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Die Wahl zwischen Femtosekunden- und Nanosekundenlasern für die Mikrobearbeitung beeinflusst maßgeblich die erreichbaren Toleranzen, die Wärmeeinflusszone (WEZ), die Oberflächengüte und die langfristigen Qualitätskosten in regulierten Fertigungsumgebungen. Für F&E-Manager und Präzisionsfertigungsingenieure ist die zentrale Entscheidung, ob die Vorteile der Femtosekundentechnologie hinsichtlich Leistung, Qualität und Konformität die höhere Systemkomplexität im Vergleich zu etablierten Nanosekundenplattformen in einer spezifischen Anwendung im Medizin-, Halbleiter- oder Werkzeugbau rechtfertigen.
Einen grundlegenden Überblick über die Prinzipien und Systemarchitekturen von Ultrakurzpulslasern finden Sie unter Femto-Lasertechnologie: Hochpräzises Schneiden und Bearbeiten.
Femtosekunden- und Nanosekundenlaser liefern beide gepulste Energie, ihre Pulsdauern unterscheiden sich jedoch um etwa sechs Größenordnungen: Femtosekundenpulse dauern etwa 10⁻¹⁵ Sekunden, Nanosekundenpulse hingegen nur etwa 10⁻⁹ Sekunden. Dieser Zeitunterschied verändert grundlegend, wie die Laserenergie in das Material einkoppelt und wie sich Wärme bei der Mikrobearbeitung ausbreitet.

Bei der Nanosekundenbearbeitung ist der Puls lang genug für eine signifikante Elektron-Phonon-Kopplung und Wärmeleitung in das umgebende Kristallgitter, sodass der Materialabtrag von photothermischen Effekten wie Schmelzen, Verdampfen und Wiederverfestigen dominiert wird. Bei der Femtosekundenbearbeitung ist der Puls kürzer als die charakteristische thermische Diffusionszeit, und der Energietransfer erfolgt über nichtlineare Absorption und ultraschnelle Ionisation, oft als Photodisruption oder „nahezu kalte Ablation“ bezeichnet.
Da Femtosekundenpulse enden, bevor sich das Kristallgitter signifikant erwärmen kann, ist die Energie auf ein sehr kleines Volumen beschränkt und wird schnell abgeführt, wodurch in den meisten technischen Werkstoffen nur eine minimale Wärmeeinflusszone (WEZ) zurückbleibt. Im Gegensatz dazu ermöglichen Nanosekundenpulse eine Wärmediffusion über mehrere zehn Mikrometer oder mehr, wodurch eine sichtbare WEZ, Umwandlungsschichten und möglicherweise Mikrorisse um das Bauteil herum entstehen, was je nach Anwendung akzeptabel sein kann oder nicht.
Experimentelle und industrielle Daten zeigen übereinstimmend, dass die Wärmeeinflusszone (WEZ) bei der Nanosekunden-Mikrobearbeitung mehrere zehn Mikrometer breit ist, im Gegensatz zu nur wenigen Mikrometern – oder sogar unterhalb der optischen Nachweisgrenze – bei der Femtosekundenbearbeitung. OPMT berichtet von typischen WEZ-Werten von 50–100 μm bei metallischen Bauteilen im Nanosekundenbereich, während Femtosekundensysteme diese Werte bei denselben Materialien auf unter 5 μm reduzieren.
Veröffentlichte Vergleiche bestätigen, dass Nanosekundenpulse in Metallen Wärmeeinflusszonen (WEZ) von etwa 40 μm erzeugen können, während Femtosekundenpulse unter ähnlichen Fluenzbedingungen bei Querschnittsuntersuchungen keine sichtbare WEZ hervorrufen. Dieser Unterschied ist entscheidend für Anwendungen, bei denen regulatorische oder funktionale Beschränkungen thermische Schäden um eine Schnitt- oder Bohrstelle stark begrenzen.
Bei der Nanosekunden-Mikrobearbeitung treten häufig geschmolzene und wieder erstarrte Ränder, Grate und Umwandlungsschichten an den Kanten von Bauteilen auf, insbesondere bei Metallen und spröden Keramiken. Diese thermischen Artefakte erfordern oft eine Nachbearbeitung wie mechanisches Entgraten, chemisches Ätzen oder Polieren, was die Kosten erhöht, die Taktzeit verlängert und das Risiko von Maßabweichungen birgt.
