DE10040506C1

DE10040506C1 - Verfahren zum Kantenformen durch den Einsatz von Laserstrahlung

Info

Publication number: DE10040506C1
Application number: DE10040506A
Authority: DE
Inventors: Tilmann Schmidt-Sandte
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2000-08-18
Filing date: 2000-08-18
Publication date: 2002-03-07
Anticipated expiration: 2020-08-19

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Kantenformen durch den Einsatz von Laserstrahlung, bei dem die gewünschte Geometrie der zu formenden Kante durch eine erste mathematische Funktion f(x) beschrieben wird, während die Intensität der Laserstrahlung durch eine zweite mathematische Funktion I(x) beschrieben wird. DOLLAR A Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass die erste mathematische Funktion f(x) und die zweite mathematische Funktion I¶2¶(x) die folgende Beziehung erfüllen: DOLLAR A I¶2¶(x, f(x)) = I¶s¶(1 + (f'(x))·2·)·1/2·, DOLLAR A wobei x eine Ortsvariable ist, I¶s¶ eine vom zu bearbeitenden Material und der Laserpulslänge abhängige Schwellenintensität ist, und f'(x) die erste Ableitung der ersten Funktion f(x) nach der Ortsvariablen x ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Kan tenformen durch den Einsatz von Laserstrahlung, bei dem die gewünschte Geometrie der zu formenden Kante durch ei ne erste mathematische Funktion beschrieben wird, während die Intensität der Laserstrahlung durch eine weitere ma thematische Funktion beschrieben wird, die nachfolgend, je nach Ausführungsform, als zweite oder dritte mathema tische Funktion bezeichnet wird.

Stand der Technik

Für den auch beim Kantenformen eingesetzten Laserabtrags prozess ist die Intensität ein wichtiger Parameter, der den Bearbeitungsverlauf maßgeblich beeinflusst. Hohe In tensitäten erzeugen derart große Temperaturgradienten im Material, das metallische Werkstoffe schnell aufgeschmol zen und verdampft werden. Aufgrund dieser großen Tempera turgradienten wirken sich Effekte der Wärmeleitung im Ma terial bei Verwendung von kurzen Laserpulsen im Nanose kundenbereich kaum aus. In einem derartigen Fall kann da her von einem allein durch den Laserpuls verursachten lo kalen Abtrag ausgegangen werden. Im Gegensatz hierzu treten Effekte der Wärmeleitung beim Einsatz von Laserstrahlen mit geringerer Intensität, die beispielsweise bei der Ver wendung von CW-Lasern beziehungsweise Dauerstrichlasern er zeugt wird, in den Vordergrund. Der verwendete Lasertyp und das eingesetzte Strahlprofil werden je nach Einsatzzweck, beispielsweise zum Abtragen und Bohren, ausgewählt. Das La serabtragen umfasst beispielsweise das dreidimensionale Strukturabtragen, die Oberflächenstrukturierung, das Bohren, das Feinabschneiden und die Kantenbearbeitung. Die Kantenbe arbeitung umfasst das Entgraten sowie die Kantenformung, wo bei das Entgraten als letzter Verfahrensschritt die Kanten formung beinhaltet. Ein Beispiel für die Kantenformung be steht in der Bearbeitung des Austritts von Durchflussbohrun gen zur gezielten Strahlbeeinflussung, das heißt zur Beein flussung des Strahlwinkels und des Spraymusters. Während beispielsweise hinsichtlich des Laserbohrens bereits auf ein umfangreiches Prozesswissen zurückgegriffen werden kann, treten bei der Kantenbearbeitung noch immer umfangreiche Probleme auf. Beispielsweise bereitet es noch immer Proble me, die spezifischen Anlagenparameter zu wählen, die zum Er zeugen einer bestimmten Kantenform erforderlich sind. Derar tige Anlagenparameter werden derzeit noch zu einem großen Teil durch umfangreiche Versuche ermittelt, die zeitaufwen dig und kostenintensiv sind.

