Mikro- und Nanostrukturierung

Unser Leistungsangebot

Aufgrund des geringen Wärmeeintrags in Werkstücke und der hohen Strahlqualität wird gepulste, insbesondere ultrakurz gepulste (UKP), Laserstrahlung verwendet, um hochpräzise funktionelle Mikro- und Nanostrukturen zu erzeugen. Diese schonende Art der subtraktiven Lasermaterialbearbeitung lässt sich für eine Vielzahl von Prozessen nutzen, beispielsweise für das Strukturieren, Abtragen, Bohren, Schneiden oder für das selektive Dünnschichtabtragen. Im Gegensatz zu vielen mechanischen Verfahren arbeitet der Laser nahezu verschleißfrei und mit hoher Produktivität.

Um hohe mittlere Leistungen – etwa im Multi-hundert Watt-Bereich – in Abtragprozessen effizient einsetzen zu können und die Produktivität der Verfahren zu steigern, werden neue Ansätze der Laserstrahlführung erprobt und in reale Systeme umgesetzt. Bei der parallelisierten Multistrahlbearbeitung wird der eingehende Laserstrahl in mehrere Einzelstrahlen aufgeteilt. Dieses Konzept wurde am Fraunhofer ILT u. a. für Bohranwendungen in der Filter- und Siebtechnik oder für Beschichtungsmasken umgesetzt. Damit wurden bereits Bohrraten bis 12.000 Bohrungen/s mit Präzision im Mikrometerbereich erzielt. Neben der Parallelisierung von Prozessen werden Strahlformungskonzepte entwickelt, die insbesondere für die effiziente Bearbeitung von Glas, Saphir, Keramiken, Halbleitern und heterogenen Schichtsystemen notwendig sind.

Mikro- oder Nanostrukturen lassen sich z. B. in der optischen Industrie als Antireflexionsbeschichtungen oder Polarisatoren, in der Elektronik und Messtechnik als neuartige sensorische Elemente oder in der Medizin und Biotechnologie als nanoskalige Partikelfilter nutzen.

Das Leistungsangebot umfasst die Entwicklung von Verfahren und Systemen, Machbarkeitsstudien, die Simulation und Modellierung sowie individuelle Beratung.

Mikrostrukturierte Metalloberfläche.
© Fraunhofer ILT, Aachen.
Mikrostrukturierte Metalloberfläche.
Abtragprozess von Dünnglas.
© Fraunhofer ILT, Aachen.
Abtragprozess von Dünnglas.
Anordnung von Mikrolöchern in Dünnglas.
© Fraunhofer ILT, Aachen.
Anordnung von Mikrolöchern in Dünnglas.

Laserstrahlabtragen

  • Herstellung von Werkzeugen und Werkzeugeinsätzen
  • Herstellung von funktionalen Oberflächen
  • Selektiver Abtrag von dünnen Schichten
  • Strukturgrößen < 10 μm bei Oberflächengenauigkeiten < 200 nm

Laserstrahlfeinschneiden

  • Hochgeschwindigkeits-Feinschneiden mit Schnittbreiten < 20 µm
  • 3D-Anwendungen
  • Remote-Feinschneiden

Nanostrukturierung

  • Herstellung von deterministischen periodischen Oberflächenstrukturen durch Mehrstrahl-Interferenz
  • Herstellung von statistischen periodischen Oberflächenstrukturen mittels laserinduzierten Oberflächeneffekten (LIPSS, nano ripples)
  • Strukturgrößen im Bereich von 100 nm - 500 nm

Laserstrahlbohren

  • Präzisionsbohren mit Ø > 30 μm bei Bohrtiefen bis zu 2 mm
  • Hochratebohren mit bis zu 12.000 Bohrungen/ s
  • Mikrobohren mit Bohrdurchmessern < 1 µm

Hybride Verfahren zur Mikrostrukturierung

  • Verwendung einer prozessbegleitenden selektiven Laserheizung zur Veränderung der Materialeigenschaften
  • Replikative Erzeugung von Mikro- und Nanostrukturen durch laserunterstütztes Heißprägen

Broschüren

Unsere Broschüren vermitteln einen schnellen Einblick in unsere Leistungsangebote. Detaillierte Informationen und einzelne Projektergebnisse finden Sie auch im Reiter »Projektergebnisse«.

