Mikro- und Nanostrukturierung

Unser Leistungsangebot

Aufgrund des geringen Wärmeeintrags in Werkstücke und der hohen Strahlqualität wird gepulste, insbesondere ultrakurz gepulste (UKP), Laserstrahlung verwendet, um hochpräzise funktionelle Mikro- und Nanostrukturen zu erzeugen. Diese schonende Art der subtraktiven Lasermaterialbearbeitung lässt sich für eine Vielzahl von Prozessen nutzen, beispielsweise für das Strukturieren, Abtragen, Bohren, Schneiden oder für das selektive Dünnschichtabtragen. Im Gegensatz zu vielen mechanischen Verfahren arbeitet der Laser nahezu verschleißfrei und mit hoher Produktivität.

Um hohe mittlere Leistungen – etwa im Multi-hundert Watt-Bereich – in Abtragprozessen effizient einsetzen zu können und die Produktivität der Verfahren zu steigern, werden neue Ansätze der Laserstrahlführung erprobt und in reale Systeme umgesetzt. Bei der parallelisierten Multistrahlbearbeitung wird der eingehende Laserstrahl in mehrere Einzelstrahlen aufgeteilt. Dieses Konzept wurde am Fraunhofer ILT u. a. für Bohranwendungen in der Filter- und Siebtechnik oder für Beschichtungsmasken umgesetzt. Damit wurden bereits Bohrraten bis 12.000 Bohrungen/s mit Präzision im Mikrometerbereich erzielt. Neben der Parallelisierung von Prozessen werden Strahlformungskonzepte entwickelt, die insbesondere für die effiziente Bearbeitung von Glas, Saphir, Keramiken, Halbleitern und heterogenen Schichtsystemen notwendig sind.

Mikro- oder Nanostrukturen lassen sich z. B. in der optischen Industrie als Antireflexionsbeschichtungen oder Polarisatoren, in der Elektronik und Messtechnik als neuartige sensorische Elemente oder in der Medizin und Biotechnologie als nanoskalige Partikelfilter nutzen.

Das Leistungsangebot umfasst die Entwicklung von Verfahren und Systemen, Machbarkeitsstudien, die Simulation und Modellierung sowie individuelle Beratung.

Mikrostrukturierte Metalloberfläche.
© Fraunhofer ILT, Aachen.
Mikrostrukturierte Metalloberfläche.
Abtragprozess von Dünnglas.
© Fraunhofer ILT, Aachen.
Abtragprozess von Dünnglas.
Anordnung von Mikrolöchern in Dünnglas.
© Fraunhofer ILT, Aachen.
Anordnung von Mikrolöchern in Dünnglas.

Laserstrahlabtragen

  • Herstellung von Werkzeugen und Werkzeugeinsätzen
  • Herstellung von funktionalen Oberflächen
  • Selektiver Abtrag von dünnen Schichten
  • Strukturgrößen < 10 μm bei Oberflächengenauigkeiten < 200 nm

Laserstrahlfeinschneiden

  • Hochgeschwindigkeits-Feinschneiden mit Schnittbreiten < 20 µm
  • 3D-Anwendungen
  • Remote-Feinschneiden

Nanostrukturierung

  • Herstellung von deterministischen periodischen Oberflächenstrukturen durch Mehrstrahl-Interferenz
  • Herstellung von statistischen periodischen Oberflächenstrukturen mittels laserinduzierten Oberflächeneffekten (LIPSS, nano ripples)
  • Strukturgrößen im Bereich von 100 nm - 500 nm

Laserstrahlbohren

  • Präzisionsbohren mit Ø > 30 μm bei Bohrtiefen bis zu 2 mm
  • Hochratebohren mit bis zu 12.000 Bohrungen/ s
  • Mikrobohren mit Bohrdurchmessern < 1 µm

Hybride Verfahren zur Mikrostrukturierung

  • Verwendung einer prozessbegleitenden selektiven Laserheizung zur Veränderung der Materialeigenschaften
  • Replikative Erzeugung von Mikro- und Nanostrukturen durch laserunterstütztes Heißprägen

Video: Stifterverbandspreis für Multistrahl-Laserverfahren

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Der Ultrakurzpulslaser als Werkzeug für die Präzisionsfertigung findet eine immer breitere Akzeptanz unter den industriellen Anwendern. Insbesondere wird diese Entwicklung bedingt durch systemtechnische Neu- oder Weiterentwicklungen, welche eine signifikante Steigerung der Produktivität zulassen. Eine deutliche Produktivitätssteigerung war auch das Ziel eines Teams aus Industrie und Forschung, das auf der Jahrestagung der Fraunhofer-Gesellschaft am 9. Oktober 2020 den Wissenschaftspreis des Stifterverbands für Verbundforschung erhielt. Das Team hat eine Technologie entwickelt, bei der ein Laserstrahl in bis zu 16 Teilstrahlen aufgeteilt wird. Das sind 16 Werkzeuge, die parallel und individuell gesteuert für die Herstellung funktionaler Oberflächen eingesetzt werden können.

