DE10123018A1

DE10123018A1 - Production of cylindrical recesses in a workpiece comprises irradiating the workpiece with laser pulses using a rotating mask, and forming the irradiating mark of the laser on the workpiece using a lens

Info

Publication number: DE10123018A1
Application number: DE10123018A
Authority: DE
Inventors: Klaus Meyer
Original assignee: LZH Laser Zentrum Hannover eV
Current assignee: LZH Laser Zentrum Hannover eV
Priority date: 2001-05-11
Filing date: 2001-05-11
Publication date: 2002-12-12

Abstract

Production of cylindrical recesses in a workpiece (4) comprises irradiating the workpiece with laser pulses using a rotating mask (8); and forming the irradiating mark of the laser on the workpiece using a lens. The rotary speed of the mask and the pulse frequency of the laser are controlled so that irradiated regions of the workpiece partially overlap in the peripheral irradiated regions of the workpiece. The mask has regions (12,14) for the passage of the laser pulse. An Independent claim is also included for a device for producing cylindrical recesses in a workpiece. Preferred Features: The mask is continuously rotated during irradiation. The passage region is formed as an arc concentrically to the rotating axis. The laser is an excimer laser.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Ein richtung zum Bilden von im wesentlichen kreiszylindri schen Ausnehmungen in Werkstücken.The invention relates to a method and a direction for forming a substantially circular cylinder recesses in workpieces.

Derartige Verfahren sind allgemein bekannt. Bei spielsweise sind Verfahren zum sogenannten Laserbohren bekannt, bei denen ein im wesentlichen kreiszylindri scher Strahlfleck eines Lasers auf ein Werkstück fokus siert wird, um eine idealerweise im wesentlichen kreis zylindrische Bohrung in dem Werkstück zu bilden. Ein Nachteil dieser bekannten Verfahren besteht darin, daß die Form der sich bildenden Ausnehmung erheblich von der gewünschten, idealerweise im wesentlichen kreiszy lindrischen Form abweicht und häufig im wesentlichen trichterförmig ist. Es sind ferner Verfahren zum Trepa nieren mit Laserstrahlung bekannt, bei denen ein im wesentlichen kreisförmiger Strahlfleck eines Lasers während des Bearbeitungsvorgangs entlang einer Bahnkur ve bewegt wird, so daß an dem Werkstück ein Loch ausge schnitten wird. Um beispielsweise ein kreisförmiges Loch in dem Werkstück zu bilden, wird der Strahlfleck entlang einer kreisförmigen Bahnkurve bewegt. Dieses bekannte Verfahren ist insbesondere dazu geeignet, Lö cher mit großen Durchmessern an einem Werkstück zu bil den.Such methods are generally known. at for example, methods for so-called laser drilling known in which an essentially circular cylinder focus of a laser on a workpiece ideally essentially a circle to form a cylindrical bore in the workpiece. On The disadvantage of these known methods is that the shape of the recess formed significantly the desired, ideally essentially circular Lindrish form differs and often essentially is funnel-shaped. There are also procedures for Trepa kidneys known with laser radiation, in which an im essentially circular beam spot of a laser during the machining process along a track ve is moved so that a hole is made on the workpiece will cut. For example, a circular Forming a hole in the workpiece becomes the beam spot moved along a circular trajectory. This known method is particularly suitable for Lö with large diameters on a workpiece the.

Durch DE 197 44 368 A1 ist ein Verfahren der betreffenden Art zur Mikrobearbeitung von Werkstücken zum Bilden von im wesentlichen kreiszylindrischen Ausneh mungen in Werkstücken bekannt, bei dem das Werkstück mittels eines Lasers mit Laserpulsen bestrahlt wird. Zur Erzeugung eines im wesentlichen rotationssymmetri schen Materialabtrages an dem Werkstück ist es aus der Druckschrift bekannt, die Polarisationsrichtung der Laserstrahlung und das Werkstück relativ zueinander während des Bearbeitungsvorganges um eine zur Polarisa tionsebene im wesentlichen senkrechte Achse zu drehen. Auf diese Weise ergibt sich eine bessere Annäherung der Form der gebildeten Ausnehmung an die gewünschte, kreiszylindrische Form.DE 197 44 368 A1 is a method of the relevant Type for micromachining workpieces for Forming a substantially circular cylindrical recess known in workpieces, in which the workpiece is irradiated with laser pulses using a laser. To generate an essentially rotationally symmetrical material removal on the workpiece, it is from the Publication known, the direction of polarization Laser radiation and the workpiece relative to each other during the machining process by one to the Polarisa tion plane to rotate substantially vertical axis. This results in a better approximation of the Shape of the recess formed to the desired circular cylindrical shape.

