DE102006052292A1

DE102006052292A1 - Vorrichtung und Verfahren zur Bearbeitung eines Werkstücks mittels eines Laserstrahls

Info

Publication number: DE102006052292A1
Application number: DE102006052292A
Authority: DE
Inventors: Marc Dr.-Ing. Hüske; Christian Krieg
Original assignee: LPKF Laser and Electronics AG
Current assignee: LPKF Laser and Electronics AG
Priority date: 2006-11-03
Filing date: 2006-11-03
Publication date: 2008-05-08
Also published as: WO2008052518A1; TW200902208A

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Berbeitung eines Werkstücks (3) mittels eines Laserstrahls mit einem realtiv zu dem Werkstück (3) positionierbaren, eine Bearbeitungszone einschließenden Absaugkopf (1) mit einer Absaugung (5) der freigesetzten Emission, welcher mit einer Bearbeitungsoptik (2) verbunden ist. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Schutz einer Bearbeitungsoptik (2) für die Laserbearbeitung vor Emissionen des Bearbeitungsprozesse, bei dem in einer Bearbeitungszone die Luft seitlich abgesaugt wird. Durch die Erfindung sollen Rauch und Partikel, die beim Schneiden eines Werkstücks (3), insbesondere von Leiterplattenmaterialien, entstehen, abgesaugt und eine Verschmutzung der Fokussier- und Bearbeitungsoptik (2) vermieden werden. Dazu ist der Absaugkopf (1) zusätzlich mit einer seitlichen Luftzuführung (4) für eine im Wesentlichen horizontale Strömung hoher Strömungsgeschwindigkeit im Bereich zwischen der Absaugung (5) und der Bearbeitungsoptik (2) ausgestattet. Diese Vorrichtung setzt das erfindungsgemäße Verfahren um, bei dem zwischen dem Werkstück (3) und der Bearbeitungsoptik Partikel und Gase zunächst von einer Absaugung (5) abgeführt werden, wobei die Partikel und Gase, welche von der Absaugung (5) nicht erfasst wurden, mit einer Luftzuführung (5) parallel zu dem Werkstück in ihrer Bewegungsrichtung abgelenkt und abgeführt werden.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Bearbeitung eines Werkstücks mittels eines Laserstrahls mit einem, relativ zu dem Werkstück positionierbaren, eine Bearbeitungszone einschließenden Absaugkopf mit einer Absaugung der freigesetzten Emissionen, welcher mit einer Bearbeitungsoptik verbundenen ist. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Schutz einer Bearbeitungsoptik für die Laserbearbeitung vor Emissionen des Bearbeitungsprozesses, bei dem in einer Bearbeitungszone die Luft seitlich abgesaugt wird.
Die Bearbeitung eines Werkstücks, beispielsweise mittels CO₂-Laserschneiden, basiert auf der Erwärmung, Schmelzebildung und Verdampfung des Werkstückmaterials als Folge der Absorption eines fokussierten Laserstrahls, insbesondere einer Wellenlänge im fernen Infrarot, mit extrem hoher thermischer Energie.
Der CO₂-Laser als Laserquelle wird dabei gegenüber anderen Laserquellen bevorzugt, weil die Pulsenergie anderer Laserstrahlquellen, beispielsweise ein frequenzverdreifachter Nd: YAG-Laser mit 355 nm Wellenlänge, nicht ausreicht, um größere Materialstärken des Werkstücks zu trennen.
Aufgrund der Art der vorwiegend thermischen Energieeinkopplung erhitzt sich das Werkstückmaterial sehr stark bis hin zu sichtbaren Branderscheinungen oder Flammenbildung. Bei bestimmten Material-/Laserparameterkombinationen kann zudem ein Plasma entstehen.
Infolge der Branderscheinungen entstehen Dämpfe und Ruße entsprechend der Materialzusammensetzungen, die sich auf dem bearbeiteten Werkstück ablagern. Darüber hinaus können Ablagerungen größerer Partikel festgestellt werden, die teilweise agglomerieren und sich ebenfalls in der Umgebung der Bearbeitungszone und auf der Bearbeitungsoptik niederschlagen. Diese Partikel verlassen die Bearbeitungszone teilweise mit sehr hohen Geschwindigkeiten. Aufgrund eines großen abgetragenen Materialvolumens ist ein erheblicher Verschmutzungsgrad in der Maschine nahe der Bearbeitungszone festzustellen.
Auf dem bearbeiteten Werkstück können diese Abtragprodukte zu unerwünschten Funktionsbeeinträchtigungen der elektrischen/elektronischen Schaltung führen. Zum einen sind diese Abtragprodukte teilweise elektrisch leitfähig und können Kurzschlüsse verursachen zum anderen wird die nachträgliche Benetzbarkeit von Lötpads beeinträchtigt, so dass eine einwandfreie Lötung nicht mehr gewährleistet ist.
