Laserätzen

Was ist Lasergravur?

Laserätztechnik ist ein weit gefasster Begriff, der verschiedene Verfahren der Kennzeichnung und der flachen Gravur umfasst. Im Allgemeinen unterscheidet sich die Laserätztechnik nur minimal von der Lasermarkierung; beim Ätzen wird eher das Oberflächenprofil des Bauteils verändert als lediglich die Farbe oder die Oberflächenstruktur. Diese Profilveränderung, die entweder erhaben oder vertieft sein kann, ist jedoch im Allgemeinen wesentlich flacher als die bei der Lasergravur auftretenden Veränderungen.

Das Laserätzen ist ein Verfahren zur Erzeugung sichtbarer Markierungen oder Muster auf den unterschiedlichsten Materialien. Tatsächlich variiert die genaue Definition dessen, was „Ätzen“ (im Gegensatz zu Markieren oder Gravieren) ausmacht, je nach Material und Anwendung. Laserätzen wird bei den unterschiedlichsten Produkten eingesetzt, wie beispielsweise bei Automobilteilen, medizinischen Geräten, Weinfässern, mikroelektronischen Bauteilen und Grabsteinen. Das Laserätzen erfolgt auf die gleiche Weise wie viele andere Verfahren zum Markieren, Gravieren und Schneiden. Tatsächlich ist es keineswegs ungewöhnlich, dass ein einziges Lasergerät all diese Funktionen je nach Leistungseinstellung und Arbeitsgeschwindigkeit ausführt.

Um das gewünschte Muster zu erzeugen, scannt der Laserstrahl über die Oberfläche des Werkstücks und wird dabei moduliert (d. h., seine Leistung wird verändert). Eine Möglichkeit, diese Bewegung zu erzeugen, ist ein galvanometrisches Abtastsystem. In diesem Fall erfolgt die Bewegung des Strahls mithilfe beweglicher Spiegel. Diese Methode wird aufgrund der hohen Geschwindigkeit häufig bei kleinen Werkstücken eingesetzt. Diese Technik eignet sich auch zum Ätzen gekrümmter Werkstücke (oft in Kombination mit einer Drehbewegung des Werkstücks).

Alternativ kann die Optik zur Strahlführung (oder sogar das Werkstück selbst) mithilfe von Linear- oder Schrittmotoren so bewegt werden, dass die gewünschten Markierungen erzielt werden können. Auf diese Weise werden fast immer größere oder schwerere Werkstücke graviert, wie beispielsweise Schilder und Denkmäler.

Lasergravur verschiedener Materialien

Mit dem Laser lassen sich nahezu alle Arten von Materialien gravieren. Dazu gehören Metalle, Kunststoffe, Glas und Keramik, Naturstein sowie Halbleiter.

Das Lasergravieren von Metallteilen wird in vielen Industriezweigen eingesetzt, darunter in der Automobil-, Luft- und Raumfahrtindustrie, bei der Herstellung medizinischer Produkte, in der Öl- und Gasindustrie und in weiteren Bereichen. Es lässt sich auf nahezu alle Metalle anwenden, darunter Aluminium, Stahl, Messing, Kupfer und Titan. Das Laserätzen von Metallen umfasst in der Regel das Erhitzen des Materials, bis es schmilzt und sich leicht ausdehnt. Nach diesem kurzen Laser-Erhitzungszyklus kühlt das Material fast sofort ab und verfestigt sich zu einer erhabenen Fläche, die eine rauere Struktur aufweist als zuvor.

Bei Metallen ändert sich die Oberflächenhöhe beim Laserätzen in der Regel um weniger als etwa 25 µm. Im Gegensatz dazu ist die Lasergravur oft zehnmal tiefer. Da das Gravieren tieferer Spuren den Abtrag einer wesentlich größeren Materialmenge erfordert, lässt sich das Laserätzen in der Regel wesentlich schneller durchführen.

Ein weiterer Vorteil des Laserätzens besteht darin, dass die dabei entstehenden Markierungen dunkel, hell oder sogar in Grautönen sein können. Beim Lasergravieren entstehen in der Regel nur dunkle Markierungen. Flachere, geätzte Markierungen sind jedoch nicht so langlebig und abriebfest wie gravierte Markierungen.

