UKP MARKING...UKP MARKING, Christoph Neugebauer 06.09.2018 WIE LANGE MÜSSEN WIR AUF DEN NÄCHSTEN PULS WARTEN, WENN WIR EINEN PULS VON 1 PS BEI 1 MHZ ZU EINEM PULS VON 1 SUKP MARKING,

UKP MARKING, Christoph Neugebauer 06.09.2018

UKP MARKING

Blackmarking

Christoph Neugebauer

Ditzingen, 06.09.2018

LAC Ditzingen

UKP MARKING, Christoph Neugebauer 06.09.2018 2

Anwendungen Ultrakurzpulse Funktionen

Technologie Partnerschaft


Ultraschnelle Laser

Wie kurz ist ultrakurz?

3

1 Sekunde (s) = 10-0 s = 1 s

1 Millisekunde (ms) = 10-3 s = 0,001 s

1 Mikrosekunde (µs) = 10-6 s = 0,000 001 s

1 Nanosekunde (ns) = 10-9 s = 0,000 000 001 s

1 Picosekunde (ps) = 10-12 s = 0,000 000 000 001 s

in 1 ps

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WIE LANGE MÜSSEN WIR AUF DEN NÄCHSTEN PULS WARTEN, WENN WIR EINEN PULS VON 1 PS BEI 1 MHZ ZU EINEM PULS VON 1 S LINEAR SKALIEREN?

Frage

4


Mikroanwendungen - ns-Pulse

▪ Absorptionsdauer größer als Elektron-Phonon-Wechselwirkungszeit

▪ Erreicht thermisches Gleichgewicht zwischen Elektronen und Gitter

▪ Schmelz- und Bedampfungsphasen (Abtragung)

▪ Absorption im Dampf

Plasmabeschichtung

Absorption

Zeit

Wärme

0 1 ps 100 ps 10 ns 1 µs

Abtragung


Mikroanwendungen - Ultrakurzpulse

▪ Energieübertragung vom Laserpuls auf die Elektronen (Absorption)

▪ Absorptionsdauer kleiner als Elektron-Phonon-Wechselwirkungszeit

▪ Direkte Materialabtragung

„Kalt“-Anwendung

Hat das Material bemerkt, dass es heiß wird, ist es bereits verschwunden!

Absorption

Zeit

Wärme

0 1 ps 100 ps 10 ns 1 µs

Abtragung


Vorteile von Ultrakurzpulsen

Hochpräzise „Kalt“-Bearbeitung

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Hohe Intensität 250 MW Spitzenleistung (< 3 PetaWatt / cm²)

„Kalt“-Verarbeitung Optische Eindringtiefe < thermische Eindringtiefe

Hohe Absorption Nicht-lineare Absorption (Multi-Photonen-Absorption)

Materialunabhängigkeit Verarbeitung von jeder Art von Material

Das ist cool!

30 µm





Eine Allegorie

9

Grundkonzept: MOPA-System

MO:

Master-Oszillator

- Frequenz

- Tonlänge

PA:

Leistungsverstärker

- Benötigte Energie

- Tonlänge

Anpassung:

Equalizer

- Frequenzumwandlung

- Tonlängenabstimmung


Eine Allegorie

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Grundkonzept: MOPA-System

MO:

Master-Oszillator

- Frequenz

- Tonlänge

PA:

Leistungsverstärker

- Benötigte Energie

- Tonlänge

Anpassung:

Equalizer

- Frequenzumwandlung

- Tonlängenabstimmung


Von Stab- zu Scheiben- und Faserlasern

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Ein Weg, um gegen den

thermischen Linseneffekt des

Stablasers anzugehen:

• Kühlung verbessern durch

Vergrößerung des

Oberflächen-Volumen-

Verhältnisses

Zwei Lösungen:

• Zu einer Faser ausdehnen

• Zu einer Scheibe

komprimieren


Drei Integrationsstufen verfügbar bis zu einer

schlüsselfertigen Lösung

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Reine OEM-Laserlichtquelle

Freistrahllaser-Führungskomponenten erhältlich

Alle Schnittstellen

OEM-Integrationspakete (inkl. Kühler und Computer)

▪ TruMicro 2000:

Laserlichtquelle, Scanner, 3D-Programmiersoftware

▪ TruMicro Mark 2000:

Laserlichtquelle, Scanner, Beschriftungssoftware

Optional in TruMark Station 5000 integriert

TruMicro 2000

TruMicro (Mark) 2000

TruMicro Mark 2000 in TruMark Station 5000


TruMicro (Mark) 2000 Laserlichtquellen-Optionen

13

TruMicro

2020

TruMicro

2030

Durchschnittsleistung 10 W 20 W

Wellenlänge 1030 nm 1030 nm

Garant. Strahlqualität M²>1,3 M²>1,3

Pulsdauer20 ps 20 ps

Max. Pulsenergie10 µJ 20 µJ*

Max. Wiederholrate0 - 1000 kHz 0 - 1000 kHz

Multipulsmodus bis zu 4 Pulse bis zu 8 Pulse

Puls auf Anforderung Ja Ja

Grundgeräte-Laserlichtquellen +Zusätzliche Optionen

<400 fs und 900 fs verfügbar

20 µJ und 50 µJ verfügbar

bis zu 100 µJ auf Anforderung verfügbar

2 MHz verfügbar

*Standard für TruMicro 2030





Funktion 2: Externer Modulator/Null-Abbau-Ausführung

Eigenschaften:

▪ Analoges HV-Signal regelt die übertragene Pulsenergie

▪ Pulse können von Puls zu Puls angegangen werden (beispielsweise jeder zweite Puls)

▪ Auch wenn sich die interne Leistung leicht verändert, bleibt die Ausgangsleistung konstant

▪ Sehr flexibles System, Wiederholrate und verschiedene Pulsenergien einstellbar

▪Kein Problem mit dem ersten Puls, 100 % der angeforderten Pulsenergie ab dem

ersten Puls

▪Leistungsregulierung, doppelte Feedbackschleife, stabile Ausgangsleistung,

keine Verschlechterung

Eingestellter Leistungspegel

Stets 10 % Leistungsreserve





Stealth-Technologie Äußerst kontrastreiche Beschriftung

mit Ultrakurzpulslasern

Schwarzes Silikon

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Sie haben viel gemeinsam!

© Aalto University© Trumpf© www.theamericanmind.com

Minimale Strahlungsreflexion aufgrund von:- Absorptionsschicht

- spezieller Oberflächenstruktur

http://www.aalto.fi/en/current/news/2015-05-18-002/


Bedürfnisse und Erwartungen

Qualitativ hochwertige Beschriftung für medizinische Geräte

Hoher

Kontrast

Passivierungs

-beständig

Korrosions

beständig

Haltbar

Langfristige

Lesbarkeit

(UDI) Gleichbleibende

Beschriftungs-

ergebnisse

Für

Autoklavieren

geeignet


Prozessgrenzen

Korrosions-

beständig

Hoher

Kontrast

Haltbar

Bestimmte Art von Oxidschicht

Temperaturregime < 500 °C

Chromgehalt

Oberflächenbehandlung

Austenitischer oder martensitischer Stahl

Oxidschichtdicke

Wechselwirkungszeit

Pulsdauer

Atmosphäre

Matte Oberfläche

LIPSS auf der Oberfläche für Lichtbrechung

Lichtabsorbierende Oxidschicht

Oberflächenbehandlung

UKP

Nanosekunde


Schwarze Beschriftung – Kontrast und Korrosion

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• Hoher Kontrast

• Bildung von „Nano-Riffeln“ (laser-induced

periodic surface structures (laserinduzierte

periodische Oberflächenstrukturen),

LIPSS)

• Schaffung einer dünnen Oxidschicht

• Hohe Korrosionsbeständigkeit

• Glühen Freies Chrom wird durch

Wärme chemisch reduziert (CrNi, CrC)

• Ultrakurze Pulse belassen genügend

freies Chrom in der Oberfläche

selbstheilende Chromoxidschicht (ca. 5–

50 Atomlagen)

gestreute Reflexion

Lichtfang

Gecys et al. J. Laser Micro Nanoen. 10, 2 (2015)


Grundlegendes über Edelstahl

21

• Nach EN 10020 darf der Chromgehalt von Edelstahl nicht weniger als 10,5 % (in älteren

Quellen wurden 12 % angegeben) betragen, während der Kohlenstoffgehalt 1,2 % nicht

überschreiten darf.

• Das Chrom bildet zusammen mit dem Sauerstoff aus der Luft spontan eine dünne,

schützende Oxidschicht (Passivschicht) auf der Oberfläche des Edelstahls.

• Die Korrosionsbeständigkeit kann zusätzlich verbessert werden, indem weitere

Legierungselemente hinzugefügt werden, wie beispielsweise Nickel, Molybdän, Stickstoff

und Titan (oder Niob).


Die Passivschicht – Chromoxide und Chromhydroxide

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• Merkmale abhängig von

Legierungstyp,

Metallqualität,

Oberflächenbehandlung,

Oberflächenreinheit und

umgebendem Medium.


Prüfaufbau

Ziele, Material und Ausrüstung

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Wodurch wird eine matte Oberfläche verursacht (LIPSS?)? (SEM)•

Ist eine Oxidschicht• vorhanden? (EDX)

Unterschiede zwischen Piko• - und Femtosekundenlaser?

