23. Mai 2011 | Aktuelles

PIKOFLAT: Materialbearbeitung mit brillanten Hochleistungs-Ultrakurzpulslasern zur Herstellung von hochqualitativen Prägezylindern und Schneidplatten

Anwendung

Die Druck- und Prägetechnik verlangt nach präzisen Strukturen mit hohem Aspektverhältnis auf großen Flächen. Vor allem für die Herstellung von Lichtleitstrukturen für die Hintergrundbeleuchtung von LED-Displays sind hier großflächige Techniken wie die Zylinderdirektstrukturierung gefragt. Die Firma Schepers mit Sitz in Vreden bietet hierzu eine Reihe von laserbasierten Systemen an zur Herstellung von Druck- und Prägewalzen bis zu 16 m Länge an. Diese auf Nanoeskundenlasern basierten Systeme erlauben auf der einen Seite eine hohe Abtragsrate, allerdings wird die Strukturauflösung durch den schmelzdominierten Abtragsmechanis-mus bei Nanosekundenlasern beschränkt. Die Entwicklung von hochauflösenden Strukturierungsprozes-sen auf Basis von Hochleistungs-Ultrakurzpulslasern stellt aufgrund des zu erwartenden Marktpotentials einen wichtigen Forschungsschwerpunkt dar. Im BMBF-Forschungsprojekt „Pikoflat“ stellt sich ein Expertenteam aus Laserherstellern, Prozessentwicklern und Anlagenherstellern dieser Heraus-forderung.

Vorgehensweise

Die Grundvoraussetzung zur Umsetzung einer wirtschaftlich nutzbaren großflächigen Ultrakurzpulsstrukturierung ist eine möglichst hohe Materialabtragsrate. Aus diesem Grund bestand das Ziel von „Pikoflat“ darin Materialabtragsraten im Bereich von 20 mm³/min zu erreichen. In einer gemeinsamen Kraftanstrengung der Projektpartner Lumera Laser, Edgewave und Fraunhofer ILT wurden dazu neuartige Seederkonzepte mit der Laserverstärkung durch die INNOSLAB-Technologie vereint. Das Ergebnis waren zwei Pikosekunden-lasersysteme mit einer mittleren Ausgangsleistung von bis zu 400W und einer Repetitionsrate von bis zu 10.7 MHz. Die Laserstrahlquellen wurden bei den Partnern Saueressig, Schepers an Anlagen zur Strukturierung von Walzen und am Fraunhofer ILT bezüglich des Materialabtrags charakterisiert.

Ergebnisse und Anwendungen

Der neue Ansatz konnte erfolgreich am Beispiel einer Prägewalze aus Aluminium getestet werden (siehe auch Bilder). Trotz der Erschwernis bei der Suche nach geeigneten Prozessparametern durch unerwünschte Materialeffekte beim Laserabtrag (z.B. Cone-like protrusions) konnte durch Einsatz einer schnellen Scantechnik ein passendes Prozessfenster gefunden werden. Die Strukturen weisen exzellente Konturschärfen bei hohem Aspektverhältnis auf. In Experimenten konnten sogar Auflösungen von bis zu 3 µm realisiert werden. Damit können sich die Anwenderfirmen Schepers und Saueressig schon jetzt neue Märkte im Bereich des Sicherheitsdrucks und des Mikroprägens erschließen.

PIKOFLAT May 11 Fig 1

Mit einem Pikosekundenlaser strukturierter Aluminium Prägezylinder mit Demostrukturen (Fa. Schepers). Die für die Strukturierung verwendete Laserstrahlquelle (80W, 3MHz) wurde im Rahmen von Pikoflat als erster Prototyp entwickelt. Bearbeitungszeit: ca. 10h.

PIKOFLAT May 11 Fig 2

Dreidimensionale Prägekontur auf dem Prägezylinder. Das neue Verfahren erlaubt in der laserbasierten Prägetechnik bisher unerreichte Strukturqualitäten. Beschichtung des Zylinders: Nickel

PIKOFLAT May 11 Fig 3

Laserstrukturierte Schneidplatte in Hartmetall (Fa. Sauer Lasertec). Zur Strukturierung wurde eine Lumera Hyperrapid 50 eingesetzt. Bearbeitungsdauer: ca 1h.