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Aufgabenstellung
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Die
hier vorgestellte Erfindung beschreibt ein Verfahren und eine Vorrichtung
zur Realisierung einer schnellen linearen Ablenkung von optischer
Strahlung orthogonal zur ursprünglichen Ausbreitungsrichtung bzw.
optischen Achse. Eine solche lineare Ablenkung kann beim Einsatz
von gebündelter Laserstrahlung zur Mikromaterialbearbeitung
von beliebigen Werkstoffen verwendet werden, wonach der Laserstrahl
(1) auf das Werkstück (10) fokussiert
wird und über eine Kombination von Bewegungen, von der
mindestens eine Bewegung eine hohe Geschwindigkeit aufweist, geführt
wird. Eine solche Ausführungsvariante in der Laser-Mikrobearbeitung
zur Einbringung von linearen Schnitten, zur Strukturierung von Oberflächen
oder zum Trennen wird in dieser Erfindung als Laserstrahlhobel bezeichnet.
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Stand der Technik
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Bereits
bekannt hierzu ist aus der
DE
40 26 130 A1 eine Einrichtung zur Ablenkung eines Lichtstrahls mit
einem kombinierten Spiegelsystem, welches es erlaubt, den Lichtstrahl
ohne Verzerrung zum Ziel zu führen. Dies dient vorwiegend
der Beschriftung mittels Laserstrahl.
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Spiegelsysteme,
die hinter der Fokussierungsoptik angeordnet sind, erlauben kein
kurzbrennweitiges Fokussiersystem, da bei Spiegelsystemen – oder
auch einzelnen Spiegeln – zur Reflektion meist die Umlenkung
des Strahls genutzt wird, und diese nur mit einer bestimmten optischen
Weglänge zu realisieren ist. Außerdem treten bei
Nichtkompensieren der Spiegelablenkeinheit Verzerrungsfehler (kissen-
und tonnenförmige Verzeichnung) auf, wie sie in "Laser
beam scanning" edited by Gerald F. Marshall, Marcel Dekker Inc.,
New York-Basel, auf Seite 226 ff beschrieben sind.
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Ein
weiterer Nachteil ist die Schwierigkeit mit Spiegelsystemen kleine
Wegstrecken zu realisieren, da aufgrund der Eigenschaft des Spiegels
(Einfallswinkel gleich Ausfallswinkel) extrem kleine Anstellwinkel
gefordert sind. Diese kleinen Wege können die derzeit erhältlichen
Antriebe (Galvosysteme) bei hohen Frequenzen nicht leisten. Eine
weitere Antriebsmöglichkeit stellen Piezoantriebe dar,
die diese kurzen Wege gut bewältigen; jedoch haben diese
den Nachteil, dass sich die Piezokeramik bei Dauerbetrieb auf ein
und der selben Stelle in die Laufflächen einarbeitet und
dies sehr schnell zu Ausfällen führt.
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Eine
vorbekannte Möglichkeit kurzbrennweitig zu arbeiten, ist
die Verwendung eines F-Theta-Objektivs hinter dem Spiegelsystem.
Die derzeit auf dem Markt erhältlichen Objektive haben
einen minimalen Arbeitsabstand von knapp 30 mm, jedoch werden in
der Mikromaterialarbeit oft kürzere Brennweiten benutzt.
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Ein
weiteres Verfahren zur linearen Ablenkung eines Lichtstrahls ist
die Verwendung einer Keilplatte durch Verkippung. Dieses Verfahren
eröffnet im Prinzip die gleiche Möglichkeit wie
das Verkippen einer planparallelen Platte (3) mit jedoch
der Ausnahme, dass der Lichtstrahl nicht nur einen Parallelversatz
(S) erfährt, sondern auch eine Winkeländerung,
was sich durch Verzerrungen auf die Qualität der Bearbeitung
niederschlägt.
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Ein
Verfahren, welches ähnliche Auswirkungen auf die Bearbeitung
hat wie das Keilplattenverfahren, ist das Verkippen einer sphärischen
Linse, wobei hier die Fehler in der optischen Abbildung noch größer
sind.
