DE10029110A1 - Verfahren für die Materialbearbeitung und Verwendung desselben - Google Patents
Verfahren für die Materialbearbeitung und Verwendung desselbenInfo
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Abstract
Verfahren zum Bearbeiten von Werkstücken, bei dem die Oberseite eines Werkstücks mit Laserstrahlung beaufschlagt wird, bei dem die Strahlung unterhalb einer Schwellenintensität nur vernachlässigbar vom Werkstück absorbiert wird, bei dem oberhalb der Schwellenintensität Strahlung absorbiert wird, welche zu einer Materialabtragung führt, wobei die Materialabtragung in der Nähe der Werkstückunterseite initiiert wird und dadurch das Material weitgehend in Strahlrichtung abgetragen wird.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bearbeitung von
Werkstücken mit Laserstrahlung nach den Oberbegriffen der
Ansprüche 1 und 4. Bevorzugtes Anwendungsgebiet ist das
Bohren, Schneiden, Konturschneiden, Schweißen und die
Oberflächenstrukturierung von Werkstücken.
Der Einsatz von Lasern bei der Materialbearbeitung ist
inzwischen fest etabliert. Insbesondere beim Schweißen,
Bohren, Schneiden, Konturschneiden, und der Strukturierung
von Werkstücken werden Laser eingesetzt. Allen
Lasermaterialbearbeitungsverfahren ist gemeinsam, dass durch
die Einkopplung der Strahlungsenergie in das Werkstück die
entsprechenen strukturellen Veränderungen des Werkstück
materials hervorgerufen werden. Diese thermischen Effekte
setzen eine hinreichend starke Absorption der Laserstrahlung
durch das Material, zum Beispiel Metalle oder Kunststoffe,
voraus. Das Material darf somit für die Laserwellenlänge
nicht transparent sein. Typischerweise muss der Werkstoff
einen Absorptionskoeffizienten von mehr als 2% aufweisen. Da
die Absorption von der Wellenlänge der verwendeten Laser
strahlung abhängig ist, gilt diese Aussage selbstver
ständlich bezogen auf die jeweilige im Bearbeitungsverfahren
eingesetzte Laserstrahlung.
Der Laserstrahl wird so konditioniert, dass der Fokus in der
Nähe der Werkstückoberfläche liegt. Die Strahlungsabsorption
wird auf der strahlungsbeaufschlagten Seite des Werkstücks
initiiert, da auch dort strahlungsabsorbierendes Material
vorliegt. Dies gilt insbesondere für optisch homogene
Materialien. Das Material wird von der Oberfläche her
erwärmt und wird zunehmend viskoser. Bei entsprechender
Dynamik des aufgeschmolzenen Materials kann es zu
Materialauswürfen kommen wie sie zum Beispiel beim
Laserschweißen allgemein bekannt sind. Wird die
Strahlungsintensität hinreichend hoch gewählt, so kann es
auch zur Ausbildung eines Plasmas im Bereich der
Strahlungseintrittsfläche kommen. Der Abtrag des aufge
schmolzenen Materials erfolgt weitgehend entgegengesetzt zur
Strahlungsrichtung. Dies soll nachfolgend so verstanden
werden, dass das abgetragene Material in einen Raumbereich
zwischen seinem Abtragungsort und der Strahlquelle
transportiert wird.
Durch diese Art der Materialabtragung kann es sogar zur
Ausbildung einer Wolke aus abgetragenem Material zwischen
Werkstück und Laserstrahlquelle kommen. Die Strahlung muss
dann durch diese Wolke hindurch progagieren, was im
Zusammenspiel mit eventuell eingesetztem Prozessgas zur
Instabilität des Prozesses führen kann. Ein Beispiel hierfür
ist die Unterbrechung des Laserstrahls bei hinreichend
dichter Materiewolke. Ein instabiler Prozess begrenzt jedoch
die erreichbare Präzision beim jeweiligen Be- oder
Verarbeitungsprozess wie zum Beispiel das Schneiden oder
Schweißen. Weiterhin schlägt sich abgetragenes Material
häufig auf die Fokussieroptik nieder was die Strahlqualität
mindert. Auch bei eingesetztem cross-jet ist dann ein
Austausch bzw. eine Reinigung der relevanten Optik in
gewissen Zeitabständen erforderlich. Weiterhin schlägt sich
das abgetragene Material häufig auf der bearbeiteten
Werkstückseite nieder was oft eine Nachbearbeitung
erforderlich macht.
