technologie von Synova ermöglicht hochpräzise Schnitte in Keramik, Siliziumkarbid und Hartmetallen – ohne thermische Schädigung oder mechanischen Verschleiß.

„Als Teil der Schunk Group verfolgen wir das Ziel, innovative Fertigungstechnologien für sprödharte Materialien weiterzuentwickeln“, erklärt Dr. Stephan Eifel, Geschäftsführer der Pulsar Photonics GmbH, Aachen. „Mit der RDX1000 LWJ ermöglichen wir nun eine Bearbeitung, die bisher nur mit aufwendigen mechanischen Verfahren oder komplexen Nachbearbeitungsschritten möglich war.“

Die RDX1000 LWJ basiert auf dem patentierten Laser MicroJet-Verfahren von Synova, das einen Laserstrahl über mehrere Millimeter in einem feinen Wasserstrahl führt. Dadurch bleibt die Strahlführung stabil, während das Material gleichzeitig gekühlt wird. „Diese Kombination bringt uns Bearbeitungstiefen und Präzision, die mit herkömmlichen Laserverfahren nicht erreichbar wären“, fasst Eifel zusammen.

Die RDX1000 LWJ von Pulsar Photonics, Aachen: Die neue Maschine kombiniert Laser- und Wasserstrahltechnologie für hochpräzise Bearbeitung sprödharter Materialien – eine Premiere in der Fertigungstechnik. © Pulsar Photonics GmbH.

RDX1000 LWJ – Lasermaschine

Tiefe Schnitte in dicke Werkstoffe

Hinzu kommt, dass typische Laserabtragsprozesse zum Schneiden oft nur ein Aspektverhältnis von 1:3 bis 1:5 erreichen. Das bedeutet: Eine hundert Mikrometer breite Schnittfuge reicht nur bis zu 500 Mikrometer tief in das Material. Für tiefere Schnitte müssen breitere Schnittfugen gewählt werden, was zu längeren Prozessdauern führt. Mit der RDX1000 LWJ werden dagegen Aspektverhältnisse von bis zu 1:100 realisierbar – eine Dimension, die bislang nur mit aufwendigen mechanischen Verfahren möglich war. „Wir können beispielsweise eine nur 100 Mikrometer breite Struktur in eine 10 Millimeter dicke Keramik bohren oder schneiden – das öffnet völlig neue Möglichkeiten in der Fertigung“, betont der Experte.

Ein weiteres Alleinstellungsmerkmal ist die Kombination von zwei Bearbeitungsstationen: Neben der wassergeführten Laserbearbeitung steht eine separate Trockenbearbeitungsstation zur Verfügung. „Das gibt unseren Kunden maximale Flexibilität“, so Dr. Eifel. „Sie können sowohl klassische Laserprozesse nutzen als auch den Laser-Wasserstrahl für besonders anspruchsvolle Bearbeitungen einsetzen.“

Diese Vielseitigkeit ermöglicht es, hybride Bearbeitungsstrategien umzusetzen. So können Materialien zunächst strukturiert und anschließend mit dem Laser-Wasserstrahl präzise durchbohrt werden – ein Vorteil bei der Fertigung komplexer Funktionsbauteile.

Erprobung im Schunk MACHLab

Das MACHLab, das konzernübergreifende Anwendungszentrum der Schunk Group, testet die Technologie unter realen Fertigungsbedingungen. „Hier schaffen wir eine Entwicklungsumgebung, in der neue Anwendungen direkt in die Produktion überführt werden können“, betont Dr. Eifel. Insbesondere in der Bearbeitung von 3D-gedrucktem Siliziumkarbid sowie bei der Fertigung hochpräziser Bauteile für die Mikroelektronik sieht Schunk großes Potenzial.

So stellt die Bearbeitung von technischer Keramik Hersteller bei filigranen Strukturen immer wieder vor Herausforderungen. Aufgrund ihrer hohen Härte und Sprödigkeit neigen diese Materialien zu Mikrorissen oder Gratbildung, wenn sie mit konventionellen Methoden bearbeitet werden. „Die RDX1000 LWJ ermöglicht extrem präzise Schnitte und Bohrungen ohne thermische Schädigung oder mechanischen Abrieb“, erläutert Dr. Eifel.

Präzise Kühlkanäle und filigrane Mikrobohrungen

Auch die Luft- und Raumfahrt nutzt zunehmend sprödharte Hochleistungswerkstoffe, etwa für Triebwerksschaufeln oder Wärmeschutzkacheln. Die RDX1000 LWJ ermöglicht tiefere und präzisere Kühlkanäle in hitzebeständigen Materialien, ohne deren Struktur zu beeinträchtigen. „Das reduziert Bauteilgewichte und erhöht die Effizienz – ein echter Gamechanger für diese Branche“, erklärt Eifel. „Wir stehen erst am Anfang eines Paradigmenwechsels in der Lasermaterialbearbeitung von keramischen Bauteilen“, ist sich Dr. Eifel sicher. „Durch die Zusammenarbeit mit Synova und den Einsatz im MACHLab der Schunk Group treiben wir die industrielle Anwendung der Laser-Wasserstrahl-Technologie konsequent voran.“

„Die Kombination aus Laser und Wasserstrahl eröffnet völlig neue Möglichkeiten in der Präzisionsbearbeitung – ohne Wärmeeintrag, mit höchster Qualität und bislang unerreichbaren Aspektverhältnissen.“ Dr. Stephan Eifel, Geschäftsführer von Pulsar Photonics, Aachen. © Pulsar Photonics GmbH.

Endkontur im Visier: Die Laser-Wasserstrahl-Technologie schneidet eine technische Keramik (SiSiC) mit 10 mm Materialstärke präzise und materialschonend – ohne Nachbearbeitung. © Pulsar Photonics GmbH.

Blog – Was ist das Laserwaterjet-Verfahren?

Pulsar Photonics

Das Unternehmen beschäftigt sich seit der Gründung intensiv mit Skalierungsansätzen für die Produktion. Für Kunden werden dafür exklusiv Leistungen von der professionellen Anwendungsentwicklung, über das Ramp-Up bis zum Aufbau automatischer Produktionsmaschinen mit Service und Know-How-Transfer abgebildet. Pulsar Photonics investiert dazu kontinuierlich in eigene Fertigungskapazitäten für die Einzelteil- und Serienfertigung mit (Ultra-) Kurzpulslasern. Kernprozesse sind das Strukturieren, Bohren und Präzisionsschneiden.

Die Pulsar Photonics GmbH hat ihren Hauptsitz in Aachen und betreibt dort zwei Produktionswerke. Das Unternehmen wurde 2013 als Spin-Off des Fraunhofer ILT in Aachen gegründet und in der Wachstumsphase vom Hightech-Gründerfonds HTGF, Bonn finanziert. Seit 2021 ist Pulsar Photonics Teil der Schunk Group.

Das stark wachsende und profitable Unternehmen gehört mit heute mehr als 100 Beschäftigten zum deutschen Mittelstand und ist Teil der Strukturwandel-Initiative LaserRegionAachen.

Synova S.A.

Synova S.A. mit Hauptsitz in Duillier, Schweiz, ist seit über 25 Jahren ein Pionier im Bereich fortschrittlicher Laserschneidsysteme. Die Integration unserer innovativen Laser-MicroJet-Technologie, die einen Laser in einem haarfeinen Wasserstrahl mit einer robusten industriellen CNC-Plattform kombiniert, bietet großartige Ergebnisse für die Bearbeitung einer breiten Palette von Materialien. Unsere einzigartige Technologie bietet unseren Kunden erhebliche Effizienzsteigerungen, eine unvergleichliche Schnittqualität und erhöhte Präzision bei verschiedenen Anwendungen. Besuchen Sie unsere Website, um mehr zu erfahren: www.synova.ch.

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Optimierung der Verfügbarkeit von Laseranlagen

Sonja Wichert — Tue, 18 Mar 2025 13:12:11 +0000

Optimierung der Verfügbarkeit von Laseranlagen

Wie man die Verfügbarkeit von Laseranlagen berechnet, Was die Einsatzfähigkeit beeinflusst und wie man diese optimiert

Esther Silberkuhl | 18. März 2025 ᛫ 10 Min.

