Lasermodifizieren von Oberflächen
Was ist Lasermodifizieren von Oberflächen?
Lasermodifizieren von Oberflächen ist ein weit gefasster Begriff, der verschiedene Beschriftungs- und flache Gravurverfahren umfasst. Es wird auf so unterschiedlichen Produkten wie Autoteilen, medizinischen Geräten, Weinfässern, mikroelektronischen Komponenten und Grabsteinen verwendet.
Das Lasermodifizieren von Oberflächen ist eine Methode zur Erzeugung sichtbarer Beschriftungen oder Muster auf einer Vielzahl von Materialien. In der Tat variiert die genaue Definition von „Modifizieren“ (unter dem Überbegriff Markieren) je nach Material und Anwendung.
Das Modifizieren von Oberflächen kann sowohl für funktionale Anwendungen als auch Markieren verwendet werden. Es wird hierbei immer das Oberflächenprofil eines Teils verändert. Aber diese Veränderung des Profils, die entweder ein erhöhter oder ein abgesenkter Bereich sein kann, ist im Allgemeinen sehr flach ausgeführt.
Das Lasermodifizieren von Oberflächen wird auf die gleiche Weise durchgeführt wie viele andere Laserprozesse zum Strukturieren, Markieren oder Abtragen. Tatsächlich ist es gar nicht so ungewöhnlich, dass ein einziges Lasergerät all diese Funktionen erfüllt.
Um das gewünschte Muster zu erzeugen, scannt der meist gepulste Laserstrahl über die Oberfläche des Teils, während er moduliert wird. Eine Möglichkeit, diese Bewegung zu erzeugen, ist ein Galvanometer-Scanner-System. In diesem Fall wird die Strahlbewegung mit beweglichen Spiegeln erreicht. Diese Methode wird wegen ihrer hohen Geschwindigkeit häufig eingesetzt. Außerdem eignet sich diese Technik zum Gravieren von gekrümmten Teilen (oft in Kombination mit einer Drehbewegung des Teils).
Alternativ kann die Optik (oder das Teil selbst) mit Hilfe linearer Bewegungstische bewegt werden, um das Beschriftungsmuster zu zeichnen. Größere Teile werden fast immer auf diese Weise graviert.
Jeder Werkstoff
Fast jede Art von Material kann mit dem Laser graviert werden. Dazu gehören Metalle, Plastik, Glas und Keramik, Naturstein und Halbleiter.
Das Lasermodifizieren von Metallteilen wird in vielen Branchen eingesetzt, darunter die Automobilindustrie, die Luft- und Raumfahrt, die Medizintechnik, die Öl- und Gasindustrie und viele mehr. Es kann auf jedem Metall angewendet werden, einschließlich Aluminium, Stahl, Messing, Kupfer und Titan.
Beim Lasermodifizieren von Oberflächen wird das Material normalerweise erhitzt, bis es schmilzt und teilweise verdampft. Nach diesem kurzen Lasererwärmungszyklus kühlt das Material sofort ab. Die Laserbearbeitung hinterläßt einen erhabenen oder vertieften Bereich, der eine rauhere Textur oder glattere Oberfläche aufweisen kann.
Bei Metallen verändert das Lasermodifizieren die Oberflächenhöhe normalerweise um weniger als 25 µm. Im Gegensatz dazu ist die Laser-Tiefengravur oft zehnmal so tief. Da beim Lasermodifizieren von Oberflächen viel mehr Material entfernt werden muss, kann das Lasergravieren in der Regel viel schneller durchgeführt werden.
Ein weiterer Vorteil des Lasergravierens ist, dass die erzeugten Beschriftungen dunkel, hell oder sogar in Grautönen erscheinen können. Die Lasergravur erzeugt in der Regel nur dunkle Beschriftungen. Allerdings sind die flacheren modifizierten Beschriftungen nicht so dauerhaft und abriebfest wie tiefgravierte Beschriftungen.
