Heisser Tanz mit hoher Präzision

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Mikroschmelzschneiden ist die Alternative zur kalten Ablation mit Scannern.

Beim der Mikro-Materialbearbeitung denken viele an Ultrakurzpulslaser. Für manche Anwendungen reichen die Präzision und der Kantenwinkel (Taperwinkel), die bei der kalten Ablation mit Galvo-Scannern erzielt werden, jedoch nicht aus. Schräge Kantenwinkel entstehen, wenn am Rande des Schnittspaltes ein geringerer Energieeintrag (Fluenz) in das Material erfolgt oder wenn sich Material dort wieder abscheidet. In diesem Fall ist das Arbeiten mit Festoptiken, Prozessgasdüsen und hochpräzisen Achsen angebracht.

Die Beschleunigungen und Vorschubgeschwindigkeiten der Achsen sind jedoch nicht so hoch wie bei Galvo-Scannern mit ihren viel geringeren Trägheitsmomenten. Daher kommt es beim Arbeiten mit Festoptiken und Achsen zur Ausbildung einer Schmelzphase. Diese darf aber die Qualität des Bauteiles nicht negativ beeinflussen.

Gute Kantenqualität und steile Taperwinkel

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Ein circa 5 Millimeter grosses Zahnrad. Durch das Mikroschmelzschneiden lassen sich neben guter Kantenqualität auch steilere Taperwinkel erreichen. (Foto: TRUMPF)

Im Unterschied zu klassischen Schmelzschneideverfahren wie etwa mit Scheibenlasern oder CO2-Lasern sorgen die ultrakurzen Pulse dafür, dass der Hitzeeintrag räumlich und zeitlich sehr begrenzt erfolgt. Die Bauteile tragen keine thermisch induzierten Schäden davon. Es handelt sich hier im übertragenen Sinne um einen sehr kontrollierten heissen Tanz von höchster Präzision auf engstem Raum.

Bei richtiger Prozessführung lassen sich beim Mikroschmelzschneiden neben guter Kantenqualität auch steilere Taperwinkel erreichen als beim Schneiden durch kalte Ablation mit Scanner. Optimierte Düsen treiben die Schmelze mit Prozessgasen unter erhöhtem Druck aus dem Schnittspalt aus. Düsengeometrie und -position sowie Prozessgasdruck und -typ haben neben den Laserparametern einen entscheidenden Einfluss auf das Ergebnis.

Messtechnik ist entscheidend für Qualität

Ein weiterer wichtiger Aspekt ist die Entwicklung geeigneter Halterungen. Sie sollten das Bauteil zuverlässig fixieren, gleichzeitig aber auch ein Freischneiden ohne direkte Unterlage ermöglichen. Auch das Design muss vorgängig lasergerecht aufbereitet werden, um so genannte Einstichstellen zu vermeiden.

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Die Prozessgaszuführung über Düsen (oben) sowie geeignete Bauteilhalterungen (unten) sind entscheidend für eine hohe Qualität. (Foto: TRUMPF)

Gleichzeitig darf man auch die Rolle der Messtechnik bei der Prozessentwicklung und der Qualitätsüberwachung nicht unterschätzen. Es muss gewährleistet sein, Form- und Lagetoleranzen von fünf Mikrometern Genauigkeit oder besser sowie Rauheiten von weniger als einem Mikrometer Ra zuverlässig zu messen.

Auch für Keramik

Mikroschmelzschneiden-von-Keramik

Mikroschmelzschneiden von Keramik. Das gezeigte Teil mit einem Durchmesser von circa 5 Millimetern ist eine Testgeometrie für die Uhrenindustrie. (Foto: TRUMPF)

Nicht nur Metalle sind durch diese spezielle Art des Mikroschmelz­schneidens bearbeitbar, sondern auch Keramiken. Für kosten­effiziente Prozesse lassen sich mehrere Bearbeitungsoptiken parallel verwenden. Die leistungs­starken Ultrakurzpulslaser der TruMicro-Serie von TRUMPF erlauben eine solche Strahlteilung. Diverse Nachbehandlungen können das Bearbeitungsergebnis noch verbessern.

TruMicro Serie 5000

Die Laser der TruMicro Serie 5000 sind Pikosekundenlaser mit Laserleistungen von bis zu 100 Watt und Pulsenergien bis zu 250 Mikrojoule. Die extrem kurzen Pulsdauern von weniger als 10 ps verdampfen nahezu jedes Material so schnell, dass keine Wärmeeinflusszone erkennbar ist.

Wie auch im Falle der Elektroerosion oder des Mikrofräsens kann im Nachgang an den Prozess des Mikroschmelzschneidens eine Wärmebehandlung zur Einstellung einer bestimmten Härte oder Festigkeit respektive zur Entspannung des Materials erfolgen. Um die Rauheit der Oberflächen weiter zu reduzieren, kann man diese mit Politur nachbehandeln.

Andere Bauteile wiederum werden im Anschluss an die Laserbearbeitung galvanisiert. Diese Verfahren sind bereits Stand der Technik, beispielsweise in der Uhrenindustrie. Diese ist auch eines der wichtigsten Anwendungsfelder des Mikroschmelzschneidens und -bohrens, etwa für Rubinsteinlager, Zeiger oder andere Designelemente.

Kantenwinkel von 90 Grad

Eine immer wieder auftretende Anforderung in der Mikrotechnologie sind Kantenwinkel von 90 Grad. Für das Bohren kleiner Löcher ist dies bereits mit Hilfe von so genannten Trepanieroptiken möglich. Die Trepanieroptik stellt dabei den Strahl schräg an und rotiert ihn um einen Taumelpunkt, um den Taperwinkel zu korrigieren.

Testgeometrie-fuer-die-Uhrenindustrie

Auch Saphir und Silizium lassen sich durch Mikroschmelzschneiden bearbeiten. (Foto: TRUMPF)

Dieser Ansatz wird auch für komplexere Geometrien immer interessanter. Der hochpräzise Vorschub erfolgt dabei wiederum über die mechanischen Achsen. Allerdings gibt es bei den meisten Trepanieroptiken noch Entwicklungsbedarf, um sie speziell für solche anspruchsvollen Anwendungen benutzerfreundlicher und damit industrietauglich zu machen. Mechanisch anspruchsvoll, aber überlegenswert wäre auch die Kompensation des Taperwinkels durch flexibel kippbare Probenhalterungen.

Hohe Präzision

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass das Mikroschmelzschneiden für Anwendungen, die eine hohe Präzision erfordern, eine interessante Alternative zur kalten Ablation mit Scannern darstellt. Dabei gibt es durchaus noch Potenzial für weitere Entwicklungen, beispielsweise bei den Bauteilhalterungen, dem Teile-Handling und bei der Prozessgaszuführung. Aber auch im Bereich spezieller Optiken sind Verbesserungen möglich, etwa mit einer anwenderfreundlichen speziellen Trepanieroptik für eine Strahlanstellung zur Kompensation des Taperwinkels bei komplexen Konturen.

Kontakt bei TRUMPF

Athanassios Kaliudis
E-Mail: athanassios.kaliudis@de.trumpf.com
Tel.: +49 7156 303-31559

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