Mit Tiefgang an der Oberfläche

© LFM Laser-Zentrum Münster

Mikro­material­bearbeitung mit brillanter Laser­strahlung ist Forschungs­schwer­punkt am Laser-Zentrum Münster (LFM). Eine Domäne von Instituts­gründer und -leiter Prof. Dr. Klaus Dickmann: das Struktur­ieren und Funktionalisieren von Oberflächen.

ANFANG / Vom nackten Werkzeug zum diagnostischen System

2009. Nach einer Dekade im Wissenschaftsbereich steht der Ultrakurzpulslaser (UKP) auf der Messe Laser — World of Photonics, Weltleitmesse der Photonik-Industrie in München, vor dem industriellen Durchbruch. Mittendrin: Professor Klaus Dickmann auf der Suche nach dem für sein Labor geeigneten UKP, einem damals noch fast sagenhaften Werkzeug, das bei der Bearbeitung das Material kalt lässt. Objekt der Begierde: die ganz neue Serie TruMicro 5000 von TRUMPF. Deren Laserstrahl wirkt gerade mal 0,00000000001 Sekunden auf dem Werkstück und verdampft das Material in winzigen Portionen hochpräzise und rückstandsfrei.

„Ultrakurzpulslaser? Seit ich sie kenne, halte ich sie für das ideale Werkzeug für Mikromaterial­bearbeitung und Oberflächenstruktur­ierung.

Prof. Klaus Dickmann

TruMicro Serie 5000

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

Münster. Der TruMicro 5000 zieht in die 600 Quadratmeter große Laborhalle des LFM. Nackt. Strahlquelle pur. Aber für die empirischen Prozesse im Steinfurter Labor schwebt Prof. Dickmann mehr vor. Die Forschungsarbeit mit Lasern bedeutet, schier endlose Testserien zu bearbeiten. Umso mehr, je exotischer der Werkstoff ist. Hier eröffnet der UKP ganz neue Perspektiven. Dem Team um Dickmann ist kein Material fremd: Kupfer, Edelstahl, Piezokeramik oder Glas sind nur eine kleine Auswahl der untersuchten Werkstoffe.

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Modifikation der Oberfläche (Edelstahl) am Strukturgrund durch Variation von Laserparametern (hier Fluenz). So erzielt man unterschiedliche Funktionalisierungseffekte. (Foto: LFM Laser-Zentrum Münster)

In diesem Sinne verwandeln Dickmann und sein Team die Strahlquelle in eine ziemlich intelligente Produktionsanlage. Mit optischen Feinheiten, steuerungstechnischer Optimierung und einem Inline-Monitoringsystem. Die hochauflösende Kameratechnik ermöglicht es sogar, in der laufenden Bearbeitung Prozessabweichungen zu erkennen und zu korrigieren.

Immer fest im Blick: die Möglichkeiten der ultrakurzen Laserstrahlung anwendungsnah zu untersuchen und die Erkenntnisse in die industrielle Praxis einfließen zu lassen. Durch optimale Fertigungsparameter erzielen die Auftraggeber später in der Produktion qualitativ und quantitativ bestmögliche Ergebnisse.

„Automatisierung? Unbedingt auch in der Forschung. Mit industriellen Prozessen im Labor kommen wir viel schneller zu einem validen Ergebnis.“

Prof. Klaus Dickmann

Bei der empirischen Annäherung an das gewünschte Ergebnis läuft beispielsweise die schrittweise Veränderung der Fluenz, also der Energiedichte, automatisiert ab. Dazu wird eine Probenfläche in einzelne Felder eingeteilt — und diese Segmente dann mit unterschiedlichen Strahlparametern bearbeitet. Minutiös dokumentiert das System alle Parameter und Resultate, sorgt für die Replizierbarkeit des Versuchsaufbaus. Und generiert Ergebnisse, die sich später im Industriealltag bewähren.

ALLTAG/ Auf der Suche nach den Anwendungen

Und wem dient es? Anwendungen für die Medizintechnik sind ständiger Begleiter. Mal geht es dabei um das Perforieren von Folien, mal um Mikrobauteile für medizinische Instrumente oder um resorbierbare Koronarstents, die sich mit ultrakurzen Laserpulsen qualitativ deutlich hochwertiger herstellen lassen. Oder aber — für Dickmann die Königsdisziplin — das lokale Funktionalisieren von Oberflächen im Zusammenspiel mit der Mikrostrukturierung. Die Generierung von Mikrostrukturen mit Picosekunden-Pulsen (ps-Pulsen) ist zwar bereits im industriellen Maßstab eingeführt. Aber es gibt so viel mehr, was möglich ist, wenn ein Forscher mit seiner Fantasie drangeht.