Durch den Aufsatz "Excimer-Laser Ablation Used for the Fabrication of Micro-Optic Phase and Diffraction Elements" (Micro-Opto-Electro-Mechanical Systems, Ri chard R. A. Syms, Editor, Proceedings of SPIE Vol. 4075 (2000), S. 152-158) ist ein Verfahren zur Mikrobearbei tung zum Bilden von spiralförmigen Strukturen in Werk stücken bekannt, bei dem das Werkstück mittels eines Lasers mit Laserpulsen bestrahlt wird, wobei eine im Strahlengang des Lasers angeordnete, drehantreibbare Maske verwendet wird, die einen für die Laserstrahlung durchlässigen Durchlaßbereich aufweist. Mittels einer Abbildungsoptik wird der durch die Maske maskierte Strahlfleck des Lasers auf das Werkstück abgebildet. Zur Bearbeitung des Werkstückes wird die Maske schritt weise gedreht, und nach jeder Drehung wird das Werk stück mit Laserpulsen bestrahlt, so daß sich die ge wünschte spiralförmige Struktur in dem Werkstück bildet.Through the article "Excimer-Laser Ablation Used for the Fabrication of Micro-Optic Phase and Diffraction Elements" (Micro-Opto-Electro-Mechanical Systems, Richard CH Syms, Editor, Proceedings of SPIE Vol. 4075 ( 2000 ), S. 152-158) a method for micro machining for forming spiral structures in workpieces is known, in which the workpiece is irradiated with laser pulses by means of a laser, wherein an arranged in the beam path of the laser, rotatable mask is used, one for the laser radiation permeable passband. The beam spot of the laser masked by the mask is imaged on the workpiece by means of imaging optics. To process the workpiece, the mask is rotated step by step, and after each rotation the workpiece is irradiated with laser pulses so that the desired spiral structure is formed in the workpiece.

Zum Bilden von im wesentlichen kreiszylindrischen Ausnehmungen in Werkstücken ist das bekannte Verfahren nicht geeignet.For the formation of essentially circular cylindrical Recesses in workpieces is the known method not suitable.

Ein ähnliches Verfahren ist durch den Aufsatz "Photorefractive Keratectomy for Hyperopic and Mixed Astigmatism" (Journal of Refractive Surgery, Volume 12, September/October 1996, S. 684-692) bekannt, das zur Korrektur von Astigmatismus am menschlichen Auge dient. Zum Bilden von im wesentlichen kreiszylindrischen Aus nehmungen in Werkstücken ist auch dieses Verfahren nicht geeignet.A similar method is known from the article "Photorefractive Keratectomy for Hyperopic and Mixed Astigmatism" (Journal of Refractive Surgery, Volume 12 , September / October 1996 , pp. 684-692), which serves to correct astigmatism in the human eye. This method is also not suitable for forming recesses in workpieces that are essentially circular-cylindrical.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Ver fahren und eine Einrichtung zur Mikrobearbeitung von Werkstücken zum Bilden von im wesentlichen kreiszylin drischen Ausnehmungen in Werkstücken anzugeben, bei dem bzw. bei der die Abweichungen der Form der gebildeten Ausnehmung von der gewünschten kreiszylindrischen Form verringert sind.The invention has for its object a Ver drive and a device for micromachining Workpieces for the formation of essentially circular cylinders to specify the drilled recesses in workpieces at which or where the deviations in the shape of the formed Recess of the desired circular cylindrical shape are reduced.

Diese Aufgabe wird hinsichtlich des Verfahrens durch die im Anspruch 1 angegebene Lehre und hinsicht lich der Einrichtung durch die im Anspruch 10 angegebe ne Lehre gelöst.This task is regarding the procedure by the teaching and with regard to claim 1 Lich the device specified by the claim 10 ne teaching solved.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird eine im Strahlengang des Lasers angeordnete, drehantreibbare Maske mit einem für die Laserstrahlung durchlässigen Durchlaßbereich verwendet, wobei der durch die Maske maskierte Strahlfleck des Lasers auf das Werkstück ab gebildet wird, wie dies für sich genommen bekannt ist. Erfindungsgemäß werden die Drehgeschwindigkeit der Mas ke und die Pulsfrequenz der Laserpulse relativ zuein ander derart gesteuert, daß sich von aufeinander folgenden Laserpulsen bestrahlte Bereiche des Werk stücks in Umfangsrichtung teilweise überlappen. Es hat sich überraschend gezeigt, daß sich auf diese Weise Ausnehmungen bilden lassen, deren Form in hohem Maße an die gewünschte, idealerweise kreiszylindrische Form angenähert ist. Schmelzriefen sowie trichterförmige Aufweitungen an den Enden der Ausnehmung, wie sie bei bekannten Verfahren auftreten, sind weitestgehend ver mieden.In the method according to the invention Beam path of the laser arranged, rotatable Mask with a transparent to the laser radiation Passband used, the through the mask masked beam spot of the laser onto the workpiece is formed, as is known per se. According to the rotational speed of the Mas ke and the pulse frequency of the laser pulses relative to each other other controlled so that from each other following laser pulses irradiated areas of the factory Partially overlap in the circumferential direction. It has has surprisingly shown that this way Let recesses form, their shape to a large extent the desired, ideally circular cylindrical shape is approximated. Melt marks and funnel-shaped Widenings at the ends of the recess, as in known methods occur are largely ver avoided.

Da der Strahlfleck des Laserstrahles erfindungs gemäß mittels der Maske maskiert wird, so daß bei spielsweise Randbereiche des Strahlflecks ausgeblendet werden können, beeinflussen Inhomogenitäten im Strahl querschnitt das Bearbeitungsergebnis bei dem erfin dungsgemäßen Verfahren nicht oder nur unwesentlich.Since the beam spot of the laser beam fiction is masked in accordance with the mask, so that at for example, marginal areas of the beam spot are hidden can affect inhomogeneities in the beam cross-section of the machining result at the inventor process according to the invention not or only insignificantly.

