Embed Size (px)
Citation preview
FABIAN HILBERT, RUTH HOUBERTZUND BENEDIKT STENDER
Durch Big Data, IoT und Industrie 4.0 ist derBedarf an innovativen miniaturisierten Kom-ponenten, beispielsweise für die Sensorik,
signifikant gestiegen. Gleichzeitig verkürzen sich dieMarkteintrittszeiten für neue Produkte dramatisch.Um diesen Umständen gerecht zu werden, sindProduktionstechnologien gefordert, die einerseitsdie Möglichkeit eines schnellen Prototypings bieten.Andererseits sollen diese Prototypen rasch in einProdukt übersetzt werden, entweder direkt oderdurch begleitende Prozesse. Für die Herstellung von Prototypen sind additive
Verfahren, beispielsweise der 3D-Druck, kaum mehrwegzudenken: Vom Kunststoff bis zum Metall werden Prototypen für eine Vielzahl unterschiedlicherApplikationen generativ durch schichtweisen Aufbauder Materialien gefertigt. Nachteilig am 3D-Druck ist,dass die Strukturen und Formkörper in der Regellediglich zwei dimensional aufgebaut werden und erstdurch das Stapeln der 2D-Schichten eine 3D-Strukturbilden. Dies ist analog zum Waferlevel-Packaging zusehen, in dem strukturierte Wafer entsprechend über -einandergestapelt und gebondet werden, um die 3D-
Waferstruktur zu erzeugen. Neben dem klassischen3D-Druck etabliert sich der hochpräzise 3D-Druckdurch seine echte 3D-Fähigkeit, wobei die meistenAnlagenhersteller auf den etablierten und aus dem3D-Druck bekannten schichtweisen Aufbau setzen.
Bestehende Grenzen des 3D-Drucks überwindenDer 3D-Druck hat mittlerweile seine Nische als reinesPrototyping-Verfahren verlassen und wird von derIndustrie auch in der Produktion eingesetzt. Viele der3D-Drucker arbeiten immer noch mit speziell für dieunterschiedlichen 3D-Druckverfahren entwickeltenMaterialien aus einer einzigen Materialklasse. Diessetzt vielen Applikationen Grenzen, sodass sie dasvolle Potenzial der Technologie nicht ausschöpfenkönnen. Darüber hinaus sind die herstellbaren Struk-turen hinsichtlich ihrer Größe, ihrer Form und ihrerOberflächen beschaffenheit limitiert. Oftmals werdenStütz strukturen benötigt, die aufwendig entferntund nachbearbeitet werden müssen. Diese Limitie-rungen führen dazu, dass beispielsweise optischeKomponenten, deren Herstellung von einer freienFormgebung profitieren würde, mittels des klassi-schen 3D-Drucks nicht in der geforderten Qualitätund Design-Freiheit hergestellt werden können. Diesverhindert aber gerade die Nutzung in der Photonik,die als eine der wichtigsten Schlüsseltechnologiendes 21. Jahrhunderts an der Schnittstelle zwischenBig Data, IoT und Industrie 4.0 angesiedelt ist. Hier setzt der hochpräzise 3D-Druck an, bei dem
ebenso wie beim lichtbasierten 3D-Druck Licht alsWerkzeug zur Herstellung der dreidimensionalen
40 l A D D I T I V E F E RT I G U N G l MULT I - PHOTONEN - POLYMER I SAT ION
© MIKROvent, Mainburg MIKROPRODUKTION 05/19
HERSTELLERMultiphoton Optics GmbH97076 WürzburgTel. +49 931 [email protected]
> KONTAKT
Bilder: M
ultiphoton Optics
Noch produktiver mithochpräzisem 3D-Druck Die additive Fertigung mittels Multi-Photonen-Absorption ermöglicht dieHerstellung hochpräziser Strukturen aus einem großen Materialspektrum.Mithilfe VERVIELFÄLTIGTER Laserstrahlen und intelligenterStrahlformung kann der Durchsatz jetzt erheblich gesteigert werden.