 

»Mikro- und Nanostrukturierung mit Laserstrahlung«

 

»Laserverfahren für die Wasserstoff­technologie«

 

»Bohren mit Laserstrahlung«

 

»Selektives Laserätzen von Glas und Saphir«

 

»Laserabtrag für die Dünnschicht-Strukturierung«

 

»Laser in der Kunststofftechnik«

»Laser in der Photovoltaik«

»Applikationszentrum Laserstrukturierung für den Werkzeug- und Formenbau«

Video: Stifterverbandspreis für Multistrahl-Laserverfahren

Datenschutz und Datenverarbeitung

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Der Ultrakurzpulslaser als Werkzeug für die Präzisionsfertigung findet eine immer breitere Akzeptanz unter den industriellen Anwendern. Insbesondere wird diese Entwicklung bedingt durch systemtechnische Neu- oder Weiterentwicklungen, welche eine signifikante Steigerung der Produktivität zulassen. Eine deutliche Produktivitätssteigerung war auch das Ziel eines Teams aus Industrie und Forschung, das auf der Jahrestagung der Fraunhofer-Gesellschaft am 9. Oktober 2020 den Wissenschaftspreis des Stifterverbands für Verbundforschung erhielt. Das Team hat eine Technologie entwickelt, bei der ein Laserstrahl in bis zu 16 Teilstrahlen aufgeteilt wird. Das sind 16 Werkzeuge, die parallel und individuell gesteuert für die Herstellung funktionaler Oberflächen eingesetzt werden können.

Video: Laserverfahren für die Wasserstofftechnologie

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Grüner Wasserstoff ist der Energieträger der Zukunft. Zu den potentiellen Anwendungsgebieten zählen die Mobilität sowie die Hausenergieversorgung auf Brennstoffzellenbasis. Für eine breite Marktdurchdringung bedarf es neben technologischen Weiterentwicklungen vor allem einer deutlichen Kostenreduktion entlang der Wertschöpfungsketten von Elektrolyseuren, Brennstoffzellen und deren Komponenten.

Am Fraunhofer ILT werden hochproduktive Laserverfahren entwickelt, die bei der Skalierung der Herstellungsprozesse eine entscheidende Rolle spielen.

Märkte

Lasertechnik trägt in unterschiedlichen Märkten zur Lösung anspruchsvoller Aufgabenstellungen bei. Ob als Werkzeug in der Automobilfertigung, als Messmittel im Umweltbereich, als Diagnose- oder Therapieinstrument in der Medizintechnik oder als Kommunikationsmedium in der Raumfahrttechnik, der Laser bietet vielfache Einsatzmöglichkeiten mit hoher Produktivität und hoher Effizienz.

Auf den Markt-Webseiten finden Sie weitere Informationen und eine Auswahl aus unserem Angebot.

 

Forschen Sie mit uns!

Bei Fragen zu übergreifenden Themen nehmen Sie einfach Kontakt mit uns auf! Unsere Ansprechpartner stehen Ihnen gerne zur Verfügung.

Publikationen

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Proceedings Volume 12409, Laser-based Micro- and Nanoprocessing XVII (Proc. of SPIE), 1240911 (2023)
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Beam shaping for large-area laser structuring in a roll-to-roll process.
SPIE Optical Engineering + Applications 21-26 August 2022, San Diego, California, United States.
Proceedings Volume 12216, Novel Optical Systems, Methods, and Applications XXV; 1221604 (2022)
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Lanfermann, A., Barthels,T., Nießen, M., Abels, P., Klass, G., Riester, C., Pham, T.Q., Steffens, O.,
Innovative Filtermodule für die Abscheidung von Mikroplastik aus Abwasser.
GWF: Wasser, Abwasser 163, 51-54 (2022)

Lanfermann, A., Barthels, T., Nießen, M., Abels, P., Klass, G. , Riester, C., Pham, T.Q. Steffens, O.,
Innovative Filtermodule für die Abscheidung von Mikroplastik aus Abwasser.
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Pongratz, L., Vannahme, K.
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SPIE LASE, 2021, Online Only., Laser-based Micro- and Nanoprocessing XV; (Proc. of SPIE 11674),116740P-, (2021) 11674
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Pongratz, L., Vannahme, K.:
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The 22nd International Symposium on Laser Precision Microfabrication, June 8-11, 2021 (Web Conference).
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He, C., Vannahme, K., Gillner, A.:
High-efficiency sub-micrometer multi-beam interference structuring for large-scale surface using ultrashort laser pulses.
The 19th International Symposium on Laser Precision Microfabrication Edinburgh Conference Centre, Heriot-Watt University, Edinburgh, UK, 25-28 June, 2018.
Proceedings of LPM2018, #18-042, (X S.), (2018)

