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3-2020

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Fachzeitschrift für Elektronik-Produktion - Fertigungstechnik, Materialien und Qualitätsmanagement

Lasertechnik Schonende

Lasertechnik Schonende Bearbeitung von Kohlefaser- Materialien mit dem UV-Laser Als native UV-Lasertechnologie sind Excimerlaser die einzige praktische Quelle für Hochleistungs-UV-Laserlicht. Daher sind diese prädestiniert für großflächige Prozesse, was vor allem in der Display-Herstellung zum Einsatz kommt. Autoren: Matthias Trenn Fraunhofer Institut für Lasertechnik (ILT) Ralph Delmdahl Coherent LaserSystems GmbH & Co. KG https://de.coherent.com/ Bild 1: UV-Laserlinienstrahl-System am Institut für Lasertechnik in Aachen Ihre einzigartigen Eigenschaften stellen sie für unterschiedliche hochpräzise Fertigungsaufgaben, insbesondere in der Herstellung von Smartphones unter Beweis. Die hohe Zuverlässigkeit und die besonderen Leistungsmerkmale des Excimerlasers, die für heutige Highend-Anwendungen notwendig sind, haben diese leistungsstarke UV-Technologie an der Spitze der industriellen Lasermikrofertigung etabliert. Schonende Funktionalisierung Da kurzwellige Excimerlaser eine geringe optische Eindringtiefe und kurze Pulsdauer haben, ist der thermische Einfluss auf die jeweiligen Komponenten vernachlässigbar klein. Sie eignen sich daher zur schonenden Funktionalisierung dünner Schichten aus allen Arten von leitenden, halbleitenden oder isolierenden Materialien. Um diese Eigenschaften auf verschiedene Schichtsysteme und eine große Produktpalette zu übertragen, betreibt das Fraunhofer Institut für Lasertechnik (ILT) in Aachen in Zusammenarbeit mit Coherent Göttingen eine neuartige UV-Laser- Linienstrahl-Anlage (Bild 1). Dieses System bildet die technologische Basis für die Entwicklung innovativer Oberflächenfunktionalitäten und neuer Produkte und erweitert das Anwendungsfeld für die Großserienfertigung. Mit der verwendeten Wellenlänge von 248 nm können Materialien mit einer Tiefenauflösung von unter 0,1 µm selektiv modifiziert werden. Darüber hinaus ermöglicht das System dem Anwender, empfindliche Mehrschichtsysteme präzise zu strukturieren, ohne thermische Schäden zu verursachen. Die Funktionalität des kurzwelligen Linienstrahlsystems und die erzielbare Schichtqualität werden für den Abtrag von Matrixmaterial in kohlenstofffaserverstärkten Polymeren (CRFP) evaluiert. Basierend auf diesen Experimenten werden neue industrielle Laserbearbeitungsanwendungen für die Automobil- und Luftfahrtindustrie konzipiert. Charakterisierung des Excimerlaser- Bearbeitungssystems Der im System eingesetzte Coherent LEAP Excimerlaser liefert eine UV-Ausgangsleistung von 150 W bei einem Joule stabilisierter Pulsenergie. Die Standardabweichung der Pulsenergie liegt unter 1% bei einer Pulsdauer von etwa 30 ns. Die Pulsfrequenz lässt sich bei gleichbleibender UV-Performance je nach Lasermodell über einen Bereich von 1 bis 150 Hz einstellen. Mit einer typischen Lebensdauer der Laserentladungseinheit von über sechs Milliarden Pulsen kann der Excimerlaser und das 248 nm Linienstrahlsystem durch den Einsatz der neuesten halbleitergeschalteten Laserentladungstechnologie im Produktionsprozess über mehrere Jahre in der Serienproduktion mit geringer Routinewartung betrieben werden. Das Strahlprojektions-Design des 248-nm-Linienstrahlsystems bietet eine maximale Energiedichte von 1,2 J/cm² in der Substratebene und eine nominale Strahlgröße von 155 mm Länge und 0,3 mm Breite. Durch die hohe Strahlhomogenität gewährleistet das Linienstrahlsystem genaue und reproduzierbare Ergebnisse bei der Dünnschichtbearbeitung. Sowohl die kurze als auch die lange Strahlachse sind zu einem ausgezogenen, rechteckigen Flat- Top-Profil geformt. Sigma-Homogenitätswerte von etwa 1% für die kurze und die lange Strahlachse werden leicht erreicht. Einer der wichtigsten optischen Parameter, der die Reproduzierbarkeit bei der selektiven Bearbeitung dünner Schichten auf größeren Substraten bestimmt, ist die Tiefenschärfe eines Lasersystems. Das Abbildungssystem ist mit einer niedrigen numerischen Apertur ausgelegt, was zu einer sehr hohen Schärfentiefe von ±100 µm bei der Oberflächen-Bearbeitung führt. Daher haben typische Substrathöhenschwankungen während des Überfahrens der Probe keinen Einfluss auf das Bearbeitungsergebnis. Darüber hinaus kann die Strahlführungstechnologie des 248 nm Linienstrahlsystems so ausgelegt werden, dass verschiedene Linienstrahlgeometrien bis hin zu quadratischen Bearbeitungsfeldern möglich sind, um eine perfekte Anpassung an diverse Substratgrößen oder Bauteilmuster zu erreichen. 46 3/2020

