EP1097021A1

EP1097021A1 - Vorrichtung zum materialabtragen bei werkstücken mittels laserstrahl

Info

Publication number: EP1097021A1
Application number: EP00936661A
Authority: EP
Inventors: Friedrich Dausinger; Thomas Wawra
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1999-05-06
Filing date: 2000-05-03
Publication date: 2001-05-09
Also published as: JP2002543984A; DE19920813A1; WO2000067945A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Abtragen von Material bei einem Werkstück mittels eines Laserstrahles, insbesondere eine Laserbohrvorrichtung, umfassend eine Laseranordnung zur Erzeugung eines Laserstrahles, der aus wenigstens einem Laserpuls besteht, der durch Parameterwerte wie z.B. Pulsdauer und Laserwellenlänge charakterisiert ist. Um eine derartige Vorrichtung hinsichtlich Abtragungsfortschritt und Abtragungspräzision zu verbessern, wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, die Laseranordnung so auszugestalten, daß sie wenigstens zwei Typen von Laserpulsen erzeugt, die sich hinsichtlich mindestens eines Parameterwertes unterscheiden.

Description

Vorrichtung zum Materialabtragen bei Werkstücken mittels Laserstrahl

Stand der Technik

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Abtragen von Material bei einem Werkstück mittels eines Laserstrahles mit den Merkmalen des Oberbegriffes der unabhängigen Ansprüche.

Eine derartige Vorrichtung umfaßt üblicherweise eine Laseranordnung zur Erzeugung eines Laserstrahles aus wenigstens einem Laserpuls, der Parameterwerte zumindest für Laserwellenlänge, Pulsdauer, Pulsabstand und Laserintensität aufweist .

Vorrichtungen dieser Art werden insbesondere dazu verwendet, in einem Werkstück Bohrungen mit höchster Präzision auszubilden. Obwohl die Erfindung im folgenden mit Bezug auf eine Laserbohrvorrichtung beschrieben ist, ist klar, daß die erfindungsgemäßen Maßnahmen auch bei anderen Vorrichtungen anwendbar sind, die mittels Laserstrahl bei einem Werkstück eine präzise Materialabtragung bewirken, unabhängig davon, ob diese Materialabtragung nach Art eines Bohr-, Fräs- oder Schneidvorganges od.dgl. erfolgt.

Beim Ausbilden einer Laserbohrung wird an der Auftreffstelle des Laserstrahls das Material durch Verflüssigung und Verdampfung abgetragen bzw. ausgetrieben. Die Präzision einer derartigen Laserbohrung wird durch unvollständig ausgetriebenes Material, das sich vor allem als Schmelze im Bohrloch ablagert, erheblich beeinträchtigt. Um den Materialaustrieb zu verbessern, kann die Lasermtensitat gesteigert werden. Dadurch erhöht sich der durch den Laserstrahl erzeugte Dampfdruck und damit auch der Mateπalaustrieb . Ein erhöhter Dampfdruck bewirkt jedoch gleichzeitig eine verstärkte Abschirmung des Laserstrahls, wodurch sich die Bohrgeschwindigkeit sowie die maximal erreichbare Bohrtiefe reduzieren.

Dieser Zusammenhang wird damit begründet, daß sich beim Laserbohren im Bohrloch Plasma bildet, das die Laserstrahlung teilweise absorbiert und somit abschwächt, so daß sich die Bohrgeschwindigkeit und die maximal erreichbare Bohrtiefe verringern. Gleichzeitig wird das Plasma durch das teilweise Absorbieren des Laserstrahls erwärmt, wodurch sich im Plasma der Druck erhöht, was dazu führt, daß sich der Mater alaustrieb und somit die Bohrpräzision verbessert. Außerdem bewirkt das Plasma eine Glättung und Aufweitung der Bohrungswandung.