Die Femtosekunden-Mikrobearbeitung, die auf nahezu kalter Ablation basiert, liefert typischerweise scharfe Kanten mit deutlich reduziertem Grat und vernachlässigbarem Umschmelzen, selbst bei harten Materialien wie Diamant, Siliziumkarbid und Hochleistungskeramik. OPMT-Daten zeigen, dass mit Femtosekundenverfahren bearbeitete Mikrostrukturen Maßtoleranzen im Bereich von ±10 μm bei minimalem Kantenausbruch im Vergleich zu Ergebnissen aus Nanosekundenverfahren bei ähnlichen Geometrien erreichen.
Nanosekundenlaser ermöglichen für viele Industrieteile eine akzeptable Oberflächenrauheit, jedoch schränkt die Kombination aus Schmelzdynamik und Laserstrahlbildung ihre Eignung für die Oberflächenbearbeitung im Submikrometerbereich und für funktionelle Mikrotexturen ein. Darüber hinaus können wiederholte Temperaturwechsel Mikrorisse hervorrufen, die die Dauerfestigkeit von Hochleistungslegierungen beeinträchtigen.
Femtosekunden-Systeme von OPMT erreichen Oberflächenrauheitswerte von bis zu etwa 0,08–0,1 μm auf Titan-, Diamant- und Keramikbauteilen und gewährleisten Positioniergenauigkeiten von rund ±0,003 mm in Fünf-Achs-Bearbeitungskonfigurationen. Dies ermöglicht hochpräzise Mikrostrukturen, funktionale Oberflächentexturen wie laserinduzierte periodische Oberflächenstrukturen (LIPSS) und eine gleichbleibende Leistung in anspruchsvollen Anwendungen der Medizintechnik und Halbleiterindustrie.
Die effektivste Methode zur Bewertung von Femtosekunden- gegenüber Nanosekundenlasern besteht darin, spezifische Anwendungsklassen und deren Qualitäts- und Konformitätsanforderungen zu berücksichtigen.
Einen umfassenderen Vergleich der Pulsregime in CNC-Umgebungen finden Sie unter Nanosekunden- vs. Pikosekunden- vs. Femtosekundenlaser für CNC.
Bei der Herstellung von kardiovaskulären Stents muss die Wärmeeinflusszone (WEZ) durch Laserbearbeitung kontrolliert werden, um Veränderungen der Legierungsmikrostruktur, der Beschichtungsintegrität oder der Lumengeometrie zu vermeiden, die das Risiko von Restenose und Thrombose beeinflussen können. Ultrakurzpulslasersysteme mit präzise kontrollierter WEZ und glatten Strebenoberflächen sind mit einer verbesserten klinischen Leistung bei modernen Stentdesigns verbunden und unterstützen eine strenge Gerätevalidierung.

Femtosekundensysteme eignen sich besonders für:
Nanosekundenlaser können nach wie vor für einfachere Stent- oder Implantatgeometrien eingesetzt werden, bei denen eine etwas größere Wärmeeinflusszone und rauere Kanten klinisch akzeptabel sind, insbesondere wenn robuste sekundäre Nachbearbeitungs- und validierte Reinigungsverfahren bereits vorhanden sind.
Bei Halbleiterwafern und Keramiksubstraten beeinträchtigen Mikrorisse, Absplitterungen und Schäden im Untergrund direkt die Ausbeute, die Parameterleistung und die Langzeitstabilität. Nanosekundenprozesse können für einige robuste Substrate akzeptable Defektniveaus erreichen, jedoch können thermische Risse und Absplitterungen bei abnehmender Waferdicke oder verkleinerten Designregeln zu limitierenden Faktoren werden.
Die Femtosekunden-Mikrobearbeitung ermöglicht präzises Bohren und Schneiden von Materialien wie Siliziumkarbid, CVD-Diamant und Hochleistungskeramik mit minimaler Beschädigung von Durchkontaktierungen und Ritzlinien. OPMT berichtet, dass ultraschnelle und hybride Konfigurationen Waferdefekte in der Serienfertigung deutlich reduzieren und den effektiven Durchsatz auf Linienebene verbessern, wenn Ausschuss und Nacharbeit berücksichtigt werden.
Bei Display- und Deckgläsern beeinflusst die Qualität der Schnittkante die Biegefestigkeit, die optische Leistung und die Ausbeute nachfolgender Laminierungsprozesse. Nanosekundenlaser neigen aufgrund von thermischer Spannung und unterschiedlicher Ausdehnung zur Entstehung von Mikrorissen und Absplitterungen, was konservative Prozessfenster und eine umfangreiche Nachbearbeitung erforderlich macht.
