glasbearbeitung mit laserstrahlung - Fraunhofer

F R A U N H O F E R - I N S T I T U T F Ü R L aserte c hni k I L T
GLASBEARBEITUNG MIT LASERSTRAHLUNG
Fraunhofer ILT - Kurzprofil
Mit rund 370 Mitarbeitern und über 11.000 m² Nutzfläche
zählt das Fraunhofer-Institut für Lasertechnik ILT weltweit zu
den bedeutendsten Auftragsforschungs- und Entwicklungsinstituten im Bereich Laserentwicklung und Laseranwendung.
DQS zertifiziert nach
Unsere Kernkompetenzen umfassen die Entwicklung neuer
DIN EN ISO 9001
Laserstrahlquellen und -komponenten, Lasermess- und Prüf-
Reg.-Nr.: DE-69572-01
technik sowie Laserfertigungstechnik. Hierzu zählt beispielsweise das Schneiden, Abtragen, Bohren, Schweißen und Löten
sowie das Oberflächenvergüten, die Mikrofertigung und das
Rapid Manufacturing.
Übergreifend befasst sich das Fraunhofer ILT mit Laseranlagentechnik, Prozessüberwachung und -regelung, Modellierung
Fraunhofer-Institut
sowie der gesamten Systemtechnik. Unser Leistungsspektrum
für Lasertechnik ILT
reicht von Machbarkeitsstudien über Verfahrensqualifizie-
Institutsleitung
rungen bis hin zur kundenspezifischen Integration von Laser-
Prof. Dr. Reinhart Poprawe M.A.
prozessen in die jeweilige Fertigungslinie. Das Fraunhofer ILT
ist eingebunden in die Fraunhofer-Gesellschaft mit mehr
Steinbachstraße 15
als 80 Forschungseinrichtungen, 20.000 Mitarbeitern und
52074 Aachen
einem jährlichen Forschungsvolumen von über 1,8 Mrd. EUR.
Telefon +49 241 8906-0
Fax +49 241 8906-121
[email protected]
www.ilt.fraunhofer.de
Änderungen bei Spezifikationen und anderen technischen Angaben bleiben vorbehalten. 09/2012.
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GLASBEARBEITUNG MIT LASERSTRAHLUNG
Laserbohren und -schneiden
Energie zum Aufheizen auf die erforderliche Verarbeitungs-
Laserstrahlung bietet sich für die Bearbeitung verschiedenster Materialien an. Sie kann insbesondere im
Mikrobohrungen werden verstärkt in Medizin und Technik
wird nahezu vollständig auf der Bauteiloberfläche absorbiert,
Bereich der Glasbearbeitung auf vielfältige Weise dazu verwendet werden, etablierte Prozesse signifikant zu
als Entlüftungs- oder Dosierungsöffnungen benötigt. Mittels
wodurch die Effizienz im Vergleich zur konventionellen
verbessern oder komplett neue Verfahren zu schaffen. Das Fraunhofer-Institut für Lasertechnik ILT entwickelt
ultrakurz gepulster Laserstrahlung lassen sich Bohrungen mit
Bearbeitung signifikant gesteigert werden kann.
in Zusammenarbeit mit dem Lehrstuhl für Lasertechnik LLT der RWTH Aachen University Laserverfahren vom
einem Durchmesser < 50 µm bei einer Materialstärke von
Polieren über die 3D-Volumenstrukturierung bis hin zum Schweißen von Glas.
100 µm herstellen, wobei Anzahl, Anordnung und Durch-
temperatur durch CO2-Laserstrahlung eingebracht. Diese
Laserbonden
messer der Löcher variabel sind und auf die Kundenwünsche
abgestimmt werden können. Für das Schneiden von Glasproben
Das Laserstrahlbonden von Glas ist ein schmelzefreies Fest-
Weise können optische Komponenten wie Wellenleiter und
mit ultrakurz gepulster Laserstrahlung werden mehrere parallele
körperfügeverfahren und basiert analog zum konventionellen
Volumenmarkierungen mit Farbeffekten realisiert werden.
Linien, jeweils mit einer Tiefe von einigen Mikrometern, abge-
Bondprozess auf der Bildung von Sauerstoffbrücken. Durch
Beim Polieren von Glas- und Kunststoffmaterialien mit
Wird ein nasschemischer Ätzprozess angeschlossen, lassen
tragen. Die Anzahl der Linien wird so angepasst, dass das Glas
eine selektive Laserbestrahlung des Fügebereichs können
CO2-Laserstrahlung wird die zu polierende Oberfläche bis
sich dreidimensionale Mikrobauteile und Mikrofluidik-Kom-
durchtrennt wird. Die Interaktion zwischen Laserstrahlung
bei geringster Temperaturbelastung des Gesamtbauteils
knapp unterhalb ihrer Verdampfungstemperatur erwärmt.
ponenten mit nahezu beliebiger Geometrie herstellen, die in
und Glasmaterial kann dabei im Voraus simuliert und die
Fügezonen mit Bondnahtbreiten < 100 μm erreicht werden.
Dabei sinkt die Viskosität der Oberfläche, wodurch die Rau-
der Mikromechanik und der Medizintechnik zur Anwendung
Parameter auf das gewünschte Ergebnis abgestimmt werden.