Der Durchmesser der zu bildenden Ausnehmung ist durch entsprechende Wahl der Größe des Durchlaßberei ches der Maske bzw. des Abbildungsverhältnisse der Ab bildungsoptik in weiten Grenzen wählbar.The diameter of the recess to be formed is by appropriate choice of the size of the passage range ches the mask or the imaging ratio of the Ab educational optics selectable within wide limits.

Die erfindungsgemäße Einrichtung ist einfach im Aufbau und damit kostengünstig herstellbar.The device according to the invention is simple in Structure and thus inexpensive to manufacture.

Erfindungsgemäß ist es grundsätzlich möglich, die Maske fest anzuordnen und das Werkstück drehbar zu la gern, wobei die Drehgeschwindigkeit des Werkstücks und die Pulsfrequenz der Laserpulse relativ zueinander der art gesteuert werden, daß sich von zwei aufeinanderfol genden Laserpulsen bestrahlte Bereiche des Werkstücks in Umfangsrichtung teilweise überlappen. Vorteilhafter weise wird jedoch die Maske gedreht, während das Werk stück ortsfest angeordnet ist.According to the invention, it is in principle possible Arrange mask firmly and turn the workpiece to la like, the speed of rotation of the workpiece and the pulse frequency of the laser pulses relative to one another be controlled in such a way that two successive areas of the workpiece irradiated by laser pulses partially overlap in the circumferential direction. Favorable however, the mask is rotated while the work piece is arranged stationary.

Eine weitere Lösung der der Erfindung zugrundelie genden Aufgabe ist im Hinblick auf das Bilden im we sentlichen kreiszylindrischer durchgehender Ausnehmun gen, also beispielsweise von Durchgangslöchern, hin sichtlich des Verfahrens im Anspruch 2 und hinsichtlich der Einrichtung im Anspruch 11 angegeben.Another solution of the basis of the invention task is with regard to the education in the we substantial circular cylindrical through recess conditions, for example through holes visually the method in claim 2 and with regard the device specified in claim 11.

Bei dem Verfahren gemäß Anspruch 2 wird eine fest stehende Maske verwendet, deren Durchlaßbereich als zu der Symmetrieachse der zu bildenden Ausnehmung konzen trischer, sich in Umfangsrichtung über einen Winkel von 360° erstreckender Kreisbogen ausgebildet ist. Bei dem Verfahren gemäß Anspruch 2 wird ein kreisbogenförmiger Teil des Strahlflecks auf das Werkstück abgebildet, so daß sich eine ringförmige Nut an dem Werkstück bildet, die mit zunehmender Anzahl der Laserpulse tiefer wird, wobei in Radialrichtung innen von der Ringnut zunächst ein Kern stehen bleibt. Wenn die Ringnut das Werkstück durchdrungen hat, kann der Kern entfernt werden, so daß eine im wesentlichen kreiszylindrische Ausnehmung in dem Werkstück gebildet ist.In the method according to claim 2 one becomes firm standing mask used, the pass band as too Concentrate the axis of symmetry of the recess to be formed trischer, in the circumferential direction over an angle of 360 ° extending arc is formed. In which The method according to claim 2 becomes a circular arc Part of the beam spot mapped onto the workpiece, see above that an annular groove is formed on the workpiece, which gets deeper with increasing number of laser pulses, being in the radial direction on the inside of the ring groove initially a core remains. If the ring groove the workpiece has penetrated, the core can be removed so that a substantially circular cylindrical recess in the workpiece is formed.

Bei dem Verfahren gemäß Anspruch 1 ist es grund sätzlich möglich, die Maske schrittweise zu drehen, sofern gewährleistet ist, daß sich von aufeinanderfol genden Laserpulsen bestrahlte Bereiche des Werkstücks in Umfangsrichtung teilweise überlappen. Eine außer ordentlich vorteilhafte Weiterbildung der Lehre des Anspruchs 1 sieht vor, daß die Maske während der Be strahlung kontinuierlich gedreht wird. Auf diese Weise ist ein in Umfangsrichtung der Ausnehmung besonders gleichmäßiger Materialabtrag erzielt, so daß die Geome trie der Bohrung noch weiter an die gewünschte kreiszy lindrische Form angenähert ist.In the method according to claim 1, it is basic additionally possible to turn the mask step by step, if it is guaranteed that successive areas of the workpiece irradiated by laser pulses partially overlap in the circumferential direction. One except neatly advantageous further training of the teaching of Claim 1 provides that the mask during loading radiation is continuously rotated. In this way is a special in the circumferential direction of the recess achieved even material removal, so that the geome drive the bore further to the desired circular cycle lindrical form is approximated.