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Erfindungsgemäße
Lösung
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Die
erfindungsgemäße Lösung hat den Vorteil,
dass eine lineare Ablenkung des Lichtstrahles für kleine
bis sehr kleine Amplituden mit hohen Bahngeschwindigkeiten unter
Ausblendung der Verlangsamung in den Endlagen und mit kurzbrennweitigen
Bearbeitungsoptiken realisiert werden kann. Ein weitere Vorteil
ist, dass der geradlinig ausgelenkte Strahl in allen Stellungen
parallel zur optischen Achse ausgerichtet ist, und somit orthogonal
zum Werkstück. Besonders bei der Bearbeitung von spröden
Werkstoffen, wie z. B. Glas oder Keramik, ergibt sich durch diese
Art der Strahlführung eine hohe Bearbeitungsqualität,
die sich in der guten Kantenqualität (Minimierung der Ausmuschelung
und Rissbildung) widerspiegelt.
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Ein
weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Lösung
ist, dass der Strahlengang bis auf den gewünschten Strahlversatz
nicht weiter verändert oder gestört wird, was
zu Folge hat, das die optimale Fokussierung (mit Sammellinse und
Laserstrahlung hoher Qualität) erhalten bleibt. Insbesondere
ist die erfindungsgemäße Lösung nicht
durch Einschränkungen hinsichtlich der Pulsdauer oder Wellenlänge
beschränkt. Es sind für alle Pulsdauern von Dauerstrich
(cw) bis hin zu Femtosekunden-Pulsen geeignete Anordnungen in Strahlweg
oder Materialien bekannt, die als planparallele Versatzplatte (3)
in der beschriebenen Art genutzt werden können. Auch ist
die Strahlauslenkung verschiedener Wellenlängen durch geeignete
Materialauswahl von UV-Anwendungen bis hin zu Infrarot-Laserstrahlung
mit dem beschriebenen Prinzip nutzbar.
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Ein
weiterer wesentlicher Vorteil besteht darin, dass durch die gezielte
Steuerung der Oszillationsgeschwindigkeit und damit die Festlegung
einer Impulszu-Impuls-Überlappung der Laserstrahlung auf
dem zu bearbeiteten Werkstück, die Applikation gesteuert
werden kann, ohne in das Parameterfeld des Lasers, z. B. die Repetitionsrate,
einzugreifen, was wiederum nicht nur eine möglichst schonende
Bearbeitung liefert, sondern auch eine Maximierung der Bearbeitungseffizienz
bedeutet.
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Durch
den Vorteil der mechanischen Verstellung des Strahlversatzes (S)
kann die Amplitude für ein breites Applikationsspektrum
angepasst werden. In der Anwendung ist es außerdem von
Vorteil, dass der Strahl auch leicht exzentrisch auf die Optik treffen
kann, ohne dass dies eine Auswirkung auf den Strahlversatz hat.
Ebenso lässt sich die Fokuslänge durch die Auswahl
einer geeigneten Fokussieroptik bzw. deren räumliche Lage
zur planparallelen Platte (3) bestimmen. Es kann sogar
die gleiche Fokussieroptik verwendet werden, die auch vor dem Einsatz
der erfindungsgemäßen Lösung im Einsatz
war.
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In
Weiterführung des Erfindungsgedankens können mehrere
Vorrichtungen übereinander angeordnet werden, um zwei unabhängige
Schwingungen wirken zu lassen und durch Abtrag Mikrobohrungen mit
rechteckigem Profil zu erzeugen. Mit der gleichen Anordnung können
auch Lissajousfiguren mit all ihren Varianten erstellt werden.
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Die
Ausblendung der Umkehrpunkte erfolgt durch eine in der Strahlfokussierung
hinter der planparallelen Platte (3) angebrachte Feldblende
(nicht dargestellt), z. B. aus Keramik oder einem anderen geeigneten Material,
wodurch die Umkehrpunkte und die davor erfolgenden Verlangsamungen
der Strahlablenkung ausgeblendet werden. Hierdurch erreicht man
eine homogene Verteilung der Laserstrahlung über die Fläche.
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In
Weiterführung des Erfindungsgedankens können durch
eine vor den Vorrichtungen erfolgende Aufteilung des Laserstrahls
mehrere erfindungsgemäße Vorrichtungen versorgt
werden und diese am Umfang eines zu bearbeiteten Werkstücks
angeordnet werden, um so mehrere Bearbeitungsschritte zeitgleich
auszuführen. Eine solche Anordnung kann auch in einer Vorrichtung
kombiniert werden und dabei die Bewegung der planparallelen Platte
durch einen Motor übernommen werden.