Vorteile der Erfindung

Die erfindungsgemäße Vorrichtung, insbesondere wenn sie als Laserbohrvorπchtung zum Bearbeiten von Werkstücken aus massivem Material ausgebildet ist, hat demgegenüber den Vorteil, daß die Laseranlage mit wenigstens zwei Typen von Laserpulsen arbeitet, wobei der eine Laserpulstyp durch eine geeignete Wahl seiner Parameterwerte, z.B. beim Bohren, hinsichtlich einer maximalen Bohrtiefe und

Bohrgeschwindigkeit ausgelegt ist, während der andere Laserpulstyp durch eine entsprechende Auswahl seiner Parameterwerte, z.B. beim Bohren hinsichtlich eines maximalen Materialaustπebes optimiert ist . Die wenigstens zwei Laserpulstypen können daoei so aufeinander abgestimmt werden, daß sich .beispielsweise bei einer Laserbohrvorrichtung optimale Werte für die maximal erreichbare Bohrtiefe, für die Bohrgeschwindigkeit und für die Präzision der Bohrung ergeben.

Die Erfindung beruht dabei auf der Erkenntnis, daß z.B. beim Laserbohren die Werte für Bohrtiefe, Bohrfortschritt und Bohrqualität von bestimmten Parameterwerten des Laserpulses besonders stark abhängen. Die insoweit wichtigen

Parameterwerte sind Laserwellenlange und Pulsdauer.

Beispielsweise nimmt eine Wechselwirkung elektromagnetischer Strahlung mit einem im Bohrloch vorhandenen Plasma mit der Laserwellenlänge zu; die Wechselwirkung nimmt dabei proportional zum Quadrat der Laserwellenlänge zu. Das bedeutet, daß eine größere Laserwellenlänge eine stärkere Wechselwirkung mit dem Plasma aufweist und somit eine stärkere Plasmabildung sowie e ne größere Druckerhöhung im Plasma bewirkt, während eine kürzere Laserwellenlänge weniger Plasma bildet und außerdem relativ ungehindert durch das Plasma hindurchtritt. Somit bewirkt eine kürzere Laserwellenlänge eine höhere Bohrgeschwindigkeit sowie eine größere maximale Bohrtiefe, während eine größere Laserwellenlänge die Bohrqualität verbessert.

Ein ähnlicher Zusammenhang ergibt sich durch die Auswahl der Pulsdauer, insbesondere m Verbindung m t einer damit abgestimmten Laserintensität . Während eine längere Pulsdauer selbst bei geringerer Laserintensität einen schnelleren Bohrfortschritt bewirkt und dabei weniger Plasma bildet, sorgt eine kürzere Pulsdauer, insbesondere bei höherer Laserintensität, für eine stärkere Plasmabildung, die Ablagerungen auf der Bohrungswand verhindert bzw. beseitigt, wodurch sich die Bohrprazision erhöht. Entsprechend einer vorteilhaften Ausfuhrungsform kann die Laseranordnung so ausgestaltet sein, daß sie einen Laserstrahl erzeugt, bei dem mindestens ein Laserpuls des einen Typs auf wenigstens einen Laserpuls des anαeren Typs folgt. Auf diese Weise können z.B. beim Laserbohren

Bohrphasen mit hoher Bohrgeschwindigkeit und Bohrphasen mit starkem Mateπalaustrieb mit Hilfe eines einzigen Laserstrahls erzeugt werden.

Bei einer Variante kann die Laseranordnung so ausgestaltet sein, daß sie zwei koaxiale Laserstrahlen erzeugt, von denen der eine aus wenigstens einem Laserpuls des einen Typs und der andere aus wenigstens einem Laserpuls des anderen Typs besteht. Auf diese Weise bewirkt der eine Laserstrahl eine hohe Bohrgeschwindigkeit und der andere Laserstrahl eine hohe Bohrqualität .

Bei einer anderen Ausfuhrungsform kann die Laseranordnung zwei Lasergeneratoren oder Laser aufweisen, von denen der eine einen Laserstrahl mit mindestens einem Laserpuls des einen Typs und der andere einen Laserstrahl mit mindestens einem Laserpuls des anderen Typs erzeugt, wobei die Laseranordnung dann auch eine Optikanordnung aufweist, die die Laser zusammenschaltet und deren Laserstrahlen koaxial ausrichtet. Durch diese Maßnahmen können bestehende

Laseranordnungen, die z.B. entweder zur Erzielung einer hohen Bohrgeschwindigkeit oder zur Erzielung einer hohen Bohrpräzision optimiert sind, zur erfindungsgemäßen Vorrichtung zusammengesetzt werden, die die Vorteile beider Laser nutzt.