Bild 1. Wellenleiter-strukturen miteinem Aspekt -verhältnis von 2:1und einer lithogra -fischen Auflösungvon 250 nm. Dieoptische Auflösungliegt im Sparrow-Limit bei etwa 100 nm für das eingesetzte Hybridmaterial
© M
IKR
Ove
nt G
mbH
, Mai
nbur
g –
ww
w.m
ikro
prod
uktio
n.co
m –
nic
ht z
ur V
erw
endu
ng in
Intra
net-
und
Inte
rnet
ange
bote
n so
wie
ele
ktro
nisc
hen
Ver
teile
rn
Strukturen eingesetzt wird. Durch die Wahl der Lichtquelle und der Belichtungs-strategien lassen sich analog zum klassischen 3D-Druck Strukturen durchschichtweises Führen des Laserlichts additiv herstellen.
Herstellung echter 3D-TrajektorienDarüber hinaus bietet das hier vorgestellte Verfahren von Multiphoton Opticsdie Möglichkeit, echte dreidimensionale Trajektorien bei fundierter Kenntnisder Licht-Materie-Wechselwirkung zur Herstellung realer 3D-Strukturen fürdie optische Aufbau- und Verbindungstechnik oder auch für die Medizin-technik in industriellem Maßstab zu nutzen. Die additive Fertigung derStrukturen erfolgt dabei schnell, zuverlässig und mit Sub-µm-Präzision. Diekleinste Feature-Größe beträgt lateral weniger als 200 nm bei Oberflächen-rauheiten Ra von 10 nm und geringer. Zumeist werden photochemisch reaktive Materialien für die additive Ferti-
gung verwendet, wobei die eingebrachte Lichtdosis eine organische Ver -netzungsreaktion auslöst, die zur Verfestigung des Materials und somit zurAusbildung einer 3D-Struktur führt. Das nicht belichtete Material hat einegegenüber dem vernetzten Material höhere Löslichkeit und wird mit einemLösemittel, wie aus der konventionellen 2D-Prozessierung bekannt, aus -gewaschen. Anders als beim herkömmlichen 3D-Druck werden keine Stütz-strukturen oder Nachbearbeitungsprozesse benötigt. Strukturen, Flächenund Prozesse sind dabei skalierbar und auf unterschiedlichen Levels automa-tisierbar. Dies ist besonders vorteilhaft, da die Märkte in immer kürzeren Zeit-abständen nach hochwertigeren Produkten und individualisierten Servicesbei gleichzeitiger Verringerung der Kosten oder auch Ressourcen verlangen.
Schnelle Erprobung neuer Materialien und DesignsDer hochpräzise 3D-Druck ist für unterschiedlichste Kunden und Produkteüber die gesamte Wertschöpfungskette einsetzbar: Materiallieferanten, Auf-tragsfertiger und Endproduzenten profitieren gleichermaßen vom flexiblenProduktionsverfahren – von der Einzelstück- über die Kleinserien- bis zur Serienfertigung. So können beispielsweise in kürzester Zeit neue Materialienhinsichtlich ihrer Prozessfenster und der generellen 3D-Strukturierbarkeit
A D D I T I V E F E RT I G U N G l 41
• Über 10 Megawatt Spitzenleistung
• Vielseitiges Werkzeug • Pulsdauer weniger als
3 Pikosekunden • Kaltbearbeitung • Kompakter Laserkopf
mit 1,5kg • Perfekt für Metall, Glas,
Keramik & Halbleiter
UltrakurzpulsFaserlaser
Ideal für die Materialbearbeitung!
Kontaktieren Sie uns für Applikationstests
www.ipgphotonics.com/de/[email protected] 05/19
Bild 2. Hochpräzise3D-Druckplattform›LithoProf3D‹ für die additive und subtraktiveFertigung, basie-rend auf der Zwei-Photonen-Absorption
�
© M
IKR
Ove
nt G
mbH
, Mai
nbur
g –
ww
w.m
ikro
prod
uktio
n.co
m –
nic
ht z
ur V
erw
endu
ng in
Intra
net-
und
Inte
rnet
ange
bote
n so
wie
ele
ktro
nisc
hen
Ver
teile
rn
untersucht werden. Die Prozessfenster werden durchParameterfelder unter Variation der Energiedosisdurch variable Kombination von Laserleistung undBelichtungsgeschwindigkeit durch automatisiertesHerstellen in weniger als einer Stunde ermittelt, waseine signifikante Reduktion von Entwicklungszeitenund Kosten bedeutet. Neue Designs für die Mikrooptik, wie Asphären
oder Freiformoptiken, können in kürzester Zeit mithohem Durchsatz erprobt und vom Prototypen-Stadium in die Produktion überführt werden. Durchspeziell entwickelte Belichtungsstrategien könnenMikrolinsenarrays im Bereich von 1 bis 2 cm2, die ausmehreren Tausend Einzellinsen mit hohem Füllfaktorund höchster Oberflächengüte bestehen, in wenigenStunden seriell hergestellt werden. Diese Arrayskönnen entweder direkt eingesetzt oder auch zurHerstellung eines Replikationsmasters verwendetwerden, wodurch sich beliebige Mikrooptiken inMassenfertigung herstellen lassen.