Die DE 695 00 997 T2 offenbart ein Verfahren zum Bearbeiten
von Materialien mit Laserstrahlung, zum Beispiel
transparentem SiO2, bei dem die Strahlungsintensität so hoch
gewählt wird, dass eine laserinduzierte Zerstörung des
Werkstückes einsetzt. Die dort eingesetzte gepulste
Strahlung wird auf einen Punkt an oder unter der Oberfläche
des Materials fokussiert und ist so bemessen, dass die
Breite der Pulse kleiner oder gleich einer
charakteristischen Laserpulsbreite ist. Für diesen Fall ist
die laterale thermische Diffusion so klein, dass die
Strahlungsenergie räumlich innerhalb des Strahlflecks
konzentriert bleibt und sich so ultrafeine Bohrungen
realisieren lassen. Auch bei diesem Verfahren wird die
Materialabtragung auf der Oberseite des Werkstücks initiiert
was zu den oben beschriebenen Problemen führen kann.
Die US 5 614 339 reinigt Papier mit einem laserinduzierten
Ablationsverfahren. Ein gerichteteter Laserstrahl
durchdringt zunächst ohne Absorption das Papier, trifft
anschließend auf auf der Rückseite befindlichem Text oder
Grafiken, und entfernt diese durch eine Schockwelle. Diese
Schrift lehrt somit die Entfernung einer Oberflächenschicht
(Tinte oder dergleichen) von einem Substrat aus Papier. Das
Substrat selbst soll nicht beschädigt werden. Demgemäß wird
die bei der Abtragung eingesetzte Strahlung vom Papier nicht
absorbiert, sondern induziert in der Oberflächenschicht eine
Schockwelle.
Der Erfindung liegt das technische Problem zugrunde, die
Nachteile nach dem Stand der Technik weitestgehend zu
vermeiden und einen möglichst stabilen Laserbearbeitungs
prozess bei maximaler Genauigkeit des Bearbeitungsverfahrens
zu realisieren. Hierzu soll der störende Einfluss der
Beschaffenheit des Werkstücks auf den Bearbeitungsprozess
gemindert werden. Weiterhin soll der störende Einfluss des
abgetragenen Materials auf den Bearbeitungsprozess minimiert
werden.
Die Lösung dieses Problems wird durch die in den
unabhängigen Ansprüchen angegebenen Merkmale gelöst, wobei
vorteilhafte Ausgestaltungen in den Unteransprüchen
angegeben werden.
Erfindungsgemäß wurde erkannt, dass sich dieses technische
Problem dadurch lösen lässt, dass die Oberseite eines
Werkstücks mit Laserstrahlung beaufschlagt wird, wobei die
Strahlung unterhalb einer Schwellenintensität nur
vernachlässigbar vom Werkstück absorbiert wird und oberhalb
der Schwellenintensität Strahlung absorbiert wird welche zu
einer Materialabtragung führt, wobei die Materialabtragung
in der Nähe der Werkstückunterseite initiiert wird und
dadurch das Material weitgehend in Strahlrichtung abgetragen
wird.
Bei dieser Vorgehensweise wird die Werkstückoberseite mit
Strahlung beaufschlagt, d. h. die der Strahlungsquelle
zugewandte Seite des Werkstücks. Der Abtragungsprozess wird
auf der der Strahlungsquelle abgewandten Seite des
Werkstücks, also der Werkstückunterseite, initiiert. Beginnt
dort die Abtragung des Materials, so kann sich dieses nur
von der Strahlungsquelle wegbewegen. Eine Bewegung in
Richtung der Strahlungsquelle ist ausgeschlossen, da sich
zwischen dem sich ablösenden Material und der
Strahlungsquelle noch das Werkstück selbst befindet.