Bei einer besonderen Ausfuhrungsform kann die Pulsdauer wenigstens eines der Laserpulstypεn etwa so groß sein wie die Zeitdauer, die zur Durchführung eines Materialabtragungsvorganges, insbesondere einer Bohrung, erforderlich ist. Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der erfmdungsgemaßen Vorrichtung ergeben sicn aus den Unteranspruchen, aus den Zeichnungen und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnungen

Zeichnung

Ausfuhrungsbeispiele der erfmdungsgemaßen Vorricntung sind m den Zeichnungen dargestellt und werden m folgenden naher erläutert Es zeigen, jeweils schematisch,

Fig. 1 eine schaltplanartige Pπnzipdarstellung einer Vorrichtung nach der Erfindung m einer ersten Ausführungsform und

Fig. 2 eine schaltplanartige Pπnzipdarstellung der

Vorrichtung nach der Erfindung m einer zweiten Ausfuhrungsform.

Ausfuhrungsbeispiele

Entsprechend Fig. 1 weist bei einer als Laserbohrvorrichtung ausgebildeten Vorrichtung nach der Erfindung eine Laseranordnung 1 m einer ersten Ausführungsform entsprechend Fig. 1 einen zum Bohren geeigneten gepulsten Laser 2 auf, der insbesondere ein gutegeschalteter Festkörperlaser sein kann. Dieser Laser 2 generiert einen Laserstrahl 3, der durch eine durchgezogene Linie symbolisiert ist. Dieser Laserstrahl 3 ist aus Laserpulsen aufgebaut, die eine bestimmte Laserwellenlange aufweisen

Beispielsweise betragt diese Laserwellenlange bei einem Nd:YAG-Laser 1064 nm, das ist die Grundwellenlangε dieses Laser-Typs

Der Laserstrahl 3 wird einem Frequenzvervielfacher 4 zugeleitet, m dem durch Frequenzvervielfachung Laserpulse mit einer kürzeren Laserwellenlange erzeugt werden. Ein Frequenzvervielfacher 4 besteht üblicherweise aus einem Kristall oder aus Kristallen, die aus einer Grundwellenlange wenigstens eine zugehörige harmonische Wellenlange erzeugen. Die kürzere Laserwellenlange ist somit vorzugsweise eine harmonische Wellenlange zur Grundwellenlange des jeweiligen Laser-Typs ; bei einem Nd:YAG- aser betragen d e harmonischen Wellenlangen z.B. 532 nm, 355 nm, 266 nm. Anstelle der Grundwellenlange als längere Laserwellenlange und einer harmonischen Wellenlange als kürzere Laserwellenlange können auch eine harmonische Wellenlange als längere Laserwellenlange und eine der darauf folgenden harmonische Wellenlange als kürzere Laserwellenlange verwendet werden. Aus dem Frequenzvervielfacher 4 tritt somit ein mit durchgezogener Linie dargestellter erster Laserstrahl 5 aus, dessen Laserpulse eine größere Laserwellenlange aufweisen, sowie ein mit unterbrochener Linie dargestellter zweiter Laserstrahl 6, dessen Laserpulse eine kürzere Laserwellenlänge aufweisen.

Nach dem Frequenzvervielfacher 4 treffen die Laserstrahlen 5 und 6 auf einen ersten Teilerspiegel 7, der beispielsweise aus einer dielektrisch beschichteten Glasplatte besteht und eine hohe Transmission für die längere Laserwellenlange und eine hohe Reflexion für die kürzere Laserwellenlange aufweist. In den durch den Teilerspiegel 7 getrennten Strahlwegen der beiden Laserstrahlen 5 und 6 ist jeweils ein Strahlunterbrecher 8 bzw. 9 angeordnet, d e beispielsweise durch einen mechanischen Unterbrecher, einen sogenannten „Chopper" oder aus einem elektrisch ansteuerbaren

Strahlschalter , z.B. Pockelszelle , gebildet sind. Nach den Strahlunterbrechern 8 und 9 werden die beiden Laserstrahlen 5 und 6 über einen zweiten Teilerspiegel 10 wieder zusammengeführt und koaxial zueinander ausgerichtet. Auch der zweite Teilerspiegel 10 besteht vorzugsweise aus einer dielektrisch beschichteten Glasplatte mit hoher Transmission f r die größere Laserwellenlange und hoher Reflexion für die kleinere Laserwellenlange.