Vervielfältigte Laserstrahlensteigern den Durchsatz Die Mikroproduktion mittels hochpräzisem 3D-Drucknutzt einen kurz gepulsten Laserstrahl als zentralesWerkzeug, um die 3D-Strukturen zu generieren. Durchdie Fokussierung mit einem Objektiv wird die Leis-tungsdichte des Lasers im fokalen Volumen so hoch,dass das Laserlicht dort einen nichtlinearen optischenProzess erzeugt, die Zwei-Photonen-Absorption(engl. Two-Photon Absorption, TPA). Auf diese Weisewird das Material ausschließlich im fokalen Volumenbei hoher Leistungsdichte bearbeitet. Dies ermöglichteine Strukturerzeugung mit höchster Präzision, wobeiwinzige Strukturelemente sogar deutlich unterhalbder optischen Auflösungsgrenze der verwendetenLichtwellenlänge erzeugt werden können.
Das Unternehmen Multiphoton Optics aus Würz-burg bietet mit dem ›LithoProf3D‹ eine zuverlässigePlattform für industrielle Anwender, die den hoch -präzisen 3D-Druck mittels Zwei-Photonen-Absorptiongewinnbringend für ihre Produktion einsetzen möchten(Bild 2). Die Materialpalette, aus der die Anwenderwählen können, ist riesig. Zu nennen wären klassischePositiv- und Negativ-Fotolacke der Halbleiterindustrie,anorganisch-organische Hybridpolymere, zum Bei-spiel die kommerziell erhältlichen ›Ormocere‹, sowiefunktionalisierte Polymere oder eine Vielzahl weiterermodernster Materialien für die additive Fertigung.Dazu zählen beispielsweise silikonbasierte Werk-stoffe, photostrukturierbare Gläser und Keramiken.Die Möglichkeit, auch biokompatible oder bio -resorbierbare Materialien für den Biomedizinbereichadditiv zu fertigen, rundet die reiche Materialauswahlab. Auch die Ablation dünner Metallschichten undMetalllegierungen ist für den LithoProf3D kein Pro-blem. Das Auflösungsvermögen der additiven undsubtraktiven Fertigung liegt je nach Material in derRegel weit unter einem Mikrometer. In
Bild 1 sindWellenleiterstrukturen mit einem Aspektverhältnis von2:1 und einer lithografischen Auflösung von 250 nmzu sehen. Prinzipiell können auch noch engere Kanälestrukturiert werden, dazu wäre allerdings eine Opti-mierung des Entwicklungsprozesses durch das Aus-waschen des nicht belichteten Materials notwendig.Die optische Auflösung liegt im Sparrow-Limit beietwa 100 nm für das eingesetzte Hybridmaterial.