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Beschreibung der Zeichnungen
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Ein
Ausführungsbeispiel für die erfindungsgemäße
Lösung ist anhand der Zeichnungen sowie in der nachfolgenden
Beschreibung näher erläutert:
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1 zeigt
das physikalische Wirkprinzip der Erfindung mit ihren notwendigen
Komponenten sowie ihren Bewegungsrichtungen.
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2 zeigt
eine Teilschnittdarstellung einer möglichen Realisierungsvariante
mit exzentrischem Antrieb zur Verkippung der planparallelen Platte.
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3 zeigt
eine perspektivische Darstellung eines bearbeiteten Werkstücks
mit Abtragsspur und Andeutung des oszillierenden Laserstrahls
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Die
in 1 schematisch skizzierte Vorrichtung zur Mikrobearbeitung
von Werkstoffen weist eine Anordnung auf, die auf dem physikalischen
Prinzip der Brechung von Licht an einer planparallelen Platte (3)
beruht. Die planparallele Platte (3), die nicht eine Kreisform
aufweisen muss, kann in eine schnelle schwenkende Bewegung versetzt
werden. Zusätzlich kann der Abstand von der Fokussieroptik
(2) verändert werden.
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Beim
Durchlaufen des Lichtstrahls (
1) durch eine planparallele
Platte (
3) tritt eine Parallelverschiebung (S) auf. Die
Größe von (S) wird durch den Einfallswinkel (a)
des einfallenden Strahls (
1) auf die planparallele Platte
(
3), die Dicke (d) der planparallelen Platte (
3)
und dem Brechungsindex (n) der planparallelen Platte (
3) bestimmt.
Daraus folgt: S = f(α, d, n)
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Versetzt
man nun die unter dem Einfallswinkel (α) stehende und hinter
der Fokussierlinse (2) angeordnete planparallele Platte
(3) in eine schwenkende oder kippende Bewegung, ändert
sich fortlaufend der Einfallswinkel (α), was zu einem Parallelversatz
(S) und somit zur linearen Bewegung orthogonal zur optischen Achse
führt. Je nach Abstand bzw. Brennweite der Linse kann so
der Fokusdurchmesser an die jeweilige Bearbeitungsebene sowie an
die entsprechende Bearbeitung angepasst werden.
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Eine
weitere Möglichkeit, den Planversatz (S) zu beeinflussen,
wird über die Dicke (d), sowie den Brechungsindex (n) der
planparallelen Platte (3) erreicht. Hiermit lässt
sich eine Vorauswahl des Planversatzes (S) bestimmen. Auf Grund
der Anordnung und des Antriebs der sich bewegenden Teile ist es
möglich, unterschiedlichste Bewegungsgeschwindigkeiten
und Strahlauslenkungen zu realisieren, wobei der sich bewegende
Strahl annähernd einer Sinusfunktion folgt. Der sich bewegende
Strahl steht während der Versatz-Bewegung immer orthogonal
zur Bearbeitungsebene, was die Qualität der Bearbeitung
positiv beeinflusst. Die realisierte Strahlablenkung und somit die
Amplitude ist gleich 2·S.
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In 2 ist
eine mögliche Ausführungsform der Erfindung dargestellt.
Hierbei befindet sich die Fokussieroptik (2) in einer Fassung,
die mit Hilfe eines entsprechenden Tubus (nicht dargestellt) auf
unterschiedliche Varianten angepasst werden kann. Die planparallele
Platte (3) wird in einer zweiten Fassung geführt,
die ihrerseits in einem Lagerbock (6) so gelagert ist,
dass sie senkrecht zur Zeichnungsebene gekippt werden kann. Über
den Pleuel (5) und dessen exzentrischer Befestigung an
der Kurbelscheibe (4) wird die planparallele Platte (3)
in eine oszillierende Bewegung, um die Dreh-Achse (7),
versetzt. Die Kurbelscheibe (4) ist hierbei so gestaltet,
dass sie für eine ausgleichende Massenverteilung sorgt,
und so ein Aufschwingen – gerade bei hohen Drehzahlen – verhindert.
