Verfahren zum Bohren von Werkstücken mittels Laserstrahlung
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bohren von Werkstücken mittels Laserstrahlung, insbesondere zum Bohren harter Werkstücke, wobei das Werkstück in den Brennpunkt der Laseroptik gebracht wird und hierauf die Laserstrahlung ausgelöst wird.
Es sind bereits verschiedene Vorschläge zum Bohren von Werkstücken mittels Laserstrahlung gemacht worden. Eingehende Versuche mit verschiedensten Anordnungen haben ergeben, dass es ausserordentlich schwierig ist, mit den allgemein üblichen Anlagen mit der nötigen Zuverlässigkeit seriemässig Werkstücke zu bohren. Wohl ist es allgemein gelungen, einzelne Bohrungen der gewünschten Abmessungen und Qualität herzustellen, aber die Reproduzierbarkeit dieser Abmessungen und Qualität war ungenügend. Es hat sich auch gezeigt, dass insbesondere Steine immer wieder gespalten wurden, so dass sich auch aus diesem Grunde für eine Seriefabrikation untragbar hohe Ausschusszahlen ergaben.
Eingehende Versuche mit verschiedenartigen Feststofflasern, Impulsenergien und Impulsdauern haben nun gezeigt, dass zum zuverlässigen Bohren, insbesondere von Steinen, verhältnismässig eng begrenzte Bedingungen eingehalten werden müssen, wenn einerseits brauchbare reproduzierbare Bohrungen erstellt und anderseits die Steine nicht beschädigt werden sollen. Als Resultat dieser Untersuchungen hat sich das erfindungsgemässe Verfahren ergeben, welches dadurch gekennzeichnet ist, dass mit einer Impulsenergie von 0,1-0,8 Joule, einer Pulsdauer von höchstens 100 ELS und einer Lichtwellenlänge von über 1 ii gearbeitet wird.
Vorzugsweise wird mit Impulsenergien von 0,2-0,5 Joule und einer Lichtquellenlänge von 1,06 , gearbeitet, welche mittels eines Yttrium enthaltenden Stabes, insbesondere eines Stabes aus Yttrium-Aluminium-Granat erzeugt wird. Man hat die eigenartige Erfahrung gemacht, dass es mittels der üblichen Rubinstäbe ausgeschlossen war, ohne Zerstörung von Steinen brauchbare reproduzierbare Bohrungen herzustellen, woraus sich die allgemeine Regel ableiten lässt, dass für den Laserstab ein Material benützt werden sollte, das nicht gleichartig oder identisch ist mit dem Material der zu bohrenden Werkstücke, insbesondere Steine.
Vorzugsweise wird die Bohrung, insbesondere in Steinen, nicht mittels eines einzigen Impulses der oben bezeichneten Energie und Dauer erstellt, sondern mittels mehrerer Impulse, deren Brennpunkt längs und/ oder quer zur Bohrungsrichtung verschieden liegen kann.
Die zu erstellenden Bohrungen haben nicht immer dieselben Durchmesser und es hat sich speziell für grössere Bohrungen als besonders vorteilhaft erwiesen, mittels einer grösseren Zahl von beispielsweise 6-8 Impulsen, deren Brennpunkte kreisförmig exzentrisch um die Achse der zu erstellenden Bohrung versetzt werden, zu arbeiten. Die verhältnismässig niedrige Energie pro Impuls und der hohe Wirkungsgrad der vorzugsweise verwendeten Yttrium-Aluminium-Granatstäbe erlaubt auch in diesem Falle, noch mit einer wirtschaftlichen Lebensdauer der Blitzröhre zu arbeiten.
Im folgenden ist die Erfindung anhand eines Beispiels des Bohrverfahrens näher erläutert.
Der für die Bohrung benützte Laserkopf weist den an sich üblichen Aufbau von Feststofflasern auf. Es wird ein Laserstab aus Yttrium-Aluminium-Qranat von 65 mm Länge und 6,0 mm Durchmesser verwendet, der mittels einer Blitzröhre vom Typ FX-42/A-3 der Firma Egerton, Germeshausen und Grier, beleuchtet wird. Das Netzanschlussgerät weist eine Ladekapazität von 125 ,uF auf und kann Spannungen bis 1200 V erzeugen. Die mit diesem Gerät erzielbaren maximalen Ausgangsleistungen betragen rund 0,8 Joule pro Impuls. Die Optik des Laserkopfes weist eine Brennweite von 25 mm auf, welche sich für diesen Zweck als günstig erwiesen hat. Brennweiten von unter 25 mm ergeben ähnliche oder noch bessere Bohr-Resultate, wobei jedoch die Gefahr der Beschädigung der Optik besteht, erzeugt durch das zurücksprühende Material.
