AT402169B - Verfahren zum schneiden oder abtragen eines werkstücks mittels eines laserstrahls - Google Patents

Description

AT 402 169 B

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Schneiden oder Abtragen eines Werkstücks durch Aufschmelzen des Werkstoffs mittels eines fokussierten Laserstrahls, und durch Entfernen des aufgeschmolzenen Materials mittels einer Absaugvorrichtung.

Beim Laserschneiden von plattenförmigen Werkstücken, wie etwa Blechen oder anderen Materialien 5 wird ein fokussierter Laserstrahl dazu verwendet, um den Werkstoff aufzuschmelzen und ein scharf gebündelter Gasstrom, um das geschmolzene Material auszutreiben. Als Schneidgase werden dabei Sauerstoff, Preßluft, Stickstoff und andere Gasmischungen verwendet, wobei der Gasverbrauch einen erheblichen Anteil an den Betriebskosten dieses Schneidverfahrens hat. Ähnlich wie beim Laserschneiden wird auch bei abtragenden Laserverfahren zur Reliefherstellung io (Lasercav - entwickelt vom Fraunhofer-Institut für Lasertechnik/Aachen und Laserhobein - entwickelt vom Forschungsinstitut für Hochleistungsstrahltechnik der TU-Wien) das Werkstück durch einen fokussierten Laserstrahl örtlich aufgeschmolzen und durch einen gebündelten Gasstrahl ausgetrieben. Auch bei diesen Verfahren tritt daher ein erheblicher Gasverbrauch auf, der zu einer Verteuerung des Prozesses führt.

Das Schneiden mit dem Laserstrahl ist bereits seit mehreren Jahren ein in der industriellen Fertigungs-75 technik etabliertes Verfahren, ebenso ist das Abtragen mit dem Laserstrahl schon seit einiger Zeit bekannt. Das Absaugen des abgetragenen Materials wird jedoch nur in Sonderfällen angewandt. In der Halbleiterindustrie werden etwa zum Scheiden oder Anritzen von Silizium- Wafern Laser verwendet, wobei es essentiell ist, das Wiederanlagern des bereits abgetragenen Materials auf dem Wafer zu verhindern. So wird etwa in US-3 626 141 A eine Vorichtung angegeben in der ein in üblicher Weise zum Laserstrahl parallel 20 verlaufender Gasstrahl die Abtragung unterstützt. Um diese zentrale Düse ist koaxial eine weitere Düse angeordnet, durch die das abgetragenen Material abgesaugt wird. Ein anderes Verfahren für diese Anwendung wird in US-3 866 398 A beansprucht, in dem von außen ein reaktives Gas eingeblasen wird, das sich mit dem abgetragenen Silizium zu einem gasförmigen Reaktionsprodukt verbindet, welches durch eine innen angeordnete, koaxiale Düse abgesaugt wird. Auch beim Bohren mit dem Laserstrahl kann das 25 Austreiben des Materials durch Unterdrück unterstützt werden, wie etwa in US-4 027 137 A beschrieben wird. Schließlich sind auch für das Laserstrahlschneiden Absaugvorrichtungen bekannt, in US-3 612 814 A etwa liegt das gesamte Werkstück auf einer Unterdruckvorrichtung auf, sodaß abgetragene Partikel nach unten hin abgesaugt werden. In US-4 078 165 A wird dagegen direkt unterhalb der Auftreffstelle der Laserstrahlung eine Absaugvorrichtung angeordnet, die nur einen relativ kleinen Bereich des Werkstücks so abdeckt. Zusätzlich wird hier der Abtragungsvorgang durch einen koaxial zum Laserstrahl, von oben her wirkenden Gasstrahl unterstützt.

Entsprechend dem Stand der Technik wird das Absaugen während des Laserstrahlschneidens und -abtragens also nur verwendet, um abgetragene Partikel vom Werkstück bzw. von der Umwelt fernzuhalten. Eine Unterstützung des Abtragungsvorganges tritt entweder überhaupt nicht auf, oder nur als günstiger 35 Nebeneffekt, der den Bearbeitungsvorgang jedenfalls nicht grundsätzlich beeinflußt.