Aus dem Stand der Technik ist es bereits bekannt, mittels einer Absaugung den Rauch und die Partikel abzusaugen und einer Nachbehandlung zuzuführen.
Als problematisch erweist es sich hierbei jedoch, dass die seitliche Absaugung in einem zwischen den Absaugöffnungen befindlichen zentralen Bereich eine lediglich geringe Wirkung entfaltet. Insbesondere führt die entgegengesetzte Strömungsrichtung der seitlichen Luftabsaugung innerhalb des Absaugkopfs zu einer weitgehenden Wirkungslosigkeit in diesem zentralen Bereich zwischen den Absaugöffnungen der Absaugung. Dämpfe und Ruße sowie insbesondere Partikel können daher in diesem Bereich nahezu ungehindert zu der Bearbeitungsoptik gelangen.
Weiterhin ist es auf dem Gebiet der Laserschweißtechnik bekannt, dass eine Bearbeitungsoptik durch Luftzufuhr einer gerichteten Luftströmung als Querströmung vor Verschmutzung geschützt werden kann. Um die Optiken zuverlässig vor Schweißrauch und -spritzern zu schützen, wird ein quer zur Laserachse zwischen Optik und Werkstück angeordneter Hochdruck-Luftvorhang, der so genannte Crossjet, verwendet.
Geschützt durch einen Crossjet wird ein optimaler Schutz auch im Hochleistungsbetrieb der Fokussieroptik durch eine Überschall-Luftströmung erreicht.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung sowie ein Verfahren zu schaffen, bei dem Rauch und Partikel, die beim Schneiden von, insbesondere Leiterplattenmaterialien entstehen abgesaugt werden und eine Verschmutzung der Fokussier- und Bearbeitungsoptik vermieden wird.
Die erstgenannte Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einer Vorrichtung, einem Absaugkopf, gemäß den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Die weitere Ausgestaltung des Absaugkopfs ist den Unteransprüchen 2 bis 9 zu entnehmen.
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Bearbeitung eines Werkstücks mittels eines Laserstrahls welche ein, eine Bearbeitungsoptik tragenden, relativ zu dem Werkstück positionierbaren, eine Bearbeitungszone einschließenden, Absaugkopf mit einer Absaugung der freigesetzten Emissionen ist. Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass der Absaugkopf zusätzlich mit einer seitlichen Luftzuführung für eine im Wesentlichen horizontale Strömung hoher Strömungsgeschwindigkeit im Bereich zwischen der Absaugung und der Bearbeitungsoptik ausgestattet ist. Hierdurch werden aufgrund der Luftzuführung mit hoher Strömungsgeschwindigkeit nicht nur unerwünschte Partikel oder Gase von der Bearbeitungsoptik fern gehalten, sondern vielmehr eine Strömungsumlenkung erreicht, die der Bewegung dieser Partikel oder Gase in Richtung der Bearbeitungsoptik entgegenwirkt. Die Partikel oder Gase können mittels einer weiteren seitlichen Absaugung zuverlässig entfernt werden. Ein Niederschlag auf dem bearbeiteten Material wird vermieden.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist es, dass der Luftzuführung eine separate, insbesondere eine einer seitlichen Luftzuführung gegenüberliegende Absaugeinrichtung zugeordnet ist. Hierdurch werden Partikel oder Gase, die der Strömung der Luftzufuhr folgen, gezielt aufgefangen und aus dem Absaugkopf geführt.
Vorteilhaft ist es, dass mittels der Luftzuführung innerhalb des Absaugkopfes eine flächige Luftströmung, insbesondere ein Luftvorhang erzeugbar ist. Hierdurch werden Partikel, die wegen ihres Impulses von der Absaugung nicht erfasst wurden, im Gesamten Querschnitt des Absaugkopfes, insbesondere in dessen Randbereichen vom Luftstrom erfasst und von ihrer Bewegung in Richtung der Bearbeitungsoptik abgelenkt.
Von Vorteil ist es, dass Öffnungen der Absaugung und der Luftzuführung düsenförmig ausgebildet sind. Hierdurch ist gewährleistet, dass die gesamten Luftströmungen erfasst und Verwirbelungen minimiert sind.
Ein Merkmal ist es, dass die Öffnungen der Absaugung und der Luftzuführung einstellbar sind. Hierdurch kann der Volumenstrom der zugeführten Luft eingestellt und reguliert werden.
Besonders günstig ist es, dass mittels der Absaugung zumindest ein Teil des mittels der Luftzuführung zugeführten Luftvolumens derart ablenkbar ist, dass der Luftströmung eine auf das Werkstück gerichtete vektorielle Strömungskomponente aufgeprägt wird. Hierdurch wird die Geschwindigkeit von Partikeln und Gasen reduziert und derart abgelenkt, dass diese von der Absaugung erfasst werden.