Aus dem EP 0 038 297 B1 ist ein Verfahren zum Entgraten von Erzeugnissen mittels Laserstrahlung bekannt, bei dem das La serstrahlbündel derart auf die Kante des Erzeugnisses fokus siert wird, dass die Achse des Strahlenbündels und die Tan gente der gekrümmten Kante des Erzeugnisses sich in einem Punkt treffen und bei dem der Brennpunkt des Laserstrahlbün dels über die gesamte zu entgratende Kante des Erzeugnisses mit einer festgelegten Geschwindigkeit verschoben wird, um das Schmelzen des Grates in der mittleren Zone des Laser strahlbündels zu gewährleisten. Die Einrichtung zur Erzeu gung der Laserstrahlung arbeitet dabei mit einer Leistungs dichte zwischen 10⁶ und 10⁸ W/cm².

Vorteile der Erfindung

Dadurch, dass erfindungsgemäß vorgesehen ist, dass die erste mathematische Funktion f(x) und die zweite mathematische Funktion I₂(x) die folgende Beziehung erfüllen,

wobei x eine Ortsvariable ist, I_S eine vom zu bearbeiten den Material und der Laserpulslänge abhängige Schwellen intensität ist, und f'(x) die erste Ableitung der ersten Funktion f(x) nach der Ortsvariablen ist, kann das für eine zu erzeugende Kantenform erforderliche Strahlprofil eines Lasers mit hoher Intensität schnell bestimmt wer den. Ebenso kann durch entsprechende Umformung die durch ein vorgegebenes Strahlprofil erzeugbare Kantenform er mittelt werden. Die Funktion I₂(x, f(x)) ist dabei je nach Komplexität der geforderten Kantenkontur analytisch lösbar, wobei die Winkelabhängigkeit der Fresnelabsorpti on bei der Gleichung für I₂(x, f(x)) vernachlässigt ist, wie dies später noch ausführlicher erläutert wird.

Bei einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfin dung wird die Winkelabhängigkeit der. Fresnelabsorption berücksichtigt, und es ist vorgesehen, dass die erste ma thematische Funktion f(x) und die dritte mathematische Funktion I₃(x) die folgende Beziehung erfüllen

wobei x eine Ortsvariable ist, I_S eine vom zu bearbeiten den Material und der Laserpulslänge abhängige Schwellen intensität ist, f'(x) die erste Ableitung der ersten Funktion f(x) nach der Ortsvariablen x ist und F(arctan(f(x))) = F(ϕ) ist, wobei

die winkelabhängige Fresnelabsorption ist, bei der ϕ der Einstrahlwinkel an jedem Ort x ist und n und k die Antei le des komplexen Brechungsindexes N des zu bearbeitenden Materials sind.

Der Grundgedanke der beiden Ausführungsformen der vorlie genden Erfindung besteht darin, dass solange ein Materi alabtrag erfolgt, solange die absorbierte Intensität I_A größer als die Schwellenintensität I_S des Materials ist. Durch den Materialabtrag ändert sich die Kantenform, wo durch die beaufschlagte Intensität I₂(x, f(x)) bezie hungsweise I₃(x, f(x)) und dadurch auch die absorbierte Intensität I_A verringert wird, bis die Schwellenintensi tät I_S erreicht beziehungsweise unterschritten wird. Um eine durch die erste Funktion f(x) beschriebene gewünsch te Kantenkontur zu erzeugen, wird die Kante mit einer ortsabhängigen Laserstrahlintensität I₂(x, f(x)) oder I₃(x, f(x)) unter einem globalen Einstrahlwinkel α be strahlt. Der Einstrahlwinkel an einem beliebigen Ort x wird dann mit ϕ bezeichnet und es gilt ϕ(x) = f(α, f(x)). An einem Ort x erfolgt ein Materialabtrag wenn die absor bierte Intensität I_A größer als die Schwellenintensität I_S ist, das heißt solange

I_A < I_S (4).

Für die absorbierte Intensität I_A gilt dabei

I_A = I_L.cos(ϕ).F(ϕ) (5)

wobei I_L die vom Laser erzeugte Intensität bezeichnet und die Funktion F(ϕ) die winkelabhängige Fresnelab sorption entsprechend Gleichung (3) beschreibt.

