DE10140578A1

DE10140578A1 - Räumliches Innenschneiden (-trennen) von Materialien mittels Strahlung

Info

Publication number: DE10140578A1
Application number: DE10140578A
Authority: DE
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2001-08-18
Filing date: 2001-08-18
Publication date: 2003-02-27

Description

Die Erfindung bezieht sich auf die Formgebung von Materialien durch Trennverfahren.

Es ist bekannt, Materialien mittels zerspanender Verfahren, wie z. B. Sägen, Fräsen, Bohren oder auch durch spanlose Bearbeitung, wie z. B. Schneiden, lokales Durchschmelzen in eine gewünschte Form zu bringen. Technische Probleme treten insbesondere bei harten spröden Materialien als auch bei komplexen Geometrien und kleinsten Abmessungen bzw. hohen Anforderungen an die Genauigkeit der herauszuarbeitenden Körper auf. Diese Probleme schlagen sich in hohem Materialverlust bei der Bearbeitung, starkem Werkzeugverschleiß verbunden mit hohen Werkzeugkosten sowie ebenfalls hohen Ausschußquoten der Produkte nieder.

Weiterhin ist bekannt, Materialien mittels Strahltechnik zu schneiden. Die Verwendung von Wasserstrahltechnik oder auch das bekannte Laserstrahlschneiden /M. B. Strigin, A. N. Chudinov: Optics Communications 106 (1994) 223-226/ hat den Nachteil, daß die Schnitte stets an der Oberfläche des Grundkörpers beginnen und entsprechend der Strahlausbreitung nur geradlinig geführt werden können, was den oben angegebenen Nachteil des hohen Materialverlustes bei der Bearbeitung als auch das Versagen dieser Techniken bei der Formgebung von komplexeren Geometrien mit sich bringt. Konkave Formen, wie z. B. für Linsen oder für Behälter (Küvetten) lassen sich auf diese Weise nicht ausschneiden.

Ebenfalls bekannt sind Verfahren zur Innenbearbeitung von transparenten Materialien mittels Laser /WO 92/03297; K. Dickmann, E. Dik: LASER MAGAZIN 1/95, 16-19; DE 197 11 049 C1/. Diese Verfahren sind dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlungsintensität beim Eintritt in das Werkstück sich in einem Bereich befindet, der keine Schädigungen des Werkstücks hervorruft, und daß durch äußere Fokussierung oder durch Selbstfokussierung des Strahls innerhalb des zu bearbeitenden Werkstückes oder durch Kopplung verschiedener Fokussierungsmechanismen im Inneren des Materials eine Strahlungsintensität erreicht wird, die zu einer Materialschädigung führt. Die Materialschädigung in Form von Bläschen als Verdampfungsprodukte verbunden mit dem Auftreten von Mikrorissen wird für die Innenmarkierung von transparenten Materialien genutzt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Herausschneiden komplexer als auch einfacher geometrischer Körper aus Grundkörpern anzugeben, welches die Materialverluste bei der Bearbeitung einschränkt und/oder die Zielgeometrie mit hoher Präzision erreicht.

Die Aufgabe wird durch die in den Ansprüchen angegebene Erfindung gelöst.

Durch die physikalischen Effekte der Fokussierung von Strahlung, einschließlich der bekannten Selbstfokussierungseffekte, oder auch durch Überlagerung mehrerer Strahlen, wobei diese unterschiedlicher Natur sein können, läßt sich erreichen, daß die Strahlung in das Material gelangt, ohne die Oberfläche oder oberflächennahe Gebiete zu schädigen bzw. nachhaltig zu beeinflussen. Durch die genannten Effekte kann weiterhin erreicht werden, daß die Intensität der Strahlung im Inneren des Materials die zur Materialbearbeitung notwendige Schwelle übersteigt.

Durch die Verwendung gepulster Strahlung wird erreicht, daß der Energieeintrag nicht nur über die Strahlungsintensität sondern auch über die Pulsparameter zu steuern ist. Durch empirische Abstimmung des Energieeintrags und der räumlichen Abfolge der Mikrobearbeitungen im Innern des Materials lassen sich Parameterbereiche finden, die eine gezielte dreidimensionale Schnittführung gestatten. Die räumliche Schnittführung läßt sich durch Verschieben des Werkstückes oder durch entsprechende Strahlführung oder auch durch eine Kombination beider Verfahren realisieren.