Zusammengefasst wird durch diese Vorgehensweise das Material
weitgehend entgegengesetzt zur Strahlrichtung abgetragen.
Natürlich kann sich durch den Bearbeitungsprozess auf der
Werkstückunterseite eine Materiewolke ausbilden die meist
keine wohldefinierte Ausbreitungsrichtung hat. Auch in
diesem Fall kann jedoch von einer weitgehend in
Strahlrichtung abtragenden Bearbeitung gesprochen werden, da
die Partikel dieser Materiewolke zumindest eine
Geschwindigkeitsvorzugsrichtung aufweisen sollten, die
weitgehend in Richtung der Strahlungsrichtung liegt.
Das erfindungsgemäße Verfahren wird bei Materialien
eingesetzt, welche die Laserwellenlänge bei hinreichend
kleinen Intensitäten nicht absorbieren, also für sie
transparent sind. Damit kann sichergestellt werden, dass
keine Prozessinitiierung auf der Werkstückoberseite erfolgen
kann. Erst bei Überschreiten eines Schwellenwertes der
Intensität wird die Strahlung vom Material absorbiert. Der
Schwellenwert hängt vom Werkstückmaterial ab und kann durch
eine Abstimmung von Laserleistung, Fokussierung und
Pulsverlauf erreicht werden. Die Strahlungsabsorption beruht
dann auf nichtlinearen Effekten und wird auch nicht durch
Multiphoton-Prozesse verursacht. Experimentell muss
lediglich sichergestellt werden, dass das Überschreiten der
Schwellenintensität örtlich nahe der Strahlaustrittsfläche
erfolgt.
Um die für das Erreichen der Schwellenbedingung
erforderlichen Intensitäten bereitstellen zu können ist es
vorteilhaft gepulste Laser einzusetzen. So bieten sich
gütegeschaltete Laser für die Schaffung relativ grober
Strukturen an. Für sehr feine und präzise Abtragungen eignen
sich besonders modengekoppelte Laser die Pulse mit
Pulsdauern von Femto- bis Picosekunden aufweisen und zudem
sehr hohe Spitzenleistungen zeigen. Bei derartigen Lasern
wird die Pulsdauer durch Dispersion in der Luft und im
Werkstück verlängert, und damit die im Fokus verfügbare
Intensität gemindert. Zur Kompensation kann der Laserpuls so
gechirpt werden, dass im räumlichen Fokus des Strahls die
Pulsdauer etwa der Pulsdauer des ursprünglichen Laserstrahls
ist. Auch möglich ist der Einsatz von Oszillator-
Verstärkersystemen.
Für die Realisierung der Abtragungsinitiierung auf der
Werkstückunterseite wird der Laserstrahl auf einen Punkt
fokussiert, welcher in der Nähe der Strahlungsaustritt
sstelle liegt. Dieser Punkt kann auf der Werkstückoberfläche
liegen, im Werkstück in der Nähe der Austrittsstelle, oder
sogar außerhalb des Werkstücks in der Nähe der
Austrittsstelle. Der Laserstrahl wird somit weitgehend durch
das Werkstück hindurch fokussiert.
Im Idealfall würde die Schwellenbedingung für die
Strahlungsabsorption nur in diesem gewählten Fokuspunkt nahe
der Oberfläche der Werkstückunterseite erreicht. In diesem
Fall würde der Prozess kontrolliert von einem Punkt aus
gestartet.