Vorteilhaft ist insbesondere, dass die Strömungsgeschwindigkeit der mittels der Luftzuführung in den Absaugkopf eingebrachten Luft wesentlich größer als die Strömungsgeschwindigkeit der mittels der Absaugung abgesaugten Luft einstellbar ist. Hierdurch wird der Schutz der Bearbeitungsoptik vor Verschmutzung, insbesondere durch Partikel die von der Absaugung nicht erfasst wurden, verbessert. Denn die schnell strömende Luftschicht bildet einen so genannten Luftvorhang, der auf Grund seiner hohen Strömungsgeschwindigkeit eindringende Partikel von ihrer Flugbahn ablenkt und ihnen die Bewegungsrichtung der Luftströmung aufprägt.
Sowohl die Absaugung als auch der zugeführte Luftstrom sind zwischen der Bearbeitungsoptik und dem Werkstück angeordnet. Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, dass die Absaugung nah am Werkstück angeordnet ist und die Luftzuführung zwischen der Absaugung und der Bearbeitungsoptik angeordnet ist. Hierdurch werden Partikel und Gase, welche von der Absaugung nicht erfasst wurden in ihrer Bewegung senkrecht zum Werkstück abgelenkt. Die Luftzuführung ist als eine der Absaugung nachgeschaltete Vorrichtung, deren Funktionalität einem Luftvorhang entspricht, angeordnet.
Es sind Laser bekannt, die punktuell arbeiten und bei denen der Schutz der Bearbeitungsoptik vor Verschmutzung einfach zu realisieren ist. Der erfindungsgemäße Absaugkopf ist so ausgeführt, dass das Abführen von Gasen und Partikeln gleichmäßig auf einer Fläche möglich ist. Hierdurch ist der Einsatz einer Bearbeitungsoptik, welche im Wesentlichen als ein eine Planfeldoptik aufweisender Scannerkopf ausgeführt ist, möglich.
Die Absaugung der Gase erzeugt im Absaugkopf einen Unterdruck. Zum Ausgleich des Unterdrucks ist es günstig, dass Öffnungen für frei nachströmende Luft in den Absaugkopf zwischen dem Absaugkopf und dem Werkstück sowie zwischen dem Absaugkopf und der Bearbeitungsoptik angeordnet sind.
Von Vorteil ist es, dass die Öffnung für frei nachströmende Luft zwischen dem Absaugkopf und der Bearbeitungsoptik schließbar ist. Hierdurch kann der Unterdruck im Absaugkopf und das Volumen der frei nachströmenden Luft reguliert werden.
Die zweitgenannte Aufgabe betrifft das entsprechende Verfahren zum Schutz der Bearbeitungsoptik für die Laserbearbeitung, das dadurch gekennzeichnet ist, dass zwischen einem Werkstück und der Bearbeitungsoptik Partikel und Gase zunächst von einer Absaugung abgeführt werden, wobei die Partikel und Gase, welche von der Absaugung nicht erfasst wurden, mit einer Luftzuführung hoher Strömungsgeschwindigkeit parallel zu dem Werkstück in ihrer Bewegungsrichtung abgelenkt und abgeführt werden. Hierdurch wird verhindert, dass Gase und Partikel mit einem hohen spezifischen Impuls die Bearbeitungsoptik verschmutzen.
Besonders Vorteilhaft ist es, dass von der Luftströmung der Absaugung und der Luftzuführung Emission seitlich abgeführt werden, wobei beiden Luftströmungen eine von der Bearbeitungsoptik abgewandten Strömungsrichtung, insbesondere senkrecht zur optischen Achse, aufgeprägt wird. Hierdurch werden abgelenkte Partikel und Gase aus dem Absaugkopf geführt, ein Verschmutzen des Absaugkopfes wird so unterdrückt.
In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt und wird im Folgenden näher beschrieben. Die Zeichnung zeigt eine Vorrichtung zur Bearbeitung eines Werkstücks mittels eines Laserstrahls in geschnittener schematischer Darstellung.