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Ultrashort Pulse Processing of Transparent Ceramics: The Role of Electronic and Thermal Damage Mechanisms.
J LASER MICRO NANOEN 13 (2), 126-130 (2018)

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Kalupka, C., Großmann, D., Reininghaus, M.:
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Carstens, H., Högner, M., Saule, T., Holzberger, S., Lilienfein, N., Guggenmos, A, Jocher, C., Eidam, T., Esser, D., Tosa, V. , Pervak, V., Limpert, J., Tünnermann, A., Kleineberg, U., Krausz, F., Pupeza, I.:
High-harmonic generation at 250  MHz with photon energies exceeding 100  eV.
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Hybrid laser-etching-process for wafer texturing
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Bobzin, K., Bührig-Polaczek, A., Michaeli, W., Poprawe, R., Bagcivan, N., Beckemper, S., Eilbracht, S., Gillner, A., Hartmann, C., Holtkamp, J., Ivanov, T., Klaiber, F., Scharf, M., Schöngart, M., Theiß, S.:
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Investment casting of surfaces with microholes and their possible applications 
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Ivanov, T., Bührig-Polaczek, A., Vroomen, U., Hartmann, C., Holtkamp, J., Gillner, A., Bobzin, K., Bagcivan, N., Theiss, S.:
Replication of specifially microstructured surfaces in A356-alloy via lost wax investment casting
J. Micromech. Microeng. 21, 85026-85026, (2011)

Michaeli, W., Schöngart, M., Klaiber, F., Beckemper, S.:
Production of superhydrophobic surfaces using a one-step variothermal injection moulding process
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Schulz-Ruhtenberg, M., Trusheim, D., Das, J., Krantz, S., Wieduwilt, J:
Influence of pulse duration in picosecond laser ablation of silicon nitride layers 
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Schulz-Ruhtenberg, M., Häberle, A., Russell, A., Hernández, J. L., Krantz, S.:
Influence of the pulse width for visible pulsed laser doping for crystalline solar cells using phosphosilicate glass 
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Sedao, X., Sarnet, T., Hernandez, J. L., Schulz-Ruhtenberg, M., Krantz, S.:
Edge isolation using ultra-short pulse laser materials with a top-hat beam profile 
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Trusheim, D., Schulz-Ruhtenberg, M., Baier, T., Krantz, S., Bauer, D., Das, J.:
Investigation of the influence of pulse duration in laser processes for solar cells 
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All-optical fabrications of ellipsoidal caps on azobenzene functional polymers
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Investigation and development of a molding process for the production of micro-hairs 
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Quest for the ideal laser for an industrial laser doping process for crystalline solar cells
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Schulz-Ruhtenberg, M., Hernandez, J. L., Prajapati, V., Bleidiessel, R., Morilla, C., Larmanda, Y., Vervisch, V., Sarnet, T., Olowinsky, A.:
Direct laser doping for high-efficiency solar cells
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Temmler, A., Willenborg, E., Pirch, N., Wissenbach, K.:
Structuring by remelting
Proc. of the 5th Int. WLT Conf. on Lasers in Manufacturing 2009, Munich, June 15th - 18th, 2009. Ed. by A. Ostendorf [u.a.] Stuttgart: AT-Fachverlag, pp. 403-407, (2009)

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High speed high precision ablation from ms to fs
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Gillner, A.
Laser micro processing
Laser Technik J. 5, 27-30, (2008)

Wortmann, D., Gottmann, J., Brandt, N., Horn-Solle, H.:
Micro- and nanostructures inside sapphire by fs-laser irradiation and selective etching
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Unsere Leistungsangebote decken ein weites Themenspektrum ab. Verwandte Themen zur Mikrostrukturierung und weitere Schwerpunkte aus Forschung und Entwicklung finden Sie unter den folgenden Links.