Das aus Kupferblech geschnittene Kamel, das hier durch ein Nadelöhr geht, demonstriert die Leistungsfähigkeit von ultrakurzen Laserpulsen in der Mikrofertigung.
Bosch
Licht ist ein vielseitiges Werkzeug. In der Fertigung können Laserstrahlen herkömmliche mechanische Werkzeugmaschinen zum Bohren, Schneiden oder auch Schweißen ersetzen. Nun schicken sich Ultrakurzpulslaser an, die Fertigung aufs Neue zu revolutionieren. Deren Entwickler Dr. Jens König (Bosch) Dr. Dirk Sutter (TRUMPF) und Professor Dr. Stefan Nolte (Universität Jena und Fraunhofer IOF) sind deshalb gemeinsam und gleichwertig für den vom Bundespräsidenten verliehenen Deutschen Zukunftspreis nominiert.
Laser eignen sich hervorragend zum Trennen und Fügen von unterschiedlichen Werkstoffen wie Metall, Glas oder Kunststoff. Der intensive, fokussierte Lichtstrahl bietet deutliche Vorteile gegenüber konventionellen Werkzeugen: Der Laser arbeitet berührungslos, er unterliegt keinem Verschleiß, die Werkstücke sind weniger durch Hitze und mechanisch belastet. Die Laserbearbeitung erfolgt immer wieder in der gleichen Qualität auch bei kleinsten Strukturen. Für die Metallbearbeitung von mehreren Millimeter dicken Blechen kommen Multikilowattlaser zum Einsatz. Soll die Bearbeitung allerdings präziser sein, etwa für Bohrungen mit einem Durchmesser von 50 Mikrometern oder darunter, sind diese nicht mehr geeignet. Der zum Abtrag notwendige Energieeintrag würde stets auch zu einem Schmelzen des Materials führen. Da sich das Verhalten der Schmelze technisch nur schwer beherrschen lässt, kann es zu Ungenauigkeiten kommen: Grate, Senken oder Wölbungen entstehen. Zudem ist das umgebende Material durch die Hitze einer starken Belastung ausgesetzt. Häufig ist eine Nachbearbeitung erforderlich.
Direkter Übergang vom festen in den gasförmigen Zustand
Durch den Einsatz von Ultrakurzpulslasern lässt sich das vermeiden. Da die Lichtpulse dieser Laser nur wenige Piko- oder Femtosekunden kurz (billionstel oder billiardstel Sekunden), aber sehr energiereich sind, wirkt die Laserstrahlung hoch konzentriert auf das Material ein. Die Folge: Material, das von einem solchen Laserpuls getroffen wird, verdampft unmittelbar bei rund 6000 Grad Celsius – unter Umgehung des flüssigen Zustands in der Schmelze. Der Abtrag erfolgt präzise und nur dort, wo er soll, Mikrometer für Mikrometer. Störende Effekte bleiben durch die „kalte“ Bearbeitung aus, wodurch eine Bearbeitung mit höchster Präzision auf kleinstem Raum möglich ist. Ein aufwendiges und teures Nachbessern der Produkte ist nicht erforderlich.
Mit Ultrakurzpulslasern gelang es schon, etwa aus Glas 3D-Körper herauszuschneiden, berichtet Springer-Autor Andreas Risse in „Fertigungsverfahren der Mechatronik, Feinwerk- und Präszisionsgerätetechnik“. Und: „Mit Femtosekundenlasern können Strukturgrößen unter 100 nm in keramische Werkstoffe, Glas und Halbleiter eingebracht werden.“
„Der Weg des Ultrakurzpulslasers ist ein Lehrbuchbeispiel für das deutsche Forschungsmodell“, kommentiert Dr. Peter Leibinger, Vorsitzender des Geschäftsbereichs Lasertechnik/Elektronik bei TRUMPF, die Nominierung des Forscherteams: „Universitäten übernehmen die Grundlagenforschung, Unternehmen entwickeln die Ergebnisse nach Marktbedürfnissen weiter, die Wertschöpfung bleibt in Deutschland.“