Ultrakurzpulslaser, einschließlich Femtosekundenlaser, ermöglichen glattere, rissarme Kanten und innovative Geometrien wie Kerben oder interne Strukturen in dünnem Glas für faltbare Displays. Fallstudien von OPMT zeigen, dass eine verbesserte Wärmeeinflusszonenkontrolle und Kantenstabilität direkt zu höherer Effizienz und Ausbeute in OLED- und flexiblen Display-Produktionslinien beitragen.
Nanosekundenlaser werden häufig für die robuste Texturierung von Formen und für allgemeine Gravuren eingesetzt, bei denen Mikrorisse und Wärmeeinflusszonen (WEZ) beherrschbar oder sogar vorteilhaft für die mechanische Haftung sind. Sie bieten eine vergleichsweise einfache Integration und kostengünstige Bearbeitung für größere Texturen und weniger kritische Oberflächen.
Femtosekundensysteme zeichnen sich durch ihre hohe Leistungsfähigkeit bei der Texturierung von Formen und der Mikrobearbeitung superharter Materialien aus, einschließlich Diamantwerkzeuggeometrien, mikrostrukturierter Formeinsätze und freier 3D-Texturen. Die Fünf-Achs-Femtosekundenplattformen von OPMT unterstützen extrem kleine Spotgrößen und mehrschichtige Texturen und ermöglichen so die Herstellung von Mikro-Nanostrukturen mit Submikrometer-Rauheit auf komplexen 3D-Oberflächen.
Detaillierte Einblicke in die Diamantmikrobearbeitung mit Femtosekundenlasern finden Sie unter Femtosekundenlaser-Diamant-Mikrobearbeitung.
| Kriterium / Anwendung | Typisches Ergebnis eines Nanosekundenlasers | Typisches Ergebnis des Femtosekundenlasers |
|---|---|---|
| Wärmeeinflusszone in Metallen | ~50–100 μm Wärmeeinflusszone, sichtbare Umwandlung und thermische Verfärbung | <5 μm Wärmeeinflusszone, oft unterhalb der optischen Nachweisgrenze |
| Durchtrennung eines medizinischen Stents | Für einfache Designs mit Nachbearbeitung akzeptabel. | Ermöglicht feine Streben, gleichmäßige Lichtverteilung und minimale Beschädigung der Beschichtung. |
| Bohren/Ritzen von Halbleiterwafern | Risiko von Mikrorissen und Absplitterungen in spröden Wafern | Minimale Untergrundschädigung, höhere Ausbeute bei spröden Werkstoffen |
| OLED-/Displayglasschneiden | Kantenmikrorisse, höheres Bruchrisiko | Glatte Kanten, verbesserte Biegefestigkeit und Streckgrenze |
| Formtexturierung und allgemeine Gravur | Kostengünstig für unkritische Texturen | Hochpräzise Mikrotexturen mit Submikron-Rauheit |
| Superharte / Diamantwerkzeuge | Thermische Schäden, wahrscheinlich Mikrorisse | Nahezu kalte Ablation, erhaltene Kristallstruktur |
Nanosekundenlaser werden häufig mit hohen linearen Schnittgeschwindigkeiten bei herkömmlichen Metallen und relativ einfachen Geometrien in Verbindung gebracht. In vielen industriellen Anwendungen ermöglichen sie Schnittgeschwindigkeiten, die für die Großserienfertigung von Bauteilen mit moderaten Anforderungen geeignet sind, insbesondere wenn eine geringe Wärmeeinflusszone und bekannte Nachbearbeitungsverfahren akzeptabel sind.
Femtosekundensysteme erreichen bei Mikrostrukturen äußerst wettbewerbsfähige Scan- und Schnittgeschwindigkeiten, da jeder Puls Material effizient abträgt und nur minimale Erholungszeiten zwischen den Durchgängen erfordert. Vergleichsdaten von OPMT zeigen, dass ultraschnelle Systeme durch die Reduzierung oder den Wegfall der Nachbearbeitung und die Senkung der Ausschussraten einen höheren effektiven Durchsatz bei komplexen Mikrostrukturen erzielen können.
Die Investitionskosten für Femtosekundenlaser sind zwar höher, doch können bei Nanosekundenlasern versteckte Kosten durch Ausschuss, Nacharbeit und eine verminderte Geräteperformance in sensiblen Anwendungen entstehen. Bei medizinischen Implantaten und Stents korrelieren eine verbesserte Oberflächengüte und eine reduzierte Wärmeeinflusszone durch Ultrakurzpulslaser in dokumentierten Produktprogrammen mit besseren klinischen Ergebnissen und weniger postoperativen Komplikationen.