Das zu bohrende Objekt, z. B. ein Lagerstein, wird nun in den Bereich des Brennpunktes des Laserkopfes gebracht. Zum Bohren, insbesondere von Lagersteinen, wird das Netzgerät so eingestellt, dass die Ausgangsleistung pro Impuls auf einen Wert von etwa 0,2X,5 Joule eingestellt ist, welche Werte sich als am günstig sten erwiesen haben. Die auftretenden Impulse weisen eine Dauer von 85 ,us und eine Lichtwellenlänge von 1,06 ,u auf. Wie bereits beschrieben, entstehen unter diesen Bedingungen stets gleichartige reproduzierbare Bohrungen verhältnismässig geringen Durchmessers, wobei Beschädigungen des Steines durch Spalten nicht vorkommen.
Sind Bohrungen grösseren Durchmessers zu erstellen, so wird im einfachsten Falle das zu bohrende Objekt, beispielsweise ein Lagerstein, in einer Werk stückaufuahme drehbar angeordnet, deren Achse etwas gegenüber der optischen Achse des Laserkopfes versetzt ist. Der Stein wird nun während der Bearbeitung gedreht und durch einen geeigneten Nockenschalter oder dergleichen werden in gleichmässigen Abständen Impulse ausgelöst. Die Bohrung entsteht daher gesamthaft durch eine Reihe von axialsymmetrisch einwirkenden Impulsen und es hat sich gezeigt, dass in dieser Weise mittels mehrerer, vorzugsweise etwa 68 Impulsen verhältnismässig geringer Energie, beispielsweise 0,2 Joule, Bohrungen von guter Form und sicherer Reproduzierbarkeit erstellt werden können.
Die bisher beschriebenen Massnahmen genügen, um bei Bearbeitung des Werkstücks unter normalen Bedingungen, d. h. bei Zimmertemperatur und in normaler Atmosphäre, gute Ergebnisse zu erzielen. Es können jedoch bei bestimmten Materialien und unter bestimmten Umständen weitere Massnahmen getroffen werden, um die Resultate zu verbessern. Es ist beispielsweise möglich, insbesondere bei tiefen Bohrungen, mehrere Impulse anzuwenden, und den Brennpunkt aufeinanderfolgender Impulse in Richtung des Bohrungsfortschrittes zu versetzen. Ferner ist es möglich, bei irgendeinem der hier beschriebenen Verfahren und Verfahrensvarianten, die Energie aufeinanderfolgender Impulse zu verändern.
Da die Erzeugung von in kurzer Folge auftretenden Impulsen hoher Energie ohnehin sehr grosse Anforderungen an das Netzgerät stellt, ist es von besonderem Vorteil, einen verhältnismässig schwachen ersten Impuls und eine Reihe nachfolgender, stärkerer Impulse zu verwenden. Die durchgeführten Versuche haben gezeigt, dass gerade beim oben beschriebenen Verfahren mit längs einem Kreis wanderndem Brennpunkt aufeinanderfolgender Impulse praktisch ideal runde Bohrungen entstehen, wenn der erste oder die ersten Impulse schwächer sind als die folgenden.
In gewissen Fällen kann es von Vorteil sein, das Werkstück vor der Einwirkung des Laserstrahles zu erhitzen. Eine solche Massnahme kann sich unter anderem dort als wirksam erweisen, wo ein sprödes Material infolge Wärmespannungen im Augenblick der Bearbeitung durch den Laserstrahl zum Springen neigt.
Durch die Vorerwärmung können die thermischen Spannungen im Augenblick des Bohrens herabgesetzt und damit die Zerstörung des Werkstücks verhindert werden.
Unter Umständen können die Werkstücke auch im Vakuum gebohrt werden, was unter anderem eine Verbesserung der Abfuhr der weggeschmolzenen, verdampf ten oder verbrannten Materialien begünstigen kann.
Anderseits kann es erforderlich sein, das Werkstück in einer Gasatmosphäre, beispielsweise in Sauerstoff oder aber in einer inerten Gasatmosphäre zu behandeln.
Versuche haben gezeigt, dass sich das beschriebene Bohrverfahren für alle technisch wesentlichen, schwer bearbeitbaren Materialien, z. B. Hartmetall, Diamant und andere Edelsteine, eignet.
Method for drilling workpieces using laser radiation
The present invention relates to a method for drilling workpieces by means of laser radiation, in particular for drilling hard workpieces, the workpiece being brought into the focal point of the laser optics and the laser radiation being triggered thereupon.
Various proposals have already been made for drilling workpieces using laser radiation. In-depth tests with a wide variety of arrangements have shown that it is extremely difficult to drill workpieces in series with the generally usual systems with the necessary reliability. It was generally possible to produce individual bores of the desired dimensions and quality, but the reproducibility of these dimensions and quality was unsatisfactory. It has also been shown that stones in particular were repeatedly split, so that for this reason, too, there were unsustainably high reject rates for series production.