Laseranlagen sind in der modernen Produktion unverzichtbar geworden. Ihre Vielseitigkeit und hohe Präzision ermöglichen ihren Einsatz in zahlreichen Branchen. Doch um die Produktion reibungslos und effizient zu gestalten, ist eine hohe Verfügbarkeit der Anlagen essenziell. Produktionsausfälle können nicht nur hohe Kosten verursachen, sondern auch Liefertermine gefährden und die Wettbewerbsfähigkeit eines Unternehmens beeinträchtigen. Die Verfügbarkeit beschreibt die Zeitspanne, in der eine Anlage zuverlässig in Betrieb ist, ohne durch geplante oder ungeplante Wartungen unterbrochen zu werden. Eine hohe Verfügbarkeit steht daher für eine stabile und effiziente Betriebsleistung.

In diesem Beitrag werfen wir einen Blick darauf, welche Faktoren die Verfügbarkeit beeinflussen und wie Unternehmen sie gezielt optimieren können, um ihre Produktionsprozesse zu verbessern.

Arten von Ausfallzeiten bei Laseranlagen

Ausfallzeiten können große Auswirkung auf Produktionsprozesse haben. Sie lassen sich in zwei Gruppen einteilen:

Geplante Ausfallzeiten/Wartungen und

Ungeplante Ausfallzeiten/Wartungen.

Geplante Ausfallzeiten/Wartungen sind Zeiten, in denen es zu einer kontrollierten und vorhersehbaren Unterbrechung des Anlagenbetriebs kommt. Hierzu zählen routinemäßige Wartungs- und Instandhaltungsarbeiten, Upgrades sowie Modernisierungen oder auch Schulungen.

Ungeplante Ausfallzeiten/Wartungen sind Stillstände des Anlagenbetriebs, die aufgrund von unerwarteten Störungen oder Schäden an der Anlage entstehen. Hier wären mögliche Beispiele technische Störungen, Softwarefehler oder Verzögerungen durch fehlende Ersatzteile.

Die oben beschriebenen Ausfallzeiten werden in der Regel für die Berechnung von Verfügbarkeiten verwendet.

Im Produktionsbetrieb gibt es außerdem weitere Ausfallzeiten. Hierzu zählen:

Strom- und Versorgungsausfälle: Unterbrechungen der Stromversorgung oder auch fehlende Bauteile für den Produktionsprozess können zu vorübergehenden Produktionsstopps führen
Menschliche Faktoren: Menschliche Fehler, Arbeitskämpfe oder Personalmangel können ebenfalls zu Ausfallzeiten führen
Naturkatastrophen und Umweltauswirkungen: Naturkatastrophen wie Überschwemmungen, Erdbeben oder Stürme können Anlagen schwer beschädigen. Umweltauswirkungen wie Umweltschutzauflagen oder Verschmutzung können ebenfalls zu Ausfallzeiten führen
Anlagenunabhängige Infrastrukturmaßnahmen: Anlagenunabhängig können Infrastrukturmaßnahmen stattfinden, die sich auf die Verfügbarkeit der Anlage auswirken. Dies können beispielsweise Wartungsarbeiten der Stromversorgung der Anlagenhalle oder ähnliches sein

Diese Unterbrechungen werden in der Regel nicht in eine Verfügbarkeitsberechnung einer Anlage integriert. Sie sind im Produktionsbetrieb jedoch natürlich nicht vernachlässigbar.

Ausfallzeiten von Laseranlagen lassen sich in die Kategorien „Geplante Ausfallzeiten bzw. Wartungen“ und „Ungeplante Ausfallzeiten bzw. Wartungen“ unterteilen. © Pulsar Photonics GmbH.

Laseranlagen Pulsar Photonics

Faktoren, die die Verfügbarkeit von Laseranlagen positiv beeinflussen

Um eine möglichst hohe Verfügbarkeit zu erzielen, können sich verschiedene Faktoren positiv auf diese auswirken:

Präventive Wartung: Regelmäßige Inspektionen, Instandhaltung und Modernisierungen tragen dazu bei, potenzielle Ausfallursachen frühzeitig zu erkennen und zu beheben
Energieversorgung und Umgebungsbedingungen: Eine stabile und ausfallsichere Energieversorgung kann ungeplante Ausfälle verhindern. Konstante und angepasste Umgebungsbedingungen sind dabei im Allgemeinen wichtig. Zusätzlich ist eine saubere Anlagenumgebung von Vorteil
Konstante Qualität der Bauteile: Schwankungen in den Werkstoffzusammensetzungen oder ähnliches können sich negativ auf das Produktionsergebnis auswirken. Eine vorgelagerte Kontrolle kann hier die konstante Produktion sicherstellen
Schulungen: Um Bedienerfehler zu vermeiden, tragen regelmäßige Schulungen zu einer hohen Anlagenverfügbarkeit bei
Anlagensoftware: Ein umfassender Schutz vor Cyberangriffen ist ebenfalls für eine stabile Produktion wichtig. Jedoch sollten auch menschliche Faktoren oder missglückte Softwareupdates Beachtung finden. So sind geeignete Backupstrategien auszuwählen
Ersatzteilverfügbarkeit: Ein zusätzlicher Einflussfaktor kann die Ersatzteilverfügbarkeit sein. Ungeplante Ausfälle kommen leider vor. Eine entsprechende Lagerhaltung unterstützt hier eine hohe Verfügbarkeit und vermeidet lange Ausfallzeiten

Durch die Berücksichtigung dieser Faktoren kann die Verfügbarkeit von Laseranlagen maximiert und ungeplante Ausfallzeiten minimiert werden. Eine zuverlässige Energieversorgung, regelmäßige Wartung und optimale Betriebsbedingungen sind entscheidend für eine sichere und effiziente Produktion. Durch präventive Maßnahmen lassen sich Störungen reduzieren und die langfristige Leistungsfähigkeit der Anlagen sicherstellen.

Verfügbarkeit berechnen: Welche Modelle gibt es und wie unterscheiden sie sich?

Es existieren verschiedene Modelle zur Berechnung der Verfügbarkeit von Laseranlagen. Sie unterscheiden sich grundsätzliche in ihrer Detaillierung und den einbezogenen Einflussfaktoren. Ebenfalls gibt es in unterschiedlichen Industrien spezifische Modelle für die Berechnung. Modelle sind beispielsweise:

OEE (Overall Equipment Effectiveness): Umfasst Verfügbarkeit, Leistung und Qualität als zentrale Faktoren und wird häufig in der Fertigungsindustrie angewandt
SEMI E10 Modell: Berücksichtigt verschiedene Betriebszustände, definiert spezifische Stillstandsgründe und ist für die Halbleiterindustrie entwickelt worden
RAMS-Modell (Reliability, Availability, Maintainability, Safety): Betrachtet neben der Verfügbarkeit auch Sicherheitsaspekte und wird in sicherheitskritischen Branchen wie Bahn- oder Luftfahrttechnik genutzt

Für das SEMI E10 Modell kann die Verfügbarkeit beispielsweise wie folgt berechnet werden: Die Betriebszeit wird zunächst in verschiedene Zustände kategorisiert: Produktive Zeit (z.B. die Bearbeitung von Bauteilen), Geplante Stillstandszeit (z.B. für die Wartung der Anlage), Ungeplante Stillstandszeit (z.B. bei einem Komponentenausfall). Die Formel zur Berechnung ist in diesem Modell folgende:

Verfügbarkeit = Produktionszeit / (Gesamtzeit – geplante Stillstandszeit)

Mithilfe von Rechenmodellen berechnet Pulsar Photonics die Anlagenverfügbarkeiten, um die Produktion ihrer Laseranlagen zu optimieren.
© Pulsar Photonics GmbH.

Was bei der Wartung an Laseranlagen beachtet werden, sollte Lest ihr hier

Wartung von Laseranlagen

Fazit

Die Verfügbarkeit von Laseranlagen ist ein entscheidender Faktor für eine effiziente und wirtschaftliche Produktion. Ungeplante Ausfälle können hohe Kosten verursachen und Produktionsprozesse erheblich stören. Daher ist es essenziell, auf präventive Maßnahmen wie regelmäßige Wartungen, eine stabile Energieversorgung und gut geschulte Mitarbeiter zu setzen.

Durch den gezielten Einsatz von Verfügbarkeitsmodellen wie OEE, SEMI E10 oder RAMS können Unternehmen die Betriebsleistung ihrer Anlagen analysieren und optimieren. Eine systematische Erfassung und Bewertung der Ausfallzeiten helfen dabei, Schwachstellen frühzeitig zu erkennen und gezielt Gegenmaßnahmen zu ergreifen.

