Selektives Laserätzen von Glas und Saphir

Themenbroschüre Selektives Laserätzen von Glas und Saphir
© Fraunhofer ILT, Aachen.

Themenbroschüre Selektives Laserätzen von Glas und Saphir

Mit dem neuartigen Laserfertigungsverfahren »Selektives Laserätzen« (Selective Laser induced Etching SLE) stellt das Fraunhofer-Institut für Lasertechnik ILT ein Herstellungsverfahren für Mikrokanäle, Formbohrungen und -schnitte in transparenten Bauteilen aus Quarzglas, Borosilikatglas, Saphir und Rubin zur Verfügung. Mikrometerfeine Strukturen und ganze Bauteile wer den dir ekt aus 3D-CAD-Daten hergestellt.

Das Verfahren

Wird ultrakurz gepulste Laserstrahlung in das Volumen eines transparenten Werkstücks fokussiert, so wird die Pulsenergie nur im Fokusvolumen durch Mehrphotonenprozesse absorbiert. In diesem Fokusvolumen wird das transparente Material rissfrei in seinen optischen und chemischen Eigenschaften derart verändert, dass es selektiv chemisch ätzbar wird. Durch Auslenkung des Fokus im Material mittels Mikroscannersystem werden zusammenhängende Bereiche modifiziert, die nachfolgend mittels nass-chemischen Ätzen entfernt werden können. Somit können Mikrokanäle, Formbohrungen, strukturierte Bauteile und komplexe, zusammengesetzte mechanische Systeme in Glas oder Saphir hergestellt werden.

Gesteigerte Wirtschaftlichkeit für Klein- und Großserien

Gekennzeichnet ist das SLE-Verfahren durch große Energieeffizienz (Umschmelzen statt Verdampfen), große Materialeffizienz (Schnittfugen von wenigen Mikrometern), große Präzision in drei Dimensionen (1 μm Fokus, keine Ablagerungen) und die Skalierbarkeit zu großen Geschwindigkeiten durch die Anwendung von gepulster Laserstrahlung mit großer Repetitionsrate.

Diese Eigenschaften sind am Fraunhofer ILT in Zusammenarbeit mit dem Lehrstuhl für Lasertechnik LLT der RWTH Aachen University erstmals realisiert worden. Die Entwicklung schneller Ablenksysteme macht die Herstellung von individuellen mikrostrukturierten Bauteilen aus Glas und Saphir zu Kosten möglich, wie sie bisher nur mit Maskenverfahren oder abformenden Verfahren für identische Bauteile aus Kunststoff in großer Serie realisierbar waren.

Durch das Skalierungspotenzial auf Taktzeiten im Bereich von Sekunden wird die direkte industrielle Umsetzung möglich. Mittelfristig sind somit kostengünstige Bauteile aus Gläsern und Saphir herstellbar, die sich gegenüber heutigen Kunststoffbauteilen durch große Beständigkeit auszeichnen und einfach gereinigt und sterilisiert werden können. Langfristig bietet sich mit SLE ein enormes Potenzial für eine individualisierte Massenproduktion, da keine teuren Masken oder Abformwerkzeuge erforderlich sind und somit keine bauteilspezifischen Fixkosten anfallen. Ein Bauteil kann innerhalb von Sekunden direkt aus der Software (CAD-Daten) generiert werden (Bild 3,4). Das SLE-Verfahren ermöglicht so die Herstellung von Prototypen, Klein- und Großserien mit übertragbaren Verfahrensparametern sowie die Fertigung kundenspezifischer, mechanischer Mikrosysteme mit völlig neuen Funktionsmerkmalen bei gleichzeitiger Kosten und Zeitersparnis. Zudem bietet SLE den Vorteil der uneingeschränkten Geometriefreiheit unter Berücksichtigung der serienidentischen Gebrauchseigenschaften bei transparenten Bauteilen.

Formschneiden und Formbohren

In den Einsatzbereichen Feinmechanik und Medizintechnik werden mit dem SLE-Verfahren Bauteile aus Saphir und Glas ausgeschnitten. Hierbei sind Schnittbreiten von z. B. < 5 μm bei einer Materialstärke von 1 mm möglich. Durch den Einsatz eines Mikroscanners und einem präzisen Achssystem werden beliebige Formen mit einer Genauigkeit von 1 μm geschnitten. Die dabei resultierenden Formbohrungen und geschnittenen Bauteile weisen eine Oberflächenrauheit der Schnittkanten von Rz < 1 μm auf. In Dünnglas (< 200 μm, alkalifreies Borosilikatglas) wurden Konturbohrungen < 50 μm gefertigt.

Mikrostrukturierte 3D-Bauteile

Mikrostrukturierte Bauteile für Feinmechaniken wie sie im Uhrenbau, in der Mikrooptik oder der Medizintechnik zum Einsatz kommen, können mit dem SLE-Verfahren in Saphir und Glas hergestellt werden. Beispielsweise lässt sich ein Röhrchen aus Quarzglas mit einer Länge und einem Durchmesser von 1 mm und einer Wandstärke von lediglich 8 μm mit einer Rauheit Rz von 1 μm präzise fertigen. Da das zu entfernende Material im Volumen mit μm-Präzision belichtet wird, können zusammengesetzte Bauteile wie zum Beispiel ein Zahnrad, drehbar auf einer Achse, direkt montiert gefertigt werden. Eine aufwändige Justage und Montage bei der Herstellung von komplexen mikromechanischen Systemen wird mit dem SLE-Verfahren überflüssig.

Mikrokanäle im Inneren von Glas und Saphir

Mikrofluidische Systeme können mit dem SLE-Verfahren in thermischen und chemisch beständigen Materialien wie Quarzglas, Borosilikatglas oder Saphir für Anwendungsbereiche wie der medizinischen Diagnostik hergestellt werden (Bild 1). In Quarzglas wird das durch Laserstrahlung modifizierte Volumen um den Faktor 1000 schneller geätzt als das unmodifizierte Glas. Die Aspektverhältnisse dieser Kanäle entsprechen dieser Selektivität. So sind minimale Kanaldurchmesser von 10 μm bei einer Länge von einigen Millimetern realisierbar. Durch das Scannen oder die Bewegung der Laserstrahlung im Volumen können Kanäle, Verzweiger und beliebige Hohlstrukturen hergestellt werden.

Mikrostrukturierte 3D-Bauteile

Mikrostrukturierte Bauteile für Feinmechaniken wie sie im Uhrenbau, in der Mikrooptik oder der Medizintechnik zum Einsatz kommen, können mit dem SLE-Verfahren in Saphir und Gläsern hergestellt werden. In Quarzglas können aktuell bis zu einer Substratstärke von 7 mm (bei einseitiger Belichtung) beliebige Formen von Bauteilen hergestellt werden.

Ausblick

Am Fraunhofer ILT wird das SLE-Verfahren kontinuierlich weiterentwickelt und für kundenspezifische Anwendungen optimiert. Schwerpunkte sind dabei die Verringerung der Oberflächenrauheit, die Prozessentwicklung zur Erweiterung der bearbeitbaren Werkstoffpalette und die Vergrößerung der Vorschubgeschwindigkeit durch den Einsatz neuer Femtosekundenlaser mit mittleren Leistungen von 200 - 1000 W.