Strukturieren/Texturieren

Strukturieren und Texturieren

Präzises Erzeugen von Strukturen und Texturen mittels Laserstrahlung

Vielfältige Oberflächengestaltung dank Laserstrahlung

Der Ultrakurzpuls-Laser ist ein extrem vielfältiges Werkzeug für die Bearbeitung von Oberflächen. Strukturierungen und Texturierungen werden dabei durch Laserabtrag hergestellt. So können regelmäßige Strukturen hergestellt werden, um die technischen Eigenschaften einer Oberfläche gezielt anzupassen. Des Weiteren können die optischen und ästhetischen Merkmale sowie die haptischen Eigenschaften einer Oberfläche verändert werden. Aufgrund seiner Präzision von wenigen 10µm quer zur Strahlrichtung und wenigen µm in Strahlrichtung können Sturkturen und Texturen äußerst detailreich erzeugt werden.

Die Vorteile des Stukturierens und Texturieren mit dem UKP-Laser sind:

Detailreiche Strukturierung dank der Flexibilität und der guten Fokussierbarkeit des Werkzeugs Laser. Die erreichbaren Genauigkeiten liegen im µm-Bereich in allen drei Dimensionen.
Hochqualitative Bearbeitung. Dank minimalem Wärmeeintrag bei der Bearbeitung mit dem Ultrakurzpuls-Laser werden qualitätsmindernde Effekte verhindert. So kann beispielsweise die Ausbildung eines Grats vermieden werden.
Geringe Rauigkeit (Ra < 1µm möglich) der laserstrukturierten Oberflächen.

Laserstrukturieren bzw. Lasertexturieren

Beim Laserstrukturieren bzw. -texturieren werden durch Materialabtrag regelmäßig angeordnete Geometrien auf einer Oberfläche erzeugt. Die einzelnen Elemente der Struktur können nur wenige Mikrometer bis mehrere Millimeter groß sein. Vorlage für die Strukturierung sind typischerweise dxf-Dateien, in denen die zu erzeugenden Geometrien gespeichert sind. Zur Strukturierung/Texturierung kommt ein Scannersystem zum Einsatz, welches den Laserstrahl schnell über das Werkstück bewegt und in mehreren Bearbeitungsschritten die gewünschte Geometrie Schicht für Schicht abträgt.

Die Technologie des Materialabtrags mit dem Ultrakurzpuls-Laser

Das Erzeugen von Strukturen ist eine der vielfältigsten Anwendungen mit dem Ultrakurzpuls-Laser. Dabei wird der Laserstrahl typischerweise mit einem Scannersystem über das Werkstück bewegt und das Material schichtweise abgetragen. In mehreren Bearbeitungsschritten wird so die gewünschte Geometrie erzeugt. Dieses Vorgehen ist in der folgenden Abbildung skizziert.
2,5D-Strukturieren mit dem Ultrakurzpuls-Laser
Pro Laserpuls wird weniger als 1 µm an Material abgetragen. Dementsprechend werden mehrere Bearbeitungsschritte benötigt, um die gewünschte Geometrie zu erzeugen. Um ein qualitativ hochwertiges Bearbeitungsergebnis mit einer geringen Rauigkeit der Oberfläche zu erhalten, müssen die Prozessparameter korrekt eingestellt werden. Wesentliche Einflussparameter sind unter anderem die Energiedichte des Laserstrahls im Fokus, der Pulsüberlapp sowie die Schraffur, welche in jedem Bearbeitungsschritt abgearbeitet wird. Im Folgenden soll ein kurzer Überblick über den Einfluss der einzelnen Parameter gegeben werden:
  • Energiedichte: Hinsichtlich der Prozesseffizienz existiert eine optimale Energiedichte, welche abhängig vom Material ungefähr 5x bis 15x der Abtragsschwelle entspricht. Doch nicht nur hinsichtlich der Prozesseffizienz ist dieser Bereich der Energiedichte optimal, sondern auch hinsichtlich der Qualität des Abtragergebnisses. Zu hohe Energiedichten führen zu einer stark aufgerauten Oberfläche.
  • Pulsüberlapp: Da der Laserstrahl ein gaußförmiges Strahlprofil aufweist, ist die Tiefe des Abtrags erzeugt durch einen Laserpuls parabelförmig. Um ein gleichmäßiges Abtragsergebnis zu erzielen, wird also ein gewisser Überlapp zwischen den Pulsen benötigt. Limitierend wirkt hierbei allerdings der Effekt der Wärmeakkumulation. Bei zu hohem Pulsüberlapp akkumuliert sich die durch jeden einzelnen Laserpuls eingebrachte Wärme, so dass die Temperatur des Werkstücks eine Schädigungstemperatur übersteigt und es zu qualitätsmindernden Effekten kommt.
  • Schraffur: Um einen gleichmäßigen Abtrag mit geringer Oberflächenrauigkeit zu realisieren, sollte die Schraffur für jeden Bearbeitungsschritt angepasst werden. So wird vermieden, dass sich aufgrund des parabelförmigen Abtrags pro Puls Unregelmäßigkeiten im Abtrag mit jedem Bearbeitungsschritt aufsummieren.
Mit der Zunahme an industriellen Applikationen der Strukturierung mit dem Ultrakurzpuls-Laser werden weitere Bearbeitungsstrategien entwickelt. So kommen beispielsweise Burst-Pulse zur Anwendung, um die Abtragsrate im Vergleich zu einzelnen Pulsen zu steigern. Die dabei entstehenden, rauen Oberflächen können mittels eines Nanosekunden-Lasers nachträglich geglättet werden. Solche Weiterentwicklungen eröffnen stetig neue Anwendungsfelder für die Technologie der Strukturierung mit dem Ultrakurzpuls-Laser.
Nur die korrekte Kombination der unterschiedlichen Prozessparameter erzeugt eine qualitativ hochwertige Struktur.
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