Excimerlaser-Bearbeitung: Klare Strukturen unter dem Flüssigkeitsfilm

Ein Flüssigkeitsfilm auf Metall oder Keramik sorgt dafür, dass die Ergebnisse sehr viel exakter ausfallen, wenn diese Werkstoffe mit Laserstrahlen bearbeitet werden. Die Qualität kleinster Bauteile, die mit hoher Präzision gefertigt werden müssen, ist dadurch deutlich zu steigern. An der Universität Erlangen-Nürnberg erprobt Dipl.-Ing. Stephan Roth am Lehrstuhl für Fertigungstechnologie von Prof. Dr.-Ing. Manfred Geiger die Möglichkeiten des dort entwickelten neuen Verfahrens, das winzige Splitter oder verwaschene Konturen, die bisher unvermeidlich waren, gar nicht erst entstehen läßt. Neben weiteren Verbesserungen der Werkstückqualität ist geplant, auch andere Materialien, speziell Kunststoffe, in die Forschungen einzubeziehen. Die Deutsche Forschungsgemeinschaft hat bisher eine Fördersumme von rund 461.000 Mark bereitgestellt.

Zur Bearbeitung sehr unterschiedlicher Werkstoffe empfiehlt sich Laserstrahlung als ein vielseitig verwendbares Werkzeug. Vor allem im Bereich der Mikrosystemtechnik und der Mikromechanik nimmt ihre Bedeutung ständig zu. Der steigende Bedarf an miniaturisierten Bauteilen für neue Produkte macht eine höhere Bearbeitungsqualität erforderlich, so dass auch an die Herstellungsverfahren neue Anforderungen gestellt werden.

Keramische Werkstoffe, die für stark temperaturbeanspruchte Bauteile besonders geeignet sind, werden vor allem mit Excimerlaserstrahlung bearbeitet. Keramiken sind äußerst thermoschock-empfindlich, weshalb es sinnvoll ist, solche Materialien mittels Verdampfen abzutragen. Dazu muss nur geringe Energie eingebracht werden, die das Bauteil nicht schädigt. Bei metallischen Werkstoffen erfolgt der Abtrag in erster Linie über die schmelzflüssige Phase.

Allerdings lagern sich bei der Bearbeitung sowohl keramischer als auch metallischer Werkstoffe kleinste Materialpartikel oder Schmelze-Tropfen in den erzeugten Strukturen oder in deren unmittelbarer Nähe an. Die Strukturen metallischer Werkstücke sind außerdem stark von Schmelze überlagert. Solche Mängel nachträglich zu beheben – was, soweit überhaupt möglich, oftmals mechanisch geschehen muß – ist meist sehr aufwendig und kostenintensiv.

Die Einsatzmöglichkeiten der Excimerlaserstrahl-Materialbearbeitung gerade in der Mikrosystemtechnik sind deshalb beschränkt. Wird jedoch während der Bestrahlung ein dünner Flüssigkeitsfilm auf die Substratoberfläche aufgesprüht, können derartige Qualitätseinbußen nahezu vollständig vermieden werden. Allerdings ist die Abtragsrate bei den meisten untersuchten Keramiken und Stählen deutlich reduziert. Weitere Untersuchungen zielen daher im wesentlichen darauf ab, die Abtragsraten zu erhöhen, um die Bearbeitungsdauer zu verkürzen und das Verfahren wirtschaftlich interessant zu machen.

Seit Beginn des DFG-Projekts im Februar 1997 waren die Arbeiten auf das Verständnis der Abtragsmechanismen konzentriert. Die in Grundlagenuntersuchungen erarbeiteten Strahl-Stoff-Wechselwirkungen für verschiedene keramische und metallische Werkstoffe werden nun auf die Herstellung mikrosystemtechnischer Bauteile übertragen. Inzwischen stehen zudem Apparaturen zur Verfügung, die im Versuchsmaßstab die Bearbeitung unter einem gleichmäßig verdüsten Flüssigkeitsfilm ermöglichen. Insbesondere erlaubt es ein geschlossener Flüssigkeitskreislauf, Gemische mit definierten Prozentanteilen der einzelnen Bestandteile zu versprühen. Durch Zugabe von Additiven soll das Bearbeitungsergebnis weiter verbessert werden.

Die Untersuchungen haben gezeigt, dass diese Verfahrensvariante im Vergleich zu konventioneller Technik die Strukturqualität bei der abtragenden Bearbeitung deutlich erhöht. Entscheidende Vorteile liegen insbesondere darin, dass sich Ablagerungen in der Bearbeitungsrandzone vermeiden lassen und die Schmelzphasenbildung bei der Bearbeitung von metallischen Werkstoffen reduziert ist. Bis Mitte des Jahres 2001, zum voraussichtlichen Ende der Projektlaufzeit, sollen die Grundlagen auf ein breites Werkstoffspektrum übertragen werden, das auch Polymere umfassen wird. Die Verfahrensgrenzen für planare wie auch dreidimensionale Bauteile werden dabei durch eine verbesserte Prozesstechnik erweitert.

Im weiteren Projektverlauf wird zudem untersucht, inwieweit die Methode zur gezielten Oberflächenmodifizierung mittels Excimerlaserstrahlung eingesetzt werden kann, um sowohl das Oberflächenprofil zu gestalten als auch die mechanischen Eigenschaften zu verändern. Polymere beispielsweise werden durch UV-Strahlung besser zum Verkleben geeignet. So ergeben sich zusätzliche, technologisch sinnvolle Anwendungsgebiete für das neue Verfahren.

* Kontakt:
Prof. Dr.-Ing. Manfred Geiger, Dipl.-Ing. Stephan Roth
Lehrstuhl für Fertigungstechnologie, Egerlandstr. 11, 91058 Erlangen
Tel.: 09131/85 -27140, -23237, Fax: 09131/36 403
E-Mail: m.geiger@lft.uni-erlangen.de s.roth@lft.uni-erlangen.de

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