Durch eine entsprechende Betätigung der Strahlunterbrecnεr 8 und 9 können beispielsweise Laserpulse des einen Typs (z.B mit größerer Laserwellenlange) mit Laserpulsen des anderen Typs (z.B mit kürzerer Laserwellenlange) einander abwechseln. Ebenso ist es möglich, eine Serie von Laserpulsen des einen Typs mit einer Serie von Laserpulsen des anderen Typs abzuwechseln. Für eine bestimmte Anwendung kann es auch zweckmäßig sein, die beiden Laserstrahlen 5 und 6 bzw. deren Laserpulse gleichzeitig am jeweiligen Werkstück auftreffen zu lassen.

Entsprechend Fig. 2 ist eine Laseranordnung 11 bei einer ebenfalls als Laserbohrvorrichtung ausgebildeten Vorrichtung nach der Erfindung mit einem zum Bohren geeigneten gepulsten Laser 12, vorzugsweise mit einem Festkörperlaser, ausgestattet, der einen Resonator 13 aufweist, m dem ein Laserkristall 19 angeordnet ist, das beispielsweise als Rod- Kristall oder Slab-Kπstall ausgebildet ist. In einem Resonator 13 der Laseranordnung sind beiderseits des Lasers 12 ein erstes Brewsterfenster 14 sowie ein zweites Brewsterfenster 15 angeordnet, mit deren Hilfe eine lineare Polarisation des vom Laser 12 erzeugten Laserstrahles durchgeführt wird. Im Resonator 13 ist außerdem eine Pockelszelle 16 angeordnet, die für Laserpulse mit einer vorgegebenen längeren Pulsdauer freilaufend geschaltet ist und für Laserpulse mit einer vorbestimmter kürzeren Pulsdauer als Guteschalter arbeitet. Die lange Pulsdauer kann beispielsweise 150 μs betragen, wahrend die kurze Pulsdauer beispielsweise 10 ns betragt.

Des weiteren sind m Resonator 13 ein Endspiegel 17 sowie ein Auskoppelspiegel 18 angeordnet. Bei einer Ausführung mit einem Slab-Kristall sind die Brewsterfenster 14 und 15 nicht erforderlich. Anstelle einer Pockelszelle 16 kann auch ein anderer geeigneter Güteschalter verwendet werden. Außerdem ist es möglich, die Vorrichtung 11 mit unterschiedlichen Laserwellenlangen aufzubauen, um die Emkopplung für verschiebene Materialien anzupassen. Bei der Vorrichtung 11 gemäß Fig. 2 kann die Laseranregung sowohl mit Blitzlampen als auch mit Dioden erfolgen.

Zur Durchführung einer Laserbohrung kann gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel die Laseranordnung 11 so betrieben werden, daß sich Laserpulse mit langer Pulsdauer und Laserpulse mit kurzer Pulsdauer abwechseln. Ebenso kann eine Serie von Laserpulsen des einen Typs (z.B. mit langer

Pulsdauer) auf eine Serie von Laserpulsen des anderen Typs (z.B. mit kurzer Pulsdauer) folgen. Die Pulsdauer des einen Laserpulstyps ist dabei wenigsten um einen Faktor IO³ großer oder kleiner als die Pulsdauer des anderen Laserpulstyps. Auf diese Weise ist es insbesondere möglich, während einer ersten Bohrphase mit Laserpulsen mit der längeren Pulsdauer in einem Werkstück die darin einzubringende Bohrung rasch bis zu einer gewünschten Bohrtiefe voranzutreiben und während einer zweiten Bohrphase mit Laserpulsen mit der kurzen Pulsdauer diese Bohrung zu säubern bzw. zu präzisieren.

Weiterhin ist ein Ausführungsbeispiel möglich, bei dem die Laseranordnung 11 den unterschiedlichen Pulsdauern unterschiedliche Laserwellenlängen überlagert. Außerdem können die unterschiedlichen Pulsdauern mit unterschiedlichen Laserwellenlängen beaufschlagt werden.