Letztlich trägt eine hohe Verfügbarkeit nicht nur zur Produktivität, sondern auch zur Wettbewerbsfähigkeit eines Unternehmens bei. Durch eine strategische Planung und ein umfassendes Verständnis der Einflussfaktoren können Unternehmen ihre Laseranlagen zuverlässig und nachhaltig betreiben.

Alles rund um das Thema Strahlenschutzmesseung an UKP-Laseranlagen, erfahren Sie hier in einem weiterführenden Artikel unserer Kollegin.

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Mehr über die Autorin:
Esther Silberkuhl, M. Sc.

Esther Silberkuhl ist Leiterin des Servicebereiches bei Pulsar Photonics. Sie hat ihr Ingenieursstudium an der RWTH Aachen mit dem Master in Produktionstechnik abgeschlossen und den Bereich Service bei Pulsar Photonics aufgebaut.

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Was ist Laserfeinschneiden?

Sonja Wichert — Tue, 21 Jan 2025 11:06:40 +0000

Was ist Laserfeinschneiden?

Wie Laserfeinschneiden funktioniert, wo es Anwendung findet und welche Vorteile es gegenüber anderen Verfahren aufweist

Dr. Marius Gipperich | 21. Januar 2025 ᛫ 10 Min.

Konventionelles, schmelzbasiertes Laserschneiden ist bereits seit vielen Jahren ein etablierter Fertigungsprozess, beispielsweise für das Trennen von Grobblechen im Baugewerbe, im Schiffbau und allgemein im Transportsektor. Dazu kommen in der Regel kontinuierliche (cw-)Laser zum Einsatz, deren Leistung oft im Multi-kW-Bereich liegt. Ziel ist das Erreichen hoher Schnittgeschwindigkeiten durch Aufschmelzen eines großen Materialvolumens pro Zeit. Die Genauigkeit liegt im mm-Bereich und es entstehen Grate.

Werden Schneidprozesse mit größerer Genauigkeit und höheren Qualitätsanforderungen an Oberflächen oder Schnittkanten benötigt, zum Beispiel für kleine Präzisionsbauteile, sind solche Prozesse ungeeignet. Hier bietet das ablative Laserfeinschneiden mit Ultrakurzpuls (UKP-)Lasern eine Lösung. Im Folgenden werden die Funktionsweise dieses Verfahrens und die Vorteile näher beschrieben.

Wie funktioniert Laserfeinschneiden?
In welchen Technikbereichen wird Laserfeinschneiden benötigt und welche Vorteile bietet es gegenüber anderen Verfahren?
Welche Laserschneidverfahren gibt es?
Fazit

Wie funktioniert Laserfeinschneiden?

Das Laserfeinschneiden mittels UKP-Laser basiert auf dem laserinduzierten Abtragen (Verdampfen) von oberflächennahmen Werkstoff.

Die Oberfläche wird mit einem fokussierten Laserstrahl bearbeitet, wobei der Werkstoff einen Teil der Laserstrahlung absorbiert. Ist in einem Materialvolumen eine ausreichend hohe Energie bzw. Leistung pro Fläche erreicht, verdampft das Materialvolumen. Der Grenzwert der eingebrachten Energie bzw. Leistung pro Fläche, ab dem Verdampfung eintritt, wird als Schwellfluenz bzw. Abtragschwelle bezeichnet.

Abhängig vom verwendeten Lasertypen geht das Verdampfen mit einer vorherigen Schmelzbildung einher. Die Schmelzbildung tritt bei längeren Laserpulsen im ns-Bereich oder mehr auf. Diese Pulsdauern sind so lang, dass während der Pulseinwirkung Wärmeleitung stattfindet. Der Abtrag ergibt sich aus der vergleichsweise langsamen Abfolge: Erwärmen – Schmelzen – Verdampfen. Wichtig ist bei dieser Form des Abtragens, dass um das verdampfte Volumen herum ein Schmelzrand und eine Wärmeeinflusszone (WEZ) vorhanden sind. Das ist beim schmelzbasierten Laserschneiden mit cw-Lasern der Fall.

Dem gegenüber stehen Ultrakurzpuls (UKP)-Schneidprozesse. Ultrakurze Laserpulse besitzen eine Dauer im fs- oder ps-Bereich, sodass während der Pulseinwirkung keine Wärmeleitung stattfindet. Dadurch kann ein schmelzfreier und somit gratfreier Abtrag bzw. Schnitt durch Sublimation erzielt werden; das umgebende Material ist quasi unbeeinflusst und die Bearbeitung athermisch. Zudem wird durch die kleineren Energiemengen pro Puls und die Fokussierung auf kleine Spotdurchmesser eine zeitlich und örtlich genauere Steuerung des Prozesses möglich, was die Präzision der Bearbeitung erhöht.

Allgemein ist die Herstellung von Schnittgeometrien möglich, indem der Laserstrahl entsprechend der auszuschneidenen Geometrie relativ zum Werkstück bewegt wird und Material abträgt. Beim schmelzbasierten Schneiden erfolgt das üblicherweise durch ein Achssystem, beim UKP-Laserfeinschneiden durch einen Galvanometerscanner. Die beiden Ansätze unterscheiden sich erheblich in Bezug auf Dynamik und Genauigkeiten (mehr dazu weiter unten).

Die Qualität des Schnitts ist natürlich nicht nur von der Art der Laserquelle (z.B. ns- oder fs-Laser) und der Systemkinematik (Achsen oder Scanner), sondern auch von der Wellenlänge, den sonstigen Laserparametern (Pulsenergie, Repetitionsrate, Fluenz) und der Bearbeitungsstrategie (z.B. Scanstrategie) abhängig.

Welche Arten von Lasern gibt es eigentlich? Erfahren Sie die Antwort in unserem Artikel zu genau dem Thema

Welche Laser gibt es?

In welchen Technikbereichen wird Laserfeinschneiden benötigt und welche Vorteile bietet es gegenüber anderen Verfahren?

Das Laserfeinschneiden kommt bei einer Vielzahl unterschiedlicher Anwendungsfälle zum Einsatz. Beispiele sind mechanische Präzisionsteile, Elektronikbauteile wie Chips und medizintechnische Komponenten. Neben der Bearbeitung der Außenkontur wird das Laserfeinschneiden auch bei der Herstellung von Sieben mit schlitzförmigen Öffnungen angewendet.

Ein großer Vorteil des Laserfeinschneidens gegenüber anderen Schneidverfahren besteht in der Vielfalt der schneidbaren Materialien. Mit UKP-Lasern kann nahezu jeder Werkstoff abgetragen werden. Das gilt insbesondere auch für sprödharte Werkstoffe wie Glas oder Keramik, die mit mechanischen Verfahren nur unter großem Aufwand oder gar nicht schneidbar sind. Auch für Kompositwerkstoffe wie faserverstärkte Kunststoffe oder Sandwichmaterialien können beim Laserfeinschneiden Ergebnisse von hoher Qualität erzielt werden. Da der Laser zudem ein verschleißfreies Werkzeug ist, ergeben sich insgesamt fertigungs- und kostenseitig spannende Perspektiven.

Welche Laserschneidverfahren gibt es?

(Q)cw-Schneiden

Beim schmelzbasierten Schneiden mit cw-Lasern wird der Laserstrahl meist durch eine Festoptik auf das Werkstück fokussiert. Die Reativbewegung zum Werkstück erfolgt durch ein Achssystem, wobei entweder das Werkstück oder der Laserkopf bewegt werden können. Die Genauigkeiten, Verfahrgeschwindigkeiten und die minimalen Kantenradien sind deshalb über das Achssystem limitiert.

Statt einem wirklich kontunierlichen cw-Laser können auch quasi-kontinuierliche QCW-Laser verwendet werden. Die Pulsdauer liegt in diesem Fall im µs- oder ms-Bereich, sodass der Abtrag auch hier schmelzbasiert erfolgt. Allerdings führt die Leistungsüberhöhung in den Pulsen zu einem stärkeren Schmelzaustrieb aus dem Schnittspalt und zu einem kontrollierteren Wärmeeintrag, sodass die Schnittkanten weniger Schmelzränder und Grate aufweisen als beim konventionellen cw-Schneiden.

Minimal mögliche Schnittspalten liegen bei etwa 50 µm.

