DE10062706C1

DE10062706C1 - Laser machining method, for providing flat recess in workpiece surface, has laser beam moved along recess contour line for providing slot around central region removed subsequently

Info

Publication number: DE10062706C1
Application number: DE10062706A
Authority: DE
Inventors: Peter Wrba; Roland Mayerhofer; Reinhard Ferstl
Original assignee: Carl Baasel Lasertechnik GmbH and Co KG
Current assignee: Carl Baasel Lasertechnik GmbH and Co KG
Priority date: 2000-12-06
Filing date: 2000-12-15
Publication date: 2002-07-18
Anticipated expiration: 2020-12-16

Abstract

The laser machining method has a laser beam (L) moved along the contour line of the required recess in the workpiece (2), for providing a linear slot (6b), with reflection of the laser beam within the slot used for formation of the slot walls in a plane perpendicular to the outer contour. The remaining material (20) on the inside of the slot is then removed.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Herstellen einer Vertiefung (Gesenk oder Kavität) in einem Werkstück mit einem Laserstrahl.The invention relates to a method for manufacturing a recess (die or cavity) in a workpiece a laser beam.

Zum Herstellen Vertiefungen oder von dreidimensionalen Struk turen in der Oberfläche eines Werkstücks ist es bekannt, den hierzu erforderlichen Materialabtrag mit einem fokussierten Laserstrahl vorzunehmen. Vertiefungen oder Kavitäten, deren Abmessungen größer als der Durchmesser des Laserstrahls sind, werden dabei durch Relativbewegungen zwischen dem Laserstrahl und dem Werkstück, beispielsweise durch paralleles Aneinan derreihen mehrerer Spuren, erzeugt, wobei je nach Tiefe des Abtrags eine mehrlagige Bearbeitung erfolgt.For making recesses or three-dimensional structures tures in the surface of a workpiece, it is known that necessary material removal with a focused Laser beam. Wells or cavities whose Dimensions are larger than the diameter of the laser beam, are caused by relative movements between the laser beam and the workpiece, for example by parallel juxtaposition the series of several tracks, depending on the depth of the Multi-layer machining is carried out.

Beim Materialabtrag mit einem Laserstrahl besteht nun das Problem, dass sich bei senkrechtem Einfall des Laserstrahls auf die Oberfläche des Werkstücks tiefere Ausnehmungen mit senkrechten oder hinterschnittenen Seitenwänden nicht her stellen lassen. Dies ist im wesentlichen darauf zurückzufüh ren, dass die Leistungsdichte im Strahlquerschnitt zum Rand hin abnimmt. Dies führt dazu, dass sich bei senkrechtem Ein fall auf die Oberfläche des Werkstücks ein materialbedingter und von der Leistungsdichteverteilung des Laserstrahls abhän gender Kantenwinkel ausbildet und die Seitenwand nicht senk recht zur Werkstückoberfläche, sondern mit einer Neigung zu dieser verläuft. Um bei tiefen Gesenken senkrechte Seitenwän de oder Hinterschnitte zu erzeugen, ist es deshalb erforder lich, die Laserstrahlachse unter einem Winkel auf die Ober fläche des Werkstücks auszurichten. Dies ist beispielsweise die Oberfläche des Werkstücks auszurichten. Dies ist bei spielsweise in der Handbuchreihe "Laser in der Materialbear beitung", Band 7, "Abtragen, Bohren, und Trennen mit Festkör perlasern", S. 174ff, Hrsg. VDI-Technologiezentrum Physikali sche Technologien, ISBN 3-00-002233-3, näher erläutert.When removing material with a laser beam, there is now the problem that if the laser beam is incident vertically on the surface of the workpiece, deeper recesses with vertical or undercut side walls cannot be produced. This is essentially due to the fact that the power density in the beam cross-section decreases towards the edge. This leads to the fact that with vertical incidence on the surface of the workpiece a material-related edge angle, which depends on the power density distribution of the laser beam, is formed and the side wall does not run perpendicular to the workpiece surface, but with an inclination to it. In order to create vertical side walls or undercuts in deep dies, it is therefore necessary to align the laser beam axis at an angle to the upper surface of the workpiece. For example, align the surface of the workpiece. This is, for example, in the manual series "Lasers in material processing", volume 7 , "ablation, drilling and cutting with solid-state lasers", p. 174ff, ed. VDI-Technologiezentrum Physikali cal Technologies, ISBN 3-00-002233- 3, explained in more detail.