Für die erste Ableitung der ersten Funktion f(x) gilt

Aus den Gleichungen (4), (5) und (6) erhält man unter Vernachlässigung der Winkelabhängigkeit der Fresnelab sorption

Aus dieser Gleichung (7) ergibt sich die bei der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung verwendete Be ziehung

Diese Gleichung ist je nach Komplexität der geforderten Kantenkontur, das heißt der ersten Funktion f(x), analy tisch lösbar.

Unter Einbeziehung der Strahlausbreitung und der Fresnel absorption erhält man aus den Gleichungen (5) und (6) die bei der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Er findung verwendete Beziehung

Diese Gleichung ist nicht analytisch, jedoch numerisch leicht und sehr schnell zu lösen.

Die vorstehenden Ausführungen gelten insbesondere unter den folgenden Voraussetzungen:

- der Materialabtrag erfolgt ausschließlich durch Ver dampfen des Werkstoffs bei Überschreiten der Schwell intensität I_S
- die Wärmeleitung im Werkstück ist für den Prozess auf grund hoher Intensitäten und vorzugsweise kurzer Puls dauern unrelevant
- es erfolgt keine Aufheizung des Grundmaterials durch Akkumulation der Pulse.

Um die vorstehenden Bedingungen soweit wie möglich zu er füllen, wird bei allen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung vorzugsweise eine gepulste Laserstrahlung ein gesetzt, insbesondere eine Laserstrahlung mit kurzen Pulsdauern.

Vorzugsweise werden eine oder mehrere der genannten ma thematischen Beziehungen online, das heißt während der Kantenformung oder zwischen entsprechenden Bearbeitungsschritten ausgewertet. Dies kann beispielsweise als Grundlage für eine Prozessregelung oder als ein Hilfsmit tel dienen, das ermöglicht, dass der Anwender nicht die Anlagen- beziehungsweise Laserparameter, sondern die Kan tenzielform wählt, so dass das Laserstrahlintensitätspro fil automatisch festgelegt werden kann. Weiterhin kann durch einen Vergleich zwischen dem für die Bearbeitungs aufgabe optimalen, berechneten Intensitätsprofil mit dem anlagentechnisch zur Verfügung stehenden Intensitätspro fil eine optimale Konfiguration einer Laserbearbeitungs anlage erreicht werden, insbesondere des Lasers und der Optiken. Somit wird ein effizienter Einsatz der Laser- Hardware möglich, wodurch Kosten gesenkt werden können.

Je nach Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann vorgesehen sein, dass zum Erzeugen der Laserstrahlung ei ne Strahlquelle mit gaussförmiger Intensitätsverteilung eingesetzt wird.

Insbesondere in diesem Fall ist es möglich, die Laser strahlung durch eine oder mehrere diffraktive Optiken zu leiten, wodurch die unterschiedlichsten Intensitätsprofi le erzeugt werden können.

Weiterhin ist es denkbar, dass während einer Kantenfor mung verschiedene Intensitätsprofile eingesetzt werden.

Viele Anwendungsfälle erfordern, dass die Laserstrahlung senkrecht einfällt. Beispielsweise kann die Laserstrah lung parallel zur Bohrachse einer Bohrung einfallen, de ren Kante zu formen ist.

Durch die Verwendung von unsymmetrischen Intensitätspro filen ist es möglich, verschiedenartige Kantenprofile, das heißt unterschiedliche erste Funktionen f(x) zu ver wirklichen.

Zeichnungen

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der zugehörigen Zeichnungen noch näher erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 die Einstrahlung eines Intensitätsprofils auf eine Kante;

Fig. 2 eine Darstellung zur Definition der Intensi tätsbegriffe;

Fig. 3 einen Graph, der die Auswirkung des Einfalls winkels auf die beaufschlagte Intensität zeigt;

Fig. 4 ein erstes Strahlprofil zur Kantenformung;

Fig. 5 ein zweite Strahlprofil zur Kantenformung;

Fig. 6 ein drittes Strahlprofil zur Kantenformung;

