UKP-Laser werden – wie hier beim Dünnglasschneiden – immer häufiger eingesetzt. Die

UKP-Laser werden – wie hier beim Dünnglasschneiden – immer häufiger eingesetzt. Die Multibeam-Technik soll helfen, die Wirtschaftlichkeit zu erhöhen. Denn wenn mehrere Strahlen das Werkstück gleichzeitig bearbeiten, kann die Geschwindigkeit signifikant gesteigert werden. - Bild: Fraunhofer ILT, Volker Lannert

Ultrakurzpuls-Laser (UKP) sind flexibel, sie ermöglichen athermische Bearbeitung nahezu aller Werkstoffe und bieten ein breites Anwendungsspektrum. Nur eines sind sie meist nicht: wirtschaftlich. Das liegt unter anderem an den niedrigen Abtragsraten, wie Jürgen Koch, Gruppenleiter Laser-Mikrobearbeitung in der Abteilung Produktions-und Systemtechnik des Laser Zentrums Hannover, erklärt.

"Um die Vorteile der Technik wirtschaftlich in einem breiteren Anwendungsbereich nutzen zu können, ist es unbedingt notwendig, die Prozesszeiten deutlich zu senken. Höhere Abtragsraten erreicht man am ehesten über höhere Laserpulswiederholraten.“ Allerdings müsse die Positionierung des Laserfokus auf der Werkstückoberfläche dann schnell genug erfolgen, so dass sich lokale Wärmeakkumulation nicht negativ auswirkt – also zum Beispiel nicht zu einer Schmelz- und Gratbildung führt. "Dies ist bei aktuellen Lasersystemen mit Pulswiederholraten bis in den MHz-Bereich inzwischen ein Problem.“ Eine weitere Erhöhung sei nur noch eingeschränkt sinnvoll. "Die Prozesszeiten lassen sich aber auch reduzieren, indem nicht mit einem Laserfokus seriell, sondern mit mehreren Foki parallel gearbeitet wird.“ – Eben mit der Multi­beam-Technik.

Dabei wird in zwei unterschiedliche Bereiche unterschieden, wie Koch erklärt: "Es gibt die statische und die dynamische Multibeam-Technologie. Im statischen Fall ist die relative Anordnung der Foki zueinander fest, im dynamischen Fall können die Foki im Prozess mehr oder weniger frei zueinander bewegt werden.“ Dabei existieren mehrere Möglichkeiten der technischen Realisation. So kann mit mehreren Bearbeitungsköpfen parallel gearbeitet werden. Der Strahl eines Lasers kann dazu entsprechend aufgeteilt werden, oder es werden mehrere Laser verwendet. Soll mit einem Bearbeitungskopf gearbeitet werden, kann ein diffraktives optisches Element (DOE) vor die Fokussiereinheit in den Strahlengang eingesetzt werden. Das DOE sorgt in diesem Fall dafür, dass in der Fokusebene eine feste Anordnung mehrerer Foki entsteht. Eine Strahlpositionierung kann, genau wie für einen Einzelfokus, mittels eines Laserscanners erfolgen.

Eine weitere, sehr flexible Möglichkeit, mehrere Foki zu erzeugen, ist der Einsatz eines räumlichen Lichtmodulators (SLM). Dies ist quasi ein ansteuerbares, also dynamisch einsetzbares DOE. Hier lässt sich die Intensitätsverteilung auf dem Werkstück sehr frei einstellen. Neben Anzahl und relativen Positionen der Foki lassen sich auch ihre Durchmesser, Intensitäten und z-Positionen dynamisch einstellen.

Eingesetzt wird die Multibeam-Technik unter anderem zur Herstellung periodischer Strukturen mit hohen Prozessgeschwindigkeiten (Bohrraten im kHz-Bereich, großflächige Herstellung von Mikrofiltern) und die Funktionalisierung von Oberflächen durch tribologisch optimierte Oberflächen, zur Reibungs- und Verschleißreduzierung durch gezieltes Einbringen von hydrodynamisch wirksamen Mikrostrukturen oder Schmierdepots in reibungsbelastete Oberflächen oder für Lichtleitstrukturen.