Im Unterschied zu den gezeigten Ausführungsbeispielen, in denen die Laserstrahlen mit sich in ihren Parameterwerten unterscheidenden Laserpulsen innerhalb eines Lasersystems erzeugt werden, sind auch andere Ausführungsformen möglich, bei der die jeweilige Laseranordnung wenigstens zwei Lasersysteme aufweist, die jeweils einen Laserstranl mit einem Laserpulstyp erzeugen, wobei sicn die Parameterwerte der Laserpulse bei den Lasersystemen unterscheiden. Eine solche Laseranordnung weist dann eine entsprechende Optikanordnung auf, um die unterschiedlicnen Laserstrahlen koaxial zueinander auszurichten.

Claims

Ansprüche

1. Vorrichtung zum Abtragen von Material bei einem Werkstuck mittels eines Laserstrahles (5,6), insbesondere Laserbohrvorrichtung, umfassend eine Laseranordnung (1, 11) zur Erzeugung des Laserstrahles (5,6) aus wenigstens einem Laserpuls, dadurch gekennzeichnet, daß die Laseranordnung

(1, 11) wenigstens zwei Typen von Laserpulsen mit mindestens einer kürzeren Laserwellenlange und mindestens einer längeren Laserwellenlange erzeugt.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die der Laserpuls mit der längeren Wellenlange dem Laserpuls mit der kürzeren Wellenlange folgt.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Laserpuls mit der kürzeren Wellenlange und der Laserpuls mit der längeren Wellenlange gleichzeitig überlagert zufuhrbar sind.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Laseranordnung (1;11) zwei koaxiale Laserstrahlen (5,6) erzeugt, von denen der eine aus dem Laserpuls mit der kürzeren Wellenlange und αer andere aus dem Laserpuls mit der längeren Wellenlange besteht.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Laseranordnung (1;1A zwei Laser aufweist, von denen der eine einen Laserstrahl mit mindestens einem Laserpuls mit der kürzeren Wellenlange und der andere einen Laserstrahl mt mindesten einem Laserpuls mit der längeren Wellenlange erzeugt, wobei die Laseranorαnung eine OptiKanorαnung aufweist, die die Laser zusammenschaltet und deren Laserstrahlen koaxial ausrichtet.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5 dadurch gekennzeichnet, daß die Laserwellenlangen der Laserpulstypen zueinander narmonisch sind.

¹ . Vorrichtung zum Abtragen von Material bei einem Werkstuck mittels eines Laserstrahles (5,6), insbesondere Laserbohrvorrichtung, umfassend eine Laseranordnung (1, 11) zur Erzeugung des Laserstrahles (5,6) aus wenigstens einem Laserpuls, dadurch gekennzeichnet, daß die Laseranordnung (1, 11) wenigstens zwei Typen von Laserpulsen mit unterschiedlicher Pulsdauer erzeugt und daß die Pulsdauer des einen Laserpulstyps wenigsten um einen Faktor 10³ großer oder kleiner als die Pulsdauer des anderen Laserpulstyps

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Laseranordnung (1;11) zwei koaxiale Laserstrahlen (5,6) erzeugt, von denen der eine aus dem Laserpuls mit der einen Pulsdauer und der andere aus dem Laserpuls mit der längeren Pulsdauer Pesteht.

9. Vorrichtung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Laseranordnung (1;11) zwei Laser aufweist, von denen der eine einen Laserstrahl mit mindestens einem Laserpuls mit der einen Pulsdauer und der andere einen Laserstrahl mit mindesten einem Laserpuls mit der anderen Pulsdauer erzeugt, wobei die Laseranordnung eine Optikanordnung aufweist, die die Laser zusammenscnaltet und deren Laserstrahlen Koaxial ausrichtet.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Laserpulstyp mit der kürzeren Pulsdauer eine höhere Laserintensitat aufweist als der Laserpulstyp mit der längeren Pulsdauer.

11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Pulsdauer wenigstens eines der Laserpulstypen etwa so groß ist wie die zur Durchfuhrung eines Materialabtragungsvorganges, insbesondere einer Bohrung, erforderliche Zeitdauer.