Die Zeichnung zeigt eine geschnittene und schematische Darstellung des Absaugkopfes 1, welcher über einem, von einem Laser einer Bearbeitungsoptik 2 bearbeiteten Werkstück 3 geführt wird. Der Absaugkopf besteht im Wesentlichen aus drei Elementen, einem Laser mit entsprechender Bearbeitungsoptik 2, einer Vorrichtung für eine Luftzuführung 4 mit hoher Strömungsgeschwindigkeit 4 und einer Vorrichtung zur Absaugung von Partikeln und Gasen. In der Ebene der Absaugung 5 weist der Absaugkopf 1 zwei gegenüberliegende Öffnungen 6 auf, über welche die Partikel und Gase aus dem Absaugkopf 1 geführt werden. Dabei wird ein von der Absaugung 5 in dem Absaugkopf 1 erzeugter Unterdruck von seitlich durch Öffnungen 7 frei nachströmende Luft ausgeglichen. In der Ebene der Luftzuführung 4 mit hoher Strömungsgeschwindigkeit ist an einer Seite eine Einlassöffnung 8 für den Luftstrom, an der gegenüberliegenden Seite befindet sich eine Auslassöffnung 9 über welche die schnell strömende Luft aus dem Absaugkopf 1 entweder frei ausströmt oder abgesaugt wird. Die bei der Bearbeitung des Werkstücks 3 durch den Laser der Bearbeitungsoptik 2 entstehenden Emissionen, insbesondere Partikel und Gase werden entweder von der Luftströmung der Absaugung 5 erfasst oder von der Luftzuführung 4 mit hoher Strömungsgeschwindigkeit abgelenkt und aus dem Absaugkopf 1 entlang einer Bewegungsbahn 10 transportiert.

Claims

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Bearbeitung eines Werkstücks (3) mittels eines Laserstrahls mit einem, relativ zu dem Werkstück (3) positionierbaren, eine Bearbeitungszone einschließenden Absaugkopf (1) mit einer Absaugung (5) der freigesetzten Emissionen, welcher mit einer Bearbeitungsoptik (2) verbundenen ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Absaugkopf (1) zusätzlich mit einer seitlichen Luftzuführung (4) für eine im Wesentlichen horizontale Strömung hoher Strömungsgeschwindigkeit im Bereich zwischen der Absaugung (5) und der Bearbeitungsoptik (2) ausgestattet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Luftzuführung (4) eine separate, insbesondere eine einer seitlichen Luftzuführung (Einlassöffnung 8) gegenüberliegende Absaugeinrichtung (Auslassöffnung 9) zugeordnet ist.
Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass mittels der Luftzuführung (4) innerhalb des Absaugkopfes (1) eine flächige Luftströmung, insbesondere ein Luftvorhang erzeugbar ist.
Vorrichtung nach zumindest einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Öffnungen (6, 8, 9) der Absaugung (5) und/oder der Luftzuführung (4) düsenförmig ausgebildet sind.
Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Öffnungen (6, 8, 9) der Absaugung (5) und der Luftzuführung (4) einstellbar sind.
Vorrichtung nach zumindest einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mittels der Absaugung (5) zumindest ein Teil des mittels der Luftzufüh rung (4) zugeführten Luftvolumens derart ablenkbar ist, dass der Luftströmung eine auf das Werkstück gerichtete vektorielle Strömungskomponente aufgeprägt wird.
Vorrichtung nach zumindest einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Strömungsgeschwindigkeit der mittels der Luftzuführung (4) in den Absaugkopf (1) eingebrachten Luft wesentlich größer als die Strömungsgeschwindigkeit der mittels der Absaugung (5) abgesaugten Luft einstellbar ist.
Vorrichtung nach zumindest einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Absaugung (5) nah am Werkstück (3) angeordnet ist und die Luftzuführung (4) zwischen der Absaugung (5) und der Bearbeitungsoptik (2) angeordnet ist.
Vorrichtung nach zumindest einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mittels der Absaugung (5) das Abführen von Gasen und Partikeln gleichmäßig auf einer Fläche erfolgt.
Vorrichtung nach zumindest einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Öffnungen (7) für frei nachströmende Luft in den Absaugkopf (1) zwischen dem Absaugkopf (1) und dem Werkstück (3) sowie zwischen dem Absaugkopf (1) und der Bearbeitungsoptik (2) angeordnet sind.
Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Öffnung (7) für frei nachströmende Luft zwischen dem Absaugkopf (1) und der Bearbeitungsoptik (2) schließbar ist.
Verfahren zum Schutz einer Bearbeitungsoptik für die Laserbearbeitung, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen einem Werkstück (3) und der Bearbeitungsoptik (2) Partikel und Gase zunächst von einer Absaugung (5) abgeführt werden, wobei die Partikel und Gase, welche von der Absaugung (5) nicht erfasst wurden, mit einer Luftzuführung (4) hoher Strömungsgeschwindigkeit parallel zu dem Werkstück (3) in ihrer Bewegungsrichtung abgeführt und abgeführt werden.
Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass von der Luftströmung der Absaugung (5) und der Luftzuführung (4) Emission seitlich abgeführt werden, wobei beiden Luftströmungen eine von der Bearbeitungsoptik (2) abgewandten Strömungsrichtung, insbesondere senkrecht zur optischen Achse, aufgeprägt wird.