Um die Herstellung einer Kavität zu ermöglichen, deren ge genüberliegende Seitenflächen senkrecht zur Werkstückober fläche verlaufen oder hinterschnitten sind, ist aus der DE 39 23 356 C1 bekannt, den Laserstrahl in Kombination mit einer Hin- und Herbewegung des Werkstückes pendelförmig zu verschwenken. Die Schwenkbewegung der Laserstrahlachse relativ zur Werkstückoberfläche ist jedoch mit einem zusätzlichen ap parativen Aufwand zur Strahlführung oder Werkstückbewegung verbunden, der die Wirtschaftlichkeit von Laserabtragsverfah ren in einer Reihe von Anwendungsfällen in Frage stellt.To enable the production of a cavity, the ge opposite side surfaces perpendicular to the workpiece top area is undercut or is undercut DE 39 23 356 C1 known, the laser beam in combination with a back and forth movement of the workpiece in a pendulum shape pivot. The pivotal movement of the laser beam axis relative to the workpiece surface is however with an additional ap parative effort for beam guidance or workpiece movement connected, the economy of laser ablation in a number of use cases.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Herstellen einer flächigen Ausnehmung in einem Werkstück mit einem Laserstrahl anzugeben, bei dem die vorstehend ge nannten Nachteile vermieden sind und mit dem die Herstellung senkrechter oder hinterschnittener Seitenwände auch bei senk rechtem Einfall des Laserstrahls auf die Oberfläche des Werk stücks möglich ist.The invention is based on the object of a method for producing a flat recess in a workpiece specify with a laser beam in which the above ge mentioned disadvantages are avoided and with which the manufacture vertical or undercut side walls even with vertical right incidence of the laser beam on the surface of the work piece is possible.

Die genannte Aufgabe wird gemäß der Erfindung gelöst mit einem Abtragsverfahren gemäß Patentanspruch 1. Bei dem erfindungsge mäßen Abtragsverfahren zum Herstellen einer flächigen Ausneh mung in einem Werkstück mit einem Laserstrahl wird zunächst entlang einer die Ausnehmung umgebenden Außenkontur ein li nienförmiger Einschnitt derart erzeugt, dass eine Formgebung der Seitenwände in einer senkrecht zur Außenkontur verlaufen den Ebene unter Ausnutzung der Reflexion des Laser strahls an den Seitenwänden innerhalb des Einschnitts erfolgt, wobei anschließend neben dem Einschnitt verbleibendes Material abgetragen wird.The stated object is achieved according to the invention with a Removal process according to claim 1. In the fiction removal process to produce a flat recess first in a workpiece with a laser beam a left along an outer contour surrounding the recess nieniform incision created such that a shape the side walls run in a perpendicular to the outer contour the plane using the reflection of the laser on the side walls within the incision, with material remaining next to the incision is removed.

Die Erfindung beruht dabei auf der Erkenntnis, dass es bei der Herstellung relativ schmaler Einschnitte oder beim Schneiden mittels eines Laserstrahls aufgrund der innerhalb des Ein schnitts an den Seitenflächen entstehenden Reflexionen möglich ist, senkrechte Seitenwände oder auch Hinterschnitte zu erzeu gen. Durch solche mehrfachen Reflexionen wird ein Teil des einfallenden Laserstrahls zwischen den Seitenwänden hin- und herreflektiert, so dass der Abtrag quer zur Laserstrahlachse verbessert und der vorstehend erläuterte Kantenwinkeleffekt kompensiert wird. Bei geeigneter Wahl der Fokussierbedingungen des Laserstrahles, d. h. Leistungsdichteverteilung, Strahlform und Fokuslage, können auch hinterschnittene Seitenflächen er zeugt werden.The invention is based on the knowledge that it Making relatively narrow incisions or when cutting by means of a laser beam due to the inside of the one cut reflections on the side surfaces possible is to create vertical side walls or undercuts Through such multiple reflections, part of the incident laser beam back and forth between the side walls reflected here, so that the removal transversely to the laser beam axis improved and the edge angle effect explained above is compensated. With a suitable choice of focusing conditions the laser beam, d. H. Power density distribution, beam shape and focus position, he can also undercut side surfaces be fathered.