Falls in dem Werkstück durchgehende Ausnehmungen, beispielsweise Durchgangslöcher, gebildet werden sol len, sieht eine äußerst vorteilhafte Weiterbildung der Lehre des Anspruchs 1 vor, daß der Durchlaßbereich als zu der Drehachse konzentrischer Kreisbogen ausgebildet ist. Auf diese Weise ist das an dem Werkstück abzutra gende Materialvolumen erheblich verringert, so daß auch die Gefahr verringert ist, daß sich abgetragenes Mate rial in unerwünschter Weise wieder an das Werkstück anlagert. Ein weiterer Vorteil dieser Ausführungsform besteht darin, daß gegenüber einem Trepanieren mit kreisrundem Strahlquerschnitt der Wirkungsgrad verbes sert ist, da entsprechend der Ausdehnung des Durchlaßbereiches in Umfangsrichtung jeder Laserpuls auf einen größeren Bereich des Werkstückes einwirkt.If there are continuous recesses in the workpiece, for example through holes should be formed len, sees an extremely advantageous development of Teaching of claim 1 that the pass band as circular arc concentric to the axis of rotation is. In this way, this can be deduced from the workpiece material volume considerably reduced, so that too the risk is reduced that worn mate rial back to the workpiece in an undesirable manner attaches. Another advantage of this embodiment is that compared to trepanning with circular beam cross section the efficiency verbes is because it corresponds to the extent of the pass band in the circumferential direction of each laser pulse to one larger area of the workpiece.

Eine Weiterbildung der vorgenannten Ausführungs form sieht vor, daß der Durchlaßbereich im wesentlichen linienförmig mit geringer radialer Ausdehnung ausge bildet ist. Bei dieser Ausführungsform erfolgt der Ma terialabtrag an dem Werkstück im wesentlichen linien förmig, so daß zum Bilden der Ausnehmung nur wenig Ma terial abgetragen werden muß.A training of the aforementioned execution form provides that the pass band is essentially line-shaped with little radial expansion forms is. In this embodiment, the measure material removal on the workpiece essentially lines shaped so that only a little Ma to form the recess material must be removed.

Falls die Ausnehmung keine durch das Werkstück hindurchgehende Ausnehmung ist, sondern eine Sackaus nehmung, beispielsweise ein Sackloch, so ist es nicht möglich, die Ausnehmung mittels einer mit zunehmender Anzahl der Laserpulse tiefer werdenden und sich schließlich durch das gesamte Werkstück erstreckenden Ringnut zu bilden. Für diesen Fall sieht eine vorteil hafte Weiterbildung vor, daß der Durchlaßbereich als zu der Drehachse konzentrisches Kreissegment ausgebildet ist. Bei dieser Ausführungsform wird das Material zum Bilden der Ausnehmung flächig von dem Werkstück abge tragen.If the recess is not through the workpiece through recess, but a bag Take, for example, a blind hole, it is not possible to increase the recess with a Number of laser pulses getting deeper and lower finally extending through the entire workpiece Form annular groove. In this case sees an advantage continued training that the passband as too concentric circle segment of the axis of rotation is. In this embodiment, the material Form the recess flat from the workpiece wear.

Eine andere Weiterbildung der Lehre des Anspruchs 1 sieht vor, daß sich der Durchlaßbereich in Umfangs richtung über weniger als 360° erstreckt. Bei dieser Ausführungsform können besonders einfache und kosten günstige Masken, beispielsweise aus Blech, verwendet werden, in denen der Durchlaßbereich durch einen Durch bruch in der Maske gebildet ist. Ein weiterer Vorteil dieser Ausführungsform besteht darin, daß die Laser strahlung in Umfangsrichtung der zu bildenden Ausneh mung gleichzeitig jeweils nur einen Teil des Werkstücks bestrahlt, so daß sich das Werkstück in dem jeweils nicht bestrahlten Bereich bzw. den nicht bestrahlten Bereichen abkühlt. Aufgrunddessen ist eine übermäßige Erwärmung des Werkstücks vermieden.Another development of the teaching of the claim 1 provides that the pass band is circumferential direction extends over less than 360 °. At this Embodiment can be particularly simple and cost cheap masks, for example made of sheet metal, used in which the pass band is through a through break in the mask is formed. Another advantage this embodiment is that the laser radiation in the circumferential direction of the recess to be formed only part of the workpiece at a time irradiated so that the workpiece in each non-irradiated area or the non-irradiated Areas cools. Because of this is excessive Avoid heating the workpiece.

Eine Weiterbildung der vorgenannten Ausführungs form sieht vor, daß die Maske mehrere in Umfangsrich tung vorzugsweise gleich beabstandete Durchgangsberei che aufweist. Bei dieser Ausführungsform wird das Mate rial des Werkstückes gleichzeitig an mehreren in Um fangsrichtung zueinander beabstandeten Bereichen abge tragen. Auf diese Weise ist der Wirkungsgrad des Ver fahrens verbessert, da jeder Laserpuls in Umfangsrich tung einen größeren Bereich des Werkstücks bestrahlt. Weitere Vorteile dieser Ausführungsform bestehen darin, daß sich der Plasmadruck des bei der Bearbeitung ent stehenden Plasmas schneller abbaut und abgetragene Pro dukte in Umfangsrichtung seitlich in jeweils nicht be strahlte Bereiche ausweichen können. Es hat sich über raschend gezeigt, daß sich auf diese Weise Ausnehmungen mit besonders glatten Wandungen bilden lassen.A training of the aforementioned execution form provides that the mask has several circumferences tion preferably equally spaced passage area che has. In this embodiment, the mate rial of the workpiece simultaneously on several in um Abge mutually spaced areas wear. In this way, the efficiency of the Ver driving improved since each laser pulse in circumferential direction irradiated a larger area of the workpiece. Further advantages of this embodiment are that the plasma pressure ent during processing standing plasma breaks down faster and removed pro products in the circumferential direction laterally not in each case radiated areas can dodge. It has over surprisingly shown that there are recesses in this way with particularly smooth walls.