Die gegenständliche Erfindung stellt sich daher die Aufgabe, beim Laserschneiden und beim Abtragen mit Lasern auf die Verwendung von Gasströmungen zum Ausblasen des geschmolzenen Werkstoffs zu verzichten und diesen durch eine Unterdruckeinrichtung abzusaugen, wodurch sich die Gaskosten des Prozesses wesentlich reduzieren lassen. 40 Das erfindungsgemäße Verfahren bedient sich eines Beabeitungskopfes, bei dem die zentrale Strahlaustrittsöffnung durch eine koaxiale Absaugdüse umgeben ist. Es ist dabei entscheidend, die Absaugdüse so knapp als möglich an das Schmelzbad heranzubringen, um eine hohe Abtragsleistung zu erzielen. Außerdem darf die Düse nur einen geringen Teil des bereits erzeugten Schnittspalts überdecken, da hierdurch Luft angesaugt werden würde und damit keine ausreichende Druckdifferenz für eine effiziente 45 Abtragung erreicht werden könnte.

Da die Absaugdüse sehr nahen an die Schmelze herangeführt werden muß oder in diese sogar eintaucht, muß sie aus einem hochschmelzenden Material, vorzugsweise Wolfram oder Molibdän, gefertigt werden.

Um ein Erstarren der Schmelztröpfchen in der Absaugdüse zu verhindern kann eine Heizung vorgese-50 hen werden, durch die die Düse auf eine Temperatur gebracht wird, die oberhalb der Schmelztemperatur des bearbeiteten Werkstoffs liegt.

Zum Abscheiden der erstarrten Schmelztröpfchen wird ein Gitter im Absaugkanal zwischen Absaugdüse und Vakuumpumpe derartig angeordnet, daß die erstarrten Schmelztröpfchen durch das Gitter eingefangen werden und anschließend in einen darunterliegenden Auffangbehälter fallen. 55 Zur Erzeugung des zum Absaugen erforderlichen Unterdrucks wird vorzugsweise eine Vakuumpumpe eingesetzt. Für Anwendungen, wo die Anwesenheit der Luft die Bearbeitungsqualität beeinträchtigen würde, kann noch eine weitere koaxiale Düse vorgesehen werden, durch die ein Schutzgasstrahl in den Bereich der 2

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Schmelze eingeblasen wird. Bei Steigerung der Strömungsgeschwindigkeit kann ein zylindrischer Vorhang rund um den Bearbeitungspunkt gelegt werden, der die atmosphärische Luft daran hindert, in die Absaugdüse gerissen zu werden, was die Effizienz der Absaugung erhöht.

Um die Effizienz der Absaugung noch weiter zu steigern kann die Viskosität der Schmelze durch pulverförmige Materialien, die durch Kanäle im Bearbeitungskopf in das Schmelzbad eingebracht werden, herabgesetzt werden.

Außerdem besteht die Option, gasförmige Substanzen durch die zentrale Strahlaustrittsöffnung in das Schmelzbad einzublasen, die im einen Fall ebenfalls die Viskosität der Schmelze herabsetzt und im anderen Fall durch exotherme Reaktionen mit der Schmelze den Energieeintrag erhöht.

Beim Einsatz einer Laserquelle mit hohlzylindrischem Strahl kann die zentrale Strahlaustrittsöffnung für das Absaugen des geschmolzenen Materials verwendet werden, während der Laserstrahl durch die ringförmige Düse zugeführt wird. Auch in diesem Falle kann die Strahlaustrittsöffnung, die dann ringförmig die Absaugdüse umgibt, von einem Gasstrom durchströmt werden, der durch Reaktion zusätzlich Wärme erzeugt oder die Viskosität der Schmelze verringert. ln Figur 1 ist eine bevorzugte Ausführung eines Bearbeitungskopfes zur Realisierung des erfindungsgemäßen Verfahrens angegeben.