In-depth tests with different types of solid lasers, pulse energies and pulse durations have shown that for reliable drilling, especially of stones, relatively narrow conditions have to be met if, on the one hand, usable, reproducible holes are to be created and, on the other hand, the stones are not to be damaged. The result of these investigations was the method according to the invention, which is characterized in that it works with a pulse energy of 0.1-0.8 joules, a pulse duration of at most 100 ELS and a light wavelength of over 1 ii.
It is preferable to work with pulse energies of 0.2-0.5 joules and a light source length of 1.06, which is generated by means of a rod containing yttrium, in particular a rod made of yttrium-aluminum garnet. The strange experience has been that using the usual ruby rods it was impossible to produce usable, reproducible bores without destroying stones, from which the general rule can be derived that a material should be used for the laser rod that is not similar or identical to the material of the workpieces to be drilled, especially stones.
Preferably, the bore, in particular in stones, is not created by means of a single pulse of the energy and duration specified above, but rather by means of several pulses whose focal point can be different along and / or across the direction of the bore.
The holes to be created do not always have the same diameter and it has proven particularly advantageous, especially for larger holes, to work with a larger number of, for example, 6-8 pulses, the focal points of which are offset circularly eccentrically around the axis of the hole to be created. The comparatively low energy per pulse and the high efficiency of the yttrium-aluminum garnet rods that are preferably used make it possible to work with an economical flash tube life in this case as well.
The invention is explained in more detail below with the aid of an example of the drilling method.
The laser head used for drilling has the usual structure of solid lasers. A laser rod made of yttrium-aluminum quartz 65 mm long and 6.0 mm in diameter is used, which is illuminated by means of a flash tube of the type FX-42 / A-3 from Egerton, Germeshausen and Grier. The power supply unit has a charge capacity of 125 uF and can generate voltages of up to 1200 V. The maximum output power that can be achieved with this device is around 0.8 joules per pulse. The optics of the laser head have a focal length of 25 mm, which has proven to be beneficial for this purpose. Focal lengths of less than 25 mm produce similar or even better drilling results, but there is a risk of damage to the optics caused by the material sprayed back.
The object to be drilled, e.g. B. a jewel is now brought into the area of the focal point of the laser head. For drilling, in particular of bearing stones, the power supply unit is set so that the output power per pulse is set to a value of about 0.2X.5 joules, which values have proven to be the most favorable. The pulses that occur have a duration of 85 μs and a light wavelength of 1.06 μ. As already described, reproducible bores of the same type with a relatively small diameter are always produced under these conditions, with no damage to the stone due to cracks.
If larger diameter holes are to be created, in the simplest case the object to be drilled, for example a bearing block, is rotatably arranged in a workpiece holder, the axis of which is slightly offset from the optical axis of the laser head. The stone is now rotated during the processing and pulses are triggered at regular intervals by a suitable cam switch or the like. The hole is therefore created entirely by a series of axially symmetrical pulses and it has been shown that relatively low energy, for example 0.2 joules, holes of good shape and reliable reproducibility can be created in this way by means of several, preferably about 68 pulses.
The measures described so far are sufficient to ensure that the workpiece is machined under normal conditions, i. H. at room temperature and in normal atmosphere to get good results. However, with certain materials and under certain circumstances, additional measures can be taken to improve the results. For example, it is possible, particularly with deep bores, to use several pulses and to offset the focal point of successive pulses in the direction of the bore progress. It is also possible, in any of the methods and method variants described here, to change the energy of successive pulses.
Since the generation of high-energy pulses that occur in quick succession makes great demands on the power supply unit, it is particularly advantageous to use a relatively weak first pulse and a series of subsequent, stronger pulses. The tests carried out have shown that in the method described above with the focal point of successive impulses moving along a circle, practically ideally round bores are created if the first or the first impulses are weaker than the following.
In certain cases it can be advantageous to heat the workpiece before it is exposed to the laser beam. Such a measure can prove to be effective, among other things, where a brittle material tends to crack due to thermal stresses at the moment of processing by the laser beam.
By preheating, the thermal stresses can be reduced at the moment of drilling and thus the destruction of the workpiece can be prevented.
Under certain circumstances, the workpieces can also be drilled in a vacuum, which among other things can promote an improvement in the removal of the melted, evaporated or burned materials.
On the other hand, it may be necessary to treat the workpiece in a gas atmosphere, for example in oxygen or else in an inert gas atmosphere.
Tests have shown that the drilling process described is suitable for all technically essential, difficult-to-machine materials, e.g. B. carbide, diamond and other precious stones are suitable.