Laserfertigungsverfahren Mikrobauteile aus dem Block ätzen

Redakteur: Dipl.-Ing. Dorothee Quitter

Das Fraunhofer-Institut für Lasertechnik ILT stellt mit dem Selektiven Laserinduzierten Ätzen (ISLE) ein Verfahren vor, mit dem sich erstmals auch montierte Bauteile aus transparenten Materialien wie Glas mikrometergenau aus einem Block fertigen lassen.

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ISLE-gefertigtes Mikrozahnrad im Größenvergleich
ISLE-gefertigtes Mikrozahnrad im Größenvergleich
(Bild: Fraunhofer ILT, Aachen/Volker Lannert)

Am Fraunhofer ILT wurde in Kooperation mit dem Lehrstuhl für Lasertechnik LLT der RWTH Aachen University ein Laserfertigungsverfahren entwickelt, mit dem sich der Fertigungsprozess von Mikrobauteilen aus transparenten Materialien zeitlich verkürzen sowie Material und Energie einsparen lässt. Nun haben die Experten das Selektive Laserinduzierte Ätzen (in-volume selective laser etching, ISLE) auf die Herstellung zusammengesetzter und montierter Bauteile übertragen. Damit wird eine Justierung und Montage der einzelnen Komponenten in mikromechanischen Systemen überflüssig. Die Belichtungszeit eines Zahnrades, das bereits auf einer Welle montiert und in einem Gehäuse eingebaut ist, beträgt nur noch rund 15 Minuten.

Selektives laserinduziertes Ätzen beschleunigt die Herstellung und erübrigt die Montage

Der Prozess läuft folgendermaßen ab: Mittels ultrakurz gepulster Laserstrahlung wird ein transparentes Werkstück mit 3D-Auflösung im Volumen genau dort belichtet, wo Material entfernt werden soll. Das Material wird chemisch und physikalisch so verändert, dass es selektiv ätzbar wird. Im anschließenden nasschemischen Ätzprozess wird das belichtete Material entfernt, während das unbelichtete Material vom Ätzprozess nahezu nicht beeinflusst wird. Auf diese Weise lassen sich Mikrokanäle, Formbohrungen, strukturierte Bauteile sowie komplexe, zusammengesetzte, mechanische Komponenten und Systeme herstellen. Das ISLE-Verfahren kann neben Rubin auch für Saphir oder Glas verwendet werden. Es ist reproduzierbar und in der Lage, serienidentische Geometrieanforderungen der Bauteile zu gewährleisten. Dabei bietet das ISLE-Verfahren eine große Geometrie- und Designfreiheit. Formgenauigkeiten kleiner einem Mikrometer sowie Schnittfugen und Bohrungen mit extrem großen Aspektverhältnissen aufgrund des kleinen Fokusvolumens zeichnen das ISLE-Verfahren besonders aus. Mit dem ISLE-Verfahren lässt sich eine große Material- und Energieeffizienz realisieren, die mit abtragenden Verfahren auch bei fortschreitender Entwicklung prinzipiell nicht erreicht werden kann.

Skalierung des Laserfertigungsverfahrens für die industrielle Anwendung

Die Geschwindigkeit der Belichtung liegt derzeit bei mehreren hundert Millimetern pro Sekunde. Ziel ist eine Steigerung auf mehrere Meter pro Sekunde. Für die Belichtung eines montierten, drei Millimeter großen Zahnrades von derzeit 15 Minuten würde dies eine Verringerung um den Faktor 10 bedeuten.

Mittelfristig soll durch die Vergrößerung der Laserleistung und der Repetitionsrate sowie der Verwendung schnellerer Strahlablenkungssysteme das Potenzial des entwickelten Verfahrens für eine individualisierte Massenproduktion realisiert werden. Die Fertigung von Mikrobauteilen in Klein- und Großserien soll ebenso wie die Massenproduktion individualisierter Bauteile dadurch kosteneffizienter und flexibler werden. (qui)

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