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Generierung einer Pyramide in Kupfer durch schichtweise Übertragung des 3-D-Modells (Foto: LFM Laser-Zentrum Münster)

So lassen sich mit den ps-Laserstrahlen auch funktionale Oberflächeneigenschaften erzeugen. Wofür? Vielleicht für ein „Lab on a chip“: beispielsweise ein fingernagelgroßes Minilabor zur Diagnose von unterschiedlichen Blutwerten, das mit einem Stich eine Probe entnimmt, sie in eine winzige Analysestation leitet und sofort die Werte ausspuckt.

Im Inneren des Minilabors hat der Strahl eines Picosekundenlasers hydrophile Kanäle in eine hydrophobe Umgebung geformt. Dort entlang treiben Grenzflächenkräfte die Probeflüssigkeit zielgerichtet durch die verschiedenen Reaktions- und Analysebereiche. Mittlerweile können die Forscher am LFM nicht nur den Strömungswiderstand messen, sondern auch alle Parameter exakt einstellen. Damit öffnen sie die Türen für vielfältige Einsatzgebiete in der medizinischen Diagnostik.

Ein spannender Effekt, der heute Forschern und später Fertigern bei der Mikrostrukturierung zupasskommt, ist die Fähigkeit von Materialien, unter dem Einfluss ultrakurzer Laserpulse sich selbst organisierende Mikrostrukturen zu bilden. Form und Größe der so entstehenden Nanoripples und periodischen Mikrostrukturen beeinflussen die Eigenschaften der Oberfläche und können gezielt durch die Laserparameter verändert werden. Der Effekt der materialtypischen Selbst­organisation unter Einfluss der ps-Laserbestrahlung kann das Strukturieren funktionaler Oberflächen weiter vereinfachen. Was unter welchem Einfluss passiert, ist derzeit auf dem Prüfstand im LFM-Labor.

„Warum Nischenanwen­dungen? Weil sich hier Spannendes abspielt und wir uns profilieren. Deshalb ist auch die Photovoltaik für uns kein Thema. Dort tummeln sich zurzeit sehr viele.“

Prof. Klaus Dickmann

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Laserstrukturierter und -funktionalisierter Mikrokanal mit hydrophoben (links) und hydrophilen (rechts) Oberflächeneigenschaften (Foto: LFM Laser-Zentrum Münster)

Ein Nischenbeispiel sind Untersuchungen im Bereich der Tribologie. Mikroskopisch kleine Schmiertaschen oder frei stehende Mikrokegel beispielsweise können in mechanischen Antriebssystemen den Reibwiderstand mindern und damit die Performance steigern. Forscher am LFM untersuchen, wie sich Prozessgeschwindigkeiten und -qualität durch geeignete Parameter optimieren lassen. Oder Mikrosiebe und -filter: Das LFM hat sich spezialisiert auf Verfahrensentwicklungen zur Herstellung von Mikrofiltrationsmembranen aus Edelstahl.

Diese Mikrosiebe werden etwa in der Biomedizin- und Lebensmitteltechnologie eingesetzt. Der Schwerpunkt der Untersuchung liegt auf dem Prozessverständnis und der Wechselwirkung zwischen der UKP- Laserstrahlung mit verschiedensten Materialien. Von den Erkenntnissen versprechen sich die Forscher dann für die spätere Praxis eine gesteigerte Bohrrate und -qualität bei reduzierten Bohrungsgrößen.

„Patente? Immer arbeitsintensiv, selten ge­winnbringend, oft blockierend. Deshalb sind wir nicht auf Patente aus. Vielmehr begeistert es uns, schöne neue technische Möglichkeiten mit dem Werkzeug Laser aufzuzeigen.“

Prof. Klaus Dickmann

LFM Laserzentrum FH Münster

Das Laserzentrum ist eine Einrichtung innerhalb des Fachbereichs Physikalische Technik der Fachhochschule Münster. Die moderne Ausstattung wird neben der Lehre auch für die Durchführung von Forschungsvorhaben und Industrieaufträgen genutzt. Verschiedenste Laseranlagen befinden sich auf 600 m² Laborfläche, ergänzt durch eine umfangreiche Analysetechnik.

