Laser in der mikrotechnischen Fertigung

Im Rahmen des BMBF-Förderprogramms „Forschung für die Produktion von Morgen“ wurden in den vier industriellen Verbundprojekten Mikrotool, Kombilas, OPTOMAT und RapidFluid in einer engen Zusammenarbeit von insgesamt 23 Partnern aus Industrie und Forschung Technologien zur Herstellung mikrotechnischer Produkte entwickelt, die zu deutlichen Kosteneinsparungen in der Prozesskette und neuen Fertigungsmöglichkeiten geführt haben. Die einzelnen Projekte deckten dabei die gesamte Fertigungskette vom Rapid Prototyping, der Werkzeug- bzw. Bauteilherstellung bis zur Fügetechnik im Rahmen des Montageprozesses ab.

In einem zweitägigen Workshop werden nun am 8. und 9. Juni 2005 im Fraunhofer-Institut für Lasertechnik ILT in Aachen die wesentlichen Ergebnisse dieser Projekte zusammengefasst und einem interessierten Publikum aus Technik und Wissenschaft vorgestellt. Anhand praktischer Beispiele wird die Leistungsfähigkeit der entwickelnden Technologien sowie deren Potential für künftige Anwendungen demonstriert.

Laseranwendungen gehören durch die herausragenden Eigenschaften des Werkzeugs Laserstrahl mit erreichbaren Strukturgeometrien < 10 µm und minimaler thermischer Belastung der Bauteile in der Herstellung feinwerktechnischer und mikrotechnischer Produkte mittlerweile zum Stand der Technik. Trotzdem ergeben sich vor allem durch die Entwicklung neuer Strahlquellen beinahe täglich neue Einsatzbereiche, die zu neuen Funktionalitäten und einer weiteren Miniaturisierung vieler technischer Produkte führen. Hervorzuheben sind hier vor allem neue leistungsstarke Diodenlaser für Schweißanwendungen und Oberflächenmodifikationen, Hochleistungs-Kurzpulslaser und hochrepetierende UV-Laser zum Abtragen und zur Einstellung von speziellen Materialeigenschaften durch Nutzung nichtlinearer Phänomene sowie leistungsstarke gütegeschaltete Festkörperlaser, die zum Abtragen mit Geometrien im µm-Bereich eingesetzt werden können. Darüber hinaus werden aber auch durch die Kombination von Laserverfahren mit klassischen neue Fertigungstechniken erschlossen, die zu kürzeren Prozessketten, einer erhöhten Integrationsdichte miniaturisierter Produkte und der Bearbeitbarkeit neuer Werkstoffe führen. Im Rahmen des BMBF-Förderprogramms „Forschung für die Produktion von Morgen“ wurden in den vier industriellen Verbundprojekten Mikrotool, Kombilas, OPTOMAT und RapidFluid in einer engen Zusammenarbeit von insgesamt 23 Partnern aus Industrie und Forschung Technologien zur Herstellung mikrotechnischer Produkte entwickelt, die zu deutlichen Kosteneinsparungen in der Prozesskette und neuen Fertigungsmöglichkeiten geführt haben. Die einzelnen Projekte deckten dabei die gesamte Fertigungskette vom Rapid Prototyping, der Werkzeug- bzw. Bauteilherstellung bis zur Fügetechnik im Rahmen des Montageprozesses ab. Für das Rapid Prototyping mikrofluidischer Bauteile für die Analytik und Medizintechnik wurde im Rahmen des Projektes RAPIDFLUID eine durchgängige Verfahrens- und Anlagentechnik entwickelt und erprobt. Basis dieser Technologie ist eine Laser-Ablationsmaschine zur Erzeugung beliebiger Kanalstrukturen und Mikrogeometrien auf Basis eines ArF-Eximerlasers mit Repetitionsraten > 1000 Hz und einer Werkstückhandhabung mit einer absoluten Genauigkeit besser 1 µm. Die Rapid Prototyping-Fertigungskette wird komplettiert durch einen ebenfalls laserbasierten Maskenschweissprozess, mit dem die fluidischen Mikrostrukturen mit minimaler Werkstoffbeeinflussung gedeckelt werden können.

Das Projekt „Mikrotool – Rapid Tooling für Mikrobauteile“ hatte zum Ziel, für Serien-Replikationsverfahren wie z.B. Druckguss, Spritzguss oder Prägen Konzepte und Technologien zur Verkürzung der Herstellzeit für komplexe Werkzeuge bereitzustellen. Hierfür wurden modulare Werkzeugkonzepte sowie neue hochgenaue Laserabtragsverfahren entwickelt und zur Verkürzung der Prozesszeit miteinander kombiniert. Mit diesen Verfahren können in komplexen Abformwerkzeugen

• Teil-Geometrien mit Dimensionen < 100 µm
• mit Genauigkeiten im Bereich < 10 µm
• und Oberflächenqualitäten im Bereich Ra < 1 µm
  bei einer deutlichen Verkürzung der Prozesszeit erzielt werden.

Die Kombination klassischer Verfahren mit innovativen Laserverfahren, jedoch bezogen auf eine besondere Werkstoffklasse, wurde im Projekt Kombilas verfolgt. Hier stand im Vordergrund, Verfahren und Maschinen zur Bearbeitung keramischer und schwer zerspanbarer Werkstoffe z. B. aus Keramik, hochfesten Stählen und ultraharten Werkstoffen, wie z. B. Saphir und Diamant mit Geometrien im Mikrometerbereich bereitzustellen. Produkte aus diesen Werkstoffen finden sich zunehmend in der Kommunikationstechnik, der Sensortechnik und der Medizintechnik, wo ein Maximum an Funktionalität mit einem Minimum an Raum und besonderen äußeren Umgebungsbedingungen kombiniert werden müssen. Für diese Anwendungen wurden im Rahmen des Projektes Kombilas Präzisionsbearbeitungs- verfahren, wie das Laserabtragen, das Schleifen und die Ultraschallbearbeitung qualifiziert und durch deren Kombination eine Verkürzung der Prozesskette und eine Ausweitung des Bearbeitungsbereichs erreicht.

Für die Montage mikrotechnischer Bauteile aus neuen artungleichen Materialkombinationen wurden schließlich im Projekt OPTOMAT Laserstrahlfügeverfahren, wie Schweißen und Löten zur Integration in automatisierte Fertigungslinien mit hoher Prozesssicherheit entwickelt. Der Schwerpunkt der Entwicklungen lag hier auf der Bereitstellung von schnellen, kostengünstigen und verzugsminimierten Fügetechniken zur Verbindung von Stahl- und Kupferwerkstoffen. Hiermit lassen sich neue optimierte Produkte realisieren, die die Vorzüge der unterschiedlichen Werkstoffe kombinieren und für Elektronik, Sensorik und Medizintechnik neue Produkteigenschaften ermöglichen.

In einem zweitägigen Workshop werden nun am 8. und 9. Juni 2005 im Fraunhofer-Institut für Lasertechnik ILT in Aachen die wesentlichen Ergebnisse dieser Projekte zusammengefasst und einem interessierten Publikum aus Technik und Wissenschaft vorgestellt. Anhand praktischer Beispiele wird die Leistungsfähigkeit der entwickelnden Technologien sowie deren Potential für künftige Anwendungen demonstriert.