In der Praxis bildet sich bei der Fokussierung des
Laserstrahls auf einen Punkt in der Nähe der
Werkstückunterseite im Bereich der Brennebene eine
Fokuskaustik aus. Der Fokus ist nicht punktförmig, sondern
weist eine von systembedingten Parametern abhängige
Unschärfe auf. Diese Unschärfe äußert sich auch in einer
gewissen Ausdehnung Δz des Fokus in z-Richtung, d. h. der
Strahlrichtung. Steht zum Beispiel die Bearbeitungsoptik
innerhalb der Rayleighlänge, so kann diese Ausdehnung in
Nahfeldnäherung durch das Produkt von Strahldivergenz θ und
Objektivbrennweite f angegeben werden: Δz = θ.f. Damit wird
der Abtragungsprozess in einem Bereich ±Δz initiiert, was
die Abtragspäzision mindert. Zur Gewährleistung eines
stabilen Arbeitsprozesses und zur Erhöhung der Abtragungs
präzision ist es daher vorteilhaft, den Laser auf einen
Punkt innerhalb eines Bereichs ±Δz, gerechnet ab der
Oberfläche der Werkstückunterseite, zu fokussieren. In
diesem Fall ist im Material der Unschärfebereich entlang der
z-Richtung kleiner und wird der Abtragungsprozess in einem
kleinerem Bereich initiiert.
Maßgeblich für den Abtragungsprozess ist die Intensität im
Fokus und dessen Ausdehnung. In diesem Sinne wird die
Bearbeitung von optisch homogenen Werkstoffen besonders
bevorzugt, da bei diesen keine zusätzliche Fokusunschärfe
durch lokal unterschiedliches Absorptionsvermögen des
Werkstücks hinzutreten kann.
Für die erzielbare Größe des Laserfokus und damit für die
Frage, mit welcher Ortsauflösung die Bearbeitung erfolgen
kann, ist die optische Qualität von Bedeutung. Hierzu zählen
maßgeblich die Form, die Krümmung und die Rauheit des
Werkstücks. Wenn es das Werkstück zulässt kann es
vorteilhaft sein die Strahleintrittsfläche zu polieren. Für
ein komplizierter gestaltetes Werkstück mit rauher
Eintrittsfläche bietet es sich an, zumindest einen Teil der
Eintrittsfläche mit einem transparenten Medium formschlüssig
abzudecken, da dann die Beeinträchtigung des Laserfokus
durch die Beschaffenheit der Eintrittsstelle vernachlässigt
werden kann. Als geeignetes transparentes Medium kann eine
dicke (Dicke < 1 µm) Schicht einer Lackierung, eines Klebers
oder einer mit einem spin-off-Verfahren hergestellten
Schicht gewählt werden. Auch möglich ist die Wahl eines
transparenten Flüssigkeit wie zum Beispiel Wasser. Die
genannten Medien weisen recht glatte Oberflächen auf.
In einem weiteren Aspekt der Erfindung wird daher zur
Minderung des störenden Einflusses der Beschaffenheit des
Werkstücks vorgeschlagen, ein Verfahren zum Bearbeiten von
Werkstücken zu realisieren, bei dem die Oberseite des
Werkstücks mit Laserstrahlung beaufschlagt wird, bei dem die
Strahlung unterhalb einer Schwellenintensität nur
vernachlässigbar vom Werkstück absorbiert wird, bei dem
oberhalb der Schwellenintensität Strahlung absorbiert wird
welche zu einer Materialabtragung führt, wobei mindestens
ein Teil des Strahleintrittsbereichs auf der
Werkstückoberseite formschlüssig durch ein transparentes
Medium abgedeckt wird.
Bei der Bearbeitung des Werkstücks mit Laserstrahlung können
gegebenenfalls durch die Strahlung mechanische Spannungen
induziert werden, oder aber das Werkstück kann schon vorher
derartige Spannungen aufweisen. Innere Spannungen machen
jedoch den Prozess instabiler bzw. unkontrollierbarer und
können zu einer unerwarteten Abtragung und auch zu
Rissbildung führen. Dieser störenden Einfluss kann dadurch
gemindert werden, dass das Werkstück vor der
Laserstrahlbeaufschlagung in einem Ofen getempert, d. h.
temperaturbehandelt wird. Durch die Temperung werden die
Spannungen soweit abgebaut, das die verbleibende
Innenspannung den Prozess nicht mehr nennenswert stören
kann.
