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4-2021

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Fachzeitschrift für Medizintechnik-Produktion, Entwicklung, Distribution und Qualitätsmanagement

Produktion meterauswahl

Produktion meterauswahl optimiert wird, führt die Verwendung ultrakurzer Pulse nur zu einem minimalen Wärmeeintrag auf das umgebende Material. Es wird also im Bereich der sogenannten „kalten Ablation“ gearbeitet. Andererseits wird das grüne Licht in der Kupferschicht gut absorbiert, in den polymerbasierten Trägermaterialien hingegen deutlich weniger. Dies ermöglicht einen hochpräzisen Abtrag der Kupferschicht bei gleichzeitig geringer thermischer Belastung des Substrats. Bei einer üblichen Kupferschichtdicke von über 5 µm trägt ein einzelner Laserpuls aufgrund der relativ milden Lasereinstellungen nicht die gesamte Schicht ab. Die Materialoberfläche wird in mehreren Durchgängen bearbeitet. Hierbei spielt die Wellenlänge im „grünen“ Bereich eine wichtige Rolle, wenn die Kupferschicht bereits so weit abgetragen ist, dass ein Teil der Laserenergie das Substrat erreicht und es beschädigen könnte. Durch den optimierten Energieeintrag und die richtige Wahl der Wellenlänge entstehen genau definierte Strukturen und eine gleichmäßig abgetragene Kupferschicht, wie in Bild 2b gezeigt. Ultrakurze Laserpulse Ultrakurze Laserpulse sind durch ihre Dauer charakterisiert, die kürzer ist als bei fast allen physikalischen Nichtgleichgewichtsprozessen. Dieser Vergleich spielt eine wichtige Rolle für das Verständnis des Laser-Abtragsverhaltens. Es wurde festgestellt, dass für die bestmögliche Abtragseffizienz ein optimaler Wert der Laserpulsfluenz existiert. An diesem Punkt erfolgt der geringste Energieeintrag an das umgebende Material. Um nahe an diesem Punkt zu arbeiten, ohne die durchschnittliche Leistung des Lasers zu verringern, habt LPKF für den Arbeitsschritt der Mikromaterialbearbeitung an der Kupferschicht einen vergrößerten Laserstrahl verwendet. Unter Berücksichtigung der Materialeigenschaften des Substrats und der erreichten Bearbeitungszeiten erwies sich ein solcher Kompromiss nicht nur als notwendig, sondern auch als entscheidend für die Wiederholbarkeit des Prozesses. In Bild 3 sind feine Leiterbahnen dargestellt. Bearbeitungsschritte Alle Schritte der Laserbearbeitung erfolgen unmittelbar nacheinander, ohne dass der Benutzer eingreifen muss (außer beim Umdrehen des Materials). Die Schritte zum Mikromaterialbearbeitung und Bohren folgen dem vorhergehenden Bohren der Passermarken und werden ggf. auf der unteren Materialseite wiederholt. Das Schneiden der Leiterplattenkontur ist der letzte Schritt, damit der Schnitt nur durch das Substratmaterial erfolgen muss. Während der Laser-Bearbeitung wird die gesamte vorgesehene Fläche der oberen Kupferschicht mit den korrekten Laserparametern entfernt. Hohe Bearbeitungsstabilität Die Konstruktionsmerkmale des Lasersystems ermöglichen eine hohe Bearbeitungsstabilität, die für eine garantierte Wiederholbarkeit und gleichmäßige Umsetzbarkeit erforderlich ist. Dies wird möglich durch eine anwendungsspezifische stabile Laserquelle und die proprietären Algorithmen für Scanfeldplatzierung, Rotation und Stitching. All dies ermöglicht die gleichmäßige Bearbeitung großer Flächen mit kontrollierten Kanten und Größen, auf Biegungen und geraden Linien, mit minimalen Schäden am Substrat und sauberem, rückstandsfreiem Materialabtrag. Letzteres ist auf die Luftstromkammer des Lasersystems, die ultrakurz gepulste Ablation, die eine Materialverdampfung und -zerstäubung bewirkt, und die Optimierung der Prozessparameter zurückzuführen. Das fertige Erprobungsmuster ist in Bild 4 dargestellt und besteht aus identischen, jedoch gespiegelten Designs auf der oberen und unteren Kupferschicht. Für die Demonstration wurde das Muster über vier Scanfelder gestitcht, die am Ende kaum noch zu sehen sind. Dies zeigt, dass die Abmessungen bei Bedarf skaliert werden können. Zusammenfassung Bild 5: Der LPKF ProtoLaser R4 mit Pikosekunden-Laserpulsen ermöglicht die hochpräzise Strukturierung empfindlicher Substrate und das Schneiden von gehärteten oder gebrannten technischen Substraten. Das Lasersystem wurde für den Machbarkeitsbeweis und die komplette Prozessoptimierung eines einstufigen Herstellungsverfahrens von vollflexiblen Leiterplatten auf ein- und doppelseitig kupferkaschierten Laminaten eingesetzt. Die optimierte Implementierung der Ultrakurzpuls-Laserbearbeitung im ProtoLaser R4 ermöglicht ein kontrolliertes, nahezu digital ausgeführtes Laser-Prozessieren der leitenden Kupferschichten. Der Prozess war sauber, präzise, und das Dielektrikum des Substrats blieb dabei intakt. Nach unserem Kenntnisstand ist dieses Verfahren eine Pionierabeit, die vollständiges Laserprototyping auf flexiblen Elektronikmaterialien ermöglicht und über die Bearbeitung speziell entwickelter Laminate, wie z. B. die TK-Serie von DuPont, hinausgeht. Die Anwendung ist nur eine der möglichen, wenn auch speziellen, Anwendungsmöglichkeiten der Maschine, die ebenso für das Schneiden, Bohren und Strukturieren von typischen Materialien für HF-Elektronik, GaN-Keramikmaterialien, PTFE, dünnen Metallschichten auf Glas, usw. geeignet ist. Weiterführende Informationen Weitere Informationen über Wearable-Sensortechnologie und Möglichkeiten zur Bereitstellung von universellen, empfindlichen biomolekularen Sensoren zur medizinischen Untersuchung stehen im Artikel „Wearable plasmonic-metasurface sensor for noninvasive and universal molecular fingerprint detection on biointerfaces“ (Plasmonischer Metaoberflächen-Sensor für Wearables zur nicht-invasiven und universellen molekularen Detektion an Bio-Schnittstellen), der in „Science Advances“ online veröffentlicht wurde: https://advances.sciencemag.org/content/7/4/eabe4553 zur Verfügung. ◄ 22 meditronic-journal 4/2021