Glas wird für dekorative Zwecke und Beschriftungen mit dem Laser oberflächenmodifiziert. Auf Trinkgläser, Tassen, Flaschen, Auszeichnungstafeln, Spiegel und vieles mehr können Text, Designs und anderen komplexen Mustern, sogar mit Bildern, gelasert werden. In der Industrie werden viele Produkte, die in Glasbehältern geliefert werden, wie z. B. Getränke oder Pharmazeutika, mit Informationen wie Chargennummern und Verfallsdaten versehen. In ähnlicher Weise können Glassubstrate, die in der Mikroelektronik und bei der Herstellung von Bildschirmen verwendet werden, mit Seriennummern und Tracking-Codes versehen werden.
Der mit dem Laser modifizierte Bereich auf dem Glas erscheint „mattiert“ – also durchscheinend, aber nicht transparent. Dies wird erreicht, indem eine sehr kleine Menge an Material entfernt wird, typischerweise weniger als 25 µm. Und vor allem entsteht durch die Laserbearbeitung eine viel rauere Oberflächenstruktur.
Das Lasermodifizieren von Oberflächen hat gegenüber anderen mechanischen und chemischen Methoden den Vorteil, dass es schnell und sauber ist und sich leicht für gekrümmte Oberflächen eignet (wie sie bei Weingläsern, Flaschen und dergleichen üblich sind).
Die Laserbearbeitung von Naturstein – wie Granit oder Marmor – wird häufig für Grabsteine, Tafeln, rutschfeste Fliesen und architektonische Zwecke verwendet. Wie beim Gravieren von Glas wird eine sehr kleine Schicht des Materials entfernt und die Oberflächenstruktur verändert.
Die Lasergravur wird fast immer verwendet, um eine helle Beschriftung auf einer dunklen Steinoberfläche zu erzeugen. Das lasergravierte Muster besteht aus zahlreichen kleinen, dicht beieinander liegenden Punkten, so wie Fotos in Zeitungen abgebildet werden. Damit kann praktisch jedes Muster graviert werden, und sogar Graustufen sind möglich. So lassen sich neben Text auch Fotos, Zeichnungen und andere Motive problemlos eingravieren.
Lasergravuren auf Stein bieten in der Regel eine bessere Sichtbarkeit der Beschriftung als Sandstrahlen oder mechanische Gravuren. Es ist auch viel schneller als diese anderen Methoden.
Polymere werden in einer extrem breiten Palette von industriellen, medizinischen und Konsumgütern mit dem Laser beschriftet. Aufgrund der enormen Vielfalt der möglichen Materialien und Prozesse ist es schwieriger, genau zu definieren, was die Laserbearbeitung von Polymeren ausmacht und wie sich dieser Prozess von der Beschriftung oder Gravur unterscheidet. Die häufig verwendete Technik des „Aufschäumens“ – die eine helle Beschriftung auf einer dunklen Plastiksorte erzeugt – könnte zu Recht als eine Form des Modifizierens angesehen werden, da sie nur ein geringes Oberflächenrelief (weniger als 50 µm) erzeugt.
Da sich durch die Laser-Modifizierung kontrastreiche Beschriftungen in Polymeren erzeugen lassen, ohne dass dem Teil viel Wärme zugeführt wird, ist dieses Verfahren auch in der Halbleiter- und Mikroelektronikproduktion sehr beliebt. Zum Beispiel können elektronische Chips und andere Halbleiter-Packages beschriftet werden, ohne die darin enthaltenen Schaltkreise zu beschädigen.
Das Lasermarkieren von Halbleitern selbst wird bei der Herstellung von Mikroelektronik eingesetzt. Das liegt daran, dass die geringe Beschriftungstiefe – oft 10 µm oder weniger – eine kontrastreiche Beschriftung erzeugt, die keine Schäden an den umliegenden oder darunter liegenden Schaltkreisen verursacht. Das Lasermarkieren ist besonders nützlich für die Beschriftung von Seriennummern und anderen Kennzeichnungen auf der Rückseite von Wafern. Es wird auch auf dünnen Mold Caps von ICs verwendet.