Glas wird sowohl zu dekorativen als auch zu kommerziellen Zwecken mit dem Laser geätzt. Auf Trinkgläser, Tassen, Flaschen, Auszeichnungsplaketten, Spiegeln und anderen Gegenständen können Texte, Muster und andere komplexe Motive, sogar Bilder, geätzt werden. In der Industrie werden auf viele Produkte, die in Glasbehältern geliefert werden, wie beispielsweise Getränke oder Arzneimittel, Informationen wie Chargennummern und Verfallsdaten geätzt. Ebenso lassen sich auf Glas-Substraten, die bei der Herstellung von Mikroelektronik und Displays verwendet werden, Seriennummern und Tracking-Codes einätzen.

Die mit dem Laser geätzte Fläche auf dem Glas wirkt „matt“ – also durchscheinend, aber nicht durchsichtig. Dies wird durch das Abtragen einer sehr geringen Materialmenge erreicht, die in der Regel weniger als 25 µm beträgt. Wichtig ist zudem, dass der Ätzprozess eine deutlich rauere Oberflächenstruktur erzeugt.

Das Laserätzen ist anderen mechanischen und chemischen Verfahren überlegen, da es schnell, sauber und leicht an die Bearbeitung gekrümmter Oberflächen (wie sie bei Weingläsern, Flaschen usw. üblich sind) anzupassen ist.

Das Laserätzen von Naturstein – beispielsweise Granit oder Marmor – wird häufig für Grabsteine, Gedenktafeln und architektonische Zwecke eingesetzt. Genau wie beim Ätzen von Glas wird dabei eine sehr dünne Materialschicht abgetragen und die Oberflächenstruktur verändert.

Das Laserätzen wird fast immer verwendet, um eine helle Markierung auf einer dunklen Steinoberfläche zu erzeugen. Das lasergeätzte Muster besteht aus vielen kleinen, dicht beieinander liegenden Punkten, ähnlich wie bei der Reproduktion von Fotos in Zeitungen. Dadurch lässt sich praktisch jedes Muster gravieren, und es ist sogar möglich, Markierungen in Graustufen zu erzeugen. Neben Text lassen sich somit auch Fotos, Zeichnungen und andere Motive problemlos gravieren.

Die Lasergravur auf Stein sorgt in der Regel für eine bessere Sichtbarkeit der Markierungen als Sandstrahlen oder mechanische Gravur. Sie ist zudem wesentlich schneller als diese anderen Verfahren.

Mit dem Laser wird eine außerordentlich breite Palette an gewerblichen, medizinischen und Konsumgütern sowie Beschriftungen und Neuheitenauf Polymeren markiert. Angesichts der enormen Vielfalt an Materialien und Verfahren ist es schwieriger, genau zu definieren, was die Lasergravur von Polymeren ausmacht und wie sich dieses Verfahren von der Markierung oder dem Gravieren unterscheidet. Die häufig verwendete „Aufschäumtechnik“ – bei der eine helle Markierung auf dunklem Kunststoff entsteht – könnte zu Recht als eine Form des Ätzens betrachtet werden, da sie nur ein geringes Maß an Oberflächenrelief erzeugt (weniger als 50 µm).

Da das Laserätzen die Erzeugung kontrastreicher Markierungen in Polymeren ermöglicht, ohne dass dabei nennenswerte Wärmemengen in das Bauteil eingebracht werden, ist es auch bei der Herstellung von Halbleitern und in der Mikroelektronik sehr beliebt. Damit lassen sich beispielsweise Flip-Chips und andere Arten von Halbleitergehäusen markieren, ohne die darin enthaltenen Schaltkreise zu beschädigen.

Das Laserätzen von Halbleitern wird in der gesamten Mikroelektronikfertigung eingesetzt. Der Grund dafür ist die geringe Markierungstiefe – oft 10 µm oder weniger –, die eine kontrastreiche Markierung erzeugt, ohne die umliegenden oder darunterliegenden Schaltkreise zu beschädigen. Das Laserätzen eignet sich besonders gut zum Markieren von Seriennummern und anderen Kennzeichnungen auf der Rückseite von Leiterplatten. Es wird auch auf dünnen Deckelplatten von verpackten Bauelementen eingesetzt.