Produktion Effiziente Verbindungslösungen Automatisierungslösungen für das Laserschweißen von Kunststoffen Autoren Dipl.-Ing. Frank Brunnecker, Geschäftsführer & Gesellschafter und Dipl.-Ing. Christian Ebenhöh, Key Account Manager Evosys Laser GmbH www.evosys-laser.de Wie andere Fügeverfahren müssen auch Systeme zum Laserschweißen von Kunststoffen intuitiv und leicht in vollautomatische Produktionslinien integrierbar sein. Insbesondere mechanische und steuerungstechnische Schnittstellen der Schweißstationen müssen dafür ausgelegt sein. Das Laserschweißen von Kunststoffen ist in vielen Bereichen der industriellen Produktion weit verbreitet, insbesondere wegen der typischen Vorteile des Verfahrens und seines enormen Potenzials. Heute werden weltweit Tausende von Produkten mit dieser Technologie in Millionenstückzahlen hergestellt. Von Mikro bis Makro sind beliebig große Baugruppen vertreten, von Linsenpaketen für Smartphone-Kameras bis hin zu 3D-Strukturbauteilen für Elektrofahrzeuge. Ein typisches Anwendungsbeispiel für eine lasergeschweißte Komponente in der Medizintechnik ist in Bild 1 dargestellt. Mikrofluidikbauteile für die Point-of-Care Diagnose können so schnell und zuverlässig in verschiedenen Varianten durch Laserschweißen hergestellt werden. Laserschweißen als kostengünstige Alternative Überall dort, wo Fügetechnologien wie Kleben, Vibrations- oder Ultraschallschweißen an ihre Grenzen hinsichtlich Festigkeit, Geschwindigkeit und insbesondere Sauberkeit und Zuverlässigkeit stoßen, bietet das Laserschweißen eine kostengünstige Alternative mit enormen Prozessreserven. Das berührungslose Verfahren zeichnet sich nicht nur durch eine hohe Wirtschaftlichkeit aus, sondern auch durch einen sehr gut kontrollierbaren, lokal begrenzten Energieeintrag bei sehr geringer mechanischer Beanspruchung der Fügepartner. Neben den sich ständig weiterentwickelnden thermoplastischen Werkstoffen, die immer besser an die Anforderungen dieses Verfahrens angepasst werden können, wird der breite industrielle Einsatz insbesondere durch die Fortschritte auf dem Gebiet der Systemtechnik vorangetrieben. Der Schlüssel ist der modulare Aufbau Bild 1: Typische lasergeschweißte Automotive Baugruppe Ein hoher Anteil der heute eingesetzten Kunststoffschweißsysteme ist nicht als manuell bedienbare Arbeitsplätze konzipiert, sondern wird in der Regel in vollautomatische Anlagen integriert. Daraus ergeben sich vielfältige Anforderungen hinsichtlich Bauteilhandling, Prozesssteuerung und Datenaustausch mit übergeordneten Steuerungssystemen. Darüber hinaus muss die mechanische Konstruktion für die Integration in Fertigungslinien geeignet sein. Es reicht heute nicht mehr aus, nur kompakte Schweißmaschinen anzubieten. Vielmehr sollten sich die Systeme in eine Fertigungslinie integrieren lassen, ohne durch eigenständiges Aussehen aufzufallen. Die Evosys Laser GmbH ist als Innovationsführer bei integrierten Laserschweißanlagen mit Out-Of- The-Box-Modulen (OOTB) ein Spezialist für verkettete Lösungen und kann auf eine langjährige Erfahrung in diesem Bereich zurückgreifen. Das Unternehmen bietet für jede Prozessvariante geeignete Arbeitsplätze an. meditronic-journal 4/2021 23

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