In der Luft- und Raumfahrt sowie bei Hochleistungsbauteilen können femtosekundenbearbeitete Oberflächen mit sehr geringer Rauheit und minimaler Mikrorissbildung die Dauerfestigkeit und Zuverlässigkeit deutlich verbessern. OPMT berichtet, dass die ultraschnelle Bearbeitung von Titan und anderen Hochleistungslegierungen mit messbaren Verbesserungen der Dauerfestigkeit im Vergleich zu thermisch beeinflussten Oberflächen einhergeht.
Die Investition in Femtosekunden-Scheidezeiträume ist am häufigsten dann gerechtfertigt, wenn:
Wo die funktionalen und regulatorischen Anforderungen weniger streng sind und eine einfache Nachbearbeitung akzeptabel und bereits validiert ist, können Nanosekundensysteme die kostengünstigere Wahl bleiben.
Ein praktischer Entscheidungsrahmen kann auf drei Achsen basieren: Maßtoleranz, akzeptable Wärmeeinflusszone und Materialempfindlichkeit.
Zu den Materialklassen, die sich besonders gut für die Femtosekunden-Mikrobearbeitung eignen, gehören biokompatible Legierungen für Implantate, spröde Keramiken und Gläser, Halbleitersubstrate und superharte Materialien wie Diamant.
Die Nanosekundentechnologie eignet sich im Allgemeinen dann, wenn:
Beispiele hierfür sind QR-Codierung und -Kennzeichnung auf medizinischen Instrumenten, allgemeine Metallbearbeitung, bei der die Wärmeeinflusszone nicht kritisch ist, sowie viele industrielle Gravur- und Kennzeichnungsaufgaben.
Femtosekundensysteme sind die bevorzugte Wahl, wenn:
Bei solchen Projekten werden die zusätzlichen Ausrüstungskosten typischerweise durch weniger Ausschuss, weniger Verarbeitungsschritte und eine überlegene Endproduktleistung über die gesamte Projektlaufzeit kompensiert.
Da jedes Projekt einzigartige Geometrien, Materialzusammensetzungen und Leistungsanforderungen aufweist, validieren F&E-Manager und Verfahrenstechniker Kandidatenprozesse üblicherweise durch Stichprobenprüfungen an realen Bauteilen und Materialien. Vergleichsversuche auf Nanosekunden- und Femtosekundenplattformen mit produktionsreifen Anlagen liefern konkrete Daten zu Wärmeeinflusszone (WEZ), Rauheit, Zykluszeit und Stückkosten, die direkt mit internen kritischen Qualitätsstandards (CTQs) und regulatorischen Vorgaben verknüpft werden können.
OPMT bietet anwendungsorientierte Probenverarbeitung, um diese Abwägungen zu quantifizieren und Teams in die Lage zu versetzen, interne Business Cases für die jeweilige Technologie auf der Grundlage von Messergebnissen statt Annahmen zu erstellen.
Die Femtosekunden-CNC-Bearbeitungszentren von OPMT kombinieren Pulsdauern unter 400 fs mit mehrachsiger Kinematik und erreichen so eine Positioniergenauigkeit von ±0,003 mm und eine Wiederholgenauigkeit von nahezu ±0,002 mm für komplexe 3D-Strukturen. Diese Plattformen sind für hochpräzise Anwendungen wie die Mikrobearbeitung von Diamantwerkzeugen, mikrotexturierte Formen und fortschrittliche Medizin- oder Halbleiterbauteile konzipiert, bei denen Wärmeeinflusszonen und Mikrorisse streng kontrolliert werden müssen.
Für konkrete Spezifikationen und Leistungsmerkmale der Maschinen siehe Micro3D L530V Fünf-Achs-Femtosekundenlaser-Bearbeitungszentrum.
Eng integrierte Optiken, hochstabile Maschinenstrukturen und intelligente Bewegungssteuerung ermöglichen sehr kleine Fokussierfleckgrößen und stabile Prozessfenster. Dadurch lassen sich Mikrostrukturen mit Maßtoleranzen um ±10 μm und Oberflächenrauheiten unter 1 μm selbst auf anspruchsvollen Materialien herstellen. In Kombination mit Prozessüberwachung und Parameterbibliotheken gemäß ISO 9001 unterstützen diese Systeme die stabile und skalierbare Produktion von Mikro- und Nanostrukturen in industriellen Mengen.
OPMT bietet außerdem CNC-Lasersysteme im Nanosekundenbereich an, die auf hohen Durchsatz und Kosteneffizienz in Anwendungen ausgelegt sind, bei denen eine moderate Wärmeeinflusszone und Nachbearbeitung akzeptabel sind. Diese Plattformen eignen sich hervorragend zum Markieren, allgemeinen Schneiden und für viele Strukturmerkmale in der Automobil-, Luft- und Raumfahrt- sowie allgemeinen industriellen Fertigung, wo die Anforderungen an die Kantenqualität weniger streng sind.