Aus der JP-OS 06-304769 ist es zwar zur Herstellung einer er habenen Struktur mit einem Laserstrahl bereits bekannt, diese zunächst an einer Außenkontur mit einem Laserstrahl mit klei nem Spotdurchmesser zu umfahren, um dann den seitlichen Mate rialabtrag mit einem Laserstrahl mit höherer Leistung und grö ßerem Spotdurchmesser durchzuführen. Dieses bekannte Verfahren bezieht sich jedoch nicht auf die Formung der Seitenwand in einer Ebene senkrecht zur Außenkontur sondern dient lediglich zur Erhöhung der Prozessgeschwindigkeit.From JP-OS 06-304769 it is for the production of a he have already known this structure with a laser beam first on an outer contour with a laser beam with small bypassing the diameter of the spot and then the lateral mate rial ablation with a laser beam with higher power and larger to carry out larger spot diameter. This known method however does not refer to the shape of the sidewall in a plane perpendicular to the outer contour but only serves to increase the process speed.

Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht ohne Verschwenken des Laserstrahles die Herstellung von flächigen Ausnehmungen, deren Seitenwände am gesamten Umfang eine einheitliche Aus richtung zur Werkstückoberfläche aufweisen. The method according to the invention enables without pivoting the laser beam is used to produce flat recesses, the side walls of the entire circumference uniform point towards the workpiece surface.

In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung trifft der Laserstrahl senkrecht auf die Oberfläche des Werkstücks auf.In a preferred embodiment of the invention, the Laser beam perpendicular to the surface of the workpiece.

Vorzugsweise wird der Einschnitt hergestellt, bevor Material neben dem Einschnitt abgetragen wird. Durch diese Maßnahme ist der Prozessablauf vereinfacht.Preferably the incision is made before material is removed next to the incision. By this measure is the process flow is simplified.

Alternativ hierzu kann auch in einem ersten Verfahrensschritt eine innenliegende Ausnehmung hergestellt werden, neben der in einem zweiten Verfahrensschritt der Einschnitt hergestellt und bei dem anschließend zwischen dem Einschnitt und der innenlie genden Ausnehmung verbleibendes Material abgetragen wird.Alternatively, this can also be done in a first method step an internal recess can be made, in addition to the in a second step of the incision is made and in which subsequently between the incision and the inside material remaining in the recess becomes.

Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird auf die Ausfüh rungsbeispiele der Zeichnung verwiesen. Es zeigen: To further explain the invention, the Ausfü Example of the drawing referenced. Show it:

Fig. 1-5 den Prozessablauf bei einem erfindungsgemäßen Abtragsverfahren in schematischen Prinzipdar stellungen, Figures 1-5 positions. The process flow in an inventive ablation method in schematic Prinzipdar,

Fig. 6-9 und 10-13 jeweils alternative Abtragsstrate gien ebenfalls anhand von schematischen Prin zipdarstellungen. Fig. 6-9 and 10-13 alternate removal rates each also based on schematic principles.

Gemäß Fig. 1 wird in ein Werkstück 2 mit einem annähernd senkrecht auf seine Oberfläche 4 auftreffenden Laserstrahl L entlang einer Außenkontur ein linienförmiger, relativ schma ler Einschnitt 6a erzeugt, der zu Prozeßbeginn eine annähernd konische Gestalt hat. Durch mehrfache Reflexion an den Sei tenwänden 62a des konischen Einschnitts 6a werden bei fort schreitender Bearbeitung die Seitenwände 62a quer zur Strahl achse des Laserstrahls L abgetragen, wobei die seitliche Ab tragsgeschwindigkeit im Bodenbereich aufgrund der durch Mehr fachreflexion dort vorliegenden höheren Leistungsdichte grö ßer ist als am Randbereich des Einschnitts 6a. Dies verur sacht eine Verringerung des Kantenwinkels α, so dass der fer tiggestellte Einschnitt 6b Seitenwände 62b aufweist, die im Beispiel gemäß Fig. 2 rechtwinklig (α = 0) zur Oberfläche 4 des Werkstücks 2 verlaufen.Referring to FIG. 1, a linear, relatively schma ler notch 6a is in a workpiece 2 with an approximately perpendicularly incident on the surface 4 laser beam L along an outer contour generated, the process to the beginning has an approximately conical shape. Due to multiple reflection on the side walls 62 a of the conical incision 6 a, the side walls 62 a are removed transversely to the beam axis of the laser beam L as the machining progresses, the lateral speed of abrasion in the floor area being greater due to the higher power density due to multiple reflection there is as at the edge of the incision 6 a. This causes a reduction in the edge angle α, so that the finished incision 6 b has side walls 62 b, which in the example according to FIG. 2 run at right angles (α = 0) to the surface 4 of the workpiece 2 .