Fig. 7 eine Darstellung zum Vergleich einer berechne ten und einer realisierten Kantenkontur;

Fig. 8 eine Darstellung einer durch das erfindungsge mäße Verfahren erzeugten Kantenstruktur einer Sitzscheibe.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele

Fig. 1 zeigt die Einstrahlung eines Intensitätsprofils I(x) auf eine Kante K eines Werkstücks. Die Achse für die Ortsvariable x ist in die Oberfläche des die Kante K auf weisenden Werkstücks gelegt, wobei die Geometrie der zu formenden Kante, das heißt die gewünschte Kantenkontur, durch den gepunktet dargestellten Verlauf der ersten ma thematischen Funktion f(x) dargestellt ist. Das Intensi tätsprofil I(x) weist einen im Wesentlichen gaussförmigen Verlauf auf, wobei das Maximum der Intensität am Endab schnitt der Kante K erreicht wird. Weiterhin ist der glo bale Einstrahlwinkel α angedeutet, von dem der Einstrahl winkel ϕ an einem Ort x wie folgt abhängt:

ϕ(x) = f(α, f(x)).

Fig. 2 ist eine Darstellung, die die Definition der In tensitätsbegriffe veranschaulicht. Die von Laser erzeugte Intensität ist mit I_L bezeichnet. Der globale Einfalls winkel α beträgt im dargestellten Fall ca. 45°, bezogen auf die x-Achse. Die vom Werkstück beziehungsweise der Kante absorbierte Intensität ist mit I_A bezeichnet und hat einen gleichmäßigen Verlauf. Gleiches gilt für die bezüglich des globalen Einfallswinkels α projizierte In tensität I_P.

Fig. 3 zeigt die Auswirkung des globalen Einfallswinkels α auf die beaufschlagte Intensität, wobei der Winkel α in Grad auf der horizontalen Achse aufgetragen ist, wäh rend der Absorptionsgrad auf der senkrechten Achse aufge tragen ist. Bei dem in Fig. 3 dargestellten Fall ist ein komplexer Brechungsindex N des Materials als N = 3,9 + 4,4 i vorausgesetzt. Für diesen Fall ist Fig. 3 zu entnehmen, dass der Wert der oben bereits erwähnten Funktion F(α) mit dem Winkel α ansteigt und bei α ≈ 80° ein Maximum hat, bei dem der Absorptionsgrad ca. 0,44 beträgt.

Die Fig. 4 bis 6 zeigen Beispiele für verschiedene In tensitätsprofile. Insbesondere wenn die Bearbeitung der Kante aufgrund der zur Verfügung stehenden Anlagentechnik senkrecht von oben erfolgt, beispielsweise wenn der Strahleinfall parallel zu einer Bohrungsachse verläuft, bietet sich der Einsatz von unsymmetrischen Intensitäts profilen an, die beispielsweise mit Hilfe von speziellen diffraktiven Optiken erzeugt werden können.

Fig. 4 zeigt ein erstes Intensitätsprofil P₁, das zur Bearbeitung einer ersten Kante K₁ eingesetzt wird, um die in Fig. 4 dargestellte Kantenkontur f₁(x) zu erzeugen, die in diesem Fall linear verläuft.

In Fig. 5 ist ein zweites Intensitätsprofil P₂ darge stellt, das zur Bearbeitung einer zweiten Kante K₂ vorge sehen ist, die die durch die Funktion f₂(x) angedeutete Kantenkontur erhalten soll.

Fig. 6 zeigt ein drittes Intensitätsprofil P₃, das zum Bearbeiten einer dritten Kante K₃ vorgesehen ist, die das durch die Funktion f₃(x) angedeutete Kantenprofil erhal ten soll.

Die folgende Tabelle zeigt beispielhaft zwei Fälle für die Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, bei der die Winkelabhängigkeit der Fresnelabsorption vernachläs sigt wird.