Auch im Grenzbereich zwischen Picosekunden- und Femtosekunden-Bearbeitung ist das LFM unterwegs. Zusammen mit der Hochschule Mittweida lief ein Projekt zur Mikrobearbeitung von temperaturempfindlichen Bauteilen. Für die Studie wurde ein neuartiges ps-Lasersystem mit optischem Scanner entwickelt — für eine Vielzahl von Prozessen zur Mikrostrukturierung mit diversen metallischen und dielektrischen Werkstoffen.

Ein chromatischer Sensor erfasste die Topografie, spezielle Applikationsaspekte analysierte das Team via Rasterelektronenmikroskop. Die gesammelten Resultate verglich man im Anschluss mit Parallelstudien zur Bearbeitung mit Femtosekunden-Laserstrahlung der Hochschule Mittweida.

Verblüffendes Ergebnis: Mit applikationsspezifisch optimierten Parametern erzielen ps-Pulse ein Qualitätsniveau, das bei vielen Applikationen nur geringfügig von der Bearbeitung mit Femtosekunden abweicht. Mit den Projektresultaten können Abtragprozesse bei der ps-Laserbearbeitung um bis zu 400 Prozent beschleunigt und die Präzision signifikant gesteigert werden.

AUSBLICK/ Schier grenzenlose Möglichkeiten

Längst greift die Materialbearbeitung mit ultrakurzen Pulsen um sich, dringt disruptiv in immer neue Applikationsbereiche für Großserienfertigungen vor und verdrängt dabei konventionelle Methoden wie das mechanische Bohren, Erodieren oder das chemische Ätzen. Der Laser punktet hier mehrfach: Einerseits lässt er sich prozesssicher ganz exakt einstellen, andererseits kann meist nur er selektiv bearbeiten.

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Funktionalisierte Matrix auf einer Edelstahloberfläche zur Fixierung von Wassertropfen (Foto: LFM Laser-Zentrum Münster)

Auch die Sicherheitstechnik bietet Potenzial — beispielsweise durch das fälschungssichere Einbringen von Strukturen im Materialinneren. Ganz aktuell arbeitet das LFM am Thema „Beam-Forming“ für UKP- Laser. Mit variablen Geometrien für den Fokusfleck durch Anwendung adaptiver Optik, so das Kalkül, können Prozesse optimiert werden, weil das Material photonisch anders aktiviert wird. Die Forscher versprechen sich daraus höhere Prozessgeschwindigkeiten.

Faszinierend bleibt das Engagement des LFM in der Organisation LACONA (Lasers in the Conservation of Artworks). LACONA organisiert alle zwei Jahre den wissenschaftlichen Austausch zwischen Restauratoren und Laserphysikern. Klaus Dickmann ist seit Jahren ständiges Mitglied des internationalen Konferenzkomitees. Er restauriert mit seinem Team und geeignetem Laser wertvolles Pergament und alte Fresken.

„Grenzen? Welche Grenzen? Peter Leibinger sagte: ‚Wir haben mit dem Ultrakurzpulslaser die Tür in einen Raum aufgestoßen, von dem wir noch längst nicht sagen können, wie groß er ist und wie er im Einzelnen aussieht.‘ “

Prof. Klaus Dickmann

Zentrale Herausforderung bleibt es, neue Anwendungen zu entdecken. Durch die nicht linearen Absorptionsprozesse bei ps-Strahlung lassen sich auch transparente Materialien bearbeiten. Und die neue Klasse der Schichtsysteme und Verbundwerkstoffe bietet dem Forscher ebenso viel Raum für Fantasie wie das Strukturieren von Keramikoberflächen.

microstructuring-laser-surface(2)Prof. Dr.-Ing. Klaus Dickmann ist Gründer und Leiter des Laserzentrums an der Fachhochschule Münster (LFM). Er hat ein Diplom in Elektrotechnik und Physik und promovierte am Laserzentrum Hannover (LZH) und dem Institut für Fertigungstechnik (IFW) der Universität Hannover zum Thema „Lasertrennen von Elektroblechen“. Neben seinem Forschungsschwerpunkt Lasermaterialbearbeitung pflegt er eine zweite Leidenschaft: Als öffentlich bestellter und vereidigter Sachverständiger für Lasersicherheit und Lasertechnik befasst er sich intensiv mit ungelösten Fragen rund um die Sicherheit, auch bei ultrakurzgepulster Laserstrahlung. www.fh-muenster.de/laserzentrum

Kontakt

Prof. Klaus Dickmann
Universität Münster
Telefon: + 49 (0) 2551 9 – 62322
dickmann@fh-muenster.de

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