Selektives Ätzen in 3D

Hart-spröde, transparente Werkstoffe wie Gläser und Kristalle sind aufgrund ihrer chemischen, thermischen und mechanischen Beanspruchbarkeit für viele Anwendungen von großem Interesse, so zum Beispiel in der chemischen und biologischen Verfahrenstechnik. Doch die derzeit verfügbaren Bearbeitungsmethoden sind nur begrenzt für derartige Werkstoffe geeignet. So stellt beispielsweise die Erzeugung hochpräziser 3D-Strukturen mit rissfreien Oberflächen eine große Herausforderung dar.

In zwei Schritten zur 3D-Struktur
Um echte dreidimensionale Objekte in transparenten Werkstoffen präzise herzustellen, bietet sich das zweistufige ›Selective Laser-induced Etching‹ (SLE) an (Bild 1).

Im ersten Schritt wird ultrakurz gepulste Laserstrahlung auf einen mikrometergroßen Punkt in das transparente Werkstück hinein fokussiert, um eine permanente interne Materialmodifikation zu erzeugen. Die Modifikation wird dabei nicht in Form von Rissen eingebracht; vielmehr besteht sie aus einer exakt platzierbaren Modifikation des Materials. Durch die Bewegung des Fokuspunkts wird lagenweise ein zusammenhängendes 3D-Bild im Inneren des Werkstücks belichtet.

Im zweiten Verfahrensschritt wird das zusammenhängend modifizierte Material durch nasschemisches Ätzen, beginnend an der Oberfläche, ausgewaschen. Dieser Prozess ähnelt der Entwicklung eines analogen Fotos.

Für die erreichbare Präzision des Verfahrens ist die Selektivität – das Verhältnis der Ätzraten von modifiziertem und unmodifiziertem Material – essenziell. In Quarzglas sind zurzeit Selektivitäten größer 500 erreichbar, was für einzelne Linien modifizierten Materials zur Ausbildung von feinen Mikrokanälen mit kleiner Konizität führt (Bild 2). Komplexe, zusammenhängende dreidimensionale Hohlräume entstehen nach dem Ätzen durch Aneinanderreihung und lagenweise Stapelung von einzelnen Modifikationslinien.

Vor- und Nachteile des SLE-Verfahrens
Die Vorteile des SLE-Verfahrens bestehen in einer maximal erreichbaren Präzision von ±1μm, echter 3D-Fähigkeit und großer Energie- und Materialeffizienz. Darüber hinaus werden Oberflächen erzeugt, die frei von Rissen und sogenannten ›subsurface damages‹ sind, wie sie typischerweise bei der mechanischen Bearbeitung von hart-spröden Werkstoffen entstehen und welche die mechanische Belastbarkeit der Bauteile senken.

Das Verfahren ermöglicht neue Grade an Präzision und Designfreiheit in 3D für die Fertigung von Präzisionsbohrungen, Düsen, Mikrofluidiken und sogar vollständig montierten Mikromechaniken (Bild 3).

Die Nachteile bestehen in der Notwendigkeit von zwei Arbeitsschritten – das Verfahren ist somit nicht vollständig inlinefähig – und dem großen Aufwand, der bei der Entwicklung des Verfahrens für neue Materialien anfällt.

Aktueller Stand ist eine Bearbeitung von Quarzglas bis zu einer Tiefe von 7 mm und von Saphir bis 0,5mm mit Selektivitäten größer 500. Die Erweiterung auf Boro- und Aluminosilikatgläser ist ebenfalls möglich, allerdings noch mit deutlich kleineren Selektivitäten. Seit 2008 wird am Lehrstuhl für Lasertechnik der RWTH Aachen in Kooperation mit dem Fraunhofer-Institut für Lasertechnik das SLE-Verfahren entwickelt und zur produktionstechnischen Reife gebracht. Der entwickelte Grad an Automatisierung ermöglicht eine Generierung von Bahndaten für die Bewegung des Laserfokus direkt aus 2D-/3D-CAD-Daten für die einfache Anpassung von Designs zur Fertigung im Sinne des Rapid Prototyping. Im Jahr 2013 wurde das Unternehmen LightFab ausgegründet, das die Lohnfertigung von Prototypen und Serien mittels SLE und die zugehörige Anlagentechnik kommerziell verfügbar macht.

Hersteller
LightFab GmbH
52074 Aachen
Tel. +49 241 5908272
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