Nanosekundenschneiden

Auch das Nanosekundenschneiden ist ein schmelzbasierter Schneidprozess. Allerdings kann der Energieeintrag in das Werkstück durch die kürzeren Pulse kontrollierter erfolgen als beim cw-Schneiden. Je nach Pulsintensität wird der Materialaustrag in Teilen durch Verdampfung hervorgerufen. Somit sind die WEZ und die Schmelzränder kleiner als bei einem cw-Prozess. Die umsetzbaren Leistungen sind etwas geringer als bei cw-Prozessen, sodass die Abtragrate geringer ausfällt. Unter anderem für dünne metallische Bleche (Größenordnung: < 1 mm Stärke) können dennoch effiziente Schnittprozesse erreicht werden.

Die Relativbewegung zwischen Werkstück und Laserstrahl kann mit einem Scanner oder durch eine Festoptik in Kombination mit Achsvorschub erzeugt werden. Somit sind ns-Schneidprozesse in gewisser Weise ein Kompromiss zwischen den hochpräzisen, aber langsamen UKP-Prozessen und den eher groben, aber dafür sehr schnellen cw-Prozessen.

UKP und Wendelschneiden

Beim Laserfeinschneiden mit UKP-Lasern werden in den meisten Fällen galvanometerscannerbasierte Schneidprozesse verwendet. Der Laserstrahl wird durch die Scannerspiegel hochdynamisch in 2D ausgelenkt. Die Geschwindigkeit der Auslenkung kann je nach System deutlich > 10 m/s betragen, die Positionierung kann mit Mikrometer-Genauigkeit erfolgen. Die Synchronisation zwischen der gepulsten Leistungsabgabe des Lasers und den Scannerbewegungen ist hochgenau und Kantenradien < 10 µm sind erreichbar. Somit ist dieser Ansatz zur Herstellung präziser Schnittgeometrien in der Mikrobearbeitung geeignet. Als Nachteil des Verfahrens können die vergleichsweise geringen Abtragraten angesehen werden. Dadurch ist das UKP-Schneiden bei dickeren Materialien (mehr als 1 mm) oder großen Bauteilen meist nicht wirtschaftlich. Hinzu kommt, dass durch die starke Einschnürung des Laserstrahls hin zum Fokus konische Schnittkanten entstehen und das maximal herstellbare Aspektverhältnis (Breite zu Tiefe des Schnitts) auf ca. 1:5 begrenzt ist. Es können Schnittspalte mit einer Breite von wenigen Mikrometern erzielt werden, wenn der Fokus ausreichend klein ist.
Eine Sonderform des UKP-Schneidens ist das sogenannte Wendelschneiden. Hier wird der Laserfokus mithilfe einer Optik, in der ein rotierendes Prisma verbaut ist, entlang einer Spiralbahn nach unten bewegt. Zusätzlich erfolgt der Werkstückvorschub mithilfe eines Achssystems. Dadurch können hochpräzise, senkrechte Schnittkanten erzeugt werden. Durch eine optische Änderung der Spiralbahn sind auch andere, sowohl positive als auch negative Kantenwinkel möglich. Da für die Spiralbewegung Platz benötigt wird, liegen minimale Schnittspalte in der Größenordnung von 50 µm.

Filamentschneiden

Das Filamentschneiden ist ein Spezialverfahren zum Trennen von Glas. Glas ist aufgrund seiner Transparenz für viele Lichtwellenlängen auf der einen und seiner Sprödheit in Kombination mit internen Spannungen auf der anderen Seite nur schwer zu schneiden. Oft treten Fehler wie das Chippig, d.h. das Herausbrechen kleiner Partikel an der Schnittkante, auf.

Beim Filamentschneiden wird zunächst mit einem UKP-Laser eine lokale, innere Modifikation des Glases entlang der gewünschten Schnittkontur vorgenommen. Durch die Modifikation ändern sich für die filamentierten Bereiche unter anderem die optischen, thermischen und mechanischen Eigenschaften. Bei der anschließenden Bearbeitung mit einem CO₂-Laser bricht das Glas durch den Wärmeeintrag kontrolliert entlang der Filamentierung. Das Ergebnis sind senkrechte Schnittkanten mit sehr geringer Rauheit und ohne Ausbrüche.

Kommerzielle Prozessköpfe zum Filamentschneiden vereinen oftmals die Filamentier- und CO₂-Bearbeitungsoptiken.

Laserwaterjet (LWJ)

Ein weiterer Sonderbearbeitungsprozess für sprödharte Werkstoffe ist das sog. Laser-Wasserstrahl-Schneiden (LWJ). Hier wird der kollimierte bzw. fokussierte Laserstrahl in einem Wasserstrahl geführt. Durch die internen Totalreflexion wird der Laserstrahl im Wasserstrahl „gefangen gehalten“. Dadurch entsteht ein quasi unendlich langer Laserfokus (im Gegensatz zum UKP-Fokus, der << 1 mm lang ist), solange der Wasserstrahl intakt ist. Wo der Wasserstrahl auf Material trifft, tritt der Laserstrahl aus und trägt Material ab. Als Laser kommen ns-Laser zum Einsatz.

Dieses Verfahren eignet sich insbesondere für das Schneiden von Werkstoffen mit einer Dicke von bis zu 30 mm. Da Platz für den Wasserstrahl benötigt wird, sind die Schnittspalten ca. 50 – 200 µm groß. Die Schnittkanten sind durch die Wasserstrahlführung sehr präzise und senkrecht. Trotz der eher langsamen Schnittgeschwindigkeiten von nur einigen Millimetern pro Minute ist das Verfahren beispielsweise bei der Bearbeitung dicker Keramikbauteile wirtschaftlich interessant, da bei den konkurrierenden mechanischen Bearbeitungsverfahren wie Schleifen hohe Kosten durch Werkzeugverschleiß auftreten. Als Einschränkung ist zu erwähnen, dass keramische Werkstoffe mit zu großer Bandlücke (z.B. Al₂O₃ mit hoher Reinheit) mit diesem Verfahren nicht bearbeitbar sind, da die Absorption des Laserstrahls nicht ausreicht. Bei anderen Keramiken wie SiC oder Metallen werden dagegen sehr gute Bearbeitungsergebnisse erzielt.

Freiformkonturschnitt aus einer 3D-gedruckten SiC-Keramik, Materialstärke 5 mm.
© Pulsar Photonics GmbH.

Ansicht Maschineninnenraum der Pulsar RDX1000 LWJ-Anlage mit Wasserauffangbecken.
© Pulsar Photonics GmbH.

Pulsar Photonics bietet mit seiner Laseranlage RDX1000 Laserwaterjet wasserstrahlgeführte Materialbearbeitung an. Weitere Informationen zu den Details der Maschine erhalten Sie unter nachfolgendem Link:

RDX1000 Laserwaterjet

Fazit

Bis hierher wurden verschiedenste Laserschneidverfahren betrachtet. Aus der großen technischen Bandbreite der Verfahren ist ersichtlich, dass es nicht „das“ Schneidverfahren gibt, das sich für alle Anwendungen eignet.

Schon die „einfachen“ Verfahren wie das cw-Schneiden und das UKP-Feinschneiden unterschieden sich erheblich hinsichtlich Bearbeitungsgeschwindigkeiten, Schnittkantenqualität und Genauigkeit. Darüber hinaus gibt es Sonderverfahren für bestimmte Werkstoffe, spezielle Schnittkantenverläufe oder besonders dicke Materialien.

Die Auswahl des richtigen Schneidverfahrens setzt deshalb – wie so oft – eine genaue Analyse der jeweiligen Anwendungsanforderungen und des zu bearbeitenden Werkstoffs voraus. Ebenso ist oftmals das Eingehen gewisser Kompromisse zwischen Bearbeitungsgeschwindigkeit und Qualität erforderlich.

Den hochpräzisen Laserfeinschneidverfahren wie dem UKP-Laserfeinschneiden und den Sonderverfahren wie LWJ wird in den nächsten Jahres eine große Bedeutung in verschiedenen Hightech-Bereichen wie Medizintechnik oder Elektronik/Energietechnik zukommen, in denen kleinste Bauteile mit höchster Präzision bearbeitet werden müssen.

Sie haben Fragen zum Feinschneiden mit Lasern? Zögern Sie nicht uns zu kontaktieren!