Laser zum Ätzen

Angesichts der großen Bandbreite an Materialien und der vielfältigen Anforderungen kommen beim Ätzen viele verschiedene Lasertypen zum Einsatz. Zu den typischen Beispielen gehören:

Faserlaser

• Die im nahen Infrarotbereich liegende Wellenlänge von Faserlasern ist gut auf die Absorptionseigenschaften der meisten Metalle abgestimmt, was sie im Allgemeinen zur ersten Wahl für das Ätzen dieser Materialien macht. Mit ihnen lassen sich auch Keramik und bestimmte Polymerwerkstoffe ätzen. Faserlaser für das Ätzen bieten dieselben Vorteile wie in anderen Anwendungen. Dazu gehören niedrige Anschaffungs- und Betriebskosten, hohe Zuverlässigkeit, lange Lebensdauer, hervorragende Strahlqualität und Flexibilität bei der Ausführung.

CO₂-Laser

• CO₂-Laser strahlen im fernen Infrarotbereich, der von praktisch allen organischen Materialien gut absorbiert wird. Dadurch eignen sie sich ideal zum Ätzen von Materialien wie Holz und den meisten Polymeren. CO₂-Laser werden zudem universell zum Ätzen von Naturstein eingesetzt.

DPSS-Laser

• Diodengepumpte Festkörperlaser können eine hohe Ausgangsleistung im grünen oder ultravioletten Bereich liefern und zeichnen sich durch eine hervorragende Strahlqualität aus. Dies macht sie zu einer gefragten Quelle für zwei spezifische Arten von Ätzanwendungen. Die erste betrifft Materialien, die längere Wellenlängen einfach schlecht absorbieren. Dies gilt für bestimmte polymere Werkstoffe.
• Die zweite Anwendungsklasse umfasst Anwendungen mit dünnen oder wärmeempfindlichen Materialien. Da die meisten Materialien bei kürzeren Wellenlängen (insbesondere im UV-Bereich) typischerweise eine höhere Absorption aufweisen, wird das Laserlicht bereits in relativ geringer Tiefe vollständig absorbiert. Dies führt zu einer geringeren Erwärmung der Umgebung. Aus diesem Grund wird das DPSS-Laserätzen bei der Herstellung und Kennzeichnung von Halbleitern, bei der Fertigung weiterer elektronischer Bauteile, medizinischer Produkte und Displays eingesetzt.

Diodenlaser

• Diodenlaser sind mit Wellenlängen vom blauen bis zum nahen Infrarotbereich erhältlich, sodass sie verschiedene Metalle und Nichtmetalle ätzen können. Dank ihrer einzigartigen Kombination aus Strahlqualität und Preis-Leistungs-Verhältnis eignen sie sich vor allem für kostengünstige Ätzsysteme, die in erster Linie für kleine Werkstätten, Hersteller von Plaketten und Auszeichnungen sowie für Hobbyanwender bestimmt sind.

Coherent-Produkte für das Lasergravieren

Coherent bietet drei Arten von Produkten für das Lasergravieren an. Zum einen sind dies Laserquellen, darunter Faserlaser, CO₂-Laser, DPSS-Laser und Diodenlaser. Diese eignen sich für Anwender, die ihre eigenen Gravursysteme zusammenstellen.

Darüber hinaus bieten wir Gravursubsystemean . Insbesondere unsere PowerLine-Reihe kombiniert verschiedene Lasertypen mit leistungsstarker Scan- und Strahlführungsoptik, Antriebselektronik und leistungsfähiger Steuerungssoftware. Dadurch entsteht eine schnelle, flexible und präzise Plattform für das Ätzen, Markieren und Gravieren. Die Produkte der PowerLine-Reihe können mit nahezu jedem Lasertyp geliefert werden und eignen sich daher ideal für Systemintegratoren und die Integration in Fertigungslinien in einem breiten Anwendungsspektrum.

Quelle:Coherent.com