Die Pulsar Photonics GmbH hat ein maschinenintegrierbares Strahlformungssystem entwickelt, das neue Möglichkeiten in der Laserprozessentwicklung insbesondere mit Ultrakurzpulslasern eröffnet. Durch die Verwendung von optischen Phasenmodulatoren kann die Laserstrahlung in der Bearbeitungsebene nahezu beliebig geformt werden, was die Grundlage für neuartige Laserprozesse darstellt. Getestet mit mittleren Laserleistungen von bis zu 60 W bei Verwendung eines Ultrakurzpulslasers und einer bedienerfreundlichen Software steht erstmalig ein Komplettsystem für die Lasermikrobearbeitung zur Verfügung. Auf der LANE 2016 in Fürth stellen die Experten den FlexibleBeamShaper der Öffentlichkeit vor.

 

Der Einsatz von Laserstrahlung als Werkzeug in der Produktion ist in vielen Bereichen industriell etabliert und hat zu einem Wandel geführt, bei dem klassische Fertigungsverfahren durch laserbasierte Prozesse ersetzt werden. Seit einigen Jahren ist eine neue Klasse von Lasern am Markt verfügbar, die Laserstrahlung in extrem kurzen Pulsen emittiert, sog. Ultrakurzpulslaser (UKP-Laser). Diese Pulse sind in der Lage nahezu jedes Material selektiv zu verdampfen, ohne dabei schädigenden Einfluss auf das umgebende Material zu nehmen. Mit diesen Lasern steht ein hochpräzises Werkzeug für die Fertigung zur Verfügung, mit dem Potential einer enormen Anwendungsbreite. So werden Komponenten von Smartphone-Displays bereits mit UKP-Lasern bearbeitet. In Bereichen wie der Stent-Herstellung, dem Bohren von Einspritzdüsen und der Elektronikherstellung werden UKP-Prozesse schon seit einiger Zeit industriell eingesetzt.

 

Strahlformung als Werkzeug zur Erhöhung der Prozesseffizienz

Obwohl bereits die deutlichen Vorteile des Ultrakurzpulslasers in vielen Anwendungen demonstriert wurden, steht der weiten Verbreitung der Technologie oft noch die Wirtschaftlichkeit der Prozesse im Wege. Mit sinkenden Preisen der Laserstrahlquellen bei immer weiter steigender mittlerer Leistung ist die Grundlage für eine weite Verbreitung der UKP-Technologie seitens des Lasers zunehmend gegeben. Für viele Laserprozessen ist dies allerdings nicht ausreichend, da meist nur ein Bruchteil der maximal verfügbaren Laserleistung eingesetzt werden kann. Eine einfache Vergrößerung der mittleren Leistung bei konstanten Fokusgeometrien führt zu Wärmeeffekten, die die Prozessqualität erheblich beeinflussen. Zudem erfordern neue Anwendungen Strahlverteilungen, die von der klassischen Gauß-Geometrie abweichen. Mit bisher eingesetzten Bearbeitungssystemen ist die Realisierung dieser Geometrien nicht oder nur schwer möglich. Erst durch neue, angepasste Strahlformungs- und Strahlverteilungskonzepte kann die Laserleistung „auf die Straße“ gebracht und damit die Prozesseffizienz erhöht werden.

 

FlexibleBeamShaper – Werkzeug für die neue Generation der Prozessentwicklung

Mit dem FlexibleBeamShaper (FBS) hat die Pulsar Photonics GmbH nun ein maschinenintegrierbares Strahlformungssystem für die Lasermikrobearbeitung entwickelt, mit dem nahezu beliebige Strahlverteilungen generiert werden können. Durch Kombination eines elektronisch regelbaren optischen Phasenmodulators und eines klassischen Galvanometerscanners können die Intensitätsverteilungen zunächst flexibel verändert und dann mit Hilfe des Systems über das Werkstück geführt werden. Dies ermöglicht neuartige Laserprozesse. Beispielsweise können durch die Generierung von 2D Punktmustern in der Bearbeitungsebene beliebige Datamatrix Codes mit hoher Prozessgeschwindigkeit dargestellt werden. Der Datamatrix Code kann dazu in die entwickelte Steuerungssoftware geladen werden, die mit Hilfe eines Computeralgorithmus ein entsprechendes Phasenbild berechnet. Das berechnete Phasenbild wird im Anschluss auf dem Phasenmodulator wie auf einem Display angezeigt. Beim Auftreffen des Laserstrahls auf den Phasenmodulator wird dieser so modifiziert, dass nach der Fokussierung auf das Werkstück eine Intensitätsverteilung in Form des gewünschten Datamatrix Codes entsteht.

 

Über Markieranwendungen hinaus sind mit dem Bearbeitungssystem allerdings noch weitere Strahlformungen realisierbar. So kann der Phasenmodulator auch zur Strahlteilung oder zur Generierung von neuen Strahlformen im Fokusbereich eingesetzt werden. Während bei ersterem Ansatz die Prozessbeschleunigung durch eine Parallelbearbeitung im Vordergrund steht, können mit der Strahlformung des Fokus neue Laserprozesse untersucht werden. So kann man beispielsweise mit der Generierung von mehreren Foki entlang der Strahlachse neue Prozesse zum Trennen von sprödharten Werkstoffen untersuchen. In der wissenschaftlichen Literatur wurden darüber hinaus unter Verwendung von SLM-Systemen sogar bereits komplexere Strahlverteilungen, so genannte Bessel Beams, erzeugt, mit denen gänzlich neue Laserprozesse denkbar sind. Dies unterstreicht das Potential der Technologie für die Untersuchung neuer Laserprozesse.

 

Herausforderungen bei der Entwicklung des FlexibleBeamShaper waren vor allem die Verwendung des Phasenmodulators bei höheren mittleren Laserleistungen, sowie die Kalibration und Ansteuerung des Systems. Durch einen Modifikation des SLM-Displays konnte die Laserleistungstauglichkeit nachweislich deutlich erhöht werden. In Experimenten konnte eine dauerhafte Bestrahlung des Displays mit bis zu 60W mittlere UKP-Laserleistung durchgeführt werden, ohne dass eine Änderung der Kalibration des Systems auftritt. Das Ziel von Pulsar Photonics ist es Anwendern und Prozessentwicklern mit dem FlexibleBeamShaper ein flexibles und vielfältiges Werkzeug zur Verfügung zu stellen, mit denen neuartige Laserprozesse entwickelt werden können.

 

LANE 2016

Die Technologie und mögliche Anwendungen des FlexibleBeamShapers in der Lasermikrobearbeitung stellt Dr. Stephan Eifel von der Pulsar Photonics GmbH, in seinem Vortrag auf der LANE 2016 in Fürth vom 19.-22. September 2016 vor.
www.lane-conference.org

 

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