Laserfeinschneiden als Auftragsfertigung

Mehr über den Autor:
Dr. Marius Gipperich

Dr. Marius Gipperich hat ein abgeschlossenes Studium der Materialwissenschaft und Werkstofftechnik. Im Anschluss promovierte er an der RWTH Aachen im Themengebiet Fertigungstechnik/Lasermaterialbearbeitung und besitzt inzwischen mehr als fünf Jahre praktische Berufserfahrung im Bereich Lasertechnik.

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Ultrakurzpuls-Lasersysteme zur Herstellung von Verneblern in der Medizintechnik

Sonja Wichert — Wed, 18 Dec 2024 15:12:35 +0000

Ultrakurzpuls-Lasersysteme zur Herstellung von Verneblern in der Medizintechnik

Zerstäuben von Medikamenten: Wie lasergefertigte Siebe in der Medizin die Grenzen konventioneller FilterVerfahren überschreiten

Louisa Draack | 18. Dezember 2024 ᛫ 15 Min.

Gerade die Corona-Krise hat deutlich gemacht, wie wichtig innovative Medizintechnik ist.

Ein Produkt der Medizintechnik, das vor allem bei Krankheiten der Atemwege von hoher Bedeutung ist, ist ein sogenannter Vernebler. Vernebler dienen dazu, Medikamente zum Einatmen so zu zerstäuben, dass sich die Flüssigkeit in ein Aerosol umwandelt, welches sich wiederum in der Lunge verteilen kann.

Im nachfolgenden Artikel erklären wir, wie durch ultrakurzpuls-Lasersysteme Vernebler für die Medizintechnik hergestellt werden können und welche Vorteile diese Fertigungstechnologie mit sich bringt.

Funktion eines Verneblers in der Medizintechnik

Das Funktionsprinzip eines Verneblers basiert auf einer Membrane, in der sich Mikrometer große Löcher befinden. Hiermit werden Medikamente so zerstäubt, dass sich die Flüssigkeit in ein Aerosol umwandelt. Damit dieses Aerosol homogen ist, benötigen Vernebler einen kontinuierlichen Antrieb. Speziell geformte Piezoscheiben wirken hier als Ultraschallwandler und regen die Loch-Membran zu Ultraschallschwingungen mit bis zu mehreren 100 Kilohertz an.

Aktuelle Erkenntnisse bestätigen, dass kleinere Bohrlöcher in den Filtern zu kleineren Wirkstoffteilchen führen, welche sich wiederum tiefer in der Lunge verteilen und somit besser wirken können. Deshalb ist das Ziel, die Mikrobohrungen möglichst klein zu gestalten.

Herkömmliche Herstellverfahren kommen hierbei an Ihre Grenzen, da entweder entsprechende Bohrungen physikalisch nicht hergestellt werden können oder der Verschleiß des Werkzeugs hoch ist. Ein innovativer Ansatz ist die Verwendung von Lasersystemen mit ultrakurz gepulster Strahlung, denn je kürzer die Pulsdauer ist, desto kleinere Löcher können gebohrt werden. Abhängig von dem verwendeten Fokussierobjektiv und der Wellenlänge können somit Bohrlöcher mit einem Durchmesser um die fünf Mikrometer hergestellt werden.

Da durch softwaretechnische Einstellungen die Verteilung und die Form der Bohrlöcher angepasst werden können, ist die Produktion verschiedener Produkte auf einer Laseranlage möglich.

Quelle: Appl. Sci. 2021, 11(18), 8350https://doi.org/10.3390/app11188350

Der Bohrprozess mit dem Ultrakurzpulslaser – Erklärung und Einflussfaktoren

Das Laserbohren basiert auf der gezielten Materialentfernung in einem vorab definierten Werkstück. Beim klassischen, jedoch hochpräzisen Laserbohren wird hierzu eine Ultrakurzpulslaserquelle, die Strahlführung und ggf. -formung, ein Galvanometerscanner mit zwei Scan-Spiegeln und ein Fokussiermodul verwendet, um den Laserstrahl erzeugen und auf dem Werkstück ablenken zu können. Durch diesen Aufbau wird jeder einzelne Laserpuls auf das Werkstück fokussiert und es erfolgt eine Absorption im Werkstück. Durch die Absorption und die starke lokale Materialerwärmung erfolgt der Abtrag. Die hierbei erzeugten Bohrlöcher sind konisch. Das heißt, das Loch ist am Lasereintritt größer als am Laseraustritt. Sehen Sie hierzu auch das Beispiel in der unteren Grafik.

Verschiedene Parameter haben Einfluss auf die Qualität und die Taktzeit des Bohrprozesses. Laser mit kurzen Pulsdauern im Bereich von Piko- oder Femtosekunden erzeugen keine Schmelzauswürfe und haben nur sehr geringe Wärmeeinflusszonen, wodurch eine präzisere und kleinere Bearbeitung möglich ist als bei anderen Lasersystemen mit längeren Pulsdauern.
Durch den geringeren Wärmeeinfluss wird das Bohrloch jedoch in der Regel nicht mit einem einzelnen Puls, sondern durch die Abgabe vieler einzelner Pulse auf das Material erzeugt und der Prozess ist normalerweise langsamer.

Das erzeugte Aspektverhältnis, also das Verhältnis des Austrittsdurchmessers zur Bohrlochtiefe, liegt herkömmlicherweise bei max. 1:5.
Damit dennoch eine effiziente Bearbeitung möglich ist, sind die Repetitionsraten bei Ultrakurzpulslasern hoch. Beim Perkussionsbohren, bei dem das Material durch die Abgabe mehrerer Pulse auf die gleichen Stellen abgetragen wird, können zwischen 10 und 500.000 kHz erzeugt werden. Dennoch können auch hierbei die Repetitionsraten nicht beliebig hoch sein, da durch die Absorption der Laserstrahlung im erzeugten Materialdampf und durch die Wärmeakkumulation die Energie weniger in Materialabtrag umgesetzt wird.

Die Laserbohrprozesse einfach erklärt

Laserbohren

Laserbohren von verneblern

Für das Laserbohren von Verneblern gibt es verschiedene Ansätze, welche unter anderem von den Anforderungen des Kunden abhängen. Somit fließen in die Prozessentwicklung neben dem geforderten Bohrlochdurchmesser auch die Materialstärke, das Substrat und die gewünschte Form des Bohrloches mit ein.

Wie bei vielen anderen Medizintechnik-Produkten sind auch Vernebler in der Regel aus Edelstahl, sodass sich das Material sowohl mit Ultrakurzpulslasern mit infraroter, grüner als auch ultravioletter Wellenlänge bearbeiten lässt. Bei der Auswahl der Wellenlänge sind verschiedene Vor- und Nachteile zu berücksichtigen.

Während bei längeren Wellenlängen, wie z.B. im infraroten Bereich, die Spotgröße größer ist, ist auch die Rayleigh-Länge, also der Bereich in dem eine Fokusabweichung ohne Veränderung des Bearbeitungsergebnisses stattfinden kann, länger. Auch wenn ein kleinerer Laserfokus wie bei einer grünen und ultravioletten Wellenlänge eine noch kleinere und präzisere Bearbeitung verspricht, sind auch die Nachteile wie das geringere Abtragvolumen in gleicher Zeit zu berücksichtigen. Die passende Wellenlänge ist also nicht nur abhängig von der Qualität des Ergebnisses auszuwählen, sondern auch von anderen Faktoren wie der Homogenität des Ausgangsmaterials und den gewünschten Durchsatzraten.

Oftmals liegt der gewünschte Bohrlochdurchmesser bei unter 3 µm, da, wie eingangs erwähnt, die Wirkung des Verneblers mit sinkendem Durchmesser steigt. Die Foliendicke des Ausgangsmaterials liegt in der Regel bei mehreren zehntel Mikrometer, sodass mit dem technisch möglichen Aspektverhältnis von max. 1:5 der Bohrlochdurchmesser nur am Locheintritt, jedoch nicht am Austritt erzeugt werden kann. Die Herstellung eines entsprechend kleinen Austrittsdurchmessers kann dann mit allen drei erwähnten Wellenlängen erreicht werden. Weil die Löcher als Resultat konisch sind, ist der Bohrlocheintrittsdurchmesser deutlich höher. Somit muss eine höhere Menge Material abgetragen und eine längere Bearbeitungszeit eingesetzt werden, als es bei zylindrischen Bohrlöchern mit 3 µm Durchmesser der Fall wäre, die technisch jedoch nicht umsetzbar sind.