Grundsätzlich kann ein beliebiger geeigneter Laser verwendet werden. Um die thermische Belastung des Werk stücks zu verringern, ist es zweckmäßig, daß ein Exci mer-Laser verwendet wird, da die Eindringtiefe der La serstrahlung dieser Laser in das Material nur gering ist. Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht einen wirtschaftlichen Einsatz von Excimer-Lasern, deren Pulsfrequenz beispielsweise im Vergleich zu Nd:YAG-La sern relativ gering ist.In principle, any suitable laser can be used be used. To the thermal load of the plant To reduce pieces, it is appropriate that an Exci mer laser is used because the depth of penetration of the La radiation from this laser into the material is only slight is. The method according to the invention enables one economic use of excimer lasers, their Pulse frequency, for example, in comparison to Nd: YAG-La is relatively low.

Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Einrichtung sind in den Ansprüchen 12 bis 18 angegeben.Developments of the device according to the invention are given in claims 12 to 18.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der beige fügten Zeichnung, in der Ausführungsbeispiele darge stellt sind, näher erläutert.The invention is described below with reference to the beige added drawing, in the embodiments Darge are explained in more detail.

Es zeigt:It shows:

Fig. 1 in stark schematisierter Perspektivdarstellung ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Einrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Ver fahrens, Fig. 1 in a highly schematic perspective view of a first embodiment of an inventive device for carrying out the invention Ver driving,

Fig. 2 eine schematische Schnittansicht eines Werkstücks im Bereich einer mit der Ein richtung gemäß Fig. 1 gebildeten Aus nehmung, Fig. 2 is a schematic sectional view of a workpiece in the region of the A direction in FIG. 1 from recess formed,

Fig. 3 eine Draufsicht auf vier Ausführungs formen von Masken der Einrichtung gemäß Fig. 1, Fig. 3 is a plan view of four execution forms of masks of the device according to Fig. 1,

Fig. 4 in perspektivischer Darstellung eine Elektronenmikroskop-Aufnahme einer mit der Einrichtung gemäß Fig. 1 gebildeten Bohrung an der Eintrittseite, Fig. 4 is a perspective view of an electron micrograph of a bore on the inlet side formed with the apparatus of FIG. 1,

Fig. 5 in gleicher Darstellung wie Fig. 4 die Bohrung gemäß Fig. 4 an der Austritt seite, Fig side. 5 in the same representation as FIG. 4, the bore of FIG. 4 at the outlet,

Fig. 6 in gleicher Darstellung wie Fig. 1 ein zweites Ausführungsbeispiel einer erfin dungsgemäßen Einrichtung, Fig. 6 is the same view as Fig. 1 shows a second embodiment of a device OF INVENTION to the invention,

Fig. 7 in gleicher Darstellung wie Fig. 3 drei Ausführungsformen von Masken der Ein richtung gemäß Fig. 6 und Fig. 7 in the same representation as Fig. 3 three embodiments of masks of the device according to Fig. 6 and

Fig. 8 in gleicher Darstellung wie Fig. 4 eine mit der Einrichtung gemäß Fig. 6 gebil dete Ausnehmung. Fig. 8 in the same representation as Fig. 4 a gebil Dete with the device of FIG .

In den Figuren der Zeichnung sind gleiche bzw. sich entsprechende Bauteile mit den gleichen Bezugs zeichen versehen.In the figures of the drawing the same or corresponding components with the same reference characters.

In Fig. 1 ist ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Einrichtung 2 zur Mikrobearbeitung eines Werkstücks 4 zum Bilden einer im wesentlichen kreiszylindrischen Ausnehmung in dem Werkstück 4 dar gestellt. Die Einrichtung 2 weist einen nicht darge stellten Laser auf, der das Werkstück 4 mit Laserstrah lung bestrahlt, wie in Fig. 1 durch einen Pfeil 6 ange deutet. Im Strahlengang des Lasers ist eine Maske 8 angeordnet, die um eine bei diesem Ausführungsbeispiel vertikal verlaufende Drehachse drehbar gelagert und mittels einer nicht dargestellten Drehantriebseinrich tung drehbar ist, wie in Fig. 1 durch einen Pfeil 10 angedeutet.In Fig. 1, a first embodiment of an inventive device 2 for micromachining a workpiece 4 to form a substantially circular cylindrical recess in the workpiece 4 is provided. The device 2 has a laser, not shown, which irradiates the workpiece 4 with laser radiation, as indicated in FIG. 1 by an arrow 6 . In the beam path of the laser, a mask 8 is arranged, which is rotatably mounted about an axis of rotation extending vertically in this exemplary embodiment and can be rotated by means of a rotary drive device (not shown), as indicated in FIG. 1 by an arrow 10 .