Bei der Strahlung kann es sich um alle denkbaren Formen von Strahlung, wie z. B. Licht, Elektronenstrahlen, Röntgenstrahlen oder auch Ultraschall handeln, vorausgesetzt, daß sich durch die oben angegebenen Effekte der Fokussierung oder Überlagerung die gewünschte Intensitätszunahme im Materialinnern erzielen läßt bzw. durch Kopplungsphänomene der unterschiedlichen Strahlen eine Materialbearbeitung möglich wird.

Im folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung angegeben. Durch Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens lassen sich beispielsweise Linsenrohkörper (Blanks) für Konkav/Konvexlinsen sehr vorteilhaft herstellen. Mittels der erfindungsmäßigen Laser-Bearbeitung eines Saphir-Kristalls lassen sich entsprechend Bild 1 & Bild 2 Saphir- Linsenrohlinge mit sehr hoher Ausbeute herstellen. Man verwendet beispielsweise einen Nd : YAG-Laser, der vorzugsweise im Nanosekunden- oder Pikosekundenbereich gepulst ist. Ein Saphirzylinder wird beidseitig hochwertig poliert, um einen zerstörungsfreien Eintritt des Laserstrahls in das Material zu gewährleisten. Sodann wird der Saphirzylinder mittels eines dreidimensional gesteuerten Verschiebetisches anhand eines für die gewünschte Geometrie des Linsenrohlings berechneten Programms durch die fokussierte Laserstrahlung bewegt. Die Laserstrahlung bzw. die Laserpulse führen dann zu Mikroschädigungen im Material, die durch das räumliche Verfahren zu Makroschnitten ausgebildet werden. Es wird bei diesem Verfahren vorteilhafter Weise von hinten nach vorne gearbeitet. Gegenüber dem mechanischen Herausarbeiten des Linsenrohlings hat dieses Verfahren eine wesentlich erhöhte Ausbeute und gerade im Fall von Saphir auch die Einsparung von Diamantschleifmitteln sowie die Umgehung der sehr mühsamen mechanischen Bearbeitung als Vorteile. Weitere Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens ergeben sich insbesondere bei komplexen Geometrien der herauszuschneidenden Körper, da sowohl der Materialaufwand als auch die Bearbeitungszeit und die technologische Beherrschbarkeit für das erfindungsgemäße Verfahren sprechen.
Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung ergibt sich durch Verwendung mehrerer Laser, die in unterschiedlichen Wellenlängen und/oder unterschiedlichen Pulsparametern ein breites Parameterfeld zur Optimierung der Schnittqualität ergeben.

Claims

1. Verfahren zum Innenschneiden von Materialien mittels Strahlung, bei dem die Strahlung erst im Innern des Materials durch Superposition, durch äußere Fokussierung, durch Selbstfokussierung oder durch eine Kombination dieser Effekte die zur Materialbearbeitung erforderliche Intensität erreicht.

2. Verfahren zum Innenschneiden von Materialien mittels Strahlung, bei dem die Strahlung erst im Innern des Materials durch Superposition, durch äußere Fokussierung, durch Selbstfokussierung oder durch eine Kombination dieser Effekte die zur Materialbearbeitung erforderliche Intensität erreicht, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine gepulste Strahlungsquelle verwendet wird und der makroskopische Schnitt durch geeignete Wahl der Pulsparameter und durch die Kombination der zeitlichen und räumlichen Abfolge der einzelnen Mikroschädigungen im Material zu makroskopischen Schnitten realisiert wird.

3. Verfahren zur Formgebung durch Schneiden mittels Strahlung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Abfolge der Mikroschädigungen im Material räumlich koordiniert durch an die Pulse angepaßtes ein-, zwei- oder dreidimensionales Verschieben des Werkstückes erfolgt.

4. Verfahren zur Formgebung durch Schneiden mittels Strahlung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Abfolge der Mikroschädigungen im Material räumlich koordiniert durch Verschieben des Fokusgebietes der Strahlung realisiert wird.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das zu bearbeitende Material transparent im sichtbaren Bereich und die Strahlung Laserlicht ist.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Material Glas oder Saphir und der Laser im Pikosekunden- oder Femtosekundenbereich gepulst ist.

7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mit mehreren Laserstrahlen mit Unterschieden in der Wellenlänge und/oder in der Pulsfrequenz gearbeitet wird.