Um dem entgegenzuwirken und eine weitere Steigerung der Taktzeit zu erzielen, reicht es nicht aus, die mittlere Leistung des Lasersystems zu erhöhen und so mit dem Prinzip „Viel hilft viel“ zu agieren. Die hierdurch erhöhte Energiedichte würde dann den Idealpunkt des Materials überschreiten und somit zu einer Überhitzung und in Folge davon zu einer Materialverformung führen. Um diesem Effekt entgegenzuwirken, kann der sogenannte Burst-Modus eingesetzt werden. Bei diesem Verfahren wird die hohe Energiedichte in einzelne Pulse aufgelöst. Die mittlere Leistung bleibt dabei jedoch gleich. Durch die vielen Einzelpulse kann die Bearbeitungsrate gesteigert und somit die Taktzeit gesenkt werden.

Mit dem beschriebenen Vorgehen konnten im Laseranwendungszentrum von Pulsar Photonics nach einer initialen Parameterfindung und der Taktzeitoptimierung mit einem Lasersystem mit infraroter Wellenlänge 4.000 konische Bohrungen mit einem Durchmesser von ca. 3,5 µm in einer Laserzeit von insgesamt um die 25 Sekunden gefertigt werden. Mit der so gefertigten Membran können beim Einsatz im Vernebler Tröpfchen-Größen mit einem Durchmesser zwischen 4 und 10 µm erzeugt werden.

Ein Übersichtsbild des Gesamtsiebs sowie Mikroskopbilder von den einzelnen Bohrlöchern finden Sie nachfolgend:

Warum besonders Laseranlagen zur Bearbeitung von Medizinbauteilen geeignet sind

Laseranlage für die Medizintechnik

Ausblick

Durch die vielen verschiedenen hardware- und softwaretechnischen Anpassungsmöglichkeiten sind die aktuellen Ergebnisse durch weitere Versuchsschleifen optimierbar.

Wie zuvor beschrieben können derzeit Tröpfchengrößen um die 4 µm erzeugt werden. Dies reicht jedoch für Säuglinge und Kleinkinder nicht aus. Durch die Verwendung einer Spezialoptik mit sehr kleinem Fokusdurchmesser – genannt Microscan Extension (MSE) – können die Bohrlöcher und die daraus resultierenden Aerosolpartikel weiter reduziert werden.

Die dargestellten Ergebnisse haben gezeigt, dass bereits mit dem einzelnen Laserstrahl schnelle Taktzeiten umgesetzt werden können. Durch die Flexibilität des digitalen Werkzeuges „Laser“ und der hierfür verwendeten Software können die Laserparameter programmbasiert angepasst werden, um die Durchsatzraten mit dem Einzelstrahl weiter zu reduzieren.

Für Serienprozesse kann die Taktzeit darüber hinaus durch die Verwendung mehrerer Teilstrahlen reduziert werden. Bei diesem Verfahren kann mit einer Laserquelle und einem Scanner ein Bohrraster mit mehreren Löchern in einem festen Abstand gleichzeitig gebohrt werden. Werden beispielsweise vier Teilstrahlen verwendet, ist es möglich, den Prozess bis zu viermal schneller als mit dem Einzelstrahl umzusetzen.

Auf eine Erhöhung des Durchsatzes zielt auch die Rolle-zu-Stück-Automation ab, bei der das Ausgangsmaterial mittels Coils in der Anlage positioniert werden kann. Nach dem Bohren wird dann jeder Mikrofilter vereinzelt, sodass nur ein geringer manueller Handlings-Aufwand notwendig ist und die Nebenzeiten des Prozesses reduziert werden können.

Sollten Sie ebenfalls die Fertigung Ihrer Vernebler optimieren wollen oder andere Bohraufgaben haben, bei der mechanische Verfahren an Ihre Grenzen kommen, melden Sie sich gerne bei uns und wir führen erste Machbarkeitsversuche bei uns im Laseranwendungszentrum durch. Wir freuen uns auf Ihre Kontaktaufnahme.

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Mehr über die Autorin:
Louisa Draack, m. Sc.

Louisa Draack ist für den technischen Vertrieb der Lasermikrobearbeitungszellen bei Pulsar Photonics zuständig. Sie hat einen Master-Abschluss an der FH Aachen in Industrial Engineering und fast sechs Jahre Berufserfahrung im Bereich Laserbearbeitung mit Kurz- und Ultrakurzpulslasern.

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Der Beitrag Ultrakurzpuls-Lasersysteme zur Herstellung von Verneblern in der Medizintechnik erschien zuerst auf Pulsar Photonics GmbH.

Mikroätzen, Mikrogalvanik und Laserbearbeitung im Vergleich

Sonja Wichert — Wed, 20 Nov 2024 08:00:07 +0000

Mikrobearbeitungsverfahren im Vergleich:
Lasermikrobearbeitung, Mikroätzen und Mikrogalvanik

Ein Überblick der Methoden zur Mikromaterialbearbeitung – das Laserverfahren und klassische Bearbeitungen im Vergleich

Dr. Stephan Eifel | 20. November 2024 ᛫ 15 Min.

Die Miniaturisierung, getrieben durch stetig steigende Anforderungen an höhere Leistungsdichten in technischen Bauteilen, ist heute ein zentrales Thema in unterschiedlichsten Bereichen unserer technologischen Welt. Ingenieure und Hersteller stehen folglich vor der Herausforderung, immer leistungsfähige Bearbeitungsverfahren für Oberflächen zu finden und zu entwickeln. Insbesondere die Forderung nach immer kleineren, präziseren und damit leistungsfähigeren Bauteilen aus Branchen wie Elektronik, Medizintechnik, Halbleitertechnik und Mikromechanik treibt die Entwicklung von Mikrobearbeitungsverfahren voran. Aber woher weiß man, welches Verfahren das passende für sein Anwendungsproblem ist?

Dieser Beitrag stellt drei unterschiedliche Verfahren zur Mikromaterialbearbeitung in den Vergleich und zeigt dabei die Vor- sowie Nachteile von konventionellen Methoden wie Mikroätzen und Mikrogalvanik entgegen der Lasermikrobearbeitung auf. Dabei werden die einzelnen Verfahren beschrieben, die verschiedenen erzielbaren Spezifikationen sowie die zu erreichenden Flächen und die Bearbeitungslimits der drei Methoden aufgezeigt:

Was ist Mikroätzen?
Was ist Mikrogalvanik?
Was ist Lasermikrobearbeitung?
Spezifikationen im Vergleich

Querschnitt einer Lasermikrobohrung in einer technischen Keramik. Der Bohrprozess wurde mittels eines wasserstrahlgeführten Lasers vorgenommen
(Laserwaterjet-Verfahren).
© Pulsar Photonics GmbH.

Was ist Mikroätzen?

Das Ätzen (auch fotochemisches Ätzen, Säureätzen oder chemisches Fräsen genannt) bezeichnet das chemische Abtragen von Material von der Oberfläche organischer oder anorganischer Materialien durch Anwendung ätzender Stoffe wie beispielsweise Säuren und Basen oder Verbindungen, die mit Wasser stark alkalisch oder sauer reagieren. Eine Ätztechnik auf Mikroskala bezeichnet man als Mikroätzen.

Bei diesem Verfahren werden Metalle oder andere Materialien zur Formgebung des Ätzprozesses häufig mit einem zusätzlichen lichtempfindlichen Material – einem Foto- oder Abdecklack – beschichtet. Das kann sowohl einseitig, als auch beidseitig geschehen. Der trockene oder flüssige Fotolack wird anschließend über eine Schablone oder Maske mit dem gewünschten Muster belichtet. Die belichteten Bereiche des Fotolacks werden chemisch verändert und härten aus. Über eine Entwicklerlösung werden alle nicht belichteten Bereiche entfernt. Das Metall wird daraufhin mit der Ätzlösung in Verbindung gebracht. Die ungeschützten Bereiche des Metalls werden aufgelöst und es entsteht eine gewünschte Mikrostruktur.

Das chemische Ätzen wird z.B. bei der Herstellung von metallischen Präzisionsteilen, Schaltkreisen oder Modellbauteilen angewendet.

Beim letzten Schritt, dem sogenannten „Strippen“ wird die Schutzbeschichtung von den gefertigten Teilen entfernt und die Ätzformteile bleiben über die, in der Entwurfsphase vorgesehenen, Befestigungspunkte mit der Blechplatte verbunden. © Chimimetal.