Ohne Strahlteiler muss der Laserstrahl genauso oft positioniert werden, wie Löcher gebohrt werden sollen. Das geht auf Kosten der Produktivität, denn UKP-Laser werden typischerweise oft in Bereichen eingesetzt, in dem es nicht um einzelne, sondern um mehrere Zehntausende geht. Hier kann die Multibeam-Technik ihre Stärken ausspielen, wie Joachim Ryll, Geschäftsführer beim Optiksystemhersteller Pulsar Photonics in Aachen, erklärt: "Die Bearbeitungszeit verringert sich so um den Faktor der Strahlteilung. Und dadurch verringert sich auch die Nebenzeit. Wenn ich also mit 16 Teilstrahlen arbeite und 32 Löcher bohren will, muss ich nur einmal springen.“ Allerdings seien die Bearbeitungsfelder einer Multibeam-Anlage ein wenig kleiner.

Ein weiterer Faktor, der die Geschwindigkeit hemmt, ist die pure Physik: "Wenn Sie mit einem Einzelstrahl arbeiten, dann können Sie nicht einfach beliebig ihre Leistung hochdrehen, um schneller zu werden. Das klappt nur begrenzt“, sagt Ryll. Jeder Laserpuls hinterlasse einen Teil seiner Energie als Wärme im Werkstück. Über viele Pulse führe dies zu einer Wärmeakkumulation, die die Bearbeitungsqualität deutlich reduzieren könne.

Um diese Problematik zu umgehen, gibt es laut Ryll zwei Ansätze: Den Polygonscanner und die Multibeam-Technik. "Beim Polygonscanner ist das Ziel, den folgenden Bearbeitungsschritt oder den folgenden Bearbeitungspunkt soweit räumlich vom Vorgänger zu trennen, dass kein Wärmeübergang mehr stattfindet. Also eine schnelle Strahlablenkung.“ Allerdings sei diese Technologie nur dann einsetzbar, wenn es die Geometrie des Bauteils zulasse. Zwar ist ein Galvanometerscanner sehr schnell, wie Ryll erklärt, doch je nach Kontur können dennoch Verzögerungen auftreten: "Wir rechnen im Mikrosekunden-Bereich, die der Scanner braucht, um von einer Position zur nächsten zu springen. Das addiert sich natürlich bei einer Geometrie aus mehreren tausend Strukturen. Und wenn man da pro Sprung irgendwie ein, zwei, drei Mikrosekunden rausholt, dann merkt man das am Ende.“

 Erreicht wird die Aufteilung des Strahls durch ein DOE, ein diffraktives optisches Element – im Endeffekt nichts anderes als ein Glassubstrat. Dieses DOE weist eine besondere Oberflächenstruktur auf, die den Strahl in ein fast beliebiges Muster aufteilt. "Leider ist diese Aufteilung jetzt aber noch nicht ganz sauber“, sagt Ryll. Darum muss das Lichtbündel durch eine weitere Maske geleitet werden, um zu verhindern, dass auf dem Werkstück ungewollte Laserstrahlung auftrifft. Nach diesem Selektionsschritt muss auch die Ausrichtung des DOE zum Strahl passen. "Entscheidend sind der Abstand der einzelnen Punkte zueinander und ihre Winkel zueinander.“

Die Multibeam-Technik wird für sehr spezielle Anwendungen bereits industriell eingesetzt. Das Potenzial für eine umfangreichere Nutzung ist aber noch sehr groß, das bestätigen sowhl RYll wie auch LZH-Experte Koch. Ein Beispiel ist das laserbasierte Erzeugen funktionaler Oberflächenstrukturen. Für die meisten Anwendungen müssen hier große Flächen fein strukturiert werden. "Oft gilt ganz einfach: Eine Verdopplung der Anzahl der Foki halbiert die Prozesszeit“, sagt Koch.

Laut Koch werden UKP-Laser für viele Anwendungen der Materialbearbeitung interessant, wenn die Prozesskosten sinken. "Hier kann die Multibeam-Technologie einen großen Fortschritt bedeuten.“ Für den Einzelfall müsse natürlich gerechnet werden. "Eine Bearbeitung mit zwei Foki statt einem benötigt – grob betrachtet – einen Laser mit doppelter Pulsenergie.“ Man erhält eine Halbierung der Prozesszeiten. "Ich denke, dass wir in Zukunft viele Multibeam-Anwendungen mit UKP-Lasern haben werden. Es wird aber – aus wirtschaftlichen, aber auch aus technischen und physikalischen Gründen – immer noch zahlreiche Einzelstrahl-Anwendugen geben.“