Tabelle 1

Intensitätsfunktionen

Die Variablen a_x und a_y geben dabei jeweils die Kantenma ße in x- und y-Richtung an. Der Fall der Kanten-Anphasung ist durch den Einsatz eines sogenannten Flattopp- Strahlprofils, wie es in Fig. 4 dargestellt ist, mög lich. Im Gegensatz hierzu ist eine exakte Verrundung the oretisch nicht möglich, da die Ableitung der ersten ma thematischen Funktion f(x) in diesem Fall für bestimmte Werte von x gegen Unendlich gehen würde, so dass auch die Intensitätsfunktion an diesen Orten unendlich hohe Werte annehmen müsste, was bei realen Lasern selbstverständlich nicht möglich ist.

Fig. 7 ist eine Darstellung zum Vergleich einer berech neten und einer realisierten Kantenkontur. Für den darge stellten Fall wurde ein Beschriftungslaser mit einer Modenblende eingesetzt, wobei die folgenden Parameter ein gestellt wurden:

- Strahlqualität: M² = 3,1
- Pulsrate: 10 kHz
- Pulslänge: τ_p = 260 ns
- Fokusdurchmesser: d_f = 85 µm
- Lateraler Offset: 9 µm
- I₀ = 8,66 e7 W/cm².

Fig. 7 ist zu entnehmen, dass die berechnete und die re alisierte Kantenkontur eine sehr hohe Übereinstimmung aufweisen.

Fig. 8 zeigt eine fotografische Abbildung einer Sitz scheibe, deren Kante durch das erfindungsgemäße Kanten formverfahren bearbeitet wurde.

Claims

1. Verfahren zum Kantenformen durch den Einsatz von La serstrahlung, beim dem die gewünschte Geometrie der zu formenden Kante durch eine erste mathematische Funktion f(x) beschrieben wird, während die Intensität der Laser strahlung durch eine zweite mathematische Funktion I₂(x) beschrieben wird, dadurch gekennzeichnet, dass die erste mathematische Funktion f(x) und die zweite mathematische Funktion I₂(x) die folgende Beziehung erfüllen:
wobei x eine Ortsvariable ist, I_S eine vom zu bearbeiten den Material und der Laserpulslänge abhängige Schwellen intensität ist, und f'(x) die erste Ableitung der ersten Funktion f(x) nach der Ortsvariablen x ist.

2. Verfahren zum Kantenformen durch den Einsatz von La serstrahlung, beim dem die gewünschte Geometrie der zu formenden Kante durch eine erste mathematische Funktion f(x) beschrieben wird, während die Intensität der Laser strahlung durch eine dritte mathematische Funktion I₃(x, f(x)) beschrieben wird, dadurch gekennzeichnet, dass die erste mathematische Funktion f(x) und die dritte mathema tische Funktion I₃(x) die folgende Beziehung erfüllen:
wobei x eine Ortsvariable ist, I_S eine vom zu bearbeiten den Material und der Laserpulslänge abhängige Schwellen intensität ist, f'(x) die erste Ableitung der ersten Funktion f(x) nach der Ortsvariablen x ist und F(arctan(f(x))) = F(ϕ) ist, wobei
die winkelabhängige Fresnelabsorption ist, bei der ϕ der Einstrahlwinkel an jedem Ort x ist und n und k die Antei le des komplexen Brechungsindexes N des zu bearbeitenden Materials sind.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich net, dass die Laserstrahlung in Form einer Vielzahl von Laserpulsen vorliegt.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da durch gekennzeichnet, dass eine oder mehrere der genann ten Beziehungen online, das heißt während der Kantenfor mung ausgewertet werden.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da durch gekennzeichnet, dass zum Erzeugen der Laser strahlung eine Strahlquelle mit gaussförmiger Intensi tätsverteilung eingesetzt wird.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da durch gekennzeichnet, dass die Laserstrahlung durch eine diffraktive Optik geleitet wird.

7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da durch gekennzeichnet, dass während einer Kantenformung verschiedenen Intensitätsprofile eingesetzt werden.

8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da durch gekennzeichnet, dass die Laserstrahlung senkrecht einfällt.

9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da durch gekennzeichnet, dass die Laserstrahlung parallel zur Bohrachse einer Bohrung einfällt, deren Kante zu for men ist.

10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein unsymmetrisches Intensi tätsprofil verwendet wird.