Durch die Nutzung etablierter Nanosekundentechnologien in Verbindung mit robusten Bewegungssystemen und bewährten Prozessrezepten können Hersteller attraktive Kosten pro Teil erzielen und gleichzeitig eine ausreichende Kantenqualität und Maßhaltigkeit für weniger sensible Anwendungen gewährleisten.
Für Unternehmen, die zwischen Femtosekunden- und Nanosekunden-Lasermikrobearbeitung abwägen, ist ein anwendungsspezifischer Probenbearbeitungstest der direkteste Weg zu einer fundierten Entscheidung. OPMT kann Ihre realen Materialien und Geometrien mit beiden Technologien bearbeiten, Wärmeeinflusszone, Oberflächenrauheit, Maßgenauigkeit und Zykluszeiten dokumentieren und Ihnen helfen, den ROI und das Risikoprofil jedes Verfahrens zu quantifizieren.
Um eine projektspezifische Bewertung einzuleiten, können die Forschungs- und Entwicklungsteams sowie die Prozessteams einen Stichprobenverarbeitungstest anfordern und Zeichnungen, Toleranzen, Materialstapel und Konformitätsanforderungen austauschen, so dass OPMTs Ingenieure kann ein optimiertes Prozessfenster vorschlagen, das mit ISO 9001 und branchenspezifischen Validierungsanforderungen übereinstimmt.
Femtosekundenlaser arbeiten mit Pulsdauern um 10⁻¹⁵ s, was eine nahezu kalte Ablation und eine sehr kleine Wärmeeinflusszone ermöglicht, während Nanosekundenlaser 10⁻⁹ s-Pulse verwenden und in erster Linie auf thermischen Materialabtrag setzen, was zu einer größeren Wärmeeinflusszone und mehr Umschmelzung führt.
Durch Femtosekunden-Prozesse lässt sich die Wärmeeinflusszone (WEZ) drastisch reduzieren – oft auf unter 5 μm und bei bestimmten Materialien manchmal sogar unterhalb der Nachweisgrenze –, aber nicht jede Konfiguration führt zu einem buchstäblich null thermischen Einfluss; Prozessparameter und Materialeigenschaften spielen weiterhin eine Rolle.
Nanosekundenlaser sind ausreichend, wenn die Toleranzen im Bereich von einigen zehn Mikrometern liegen, eine moderate Wärmeeinflusszone akzeptabel ist und die Kantenqualität durch einfache Nachbearbeitung verbessert werden kann; sie werden häufig für robuste Metalle, Markierungen und weniger kritische Mikrostrukturen eingesetzt.
Bei fortschrittlichen Stent-Designs bieten Femtosekundenlaser und andere ultraschnelle Laser eine überlegene Kontrolle über die Wärmeeinflusszone, die Lumenglätte und die Integrität der Beschichtung und unterstützen so eine bessere klinische Leistung, während Nanosekundensysteme weiterhin bei einfacheren oder weniger anspruchsvollen Stent-Anwendungen eingesetzt werden können.
Ultrakurzpulslaser, einschließlich Femtosekundenlaser, können Mikrorisse und Absplitterungen an Glaskanten deutlich reduzieren und so die Biegefestigkeit und die Linienausbeute bei der Displayherstellung verbessern, was insbesondere für dünne und faltbare Glassubstrate von Bedeutung ist.
Obwohl Femtosekundenanlagen komplexer sind, kann der effektive Durchsatz bei komplexen Mikrostrukturen höher sein, da solche Systeme weniger Durchgänge und eine minimale Nachbearbeitung benötigen und weniger Ausschuss produzieren. Nanosekundenanlagen bieten hingegen möglicherweise immer noch die niedrigsten Kosten pro Teil für einfache, unempfindliche Strukturen.
OPMT bietet sowohl Nanosekunden- als auch Femtosekunden-CNC-Plattformen an und stellt Dienstleistungen zur Musterbearbeitung bereit, um Qualität, Wärmeeinflusszone und Zykluszeiten an realen Teilen zu vergleichen und den Ingenieurteams so datengestützte Informationen für Investitions- und Prozessauswahlentscheidungen zu liefern.
Haftungsausschluss
Dieser Inhalt wurde von OPMT Laser auf Grundlage öffentlich verfügbarer Informationen zusammengestellt und dient ausschließlich zu Referenzzwecken. Die Erwähnung von Marken und Produkten Dritter dient dem objektiven Vergleich und stellt keine kommerzielle Verbindung oder Billigung dar.

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