Spezifikationen

Materialdicken von 10 µm bis 2,5 mm
Formkomplexität: runde Löcher, scharfe/gerade/profilierte Kanten, glatte, grat- und spannungsfreie Teile
Material (Metalle): Stahl und nicht rostende Stähle, Nickel und Nickellegierungen, Kupfer und Kupferlegierungen, Aluminium
Tiefe der Strukturen: Standardstrukturgröße von 0.075 mm
Minimal erzielbare Toleranzen liegen bei ca. 5µm
Das maximal erzielbare Aspektverhältnis (Verhältnis Strukturgröße zu Materialstärke) liegt bei etwa 1:1

Die Flächen, die mit dem Mikroätzen bearbeitet werden können, variieren je nach den spezifischen Anforderungen der Anwendung, den verwendeten Materialien und den eingesetzten Ätzverfahren. Grundsätzlich ermöglicht das Mikroätzen in erster Linie die Bearbeitung von Oberflächen auf mikroskopischer Ebene, wobei die erzielbaren Strukturgrößen im Mikro- und Submikrometerbereich liegen.

Bleche mit einer Dicke zwischen 0,010 mm und 2,5 mm und einer Fläche von typischerweise bis zu 600 mm x 1500 mm sind für das chemische Ätzen geeignet. Je dicker das Bauteil ist, desto länger dauert das Ätzen, d. h. Metalle über 2,5 mm sind oft unwirtschaftlich zu bearbeiten.

Vorteile vom Mikroätzen

Die standardmäßigen Mindesttoleranzen für das Ätzen liegen bei ± 10 % der Metalldicke oder ± 0,020 mm
Realisierung von komplexen geometrischen Formen und Strukturen auf mikroskopischer Ebene
Hohe Wiederholgenauigkeit

Kosteneffizienz für Massenproduktion: relativ große Stückzahlen aus metallischen Flachbauteilen können kostengünstig mikrostrukturiert oder zu Mikroteilen geätzt werden
Geringer Materialverlust: Im Vergleich zu einigen anderen Fertigungsverfahren ist der Materialverlust beim Mikroätzen oft geringer
Geringe Eigenschaftsveränderung im Material

Limitierungen beim Mikroätzen

Die Ätztechnik, obwohl vielseitig einsetzbar, weist einige wesentliche Einschränkungen auf:

Die Auswahl der Materialien ist aufgrund der chemischen Beständigkeit gegenüber dem Ätzmittel begrenzt: es werden daher vorrangig Metalle geätzt, seltener Gläser und Halbmetalle (z.B. Silizium)
Das limitierte Aspektverhältnis von nur 1:1 limitiert die Formgebung z.B. bei technischen Sieben, die minimale Strukturgröße bei Bohrungen wird damit stark von der Materialstärke abhängig und umgekehrt.
Ein weiterer wichtiger Aspekt betrifft die Umweltbelastung: einige Ätzmittel sind umweltschädlich. Daher erfordert der sichere Umgang mit und die Entsorgung von Ätzmitteln besondere Aufmerksamkeit und Sorgfalt. Mit Blick auf Produktionsrichtlinien der Regierungen für die industrielle Produktion ist dieses Verfahren daher für eine langfristig nachhaltige Produktion nur sehr eingeschränkt einsetzbar.
Für Bauteile mit hoher Materialstärke >2mm erweist sich der Bearbeitungsprozess meist als nicht wirtschaftlich.

Was ist Mikrogalvanik?

Mikrogalvanik, auch als Mikroelektrochemie, Mikro-Galvanisierung oder Electroforming bekannt, bezeichnet die elektrochemische Abscheidung metallischer Niederschläge, also einer stofflichen Abscheidung auf Werkstücke in einem elektrolytischen Bad.

Hierbei wird elektrischer Strom (Gleichstrom) durch ein elektrolytisches Bad geleitet. Am Pluspol (Anode) befindet sich in der Regel ein Metall wie Kupfer oder Nickel, welches im Bad aufgelöst und zum Minuspol (Kathode) transferiert wird. Die im elektrolytischen Bad gelösten Metallionen lagern sich durch Reduktion auf einem Werkstück ab, das mit dem Minuspol elektrisch verbunden ist und so als Kathode dient. Der Gleichstrom wandelt die metallischen Ionen in Atome um, die sich kontinuierlich auf den elektrisch leitenden Bereichen des Materials ablagern, bis die gewünschte Metalldicke erreicht ist.

Häufig ist vor dem galvanischen Prozess eine Vorbehandlung des Werkstücks notwendig. Wie auch beim Mikroätzen erfolgt die Formgebung meist durch eine Beschichtung mit einem Fotolack. Dabei wird auf die zu beschichtende Oberfläche ein Fotolack aufgetragen und dieser anschließend selektiv belichtet. Der unbelichtete Fotolack wird im Anschluss abgewaschen. In den so freigelegten Bereichen kann im nachfolgenden Schritt eine galvanische Beschichtung stattfinden, während die belichteten Bereiche nicht stromleitend sind und damit in diesem Bereichen keine Abscheidung stattfindet.

Das Verfahren wird in verschiedenen Industrien eingesetzt, darunter Elektronik, Mikrosystemtechnik, Medizintechnik oder Sensorherstellung.

Spezifikationen

typische Präzision eines elektrogeformten Teils liegt bei 1 bis 2 μm
Materialien: Nickel, Kupfer
Aspektverhältnis (TR/WR) bis 1:1
Werkstückgröße typischerweise bis zu 1370 x 1370 mm
Dicke des Fotolacks: 6 – 10 µm

Miniaturisierte Löcher bis zu 2 µm
Gratfrei
Verschiedene Galvanikbehandlungen möglich
lateral beliebige Freiformgeometrien

Mit der Mikrogalvanik-Technologie lassen sich typischerweise Materialflächen mit einer Größe von bis zu etwa 1400 mm x 1400 mm bearbeiten.

Vorteile der Mikrogalvanik

extreme Genauigkeit durch Aufbau von einzelnen Atomlagen
Verhältnismäßig geringe Kosten
Reproduzierbarkeit vom Prototyp bis zur Massenproduktion
Entwurfsfreiheit

Kurze Durchlauf- und Fertigstellungszeit
Gerade Seitenwände, grat- und spannungsfrei
Mehrschichtige hohe Strukturauflösung
konische verstopfungssichere Lochform (Bohren)
geringe Veränderung der Materialeigenschaften

Limitierung der Mikrogalvanik

Die Materialbearbeitung mittels Mikrogalvanik findet bei einem Aspektverhältnis von 1:1 seine Grenzen.
Begrenzte Materialauswahl: Als Beschichtungsmaterial kommen nur Kupfer, Nickel und Nickellegierungen in Frage
Die Bearbeitung von gekrümmten Bauteilen ist aufgrund der Auslegung der Technologie für Flachgeometrien meist nicht möglich.

Was ist Lasermikrobearbeitung?

Die Lasermikrobearbeitung mit CW, QCW oder Ultrakurzpulslaserstrahlunng (UKP-Lasern oder engl. Ultrafast-Laser) ist ein breit einsetzbares digitales Verfahren für die Oberflächenbearbeitung, das Mikrobohren oder das Feinschneiden von komplexen Bauteilen aus nahezu jedem Material mit höchster Präzision. Dieses Verfahren steht somit mit der Galvanik- und Mikroätztechnologie in Konkurrenz. Es ermöglicht die Erzeugung von Mikrostrukturen, Gravuren, Schnitte und Bohrungen in verschiedenen Materialien wie Metallen, Kunststoffen, Keramiken und Halbleitern. Man unterscheidet hier zwischen drei Hauptprozessen:

LASERBOHREN

Das Mikrobohren mittels Laserstrahlung ermöglicht das werkzeuglose und verschleißfrei Bearbeiten sämtlicher Werkstoffe mit höchster Präzision. Lasermikrobohren ist aufgrund der hohen Anforderungen einer thermisch reduzierten Einwirkung auf das Werkstück nur mit einem UKP-Laser möglich. QCW-Laser werden voranging für das schmelzlastige Bohren von Metallen mit Materialstärken ab ca. 1mm eingesetzt.

LASERSTRUKTURIEREN

Das Lasermikrostrukturieren mit
einer Präzision bis in den sub-Mikrometerbereich ist ebenfalls nur mit einem UKP-Laser möglich. Die Präzision findet sich sowohl entlang der Werkstückoberfläche als auch in der z-Tiefe wieder. Typische Aspektverhältnisse betragen 1:5. Zudem lassen sich gezielt Oberflächeneigenschaften von Bauteilen beeinflussen. Hier spricht man von der Oberflächenfunktionalisierung.

