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- Lasertechnik:
DFG fördert FAU-Projekt zur Excimerlaser-Bearbeitung von
miniaturisierten Werkstücken
Klare Strukturen unter dem Flüssigkeitsfilm
- Ein Flüssigkeitsfilm auf Metall oder
Keramik sorgt dafür, daß die Ergebnisse sehr viel
exakter ausfallen, wenn diese Werkstoffe mit Laserstrahlen bearbeitet
werden. Die Qualität kleinster Bauteile, die mit hoher Präzision
gefertigt werden müssen, ist dadurch deutlich zu steigern.
An der Universität Erlangen-Nürnberg erprobt Dipl.-Ing.
Stephan Roth am Lehrstuhl für Fertigungstechnologie von
Prof. Dr.-Ing. Manfred Geiger die Möglichkeiten des dort
entwickelten neuen Verfahrens, das winzige Splitter oder verwaschene
Konturen, die bisher unvermeidlich waren, gar nicht erst entstehen
läßt. Neben weiteren Verbesserungen der Werkstückqualität
ist geplant, auch andere Materialien, speziell Kunststoffe, in
die Forschungen einzubeziehen. Die Deutsche Forschungsgemeinschaft
hat bisher eine Fördersumme von rund 461.000 Mark bereitgestellt.
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- Zur Bearbeitung sehr unterschiedlicher Werkstoffe
empfiehlt sich Laserstrahlung als ein vielseitig verwendbares
Werkzeug. Vor allem im Bereich der Mikrosystemtechnik und der
Mikromechanik nimmt ihre Bedeutung ständig zu. Der steigende
Bedarf an miniaturisierten Bauteilen für neue Produkte macht
eine höhere Bearbeitungsqualität erforderlich, so daß
auch an die Herstellungsverfahren neue Anforderungen gestellt
werden.
- Keramische Werkstoffe, die für stark
temperaturbeanspruchte Bauteile besonders geeignet sind, werden
vor allem mit Excimerlaserstrahlung bearbeitet. Keramiken sind
äußerst thermoschock-empfindlich, weshalb es sinnvoll
ist, solche Materialien mittels Verdampfen abzutragen. Dazu muß
nur geringe Energie eingebracht werden, die das Bauteil nicht
schädigt. Bei metallischen Werkstoffen erfolgt der Abtrag
in erster Linie über die schmelzflüssige Phase.
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- Allerdings lagern sich bei der Bearbeitung
sowohl keramischer als auch metallischer Werkstoffe kleinste
Materialpartikel oder Schmelze-Tropfen in den erzeugten Strukturen
oder in deren unmittelbarer Nähe an. Die Strukturen metallischer
Werkstücke sind außerdem stark von Schmelze überlagert.
Solche Mängel nachträglich zu beheben - was, soweit
überhaupt möglich, oftmals mechanisch geschehen muß
- ist meist sehr aufwendig und kostenintensiv.
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- Die Einsatzmöglichkeiten der Excimerlaserstrahl-Materialbearbeitung
gerade in der Mikrosystemtechnik sind deshalb beschränkt.
Wird jedoch während der Bestrahlung ein dünner Flüssigkeitsfilm
auf die Substratoberfläche aufgesprüht, können
derartige Qualitätseinbußen nahezu vollständig
vermieden werden. Allerdings ist die Abtragsrate bei den meisten
untersuchten Keramiken und Stählen deutlich reduziert. Weitere
Untersuchungen zielen daher im wesentlichen darauf ab, die Abtragsraten
zu erhöhen, um die Bearbeitungsdauer zu verkürzen und
das Verfahren wirtschaftlich interessant zu machen.
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- Seit Beginn des DFG-Projekts im Februar 1997
waren die Arbeiten auf das Verständnis der Abtragsmechanismen
konzentriert. Die in Grundlagenuntersuchungen erarbeiteten Strahl-Stoff-Wechselwirkungen
für verschiedene keramische und metallische Werkstoffe werden
nun auf die Herstellung mikrosystemtechnischer Bauteile übertragen.
Inzwischen stehen zudem Apparaturen zur Verfügung, die im
Versuchsmaßstab die Bearbeitung unter einem gleichmäßig
verdüsten Flüssigkeitsfilm ermöglichen. Insbesondere
erlaubt es ein geschlossener Flüssigkeitskreislauf, Gemische
mit definierten Prozentanteilen der einzelnen Bestandteile zu
versprühen. Durch Zugabe von Additiven soll das Bearbeitungsergebnis
weiter verbessert werden.
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- Die Untersuchungen haben gezeigt, daß
diese Verfahrensvariante im Vergleich zu konventioneller Technik
die Strukturqualität bei der abtragenden Bearbeitung deutlich
erhöht. Entscheidende Vorteile liegen insbesondere darin,
daß sich Ablagerungen in der Bearbeitungsrandzone vermeiden
lassen und die Schmelzphasenbildung bei der Bearbeitung von metallischen
Werkstoffen reduziert ist. Bis Mitte des Jahres 2001, zum voraussichtlichen
Ende der Projektlaufzeit, sollen die Grundlagen auf ein breites
Werkstoffspektrum übertragen werden, das auch Polymere umfassen
wird. Die Verfahrensgrenzen für planare wie auch dreidimensionale
Bauteile werden dabei durch eine verbesserte Prozeßtechnik
erweitert.
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- Im weiteren Projektverlauf wird zudem untersucht,
inwieweit die Methode zur gezielten Oberflächenmodifizierung
mittels Excimerlaserstrahlung eingesetzt werden kann, um sowohl
das Oberflächenprofil zu gestalten als auch die mechanischen
Eigenschaften zu verändern. Polymere beispielsweise werden
durch UV-Strahlung besser zum Verkleben geeignet. So ergeben
sich zusätzliche, technologisch sinnvolle Anwendungsgebiete
für das neue Verfahren.
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- · Kontakt:
Prof. Dr.-Ing. Manfred Geiger, Dipl.-Ing. Stephan Roth
Lehrstuhl für Fertigungstechnologie, Egerlandstr. 11, 91058
Erlangen
Tel.: 09131/85 -27140, -23237, Fax: 09131/36 403
E-Mail: m.geiger@lft.uni-erlangen.de s.roth@lft.uni-erlangen.de
Informationen im Internet: http://www.lft.uni-erlangen.de
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- Mediendienst FORSCHUNG Nr. 578 vom 29.8.2000
Sachgebiet Öffentlichkeitsarbeit (Pressestelle)
pressestelle@zuv.uni-erlangen.de
Stand 30.8.2000