Probleme bei der Mikro-Nano-Bearbeitung von hochschmelzendem Molybdän? Femtosekundenlaser lösen vier zentrale Herausforderungen.

Als hochtemperaturbeständiges Spitzenmaterial mit einem Schmelzpunkt von 2623 °C findet Molybdän (Mo) breite Anwendung in anspruchsvollen Bereichen wie Luft- und Raumfahrtdüsen, Halbleiterelektroden und Komponenten für medizinische Computertomographen. Die Mikro- und Nanobearbeitung von Molybdän war jedoch lange Zeit durch die hohe Härte und den hohen Schmelzpunkt des Materials eingeschränkt: Traditionelle mechanische Bearbeitungsmethoden neigen zu Rissbildung, und Nanosekundenlaser verursachen thermische Schäden. Wie lässt sich eine hochpräzise und gleichzeitig schadensfreie Bearbeitung realisieren? Die Femtosekundenlaser-Technologie der Kaltbearbeitung bietet hierfür eine neue Lösung.

4 zentrale Herausforderungen bei der Molybdän-Mikro-Nano-Verarbeitung

• Schneller Werkzeugverschleiß aufgrund hoher HärteBei der traditionellen Kontaktbearbeitung erhöht die **hohe Härte** von Molybdän die Werkzeugverschleißgeschwindigkeit um das **3- bis 5-Fache** und führt leicht zu Mikrorissen an der Materialoberfläche, wodurch die Bearbeitung feiner Strukturen (wie z. B. Öffnungen im Mikrometerbereich) unmöglich wird.
• "Unvollständige Verarbeitung" verursacht durch hohen SchmelzpunktDie herkömmliche Laserbearbeitung erfordert eine große Menge an Energie zum Schmelzen von Molybdän; **unzureichende Energie** führt zu "unvollständigem Schneiden", während **übermäßige Energie** Kantenverklebungen verursacht und die Präzision beeinträchtigt.
• Thermische Schäden beeinträchtigen die MaterialleistungNanosekundenlaser haben eine lange Pulsdauer, und durch Wärmediffusion entsteht eine **$10\mu\text{m}$ breite Wärmeeinflusszone (WEZ)**, was zu einer **Oxidation der Molybdänoberfläche (Bildung von $\text{MoO}_3$)**, inneren Spannungsrissen und sogar einer verringerten Leitfähigkeit führt.
• Mangelnde Anpassungsfähigkeit traditioneller VerfahrenSowohl die mechanische Bearbeitung als auch Nanosekundenlaser haben Schwierigkeiten, die Anforderungen an **"schmale Linienbreite + keine Schlacke"** in Einklang zu bringen und können daher die Präzisionsanforderungen der Halbleiter-, Medizin- und anderer Bereiche nicht erfüllen.

2,2 Femtosekundenlaser: Ein „Kaltbearbeitungswerkzeug“ zur Lösung von Herausforderungen bei der Molybdänverarbeitung

Keine thermischen Schäden: Oxidation und Rissbildung werden von vornherein verhindert: Die Pulsdauer von Femtosekundenlasern ist extrem kurz (Femtosekundenbereich, 10⁻¹⁵ Sekunden). Die Energie wirkt unmittelbar auf die Materialoberfläche ein und sublimiert Molybdän direkt. Die Wärmeeinflusszone ist kleiner als 1 µm und beeinträchtigt die Eigenschaften des Materials kaum.

Hohe Präzision: Starke Kontrollierbarkeit für die Mikrobearbeitung: Es ermöglicht das Bohren von Molybdän mit einer Präzision von $\pm 1\mu\text{m}$, mit glatten Lochwänden und **ohne Grate**, und erfüllt damit die Anforderungen an hochpräzise Bauteile wie SEM-Elektronenmikroskop-Aperturen und optische Lochblenden.

Toleranzfreie Bearbeitung von Molybdänblechen mit extrem hoher Rundheit der Öffnungen und ohne Grate oder Schmelzspuren an den Kanten.

Berührungslos: Vermeidung von Schäden durch mechanische Spannungen: Die berührungslose Bearbeitung erfordert **keinen Werkzeugkontakt**, es entstehen **keine mechanischen Spannungen**, und das Problem der "Verarbeitungsrissbildung bei hochhartem Molybdän wird gelöst".

Präzisionsschneiden von Molybdänblechen mittels Femtosekundenlaser

2.3 Leistungsvergleich: Femtosekundenlaser vs. Nanosekundenlaser

Abschluss