Werden durch die Laserstrahlung Spannungen in das Werkstück
eingebracht, so können diese die Materialeigenschaften
verändern. So reduzieren innere Spannungen häufig die
mechanische Stabilität des Werkstücks. Daher ist es
vorteilhaft, nach der Laserbehandlung eine Temperung des
Werkstücks vorzunehmen. Selbstverständlich kann die
Temperung sowohl vor als auch nach der Lasermaterial
bearbeitung erfolgen.
Nachfolgend soll das erfindungsgemäße Verfahren anhand von
Ausführungsbeispielen näher erläutert werden.
Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung des Abtragungs
prozesses mit einem fokussierten Laserstrahl. Die
Laserstrahlung 3 verläuft in z-Richtung und wird durch eine
Fokussieroptik 7 auf das Werkstück 2 fokussiert. Auf der
Werkstückoberseite 1 wird im Bereich der Strahleintritts
fläche 8 kein Materialabtrag bewirkt. Nach dem Durchlaufen
der Strahlung durch das transparente Medium wird bedingt
durch die Fokussierung unmittelbar in der Nähe der
Werkstückunterseite 4 die Schwellenintensität erreicht und
es erfolgt eine Abtragung im Bereich 9. Das abgetragene
Material verlässt den Abtragungsbereich und bildet dabei
eine Art Fackel 10. Die Richtung der abgetragenen Teilchen
ist dabei weitgehend die z-Richtung, mithin weitgehend die
Strahlrichtung. Das abgetragene Material kann zusätzlich
durch eine Pumpeinheit abgesaugt werden um eine
Verunreinigung der Unterseite zu vermeiden. Durch eine nicht
dargestellte Verfahreinheit wird die Lage des Fokus in einer
Ebene senkrecht zur Strahlrichtung, d. h. der xy-Ebene,
durchgestimmt. In diesem Ausführungbeispiel wird die
Fokuslage in x-Richtung verändert so dass es zur Ausbildung
eines Schlitzes 10 in der Austrittsfläche kommt.
Durch ein Verfahren des Fokus in x- und y-Richtung kann
gemäß Fig. 2 eine Schicht 11 abgetragen werden. Durch
Variation der Fokuslage kann die Schichtdicke lokal
verändert und somit eine vorgegebbare Oberflächenstruktur
realisiert werden.
Fig. 3 zeigt das erfindungsgemäße Verfahren zum
Bereitstellen einer Bohrung in einem transparenten Material.
Hierzu wird zunächst der Fokus unmittelbar vor der
Austrittsstelle gelegt und dort ein Scheibe der Dicke d
abgetragen. Anschließend wird die Linse 7 durch eine
Verfahreinheit entlang der z-Achse in eine Position 7'
bewegt. Die Verschiebungsstrecke ist dabei ungefähr d. Auf
diese Weise kann im Werkstück sequentiell eine Bohrung 12
geschaffen werden. Der Abtragungsprozess beim Bohren erfolgt
dabei von der Werkstückunterseite 4 her und endet auf der
Oberseite 1.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ist auch das Einbringen
von beliebig geformten dreidimensionalen Strukturen auf der
Werkstückunterseite möglich. So zeigt Fig. 4 die Schaffung
einer Pyramide 13. Hierbei wird der Laserfokus relativ zum
Werkstück in allen drei Raumrichtungen bewegt.
Vorteilhafterweise wird dieser Abtragungsprozess schich
tweise vorgenommen. Hierbei wird zunächst der Laserfokus in
der xy-Ebene variiert und eine Schicht abgetragen. Danach
wird die Fokuslage in z-Richtung angepasst und eine neue
Schicht abgetragen usw.