An der Unterseite des Bearbeitungskopfes erkennt man einerseits die zentrale Strahlaustrittsöffnung (1) und andererseits eine dazu koaxiale, ringförmige Absaugdüse (2). Der durch eine Linse (3) oder allenfalls durch einen Hohlspiegel fokussierte Laserstrahl (4) tritt durch die schon erwähnte Strahlaustrittsöffnung (1) aus dem Bearbeitungskopf aus und trifft auf das Werkstück (5) auf, wo er vom momentanen Ende der Schnittfuge, einer nahezu vertikalen Fläche, absorbiert wird und das Material hinter dieser Fläche aufschmilzt. Die schon erwähnte ringförmige Absaugdüse (2) ist nun Teil einer Unterdruckeinrichtung (6) und saugt daher das geschmolzene Material (7) an, sodaß ein kontinuierlicher Strom von Schmelzgut zwischen Werkstück (5) und der Saugdüse (2) zustande kommt, was zu einer Materialabtragung führt. Durch die Relativbewegung zwischen Bearbeitungskopf und Werkstück in Schneidrichtung wird nun an der Grenze zwischen geschmolzenem und festem Material ständig festes Material aufgeschmolzen und der geschmolzenen Zone zugeführt Dieses Material wird dann durch die Unterdruckvorrichtung (6) nach oben hin abgesogen. Damit kann die Massenbilanz der geschmolzenen Zone im Gleichgewicht gehaften werden, wodurch die geschmolzene Zone in quasistationärer Weise aufrechterhalten wird, und sich durch das Vorrücken des Bearbeitungskopfes und der Schmelzzone eine Schnittfüge ausbildet.

Die Absaugduse ist mit einer Vakuumpumpe (8) verbunden, wodurch eine gegenüber dem Atmosphärendruck niedriger Druck in der Absaugdüse (2) und in den mit ihr verbundenen Hohlräumen aufrecht erhalten werden kann.

Um einen kontinuierlichen Schmelzfluß zwischen Werkstück und Absaugdüse zu erzielen, kann der Bearbeitungskopf nach dem Einschalten des Lasers kurz auf die Werksrückoberfläche abgesenkt werden. Die durch diesen Unterdrück in die Absaugdüse hineingerissene Schmelze kühlt auf ihrem Weg in Richtung zur Vakuumpumpe ab und wird vor Erreichen der letzteren durch eine besondere Vorrichtung (9) abgeschieden. Diese Vorrichtung ist im Ausführungsbeispiel nach Figur 1 einfach als vertikales Netz (10) ausgebildet, auf das die Schmelztröpfchen auftreffen, um dann in einen Behälter zu fallen.

Um ein Verlegen des untersten engen Teils der Absaugdüse durch geschmolzenes Material zu vermeiden, können die unteren Teile des Bearbeitungskopfes auf eine Temperatur aufgeheizt werden, die oberhalb des Schmelzpunktes des zu schneidenen Materials (bei Stahl rund 1.500 Grad Celsius) liegt. Um dieser Temperatur standhalten zu können, sind diese Teile des Bearbeitungskopfes aus hochschmelzenden Materialien, vorzugsweise Wolfram oder Molibdän, zu fertigen und vorzugsweise aufelektrische Weise durch eine Heizwendel (11) aufzuwärmen.

Weiters kann die Viskosität des geschmolzenen Werkstoffs auch noch dadurch verringert werden, daß pulverförmige Zuschlagstoffe in die Schmelze geblasen werden (z.B. Phosphor für das Schneiden von Stahl).

Selbstverständlich kann bei der erfindungsgernäßen Anordnung auch ein Gasstrahl durch die Strahlaustrittsöffnung (1) auf die Werkstückoberfläche auftreffen und damit entweder zusätzliche Wärme durch Reaktion erzeugen oder auch geschmolzenes Material an der Unterseite des Werkstücks austreiben und damit den Prozeß unterstützen. Darüber hinaus kann durch einen solchen Gasstrahl die Viskosität der Schmelze verringert werden (etwa durch O2 bei Stahl) was das erfindungsgemäße Absaugen erleichtert.