LASERFEINSCHNEIDEN

Laserfeinschnitte mit QCW- und KP-Laser sind häufig nicht gratfrei und daher nur eingeschränkt oder für dickere Materialien interessant, bei denen durch den Schmelzaustrieb gesteigerte Prozessgeschwindigkeiten erforderlich sind. Hochpräzise Geometrien ohne Schmelzaufwürfe und mit vernachlässigbarem thermischem Einfluss erfordern einen UKP-Laser. Mit dem Ultrakurzpulslaser lassen sich insbesondere Flachmaterialien präzise und mit hoher Kantenqualität schneiden.

Bohrdurchmesser 5 – 100 μm
Materialstärke bis zu 2 mm, UKP Laser bis typ. 300 µm.
hohe Aspektverhältnisse bis 1:20
Kantenradius bis zu < 10 μm
Materialien: Keramiken, Metalle, Polymere, Glas

Strukturauflösung: typ. ab 5 µm
Oberflächenrauheit: typ. Ra = 1 µm, kleinere Rauheiten durch Laserpolitur
Aspektverhältnis 1:3
Materialstärke: 5-300 µm
So gut wie alle Materialien bearbeitbar: Edelstahl, Hartmetall, Aluminium, Keramik, Glas, Halbmetalle, Polymere, sprödharte Materialien

Gratfrei
kleine Schnittfugen, geringe WEZ
Materialstärken bis zu 700 μm
Aspektverhältnis bis 1:5, Laser Waterjet bis zu 1:100
Kantenradius bis zu < 10 μm
Materialien: Keramiken, Glas, Metalle, Polymere
flexible Geometrien

Dabei hat jedes Verfahren seine eigenen Spezifikationen. Aus dem Grund muss für jede Anwendung das geeignete Verfahren gewählt werden – auch eine Kombination der Prozesse ist möglich.

Das Besondere: Die Verwendung des Ultrakurzpulslasers ermöglicht eine Bearbeitung mit geringer thermischer Schädigung des Materials sowie eine hohe Strukturauflösung ohne Schmelzaufwürfe.

Die zu bearbeitende Fläche, die durch die Lasermikrobearbeitung erzielt werden kann, ist lediglich durch den Verfahrbereich der Achssysteme begrenzt. Deshalb sind sowohl kleine Flächen im Bereich von 200 mm x 200 mm als auch größere im Bereich 500 mm x 500 mm sowie neuerdings auch Materialflächen im Quadratmeterbereich herstellbar.

Lesen Sie alles über die Vorteile der Lasermaterialbearbeitung mit UKP-Lasern

Vorteile im Überblick

Vorteile der Lasermikrobearbeitung

hohe Reproduzierbarkeit
Mehrschicht- sowie Multimaterialbearbeitung möglich
Gratfreiheit
Hohe laterale Strukturauflösung bis zu 1 µm (bei Verwendung UKP-Laser)
Freie Materialwahl, Bearbeitung auch von Keramik, Polymeren, Glas, Verbundmaterialien zusätzlich zu Metallen
Höchstmaß an Geometrie- und Materialflexibilität
Großflächige Materialbearbeitung

Geringe Oberflächenrauheiten
Höchste Präzision
Berührungslose & verschleißfreie Bearbeitung
Automatisierungsmöglichkeiten durch digitale Natur der Technologie
Hohe Aspektverhältnisse darstellbar (deutlich höher als bei Mikroätzen und -galvanik)
Bohrungen: hohe Packungsdichten herstellbar
Bearbeitung von 3D-Bauteilen (nicht nur Flachgeometrien)

Limitierung der Lasermikrobearbeitung

Neben den vergleichsweise hohen Kosten war die Lasermikrobearbeitung bisher dazu geeignet große Volumina zu entfernen. Allerdings sind heutzutage UKP-Laserstrahlquellen mit hohen mittleren Leistungen im Multi-Hundert-Watt-Bereich verfügbar, was eine entsprechende Skalierung von Bearbeitungsprozessen erlaubt. Aus diesem Grund ergeben sich zunehmend neue Anwendungsfelder für die präzise Lasermaterialbearbeitung mittels UKP-Laserstrahlung. Zudem macht eine Prozessbeschleunigung mittels spezieller Optiksysteme auch die Produktion von großflächigen Bauteilen wirtschaftlich möglich. Dazu wurden neue Maschinenplattformen entwickelt (vgl. RDX 2800 – Großflächige Lasermikrobearbeitung) mit denen auch große Flächen wirtschaftlich mit Ultrakurzpulslasern bearbeitet werden können.

Spezifikationen der Lasermikrobearbeitung im Vergleich

Zusammenfassung: Die Drei Technologien im Überblick

Die Fertigungsverfahren des Mikroätzens, der Mikrogalvanik und der Lasermikrobearbeitung bieten jeweils spezifische Vor- und Nachteile, die bei der Suche nach einem passenden Produktionsprozess für ein bestimmtes Bauteil berücksichtigt werden müssen.

Das fotochemische Mikroätzen zeichnet sich durch hohe Präzision, Wiederholgenauigkeit und kostengünstige Produktion aus. Allerdings sind vorrangig Metalle bearbeitbar, die erzielbaren Toleranzen liegen bei etwa 5 µm und einige Prozesse sind relativ zeitaufwändig. Das Aspektverhältnis ist auf etwa 1:1 begrenzt. Die Verwendung von chemischen Ätzstoffen bringt die besondere Vorsicht bei der Schadstoffentsorgung mit sich und der Einsatz chemischer Produktionsverfahren ist mit Blick auf eine Nachhaltige Produktion zunehmend reguliert. Die Größe der zu bearbeitenden Materialien ist typischerweise auf 600 mm x 1500 mm begrenzt.

Die Mikrogalvanik bietet eine extreme Genauigkeit durch den Aufbau von einzelnen Atomlagen. Die Fertigung präziser Metallteile und die Möglichkeit, komplexe Mikrostrukturen relativ kostengünstig herzustellen, sind vorteilhaft. Aber auch hier kommt nur eine eingeschränkte Materialauswahl wie Kupfer, Nickel oder Nickellegierungen für die Bearbeitung in Frage. Das Aspektverhältnis ist auf 1:1 begrenzt. Die Materialbearbeitung mit Galvanik-Verfahren ist auf eine Größe von typischerweise etwa 1400 mm x 1400 mm limitiert.

Die Lasermikrobearbeitung mit Ultrakurzpulslasern ermöglicht eine breite Anwendbarkeit auf nahezu alle Materialien und bietet höchste Präzision, laterale Strukturauflösung und Geometrieflexibilität. Insbesondere das Aspektverhältnis kann je nach Verfahren von 1:3 (Laserstrukturierung) über 1:30 (Wendelbohren) bis zu 1:100 (Laser Waterjetschneiden) sehr hoch gewählt werden. Die Bearbeitung von 3D-Bauteilen sowie die Automatisierungsmöglichkeiten sind weitere Pluspunkte. Die Kosten eines Laserbearbeitungszentrums sind zwar vergleichsweise höher, neue Ansätze für die Skalierung der Mikrobearbeitung erlauben mittlerweile aber die Produktivität der Prozesse mithilfe von Multistrahltechnologien zu steigern und damit eine konkurrenzfähige Kostenstruktur herzustellen.

Für eine gesteigerte Präzision der Bearbeitung und eine nahezu materialunabhängige Bearbeitung werden insbesondere UKP-Laser eingesetzt. Eine Skalierung durch eine parallele Prozessführung mit mehreren Laserstrahlen und eine damit verbundene Kostenreduktion ist bei den beiden konventionellen Technologien so nicht möglich.

Welche Möglichkeiten zur Prozessbeschleunigung in der Lasermaterialbearbeitung sind heutzutage möglich?

Prozessbeschleunigung der Laserbearbeitung

Mehr über den autor:
Dr. Stephan Eifel

Dr. Stephan Eifel ist einer der drei Geschäftsführer von Pulsar Photonics und Laserenthusiast! Im Rahmen seiner Arbeit als wissenschaftlicher Mitarbeiter am Fraunhofer Institut für Lasertechnik in Aachen gründete er im Jahr 2013 mit seinen Mitstreitern Dr. Jens Holtkamp und Dr. Joachim Ryll das Unternehmen.

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