Die Maske 8 weist bei diesem Ausführungsbeispiel 2 für die Laserstrahlung durchlässige Durchlaßbereiche 12, 14 auf, ist im übrigen jedoch für die Laserstrah lung undurchlässig. Bei diesem Ausführungsbeispiel be steht die Maske 8 aus Blech, wobei die Durchlaßbereiche 12, 14 durch Durchbrüche in dem Blech gebildet sind. Die Durchlaßbereiche 12, 14 sind bei diesem Aus führungsbeispiel im wesentlichen linienförmig mit ge ringer radialer Ausdehnung als zu der Drehachse konzen trische Kreisbögen ausgebildet, die sich in Umfangs richtung der Maske 8 jeweils über einen Winkel von etwa 90° erstrecken.In this exemplary embodiment, the mask 8 has pass regions 12 , 14 that are transparent to the laser radiation, but is otherwise impermeable to the laser radiation. In this embodiment, the mask 8 is made of sheet metal, the passage regions 12 , 14 being formed by openings in the sheet metal. The passage areas 12 , 14 are formed in this exemplary embodiment from substantially line-shaped with ge slight radial expansion as to the axis of rotation concentric circular arcs, each extending in the circumferential direction of the mask 8 over an angle of approximately 90 °.

Zum Abbilden des durch die Maske 8 maskierten Strahlflecks des Lasers auf das Werkstück 4 ist im Strahlengang der Laserstrahlung in Strahlrichtung hin ter der Maske 8 eine Abbildungsoptik angeordnet, die bei diesem Ausführungsbeispiel durch eine Linse 16 ge bildet ist. Wie in Fig. 1 angedeutet, bildet die Linse 16 den durch die Maske 8 maskierten Strahlfleck des Lasers verkleinert auf das Werkstück 4 ab.To image the masked by the mask 8 beam spot of the laser on the workpiece 4 is arranged in the beam path of the laser radiation in the beam direction towards the mask 8, an imaging optics, which in this embodiment is formed by a lens 16 ge. As indicated in FIG. 1, the lens 16 images the beam spot of the laser masked by the mask 8 on the workpiece 4 in a reduced manner.

Ein erfindungsgemäßes Verfahren wird mit der er findungsgemäßen Einrichtung 2 wie folgt durchgeführt:
Zur Mikrobearbeitung des Werkstücks 4, bei der eine im wesentlichen kreiszylindrische, durch das Werkstück hindurchgehende Ausnehmung in Form eines Durch gangslochs in dem Werkstück 4 gebildet wird, bestrahlt der Laser, der bei diesem Ausführungsbeispiel durch einen Excimer-Laser gebildet ist, das Werkstück mit Laserpulsen. Hierbei wird der mittels der Maske 8 mas kierte Strahlfleck über die Linse 16 verkleinert auf das Werkstück 4 abgebildet, so daß die Laserstrahlung entsprechend der Form der Durchlaßbereich 12, 14 in zwei linienförmigen, als zu der Drehachse konzentri schen Kreisbögen auf das Werkstück einwirkt, so daß in diesen Bereichen ein Materialabtrag erfolgt. Um einen in Umfangsrichtung gleichmäßigen Materialabtrag zu er zeugen, dreht die nicht dargestellte Drehantriebsein richtung die Maske 8 während des Bearbeitungsvorganges. Eine nicht dargestellte Steuereinrichtung steuert die Drehgeschwindigkeit der Maske 8 und die Pulsfrequenz der Laserpulse zueinander derart, daß sich von aufein anderfolgenden Laserpulsen bestrahlte Bereiche des Werkstücks 4 in Umfangsrichtung der zu bildenden Aus nehmung überlappen.A method according to the invention is carried out with the device 2 according to the invention as follows:
For micromachining the workpiece 4 , in which a substantially circular cylindrical, through the workpiece through recess is formed in the form of a through hole in the workpiece 4 , the laser, which is formed in this embodiment by an excimer laser, irradiates the workpiece with laser pulses , Here, the masked by means of the mask 8 masked beam spot on the lens 16 is imaged onto the workpiece 4 , so that the laser radiation acts on the workpiece in accordance with the shape of the pass region 12 , 14 in two linear arcs, as circular arcs concentric to the axis of rotation that material is removed in these areas. In order to produce a uniform material removal in the circumferential direction, the rotary drive device (not shown) rotates the mask 8 during the machining process. A control device, not shown, controls the rotational speed of the mask 8 and the pulse frequency of the laser pulses to one another such that areas of the workpiece 4 irradiated by successive laser pulses overlap in the circumferential direction of the recess to be formed.

Während des Bearbeitungsvorganges bildet sich auf diese Weise zunächst eine Ringnut in dem Werkstück, die mit zunehmender Anzahl der Laserpulse tiefer wird, bis sie sich schließlich durch das gesamte Werkstück hin durch erstreckt. Hierbei bleibt in Radialrichtung innen von der Ringnut zunächst ein Kern 18 stehen, der ent nommen werden kann oder herausfällt, sobald sich die Ringnut durch das gesamte Werkstück 4 hindurch er streckt. Nach dem Entnehmen des Kernes 18 ist an dem Werkstück eine im wesentlichen kreiszylindrische Aus nehmung 20 gebildet, deren Form in hohem Maße an die gewünschte, idealerweise kreiszylindrische Form angenä hert ist.In this way, during the machining process, an annular groove is first formed in the workpiece, which becomes deeper as the number of laser pulses increases, until it finally extends through the entire workpiece. Here, a core 18 initially remains in the radial direction from the annular groove, which can be removed or falls out as soon as the annular groove extends through the entire workpiece 4 . After removal of the core 18 , a substantially circular cylindrical recess 20 is formed on the workpiece, the shape of which is approximate to the desired, ideally circular cylindrical shape.