Die gegenständliche Erfindung betrifft auch ein Verfahren zum Abtragen mit Lasern ohne Gasströmung. Für diese Aufgabe kann ebenfalls der Bearbeitungskopf für den Figur 1 eine bevorzugte Ausführung zeigt, Verwendung finden, da es bei der Absaugung des geschmolzenen Materials durch Unterdrück nach oben unerheblich ist, ob sich die geschmolzene Zone von der Oberseite des Werkstücks in vertikaler Richtung zur Unterseite erstreckt - was beim Laserschneiden der Fall ist - oder ob die geschmolzene Zone horizontal 3

Claims (9)

1. AT 402 169 B an der Oberfläche des Werkstücks liegt - wie es beim Laserabtragen der Fall ist. Zur Herstellung eines Reliefs mittels Lasers kann also der erfindungsgemäße Bearbeitungskopf verwendet werden, wobei das Werkstück an der Stelle, an der es gerade bearbeitet wird, durch den Laserstrahl aufgeschmolzen wird und sich damit an der Oberfläche des Werkstücks eine geschmolzene Zone bildet, deren Durchmesser etwa dem Fokusdurchmesser des Laserstrahls entspricht und die sich auch in einem gewissen Maß in die Tiefe des Werkstücks erstreckt. Durch die saugende Wirkung der Unterdruckeinrichtung wird dann das geschmolzene Material entfernt, sodaß eine annähernd halbkugelförmige Vertiefung entsteht. Durch Verfahren des Werkstücks relativ zum Laserstrahl entlang einer geraden Bahn kann dann an der Oberfläche des Werkstücks eine Furche gezogen werden. Durch die Aneinanderreihung derartiger Furchen kann dann das Werkstück flächenhaft abgetragen werden. Patentansprüche 1. Verfahren zum Schneiden oder Abtragen eines Werkstücks (5) durch Aufschmelzen des Werkstoffs mittels eines fokussierten Laserstrahls (4) und Entfernen des aufgeschmolzenen Materials mittels einer Absaugvorrichtung (6), dadurch gekennzeichnet, daß der Materialaustrieb ausschließlich aufgrund des von oben wirkenden, durch die Absaugdüse (2) erzeugten Unterdrucks erfolgt.
2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sowohl die Strahlaustrittsöffnung (1) als auch die Absaugdüse (2) und die benachbarten Teile aus einem hochschmelzenden Material gefertigt sind.
3. 3. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Absaugdüse (2) auf eine Temperatur oberhalb des Schmelzpunkts des zu bearbeitenden Materials aufgeheizt wird.
4. 4. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß hinter der Absaugdüse (2) eine Einrichtung (9) zum Abscheiden der erstarrten Metalltröpfchen angeordnet ist, die aus einem Netz (10) und einem Auffangbehälter besteht, wobei die Metalltröpfchen durch das Netz eingefangen werden und in den darunterliegenden Behälter fallen.
5. 5. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Unterdrück durch eine Vakuumpumpe (8) erzeugt wird.
6. 6. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß eine weitere, außen liegende ringförmige Düse einen dichten und schnellen Strom eines Hilfsgases erzeugt.
7. 7. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet daß durch Kanäle im Bearbei-tungskopf pulverförmige Materialien in das Schmelzbad des Werkstücks geleitet werden, die die Schmelze dünnflüssiger machen.
8. 8. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß durch die Strahlaustrittsöffnung ein Gas strömt, das die Schmelze dünnflüssiger macht, bzw. Reaktionswärme erzeugt.
9. 9. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Absaugdüse zentral angeordnet, und der Laserstrahl in Form eines hohlzylindrischen Strahls durch eine an die zentrale Öffnung anschließende koaxiale Düse zugeführt wird. Hiezu 1 Blatt Zeichnungen 4