Video: Laserverfahren für die Wasserstofftechnologie

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Grüner Wasserstoff ist der Energieträger der Zukunft. Zu den potentiellen Anwendungsgebieten zählen die Mobilität sowie die Hausenergieversorgung auf Brennstoffzellenbasis. Für eine breite Marktdurchdringung bedarf es neben technologischen Weiterentwicklungen vor allem einer deutlichen Kostenreduktion entlang der Wertschöpfungsketten von Elektrolyseuren, Brennstoffzellen und deren Komponenten.

Am Fraunhofer ILT werden hochproduktive Laserverfahren entwickelt, die bei der Skalierung der Herstellungsprozesse eine entscheidende Rolle spielen.

Märkte

Lasertechnik trägt in unterschiedlichen Märkten zur Lösung anspruchsvoller Aufgabenstellungen bei. Ob als Werkzeug in der Automobilfertigung, als Messmittel im Umweltbereich, als Diagnose- oder Therapieinstrument in der Medizintechnik oder als Kommunikationsmedium in der Raumfahrttechnik, der Laser bietet vielfache Einsatzmöglichkeiten mit hoher Produktivität und hoher Effizienz.

Auf den Markt-Webseiten finden Sie weitere Informationen und eine Auswahl aus unserem Angebot.

 

Forschen Sie mit uns!

Bei Fragen zu übergreifenden Themen nehmen Sie einfach Kontakt mit uns auf! Unsere Ansprechpartner stehen Ihnen gerne zur Verfügung.

Publikationen

Kratz, M., Rückle, L., Kalupka, C., Reininghaus, M., Häfner, C.,
Dynamic correction of optical aberrations for height-independent selective laser induced etching processing strategies.
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https://doi.org/10.1364/OE.493088 (Open Access)

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Proceedings Volume 12409, Laser-based Micro- and Nanoprocessing XVII (Proc. of SPIE), 1240911 (2023)
http://dx.doi.org/10.1117/12.2647865

Köller, J., Sassmannshausen, A., Kratz, M., Voß, J.,
Particle Re-Deposition During Ultrashort Pulse Laser Ablation of ITO Thin Films Using Single- and Multi-Beam Processing.
Journal of Laser Micro/Nanoengineering 17, (2022)
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Grubert, N., Hofmann, O., Hesker, M., Stollenwerk, J., Holly, C.,
Beam shaping for large-area laser structuring in a roll-to-roll process.
SPIE Optical Engineering + Applications 21-26 August 2022, San Diego, California, United States.
Proceedings Volume 12216, Novel Optical Systems, Methods, and Applications XXV; 1221604 (2022)
https://doi.org/10.1117/12.2632926

Lanfermann, A., Barthels, T., Nießen, M., Abels, P., Klass, G., Riester, C., Pham, T.Q., Steffens, O.,
INNOVATIVE FILTER MODULE TO SEPARATE MICROPLASTICS FROM WASTEWATER – SIMCONDRILL.
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Lanfermann, A., Barthels,T., Nießen, M., Abels, P., Klass, G., Riester, C., Pham, T.Q., Steffens, O.,
Innovative Filtermodule für die Abscheidung von Mikroplastik aus Abwasser.
GWF: Wasser, Abwasser 163, 51-54 (2022)

Lanfermann, A., Barthels, T., Nießen, M., Abels, P., Klass, G. , Riester, C., Pham, T.Q. Steffens, O.,
Innovative Filtermodule für die Abscheidung von Mikroplastik aus Abwasser.
F&S Filtrieren & Seprarieren F&S 01 | 2022, 28-30 (2022)

Pongratz L., Vannahme, K.,
Beam Shaping the Direct Laser Interference Patterning Spot.
Journal of Laser Micro/Nanoengineering 17, 42-49 (2022)
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Impact on surface topography of interference patterned steel and brass using an ultrashort pulsed laser source.
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Lüttgenau, B., Brose, S., Danylyuk, S., Stollenwerk, J., Loosen, P., Holly, C.:
Design and realization of an in-lab EUV dual beamline for industrial and scientific applications.
SPIE PHOTOMASK TECHNOLOGY + EUV LITHOGRAPHY | 27 SEPTEMBER - 8 OCTOBER 2021.
Proceedings Vol.11854, International Conference on Extreme Ultraviolet Lithography 2021; 1185419 (2021)
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Pongratz, L., Vannahme, K.
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SPIE LASE, 2021, Online Only., Laser-based Micro- and Nanoprocessing XV; (Proc. of SPIE 11674),116740P-, (2021) 11674
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Pongratz, L., Vannahme, K.:
Beam shaping the Direct Laser Interference Patterning spot.
The 22nd International Symposium on Laser Precision Microfabrication, June 8-11, 2021 (Web Conference).
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He, C., Vannahme, K., Gillner, A.:
High-efficiency sub-micrometer multi-beam interference structuring for large-scale surface using ultrashort laser pulses.
The 19th International Symposium on Laser Precision Microfabrication Edinburgh Conference Centre, Heriot-Watt University, Edinburgh, UK, 25-28 June, 2018.
Proceedings of LPM2018, #18-042, (X S.), (2018)