Laser zum Modifizieren von Oberflächen
Aufgrund des breiten Spektrums an Materialien und der unterschiedlichen Anforderungen werden viele verschiedene Arten von Lasern zum Modifizieren verwendet. Typische Beispiele sind:
Faser |
Die Leistung von Faserlasern im nahen Infrarotbereich ist gut auf die Absorptionseigenschaften der meisten Metalle abgestimmt, so dass sie im Allgemeinen die erste Wahl für die Laserbearbeitung dieser Materialien sind. Sie können auch Keramik und einige Polymermaterialien bearbeiten. Faserlaser zum Oberflächenbearbeiten bieten die gleichen Vorteile wie bei anderen Anwendungen. Dazu gehören niedrige Betriebskosten, hohe Zuverlässigkeit, lange Lebensdauer, hervorragende Strahlqualität und Flexibilität bei der Implementierung. |
CO2 |
CO2-Laser arbeiten im fernen Infrarot, das von praktisch allen organischen Materialien gut absorbiert wird. Das macht sie ideal zum Bearbeiten von Materialien wie Holz und den meisten Polymeren. Auch zum Gravieren von Naturstein werden CO2-Laser universell eingesetzt. |
DPSS |
Diodengepumpte Festkörperlaser können hohe Leistungen im grünen oder ultravioletten Bereich liefern und haben eine hervorragende Strahlqualität. Das macht sie zu einer begehrten Quelle für zwei spezifische Arten von Anwendungen. Die erste ist auf Materialien, die bei längeren Wellenlängen einfach nicht gut absorbieren. Dies gilt für einige polymere Materialien. Die zweite Klasse von Anwendungen sind solche, die dünne oder hitzeempfindliche Materialien betreffen. Die typischerweise höhere Absorption der meisten Materialien bei kürzeren Wellenlängen (insbesondere im UV-Bereich) bedeutet, dass das Laserlicht in einer relativ geringen Tiefe vollständig absorbiert wird. Das Ergebnis ist eine geringere Aufheizung der Umgebung. Aus diesem Grund wird das DPSS-Laserätzen in der Halbleiterfertigung und -verpackung, bei der Herstellung anderer elektronischer Komponenten, bei medizinischen Produkten und Bildschirmen eingesetzt. |
Diode |
Diodenlaser sind mit Wellenlängen vom blauen Bereich bis zum nahen Infrarot erhältlich, wodurch sie eine Vielzahl von Metallen und Nichtmetallen bearbeiten können. Dank ihrer einzigartigen Kosteneffizienz eignen sie sich vor allem für kostengünstige Systeme, die sich in erster Linie an kleine Werkstätten, Hersteller von Plaketten und Auszeichnungen sowie an Bastler richten. |
Coherent-Produkte zum Lasermodifizieren von Oberflächen
Coherent bietet drei Arten von Produkten für das Lasermodifizieren von Oberflächen an. Dies sind zunächst Laserquellen, einschließlich Faser-, CO2-, DPSS- und Diodenlaser. Diese sind nützlich für diejenigen, die ihre eigenen Bearbeitungssysteme bauen.
Wir bieten auch Subsysteme für die Laserbearbeitung an. Insbesondere unsere PowerLine-Serie kombiniert einen Laser mit einer leistungsstarken Scan- und Strahlführungsoptik, einer Antriebselektronik, einer leistungsstarken Steuerelektronik und einer bedienerfreundlichen Software. Das Ergebnis ist eine schnelle, flexible und präzise Plattform zum Laserbeschriften und -strukturieren. Die Produkte der PowerLine-Serie können mit nahezu jeder Art von Laserquelle geliefert werden und sind daher ideal für Systemhersteller und die Integration in Produktionslinien für eine Vielzahl von Anwendungen.
Schließlich verfügt Coherent über ein umfangreiches Angebot an kompletten Lösungen für die Laserbearbeitung. Sie integrieren eine Laserquelle in ein Gehäuse, bieten eine Benutzeroberfläche und können eine Reihe weiterer Funktionen wie Teilehandhabung, Bildverarbeitung, Konnektivitätsoptionen, Prozessüberwachung und mehr enthalten. Sie können selbst komplexe Laserbearbeitungsaufgaben auf einen einfachen Tastendruck reduzieren.