Claims (15)
1. Verfahren zum Bearbeiten von Werkstücken, bei dem die
Oberseite (1) eines Werkstücks (2) mit Laserstrahlung (3)
beaufschlagt wird, bei dem die Strahlung (3) unterhalb
einer Schwellenintensität nur vernachlässigbar vom
Werkstück (2) absorbiert wird, bei dem oberhalb der
Schwellenintensität Strahlung (3) absorbiert wird welche
zu einer Materialabtragung führt, dadurch gekennzeichnet,
dass die Materialabtragung in der Nähe der
Werkstückunterseite (4) initiiert wird und dadurch das
Material weitgehend in Strahlrichtung abgetragen wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass
ein Fokus nahe der Werkstückunterseite (4) gewählt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,
dass mindestens ein Teil des Strahleintrittsbereichs (5)
auf der Werkstückoberseite (1) formschlüssig durch ein
transparentes Medium abgedeckt wird.
4. Verfahren zum Bearbeiten von Werkstücken, bei dem die
Oberseite (1) eines Werkstücks (2) mit Laserstrahlung (3)
beaufschlagt wird, bei dem die Strahlung (3) unterhalb
einer Schwellenintensität nur vernachlässigbar vom
Werkstück (2) absorbiert wird, bei dem oberhalb der
Schwellenintensität Strahlung (3) absorbiert wird, welche
zu einer Materialabtragung führt, dadurch gekennzeichnet,
dass mindestens ein Teil des Strahleintrittsbereichs (5)
auf der Werkstückoberseite (1) formschlüssig durch ein
transparentes Medium abgedeckt wird.
5. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet, dass das abgetragene Material
durch eine Pumpeinheit abgesaugt wird.
6. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 5,
dadurch gekennzeichnet, dass vor der
Strahlungsbeaufschlagung der Strahleintrittsbereich (5)
des Werkstücks (2) und/oder des transparenten Mediums
optisch poliert wird.
7. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 6,
dadurch gekennzeichnet, dass ein optisch homogenes
Werkstück (2) strahlungsbeaufschlagt wird.
8. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 7,
dadurch gekennzeichnet, dass die Lage des Fokus senkrecht
zur Werkstückoberfläche, d. h. in z-Richtung, durch eine
Verfahreinheit durchgestimmt wird.
9. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 8,
dadurch gekennzeichnet, dass die Lage des Fokus
waagerecht zur Werkstückoberfläche, d. h. in der x-y-
Ebene, durchgestimmt wird.
10. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 9,
dadurch gekennzeichnet, dass eine Kontur oder Fläche
abgetragen wird.
11. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 10,
dadurch gekennzeichnet, dass das Werkstück schichtweise
abgetragen wird.
12. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 11,
dadurch gekennzeichnet, dass das Werkstück vor oder nach
der Laserstrahlbeaufschlagung getempert wird.
13. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 12,
dadurch gekennzeichnet, dass das Werkstück (1) mit einem
gütegeschalteten Laser, einem modengekoppelten Laser mit
einer Pulsdauer im Bereich Femto- bis Pikosekunden, oder
mit einem Oszillator-Verstärkersystem
strahlungsbeaufschlagt wird.
14. Verwendung des Materialbearbeitungsverfahrens nach
mindestens einem der Ansprüche 1 bis 13 zum Schneiden,
Konturschneiden, Bohren oder Schweißen.
15. Verwendung des Materialbearbeitungsverfahrens nach
mindestens einem der Ansprüche 1 bis 14 zum Strukturieren
von Werkstückoberflächen.
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DE10029110A DE10029110B4 (de) | 1999-06-15 | 2000-06-14 | Verfahren für die Materialbearbeitung und Verwendung desselben |
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DE19927120 | 1999-06-15 | ||
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DE10029110B4 DE10029110B4 (de) | 2006-05-18 |
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ID=7911211
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Country Status (1)
Country | Link |
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