2 • verschiedene Edelstähle:

1.4021 1. – martensitischer Edelstahl - X20Cr13

1.4301 2. – austenitischer Edelstahl– X5CrNi18 -10

Lasersystem: •

TruMicro

2030

TruMicro

2030

Durchschnittsleistung 20 W 20 W

Wellenlänge 1030 nm 1030 nm

Pulsdauer 20 ps 900 fs

Max. Pulsenergie 20 µJ* 20 µJ*

Max. Wiederholrate 0 - 1000 kHz 0 - 1000 kHz


OBERFLÄCHENUNTERSUCHUNG

24


SEM - Anlassbeschriftung mit Nanosekundenlaser

Nützlich für Vergleiche

1.4301

• Eine homogene Oxidschicht wird erzielt

• Dünne Schmelzphase vorhanden

• Einige Nanorisse sind in der Oberfläche sichtbar

• In kleinen Verarbeitungsfenstern geeignet für die Beschriftung medizinischer Geräte


900 fs20 ps

26

SEM - Oberflächenuntersuchung

1.4021 martensitischer Edelstahl

• Übersicht

• Keine Abtragung von Material im beschrifteten Bereich

• Schleifspuren weiterhin sichtbar

• Farbänderung sichtbar




20 ps

• Riffel sind sichtbar

• Überwiegend zur Polarisation

ausgerichtet

• Jedoch durch die Oberfläche beeinflusst

900 fs

• Wesentlich feinere Riffelstruktur

• Riffel zur Polarisation ausgerichtet

• Kein Einfluss auf die Oberfläche


900 fs20 ps

28


1.4301 austenitischer Edelstahl

• Übersicht

• Keine Abtragung von Material im beschrifteten Bereich

• Völlig unterschiedliches Verhalten von ps und fs hinsichtlich der Riffelstruktur

• Farbänderung sichtbar


900 fs

• Wesentlich feinere Riffelstruktur

• Riffel zur Polarisation ausgerichtet

• Kein Einfluss auf die Korngrenzen

• Homogen auch in den Tälern

20 ps

• Unterschiedliche Riffelausrichtung

abhängig von der Kornorientierung

• Kleine Schmelztropfen

29






20 ps

Die volle Riffelstruktur ist innerhalb von •

10 µm zur Kante vorhanden

Einige Nanopartikel außerhalb des •

beschrifteten Bereichs

900 fs

• Scharfe Kante

• Feine Riffelstruktur

• Volle Riffelstruktur innerhalb von 3 µm

• Keine Fremdkörper sichtbar


EDX-ANALYSEN

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EDX-Analysen


32

Grün: Grundmaterial

Rot: beschrifteter Bereich


EDX-Analysen


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Grün: Grundmaterial

Rot: beschrifteter Bereich

• Beide Materialien weisen die materialspezifischen Elemente auf

• Im beschrifteten Bereich wird zusätzlich Sauerstoff festgestellt

• Daher muss eine dünne Oxidschicht vorhanden sein (nicht durch ein Lichtmikroskop

feststellbar)


QUALITÄTSPRÜFUNG

34


Korrosionsprüfung

Prüfaufbau

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Da es kein national oder international standardisiertes Verfahren für die Prüfung und

Nachbearbeitung von medizinischen Geräten gibt, wurden drei verschiedene

Verfahrensschritte identifiziert:

1. Passivierung des Teils

• Die Passivierung erfolgte durch die Verwendung von Citrisurf 2250® von Stellar

Solutions in der festgelegten Konzentration von 40 % Zitronensäure bei 50 °C–

55 °C für 10 Min.

• Quality Gate: Kein Verblassen der Farbe

2. Kochprüfung gemäß DIN EN ISO 13402

• Kochen in deionisiertem Wasser für 30 Min., Verweilen im Wasser für 1 Std.,

Trocknen in der Luft für 2 Std.

• Quality Gate: sichtbare Korrosion

3. Salzwasserprüfung

• Als Elektrolyt wurde eine Ringer-Salzlösung gewählt. (0,9 % NaCl)

• Die Teile verblieben 24 Std. im Salzbad, wurden herausgenommen, mit Wasser

gereinigt

• Quality Gate: sichtbare Korrosion

• Proben, die das Quality Gate nicht erreichten, wurden aussortiert.


In der gezeigten Matrix werden die Pulsenergie um ± 5 % und der Schraffurabstand um ±

5 µm variiert.

• Das Verarbeitungsfenster für die Beschriftung mit einem Ultrakurzpulslaser ist viel

größer als für eine Beschriftung mit einem Nanosekundenlaser

• Unabhängig von der Oberflächenbehandlung, wie Schleifen, Polieren und

Sandstrahlen, ...

• Ergebnisse mit 900 fs zeigen etwas größere Verarbeitungsfenster

Korrosionsprüfung

Passivierun

g

Kochprüfung Salzprüf

ung

24

Std

.

3,5

Std.

10 Min.


WEITERE ANWENDUNG FÜR TRUMICRO 2000

37


Saphirbearbeitung


Entfernen der Isolierung von Drähten

Übersicht


Anforderung:

• Allgemeine Prüfung Gravur von

Keramik mit (Al2O3) mit

TruMicro 2030

Ausrüstung:

• TruMicro 2030 (IR)

• Optik f = 100 mm

• Burst-Modus (1,2,…,8)

Ergebnis:

• Volumenabtragsrate bis zu

3 mm³/min; 100 µm Tiefe

• Taper ~25°

• Kein Grat

40

Keramikgravur

Übersicht


Christoph Neugebauer, LAC Ditzingen

Ditzingen, 06.09.2018


11,5 TAGE

Ergebnis:

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