Je nach Fokustiefe und Querschnitt des Laserstrahls L können auch nach innen geneigte Seitenwände, d. h. Hinterschneidungen mit einem negativen Kantenwinkel α erzeugt werden, wie sie in Fig. 2 gestrichelt angedeutet sind.Depending on the depth of focus and cross section of the laser beam L, inwardly inclined side walls, ie undercuts with a negative edge angle α, can also be produced, as indicated by dashed lines in FIG. 2.

Die äußeren Seitenwände 62b des Einschnittes 6b bilden die Seitenwand der herzustellenden und in Fig. 1, 2 und 4 jeweils gestrichelt dargestellten Vertiefung 8.The outer side walls 62 b of the incision 6 b form the side wall of the depression 8 to be produced and shown in broken lines in FIGS. 1, 2 and 4.

In der Draufsicht auf die Oberfläche 4 des Werkstücks 2 gemäß Fig. 3 ist zu erkennen, dass im Ausführungsbeispiel durch den fertiggestellten Einschnitt 6b eine rechteckförmige Außenkon tur erzeugt ist, innerhalb derer Material 20 verbleibt.In the top view of the surface 4 of the workpiece 2 according to FIG. 3 it can be seen that in the exemplary embodiment the finished incision 6 b produces a rectangular outer contour, within which material 20 remains.

Nach Fertigstellung der Einschnitte bis zur Endtiefe t_E wird das neben ihnen liegende, im Ausführungsbeispiel von diesen umgebene, innenliegende Material 20 gemäß Fig. 2 und 4 Lage für Lage abgetragen, so dass sich die gewünschte, im Ausfüh rungsbeispiel quaderförmige Vertiefung 8 gemäß Fig. 4 ergibt.After completion of the cuts to the final depth t _E is the lying next to them, in the embodiment of this surrounded, inner material 20 according to Figs. 2 and 4 position removed for position, then the desired, in exporting approximately example rectangular recess 8 of FIG. 4 results.

Anstelle einer Fertigstellung der Einschnitte 6b bis zur ge wünschten Endtiefe t_E und eines anschließenden Abtrags des innenliegenden Materials 20 kann auch eine Herstellung der Einschnitte 6b bis zu einer vorgegebenen Anfangstiefe t_A er folgen, wie dies in der Fig. 6 veranschaulicht ist. Breite und Anfangstiefe t_A des Einschnitts müssen dabei so bemessen sein, dass die gewünschte Formung der Wandkontur durch Refle xion des Laserstrahls L innerhalb der Einschnitte 6b erfolgt. Anschließend wird gemäß Fig. 7 das innenliegende Material 20 bis zu einer Zwischentiefe t₁ abgetragen, die kleiner oder gleich t_A ist (Doppelpfeil a). Im nächsten Prozessschritt werden die Einschnitte (Randspur) 6b gemäß Fig. 8 um Δt ver tieft (t_A + Δt). Ein mehrmaliges Wiederholen führt dann gemäß Fig. 9 zu einer schrittweisen Zunahme der Abtragtiefe. Nach Erreichen der Endtiefe t_E der Einschnitte 6b wird dann in ei nem abschließenden Abtragsprozess nur noch das restliche in nenliegende Material 20 abgetragen (Doppelpfeil b).Instead of completing the incisions 6 b to the desired final depth t _E and subsequently removing the internal material 20 , the incisions 6 b can also be produced up to a predetermined initial depth t _A , as illustrated in FIG. 6. The width and initial depth t _{A of} the incision must be such that the desired shaping of the wall contour takes place by reflection of the laser beam L within the incisions 6 b. Fig The inner material 20 is then compounded. 7 up to an intermediate depth t ₁ removed of less than or equal to t _A (double-headed arrow a). In the next process step, the incisions (edge trace) 6 b according to FIG. 8 are deepened by Δt (t _A + Δt). A repeated repetition then leads, according to FIG. 9, to a gradual increase in the removal depth. After reaching the final depth t _{E of} the cuts 6 b, only the remaining material 20 lying inside is then removed in a final removal process (double arrow b).