In Fig. 3 ist eine Draufsicht auf die Maske 8 sowie auf weitere Ausführungsbeispiele von Masken 22, 24, 26 dargestellt. Bei der Maske 22 ist zusätzlich zu den Durchlaßbereichen 12, 14 ein weiterer Durchlaßbereich 28 vorgesehen, wobei die Durchlaßbereiche 12, 14, 28 in Umfangsrichtung zueinander gleich beabstandet sind und sich zusammengenommen über einen Winkel von weniger als 360° erstrecken. Bei der Maske 24 sind die Durchlaß bereiche 12, 14 nahezu halbkreisförmig ausgebildet, erstrecken sich jedoch über einen Winkel von weniger als 360°. Bei der Maske 26 ist ein einziger, nahezu halbkreisförmiger Durchlaßbereich 12 vorgesehen. Die Durchlaßbereiche 12, 14 bzw. 28 sind bei den Masken 8, 22, 24, 26 im wesentlichen linienförmig mit geringer radialer Ausdehnung als zu der Drehachse konzentrische Kreisbögen ausgebildet. Die Masken 8, 22, 24, 26 sind einfach und kostengünstig herstellbar, beispielsweise aus Blech, wobei die Durchlaßbereiche 12 bzw. 14 bzw. 28 durch Durchbrüche in dem Blech gebildet werden kön nen.In Fig. 3 is a plan view of the mask 8, as well as other embodiments of masks 22, 24, 26 is shown. In the case of the mask 22 , in addition to the passage areas 12 , 14, a further passage area 28 is provided, the passage areas 12 , 14 , 28 being equally spaced from one another in the circumferential direction and, taken together, extending over an angle of less than 360 °. In the mask 24 , the passage areas 12 , 14 are formed almost semicircular, but extend over an angle of less than 360 °. A single, almost semicircular passage region 12 is provided in the mask 26 . The passage areas 12 , 14 and 28 are formed in the masks 8 , 22 , 24 , 26 substantially linearly with a small radial extent as circular arcs concentric to the axis of rotation. The masks 8 , 22 , 24 , 26 can be produced simply and inexpensively, for example from sheet metal, the passage regions 12 or 14 or 28 being formed by openings in the sheet metal.

Fig. 4 zeigt eine Elektronenmikroskop-Aufnahme der Eintrittsseite der Ausnehmung 20, während Fig. 5 eine Elektronenmikroskop-Aufnahme der Austrittsseite der Ausnehmung 20 zeigt. Aus den Fig. 4 und 5 ist er sichtlich, daß die Ausnehmung 20 nahezu keine Schmelz riefen bzw. trichterförmige Aufweitungen an den Enden der Ausnehmung 20 aufweist. FIG. 4 shows an electron microscope image of the entry side of the recess 20 , while FIG. 5 shows an electron microscope image of the exit side of the recess 20 . From FIGS. 4 and 5 it is clear that the recess 20 almost did not produce melting and has funnel-shaped widened portions at the ends of the recess 20.

In Fig. 6 ist ein zweites Ausführungsbeispiel ei ner erfindungsgemäßen Einrichtung 2 dargestellt, das sich von dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1 dadurch unterscheidet, daß der Durchlaßbereich 12 nicht als im wesentlichen linienförmiger Kreisbogen ausgebildet ist, sondern als zu der Drehachse konzentrisches Kreisseg ment, das sich bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 6 über einen Winkel von 90° in Umfangsrichtung erstreckt. In Fig. 6, a second embodiment egg ner device 2 according to the invention is shown, which differs from the embodiment of FIG. 1 in that the passage region 12 is not formed as a substantially linear arc, but as a concentric segment of the rotation to the axis, the element extends over an angle of 90 ° in the circumferential direction in the exemplary embodiment according to FIG. 6.

Das Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 6 ist zum Bilden von nicht durch das Werkstück hindurchgehenden Ausnehmungen vorgesehen, beispielsweise von Sacklöchern, bei denen es nicht möglich ist, eine ringförmige Ausnehmung an dem Werkstück 4 zu bilden und einen hierbei stehenblei benden Kern zu entfernen, nachdem die ringförmige Aus nehmung sich durch das gesamte Werkstück erstreckt.The embodiment according to FIG. 6 is provided for forming recesses which do not pass through the workpiece, for example blind holes, in which it is not possible to form an annular recess on the workpiece 4 and to remove a core which remains here after the annular Exception extends through the entire workpiece.