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Ultrashort Pulse Processing of Transparent Ceramics: The Role of Electronic and Thermal Damage Mechanisms.
J LASER MICRO NANOEN 13 (2), 126-130 (2018)
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Programmable diffractive optic for multi-beam processing: applications and limitations.
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Großmann, D., Reininghaus, M., Kalupka, C., Jenne, M., Kumkar, M.:
In-situ microscopy of front and rear side ablation processes in alkali aluminosilicate glass using ultra short pulsed laser radiation.
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Temmler, A., Küpper, M., Walochnik, M.A., Lanfermann, A., Schmickler, T., Bach, A., Greifenberg, T., Oreshkin, O., Willenborg, E., Wissenbach, K., Poprawe, R.:
Surface structuring by laser remelting of metals.
JLA 29, 012015 (12 S.) (2017)‘
https://doi.org/10.2351/1.4972414

Boehr, S., Nolis, P., Brenner, A., Reininghaus, M., Lamß, M., Müller, B.:
Laserbasierte Fertigungstechniken und additive Fertigung.
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Knapp, W., Gillet, V., Courant, B., Aubignat, E., Costil, S., Langlade, C.:
Enhancement of low pressure cold sprayed copper coating adhesion by laser texturing on aluminium substrates
SPIE LASE, 2017, San Francisco, California, United States. Proceedings Volume 10097, High-Power Laser Materials Processing: Applications, Diagnostics, and Systems VI, 100970P (2017).
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Evolution of energy deposition during glass cutting with pulsed femtosecond laser radiation
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Carstens, H., Högner, M., Saule, T., Holzberger, S., Lilienfein, N., Guggenmos, A, Jocher, C., Eidam, T., Esser, D., Tosa, V. , Pervak, V., Limpert, J., Tünnermann, A., Kleineberg, U., Krausz, F., Pupeza, I.:
High-harmonic generation at 250  MHz with photon energies exceeding 100  eV.
Optica 3 (4), 366-369 (2016)
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High power ultra-short pulse laser ablation of IN718 using high repetition rates
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Manufacturing of micro-structured parts for mass production purposes 
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Bobzin, K., Bagcivan, N., Ewering, M., Gillner, A., Beckemper, S., Hartmann, C., Theiß, S.:
Nano structured physical vapor deposited coatings by means of picosecond laser radiation 
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Bobzin, K., Bührig-Polaczek, A., Michaeli, W., Poprawe, R., Bagcivan, N., Beckemper, S., Eilbracht, S., Gillner, A., Hartmann, C., Holtkamp, J., Ivanov, T., Klaiber, F., Scharf, M., Schöngart, M., Theiß, S.:
Verkürzung von Prozessketten zur Herstellung von Bauteilen mit funktionalen Oberflächen mit Mikro-und Nanostrukturen 
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Hambach, N., Hartmann, C., Holtkamp, J., Gillner, A.:
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Mikrostrukturieren mit Zukunft
Laser Technik J. 8 (2), 37-40, (2011)
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Ivanov, T., Bührig-Polaczek, A., Vroomen, U., Hartmann, C., Holtkamp, J., Gillner, A., Bobzin, K., Bagcivan, N., Theiss, S.:
Investment casting of surfaces with microholes and their possible applications 
Light Metals 2011. Proc. of the technical sessions presented by the TMS Aluminum Committee at the TMS 2011 Annual Meeting & Exhibition. Warrendale, Pe.: TMS, Minerals, Metals & Materials Society. Chichester: Wiley, 705-709, (2011)
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Ivanov, T., Bührig-Polaczek, A., Vroomen, U., Hartmann, C., Holtkamp, J., Gillner, A., Bobzin, K., Bagcivan, N., Theiss, S.:
Replication of specifially microstructured surfaces in A356-alloy via lost wax investment casting
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Michaeli, W., Schöngart, M., Klaiber, F., Beckemper, S.:
Production of superhydrophobic surfaces using a one-step variothermal injection moulding process
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Schaefer, M., Esser, A., Holtkamp, J., Gillner, A.:
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Schulz-Ruhtenberg, M., Häberle, A., Russell, A., Hernández, J. L., Krantz, S.:
Influence of the pulse width for visible pulsed laser doping for crystalline solar cells using phosphosilicate glass 
J. Laser Micro/Nanoeng. 6 (1), 64-68, (2011)
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Sedao, X., Sarnet, T., Hernandez, J. L., Schulz-Ruhtenberg, M., Krantz, S.:
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Schaefer, M., Jacobs, P., Bauer, D., Moll, D., Gillner, A.:
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Schulz-Ruhtenberg, M., Haeberle, A., Russell, R., Hernández, J.L., Krantz, S.:
Quest for the ideal laser for an industrial laser doping process for crystalline solar cells
LPM 2010 - 11th International Symposium on Laser Precision Microfabrication, Stuttgart, (5 S.) (2010)

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ICALEO 2009, 28th International Congress on Applications of Lasers & Electro-Optics, (4 S.) (2009)
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