Mehr Durchsatz durch intelligente StrahlformungNeben der Erhöhung des Produktionsdurchsatzesdurch Material, Belichtungstrajektoren und intelligenteLaserstrahlführung in der seriellen Fertigung kann die Produktivität einer Plattform wie der LithoProf3Dnoch um ein Vielfaches gesteigert werden. Eineweitere einfache Methode dafür ist die Verwendungeines Laserstrahlarrays, mit dem eine Vielzahl von Strukturen parallel generiert werden kann(Bild 3). Zur Erzeugung eines Laserstrahlarrays gibt
42 l A D D I T I V E F E RT I G U N G l MULT I - PHOTONEN - POLYMER I SAT ION
© MIKROvent, Mainburg MIKROPRODUKTION 05/19
Bilder: M
ultiphoton Optics
Bild 3. Bei einer klassischen seriellen Fertigung (links)werden Strukturen einzeln nacheinander mit einemLaserstrahl aufgebaut. Durch die Verwendung einesdiffraktiven optischen Elements vor der fokussierendenOptik (rechts) wird der Laserstrahl in viele Strahlen auf-geteilt. Dadurch werden viele Strukturen gleichzeitighergestellt
© M
IKR
Ove
nt G
mbH
, Mai
nbur
g –
ww
w.m
ikro
prod
uktio
n.co
m –
nic
ht z
ur V
erw
endu
ng in
Intra
net-
und
Inte
rnet
ange
bote
n so
wie
ele
ktro
nisc
hen
Ver
teile
rn
es verschiedene Möglichkeiten. Eine sehr simpleMethode ist der Einsatz eines diffraktiven optischenElements (DOE), das zur Formung, Ablenkung undAufteilung von Laserstrahlen geeignet ist. Bei einemDOE werden durch Beugung (Diffraktion) konstruktiveInterferenzen des Lichts erzeugt. Auf diese Weisekann ein einzelner Laserstrahl in viele gleiche Laser-strahlen aufgeteilt werden. Ein DOE zur Parallelisierung des Prozesses bietet
sich immer dann an, wenn ein hoher Durchsatz beider Fabrikation gleicher Strukturen gefordert ist. Jenach Anwendung und Bedürfnissen des Kundenkann ein kleiner Parallelisierungsfaktor, etwa vieroder sieben, gewählt werden oder auch ein deutlichhöherer. Im Rahmen des europaweiten Forschungs-projekts ›PhenoMenon‹ im Horizon-2020-Programmerarbeitet Multiphoton Optics neue photochemischeMaterialansätze und Belichtungsstrategien zur mas -siven Parallelisierung, um die Produktivität weiter zusteigern. Wichtig dabei ist, dass die Produktivitätnicht durch Herabsetzen der Genauigkeit erreichtwird, sondern dass jedes Bauteil die applikations-spezifisch erforderliche Präzision erhält.Im gleichen Maße, wie die Fabrikation parallelisiert
wird, verringert sich die Fabrikationszeit für die ent-
sprechenden 3D-Objekte. So wurde der LithoProf3Dmit einem DOE zur 121-fachen Parallelisierung aus-gestattet, das heißt, der Laserstrahl wurde in Formeines 11 5 11-Array aufgeteilt. Dieses Array wurdezur parallelen Fertigung von 121 Strukturen mit einerBasisfläche von 4 5 4 µm2 und einer Höhe von etwa12 µm eingesetzt (Bild 4). Damit werden in dergleichen Zeit 121 Strukturen erzeugt, in der bei ge -wöhnlicher Herstellung mit einem Laserstrahl nur eineeinzige Struktur hergestellt wird. Die Herstellungs-zeit betrug dabei lediglich 70 s. Im Vergleich dazuhätte die serielle Herstellung etwa 2,5 h gedauert.Die gleichzeitige Fabrikation von 121 Strukturen isterst der Anfang. Eine weitere Erhöhung des Durch-satzes durch einen höheren Parallelisierungsgradwird bereits implementiert. � MI110628
AUTORENDr. FABIAN HILBERT ist Applikationsingenieur bei Multi-photon Optics in Würzburg; [email protected]. RUTH HOUBERTZ ist Geschäftsführerin bei MultiphotonOptics in Würzburg; [email protected]. BENEDIKT STENDER ist CTO bei Multiphoton Optics in Würzburg; [email protected]
MULT I - PHOTONEN - POLYMER I SAT ION l A D D I T I V E F E RT I G U N G l 43
MIKROPRODUKTION 05/19
Bild 4. Durch die Aufspaltung desbearbeitenden Laserstrahls miteinem DOE in 11 5 11 Strahlen werden 121 gleiche Strukturengleichzeitig geschrieben. Die Fabrikationszeit ist aber nur so lang wie die für die Herstellung einer einzelnen Struktur ohne DOE
www.spectros.ch
SPECTROS AG 4107 Ettingen Schweiz Tel.+41 61 726 20 20
Ihr Partner für Präzisions-optik & optische Systeme.
Tel.: 03677 64 [email protected]
NEU 2019
Dreistrahl-InterferometerSerie SP 5000 TR
für hochgenaue simultane Längen-und Winkelmessungen
© M
IKR
Ove
nt G
mbH
, Mai
nbur
g –
ww
w.m
ikro
prod
uktio
n.co
m –
nic
ht z
ur V
erw
endu
ng in
Intra
net-
und
Inte
rnet
ange
bote
n so
wie
ele
ktro
nisc
hen
Ver
teile
rn