Fig. 7 zeigt eine Draufsicht auf die Maske 8 sowie auf weitere Ausführungsbeispiele von Masken 30, 32. Bei der Maske 30 sind drei Durchlaßbereiche 12, 14, 28 vor gesehen, die jeweils als zu der Drehachse konzentrische Kreissegmente ausgebildet sind, die zueinander in Um fangsrichtung gleich beabstandet sind. Bei der Maske 32 ist eine Vielzahl von in Umfangsrichtung zueinander gleich beabstandeten Durchlaßbereichen vorgesehen, von denen lediglich ein Durchlaßbereich mit dem Bezugszei chen 12 versehen ist. Bei den Masken 8, 30, 32 gemäß Fig. 7 sind die Durchlaßbereiche 12 bzw. 14 bzw. 28 jeweils durch zu der Drehachse konzentrische Kreisseg mente gebildet. FIG. 7 shows a top view of the mask 8 and of further exemplary embodiments of masks 30 , 32 . In the mask 30 , three passage areas 12 , 14 , 28 are seen before, each of which is formed as a circular segment concentric to the axis of rotation, which are equally spaced from one another in the circumferential direction. In the mask 32 , a plurality of passageways equally spaced from one another in the circumferential direction are provided, of which only one passageway area is provided with the reference character 12 . In the masks 8 , 30 , 32 as shown in FIG. 7, the passage areas 12 and 14 and 28 are each formed by circular segments to the axis of rotation.

Fig. 8 zeigt eine Elektronenmikroskop-Aufnahme einer mit der Einrichtung 2 gemäß Fig. 6 gebildeten Ausnehmung 20, die als Sackloch ausgebildet ist. FIG. 8 shows an electron microscope image of a recess 20 formed with the device 2 according to FIG. 6, which is designed as a blind hole.

Claims

1. Method for forming essentially circular-cylindrical recesses in workpieces,
where the workpiece is irradiated with laser pulses,
wherein a rotationally drivable mask arranged in the beam path of the laser is used, which has at least one passage area that is transparent to the laser radiation,
wherein the laser beam masked by means of the mask is imaged on the workpiece by means of imaging optics and
wherein the rotational speed of the mask and the pulse frequency of the laser pulses are controlled relative to one another in such a way that regions of the workpiece irradiated by successive laser pulses partially overlap in the circumferential direction of the recess.

2. A method for forming essentially circular cylindrical, continuous recesses in workpieces,
where the workpiece is irradiated with laser pulses,
wherein a mask arranged in the beam path of the laser is used, which has a transmission area that is transparent to the laser radiation,
wherein the beam spot of the laser masked by the mask is formed onto the workpiece by means of imaging optics and
the passage area is formed as a concentric to the axis of symmetry of the recess, extending in the circumferential direction over an angle of 360 ° extending arc.

3. The method according to claim 1, characterized in that the mask is continuous during the irradiation is rotated.

4. The method according to claim 1, characterized in that the pass band is concentrated as to the axis of rotation tric arc is formed.

5. The method according to claim 2 or 4, characterized shows that the pass band is essentially left formed in a kidney shape with a small radial expansion is.

6. The method according to claim 1, characterized in that the pass band is concentrated as to the axis of rotation tric circle segment is formed.

7. The method according to claim 1, characterized in that the pass band in the circumferential direction extends an angle of less than 360 °.

8. The method according to claim 7, characterized in that that the mask preferably several in the circumferential direction passageways equally spaced from each other has.

9. The method according to claim 1 or 2, characterized records that an excimer laser is used.

10. Device for forming substantially circular cylindrical recesses in workpieces ( 4 ), in particular for carrying out the method according to claim 1.
with a laser for irradiating the workpiece ( 4 ) with laser pulses,
with a mask ( 8 ) which is arranged in the beam path of the laser and is rotatably mounted about an axis of rotation and which has at least one pass region ( 12 , 14 , 28 ) which is transparent to the laser radiation
with a rotary drive device for rotating the mask ( 8 ) about the axis of rotation during the irradiation,
with imaging optics for imaging the beam spot of the laser masked by the mask ( 8 ) onto the workpiece ( 4 ) and
with a control device which controls the rotational speed of the mask ( 8 ) and the pulse frequency of the laser pulses relative to one another in such a way that regions of the workpiece ( 4 ) irradiated by successive laser pulses partially overlap in the circumferential direction.

11. Device for forming essentially circular cylindrical, continuous recesses in workpieces,
with a laser for irradiating the workpiece ( 4 ) with laser pulses,
with a mask ( 8 ) which is arranged in the beam path of the laser and which has a pass region which is permeable to the laser radiation, and
with imaging optics for imaging the laser beam mask masked by the mask onto the workpiece ( 4 ),
the passage area is formed as a concentric to the axis of rotation, extending in the circumferential direction over an angle of 360 ° circular arc.

12. The device according to claim 10, characterized in that the rotary drive device, the mask ( 8 ) during the irradiation rotates continuously.

13. The device according to claim 10, characterized in that the passage region ( 12 , 14 , 28 ) is designed as a circular arc concentric to the axis of rotation.

14. Device according to claim 11 or 13, characterized in that the passage region ( 12 , 14 , 28 ) is substantially linear in shape with little radial expansion.

15. The device according to claim 10, characterized in that the passage region ( 12 , 14 , 28 ) is designed as a circular segment concentric to the axis of rotation.

16. The device according to claim 10, characterized in that the passage region ( 12 , 14 , 28 ) extends in the circumferential direction over an angle of less than 360 °.

17. The device according to claim 16, characterized in that the mask ( 8 ) has several in the circumferential direction before preferably preferably equally spaced passage areas ( 12 , 14 , 28 ).

18. Device according to claim 10 or 11, characterized ge indicates that the laser is an excimer laser.