Alternativ zu den in Fig. 1-9 beschriebenen Verfahrensabläu fen kann auch eine Abtragsstrategie vorgesehen sein, bei der zunächst in einem ersten Verfahrensschritt ein innerhalb der vorgesehenen Vertiefung 8 liegender Bereich in herkömmlicher Weise gemäß Fig. 10 abgetragen ist, so dass eine innenlie gende Vertiefung 8a entsteht, deren Seitenwände 82a die bei senkrechtem Einfall des Laserstrahls L entstehende Neigung mit den vom Werkstoff des Werkstücks 2 abhängigen Kantenwinkel b aufweist. Neben dieser innenliegenden Vertiefung 8a werden dann in einem zweiten Verfahrensschritt gemäß Fig. 11 und 12 Einschnitte 6a bzw. 6b erzeugt, deren Seitenwände 62b im Endzustand gemäß Fig. 12 beispielsweise rechtwinklig zur Oberfläche 4 des Werkstücks 2 verlaufen. Nach Fertigstellung des Einschnitts 6b, der wie der Draufsicht gemäß Fig. 13 ent nommen werden kann, im Ausführungsbeispiel eine rechteckige Außenkontur festlegt, verbleibt innerhalb dieser Außenkontur Material 22, das die innenliegende Vertiefung 8a rahmenförmig umgibt. Dieses Material 22 wird dann in einem nächsten Pro zessschritt abgetragen, so dass sich die gewünschte Vertie fung 8 gemäß Fig. 14 ergibt.As an alternative to the process sequences described in FIGS . 1-9, a removal strategy can also be provided, in which, in a first process step, an area lying within the intended recess 8 is removed in the conventional manner according to FIG. 10, so that an internal recess 8 a is formed, the side walls 82 a of which have the inclination which arises when the laser beam L is perpendicular, with the edge angle b which is dependent on the material of the workpiece 2 . In addition to this inner recess 8 a, incisions 6 a and 6 b are then produced in a second method step according to FIGS. 11 and 12, the side walls 62 b of which in the final state according to FIG. 12 run, for example, at right angles to the surface 4 of the workpiece 2 . After completion of the incision 6 b, which can be taken from the top view according to FIG. 13, defines a rectangular outer contour in the exemplary embodiment, material 22 remains within this outer contour and surrounds the inner recess 8 a in a frame shape. This material 22 is then removed in a next process step, so that the desired recess 8 results in accordance with FIG. 14.

Anstelle der im Ausführungsbeispiel dargestellten Vertiefung mit umlaufendem Einschnitt ist je nach Erfordernis an die Seitenwandstruktur der Vertiefung auch vorstellbar, dass der Einschnitt nur entlang einem Teil der Außenkontur vorgenommen wird, so dass dieser nur einen Teil der Seitenwand bildet. Dies ist dann ausreichend, wenn nur bei diesem Teil der Sei tenwand eine Hinterschneidung oder ein rechtwinkliger Verlauf gefordert ist. Instead of the depression shown in the exemplary embodiment with circumferential incision is depending on the requirements of the Sidewall structure of the recess also conceivable that the Incision made only along part of the outer contour so that it only forms part of the side wall. This is sufficient if only with this part of the be an undercut or a right-angled course is required.

LIST OF REFERENCE NUMBERS

22

Werkstück
workpiece

44

Oberfläche
6a, b Einschnitt
surface
6a, b incision

88th

Vertiefung
deepening

88th

a innenliegende Vertiefung
a internal recess

2020

, .

2222

Material
62a, b Seitenwand
material
62a, b side wall

8282

a Seitenwand
α, β Kantenwinkel
L Laserstrahl
a, b Doppelpfeil
t_A a side wall
α, β edge angle
L laser beam
a, b double arrow
t _A

, t₁ , t ₁

, t_E , t _E

Anfangstiefe, Zwischentiefe, Endtiefe
Start depth, intermediate depth, end depth

Claims

1. A method for producing a flat recess ( 8 ) in a workpiece ( 2 ) with a laser beam (L), in which at least along a part of an outer contour surrounding the recess ( 8 ), first a linear incision ( 6 a, b) is generated that a shaping of its side walls ( 62 a, b) takes place in a plane perpendicular to the outer contour using the reflection of the laser beam (L) within the incision ( 6 a, b), and in the following next to the incision ( 6 b) remaining material ( 20 , 22 ) is removed.

2. The method according to claim 1, wherein the laser beam (L) strikes the surface ( 4 ) of the workpiece ( 2 ) perpendicularly.

3. The method according to claim 1 or 2, in which in a first process step an internal recess ( 8 a) is produced, in addition to the cut ( 6 b) made in a second process step and in which subsequently between the cut ( 6 b) and the inner recess ( 8 a) remaining material ( 22 ) is removed.