Lasertechnik Vorteile der Excimerlaser- Bearbeitung Im Vergleich zu mechanischen Verfahren erfordert die Excimerlaser-Bearbeitung keine Oberflächenpräparation und sie wird ohne Einsatz von Chemikalien durchgeführt. Ebenso sind keine Nachreinigungsprozesse erforderlich. Darüber hinaus ist die Laserbearbeitung mit der schnellen Bearbeitung großer Bereiche kompatibel, lässt sich leicht automatisieren und liefert äußerst reproduzierbare Ergebnisse, da es sich um eine selektive und berührungslose Prozessführung handelt. Entscheidend für Kohlefasermaterialien ist, dass die Laserbearbeitung keine Beschädigung der Fasern hervorruft. Die vom Excimerlaser abgegebenen hochenergetischen UV-Lichtpulse wirken hauptsächlich durch temperaturneutralen, photochemischen Materialabtrag, sodass keine nennenswerte Wärmebelastung entsteht. Darüber hinaus ermöglicht die Steuerung der Pulszahl pro Fläche, eine präzise Tiefenkontrolle des Materialabtrags im Bereich von 100 nm. Bei der Wellenlänge von 248 nm des Excimerlasers liegt die verwendete Energiedichte um mindestens eine Größenordnung unter der Energiedichte, die notwendig wäre, um die Kohlefasern selbst zu ablatieren. Es wird also in selektiver Weise nur das Matrixmaterial aus Epoxidharz abgetragen, während die Kohlefasern strukturell unbeeinflusst bleiben. So lassen sich je nach Bedarf die Faserlagen teilweise oder vollständig freilegen (Bild 2). UV-Laserbearbeitungskonzepte im Luftfahrtsektor Die großflächige Excimerlaser- Bearbeitung von kohlenstofffaserverstärkten Polymeren ist für die Luftfahrtindustrie von besonderem Interesse. Hier kommt es auf neue Technologien an, die den Luftverkehr funktionaler, effizienter und umweltverträglicher gestalten. Dabei gewinnt der Einsatz von Luft- und Raumfahrtkomponenten aus CFK zunehmend an Bedeutung. Die bei dessen Verwendung erzielte Gewichtsreduzierung bei gleicher mechanischer Belastbarkeit führt zu Treibstoffeinsparungen und damit zu einer deutlichen Kostenreduzierung. Vielversprechende Ansätze im Bereich der Primärstrukturen von Flugzeugen sind die nachträgliche Reduzierung von Rumpfteiltoleranzen sowie die Sensorintegration in dynamisch stark belasteten Tragflächen. Hohe Fertigungstoleranz Aufgrund der hohen Fertigungstoleranzen mangelt es den CFK-Komponenten an hoher Präzision, was zu Herausforderungen bei der Montage großer Flugzeug-Primärstrukturen führt. Um Fügespalte zu vermeiden, werden die Rumpfstrukturen größer als erforderlich gefertigt und anschließend lokal nachgearbeitet. Der notwendige Materialabtrag, das sogenannte Shimming kann mit einem Excimerlasersystem sehr genau durchgeführt werden. Ein Sensorsystem identifiziert dafür überschüssige Materialstellen, die dann vom UV-Laserstrahl abgetragen werden (Bild 3, links). Sowohl eine thermische als auch eine mechanische Beschädigung der Karbonfasern am hochwertigen Flugzeugbauteil, welches im Flugbetrieb zudem sehr hohen Belastungen ausgesetzt ist, muss dabei vermieden werden. Ein weiteres Beispiel für die Weiterverarbeitung von CFK-Komponenten ist die Sensorintegration (Bild 3, rechts). Die Anforderungen an den schadensfreien Abtrag des Matrixmaterials sind die gleichen wie bisher. Um das Matrixmaterial lokal abzutragen, können wahlweise UV-Linienstrahlsysteme, maskenbasierte Rechteckstrahlsysteme oder robotergeführte Excimerlaser zur Freilegung der Fasern von Vorteil sein. Über einen anschließenden Metallisierungsprozess der obersten freigelegten Kohlenstofffaserlage kann die Sensorik für Luftund Raumfahrtkomponenten in die Struktur integriert werden. Aufgrund der Wellenlänge von 248 nm sind die Eindringtiefen sehr gering, so dass ein präziser Abtrag des oberflächennahen Matrixmaterials ohne Schädigung der Kohlenstofffasern erhalten wird. Faserfreilegung am Beispiel des Luftfahrt-Kompositmaterials Hexply M21 Der wesentliche Bestandteil der CFK-Werkstoffe sind die Kohlenstofffasern. Kohlenstofffasern werden aus Precursor-Fasern hergestellt, die zunächst stabilisiert, dann karbonisiert und je nach Werkstoff und mechanischer Beanspruchung abschließend graphitiert werden. Durch diesen Veredelungsprozess liegen die Fasern in einer Graphitstruktur mit getrennten Graphenschichten vor. Bei der völligen Freilegung der Faserlagen mit UV- Strahlung muss eine Oxidation der Kohlenstofffaser verhindert werden, um Querverbindungen und damit Störstellen zwischen den Graphenschichten zu vermeiden. Die Orientierung der Schichten erfolgt entlang der radialsymmetrischen Achse der Fasern. Diese sind je nach Materialklasse kreisförmig oder radial angeordnet. In der Realität gibt es jedoch Defekte innerhalb der Schichten und Vernetzungen zwischen den verschiedenen Schichten, die nach dem Karbonisierungsprozess zu einer turbostratischen Struktur führen. Einerseits verstärken diese Vernetzungen die Verbindung zwischen den Schichten, andererseits führt dies aber auch zu einer Verhärtung der Fasern, was zu einer geringeren Elastizität und mechanischen Beanspruchung führt. Um Defekte zu redu- Bild 2: Laser-Scanning-Mikroskop-Bilder (a, b) und Rasterelektronenmikroskop-Bilder (c, d) von Karbonfaserproben (e) für verschiedene Ablationsparameter 3/2020 47

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