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Entwicklung einer BlueRay-Laserbelichtungsanlage zur 3D-Mikrostrukturierung

01.12.2013

Für die Belichtung fotosensitiver Lacke wurde eine Anlage auf Basis einer kostengünstigen BlueRay-Laserdiode entwickelt. Damit können auch dreidimensionale Oberflächen belichtet und strukturiert werden. Derzeit wird eine Strukturbreite von bis zu 30 µm erreicht.


Für die selektive Belichtung von fotosensitiven Lacken wurde eine flexibel verwendbare Belichtungsanlage benötigt. Damit sollen Mikrostrukturen in dünnen Schichten hergestellt werden, bspw. für die Nutzung als integriertes sensorisches System von Komponenten mechanischer Baugruppen.

Herkömmliche Methoden, wie der Einsatz von Belichtungsmasken, beschränken sich in der Regel auf ebene Flächen und müssen für jede neu zu erstellende Struktur aufwändig gefertigt werden. Eine weitere Möglichkeit ist der Einsatz eines fokussierten Laserstrahls zur gezielten Belichtung des Fotolacks. Kommerzielle Systeme, dieser im Bezug auf Änderungen im Strukturlayout hochflexiblen Technologie, sind am Markt verfügbar jedoch kostenintensiv. Die hier vorgestellte und im Rahmen laufender Projektarbeiten realisierte Lösung ist preisgünstiger, was unter anderem durch den Einsatz einer BlueRay-Laserdiode (Wellenlänge: 405 nm) erreicht wurde.

Der kinematische Aufbau der Anlage besteht aus drei kartesisch zueinander aufgebauten Linearachsen, sowie einer rotatorischen Achse. An dieser Achse ist auch die Befestigung für den Werkstückhalter angebracht, der aus einem Feingewinde mit präzise gefertigtem Endanschlag besteht. Somit können verschiedene Halter und damit einhergehend auch diverse Werkstückgeometrien reproduzierbar befestigt werden. Auf Grund dieser 4-Achs-Kinematik können neben planaren auch gekrümmte Oberflächen belichtet werden, bspw. auf der Mantelfläche eines zylindrischen Bauteils. Der gesamte Aufbau hat dabei eine kompakte Grundfläche von 400 mm x 600 mm.

Ein selbstentwickelter Diodentreiber ermöglicht die Ansteuerung der Laserdiode mit einem Computer. Das Licht wird dabei zunächst in eine Glasfaser eingekoppelt und auf die zu belichtende Oberfläche fokussiert. Der Arbeitsabstand zwischen Linse und Oberfläche beträgt dabei etwa 100 mm. Zwei Kameras mit entsprechender Software ermöglichen eine Beobachtung in Echtzeit. Hierauf basiert die dreidimensionale Positionierung und die korrekte Fokussierung auf der Oberfläche des Bauteils, sowie die Kontrolle während der Belichtung.

Die Steuerung der Achsen erfolgt über eine grafische Oberfläche auf einem Computer mit Software die die aus der CNC-Bearbeitung bekannten G-Codes einlesen und verarbeiten kann. Dies ermöglicht einen direkten Workflow: Die zu belichtende Struktur kann in einer CAD-Software entwickelt werden und wird mittels CAM in den maschinenlesbaren G-Code übersetzt.

Die Strukturen können, neben rechtwinklig zueinander stehenden Geraden, auch aus Schrägen sowie aus Kurven bestehen. In den ersten Versuchen wurden dabei Strukturbreiten von bis zu 30 µm erreicht, was für aktuelle Aufgaben in der Sensorentwicklung auf gekrümmten Bauteilen [1] hinreichend ist.

[1] Schmaljohann, F.; Hagedorn, D.; Buß, A.; Kumme, R.; Löffler, F.: Thin-film sensors with small structure size on flat and curved surfaces. 2012 Meas. Sci. Technol. 23 074019 doi:10.1088/0957-0233/23/7/074019


Bild 1: Laserbelichtungsanlage und eine damit belichtete Struktur (Teilbild links unten)