Daher eignet sich das Verfahren besonders für das Bonden
heit ausfließen kann und die Oberfläche geglättet wird. Das
kommen. Das zugrunde liegende Laserfertigungsverfahren ist
Laserpolieren erlaubt dabei im Vergleich zu konventionellen
das selektive laserinduzierte Ätzen (ISLE, in-volume selective
Polierverfahren auch die schnelle Bearbeitung asphärischer
laser etching). Hier wird das durch die Laserstrahlung modi-
Optiken mit komplexer Oberflächengeometrie. Zudem kann
fizierte Material geätzt, während das unmodifizierte Material
Im Zuge der fortschreitenden Erhöhung der Integrationsdichte
und Laserstrahlquellen mit einer Wellenlänge im Bereich
die Oberflächenform der Optik in einem vorgelagerten Schritt
nahezu unbeeinflusst bleibt. Das ISLE-Verfahren zeichnet sich
in hermetisch gekapselten Mikrosystemen einerseits und
1500 - 1900 nm können auch andere Werkstoffverbünde
durch Materialabtrag gemäß individueller Anforderungen
durch höchste Präzision (< 500 nm) bei gleichzeitig schneller
großformatigen OLED-Fertigungen in einer langzeitstabilen,
wie z. B. Silizium/Silizium gefügt werden.
generiert werden. Materialabtrag und Polieren bilden zusammen
Strukturierung (v > 0,1 m/s) aus.
hermetisch verkapselten Atmosphäre andererseits, stellt das
Laserpolieren und Formgebung
mit einem dritten Schritt zur Formkorrektur eine laserbasierte
und Verkapseln von Mikrosystemen mit beweglichen
Laserlöten
Strukturen und thermisch empfindlichen Komponenten.
Durch den Einsatz von absorbierenden Zwischenschichten
Packaging von Glasbauteilen eine große Herausforderung
Ansprechpartner
Prozesskette zur Optikfertigung, welche künftig die flexible
Beim rückseitigen Laserbohren wird das abzutragende
dar. Ein Ansatz ist das Glaslöten mit Laserstrahlung im nahen
und kostengünstige Fertigung individualisierter Linsen in
Volumen Ebene für Ebene von der Rückseite des trans-
infraroten Wellenlängenbereich. Dieses Verfahren stellt
Dr. Arnold Gillner
kleinen Stückzahlen ermöglichen soll. Die Hauptvorteile des
parenten Werkstücks abgetragen, wobei jede Ebene mit
eine Möglichkeit dar, die zum Verbinden von Glasbauteilen
Telefon +49 241 8906-148
Laserpolierens und dieser neuen Prozesskette gegenüber
Einzelschüssen ultrakurz gepulster Laserstrahlung abgerastert
erforderliche Energie konzentriert und räumlich begrenzt
[email protected]
konventionellen Fertigungsmethoden liegen in der signifikant
wird. Vorteile dieses Verfahrens sind: keine Konizität des
im Glaslot zu deponieren und die Gesamterwärmung des
verringerten Herstellungszeit und der großen Flexibilität der
Bohrkanals, keine Verunreinigung der Bohrkanäle und die
zu fügenden Gesamtsystems zu minimieren.
zu polierenden bzw. zu generierenden Oberflächenform.
Möglichkeit großer Aspektverhältnisse. Derzeit können
Bohrungen mit Durchmessern von 0,35 bis 8 mm und einer
Glasbearbeitung im Volumen
Dr. Konrad Wissenbach
Telefon +49 241 8906-147
Laserschweißen
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Bohrtiefe von 120 mm in BK7 realisiert werden. In Quarzglas
werden Bohrtiefen von bis zu 60 mm bei einem Durchmesser
Das Schweißen von Quarzglas wird derzeit überwiegend
1 Schneiden von Mikrobohrungen in Quarzglas.
Fokussierte, ultrakurz gepulste Laserstrahlung wird für
von 0,6 bis 8 mm erreicht. Weiterhin können mit diesem
konventionell mittels Gasbrennersystemen durchgeführt. Ein
2 Laserpolierte Sphäre aus Quarzglas.
die Modifikation von Gläsern und Kristallen unterhalb der
Verfahren frei definierbare Strukturen wie z.B. tordierte
Merkmal dieses Fügeverfahrens ist eine geringe Absorption
3 Gelötete Glas/Glas, Glas/MAM, Glas/Silizium,
Oberfläche verwendet. Durch die direkte Strukturierung wird
Vielecke und sehr filigrane Strukturen hergestellt werden,
der vom Brennersystem abgestrahlten Energie, was zu einem
Glas/ITO-Bauteile.
lokal der Brechungsindex des Materials verändert. Auf diese
die konventionell nicht realisierbar sind.
großen Bedarf an Prozessenergie und zu einer geringen
4 Bewegliches, montiertes Zahnrad in Quarzglas
Effizienz führt. Beim Laserstrahlschweißen hingegen wird die
hergestellt mit ISLE (Ø 3 mm, Höhe 500 µm).
5 Photonische Struktur in BK7-Glas.
6 Schneiden von Dünnglas mit ps-Laserstrahlung.