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Durch
Verbindung einer zusätzlichen Exzenterscheibe (nicht dargestellt)
mit der Kurbelscheibe (4) kann die Winkelverstellung und
damit die Kippung der planparallelen Platte individuell vorgenommen
werden. Hieraus folgt, dass der Strahlversatz (S) und damit die
zu bearbeitende Strecke einstellbar ist. Um Optik und Mechanik vor
den Einflüssen der Bearbeitung zu schützen wird
die Vorrichtung in ein Gehäuse integriert, welches an der
Strahlaustrittseite mit einem Schutzglas versehen ist (nicht dargestellt).
Vorteil der erfindungsgemäßen Lösung
ist, dass der Strahl in jeder Stellung der planparallelen Platte
(3) parallel der optischen Achse steht und störungsfrei
das Schutzglas passieren kann.
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Um
die Werkstück-Bearbeitung zu unterstützen, bietet
das Gehäuse auch die Möglichkeit, einen Gasanschluss
vorzusehen, um an der Bearbeitungsstelle eine entsprechende (Schutzgas-)Atmosphäre
zu schaffen.
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3 zeigt
ein Werkstück (10), in dem ein frei geformter
Graben (11) abgetragen ist. Hierbei beschreibt der oszillierende
Strahl (9) eine linienförmige Bewegung orthogonal
zur Bearbeitungsebene und trägt so-ähnlich eines
Hobels-Material vom Werkstück ab. Die Effizienz des Abtrags
wird sehr stark durch den Impuls-zu-Impuls-Überlapp und
somit von der Oszillationsgeschwindigkeit der planparallelen Platte
(3) bestimmt.
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Besonders
bei Applikationen, wo durch Linearbewegungen von wenigen μm
im Zusammenhang mit hoch repetierenden Laser bzw. schnellen Pulsfolgefrequenzen
(z. B. 100 000 Impulse pro Sekunde) eine möglichst schonend
Bearbeitung erfolgen soll, sind hohe Bahngeschwindigkeiten bei extrem
kurzen Wegen notwendig.
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Die
erforderliche Oszillation und somit die Drehzahlen in U/min U
r bei einem vorgegebenen optimalen Impuls-zu-Impuls-Überlapp
O lässt sich nach folgender Beziehung ermitteln:
wobei f
r die
Anzahl der Laserimpulse pro Sekunde (Repetitionsrate) bestimmt,
d
L den wirksamen Laserstrahldurchmesser
auf dem Werkstück und S die Parallelverschiebung nach Gleichung
[1]. Die realisierte Strahlablenkung und somit die Amplitude ist
gleich 2·S.
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Anwendungsbeispiel 1:
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Beim
schonenden und präzisen Mikroabtrag mit kurzgepulster Laserstrahlung
einer bestimmten Pulsdauer und Wellenlänge wird zur Erzeugung
eines Mikroschnitts an einem Wendeldraht ein optimaler Impuls-zu-Impuls-Überlapp
von O = 75% ermittelt bzw. festgelegt, d. h. nach Einwirkung des
Laserimpulses auf die zu bearbeitende Oberfläche soll der
nachfolgende Laserimpuls beim Auftreffen 75% der Fläche
bedecken, die der vorangegangene Laserimpuls bestrahlt hat. Der
gebündelte Laserstrahl hat auf dem Werkstück einen wirksamen
Durchmesser dL = 20 μm, so dass
ein mittlerer Abstand von 50 μm zwischen den Laserimpulsen liegt.
Eine geradlinige Bearbeitung mit einer Auslenkung S = 0,1 mm wird
festgelegt. Erfolgt die Laserbearbeitung mit einer Repetitionsrate
von fr = 10 000 Laserimpulsen pro Sekunde,
ergibt sich nach Gleichung [2] eine erforderliche Drehanzahl U =
4 500 U/min. Das entspricht 9 000 Richtungswechsel pro min bei einer
Bahngeschwindigkeit von durchschnittlich 3,6 m/min.
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Anwendungsbeispiel 2:
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Beim
schonenden und präzisen Mikroabtrag mit kurzgepulster Laserstrahlung
einer bestimmten Pulsdauer und Wellenlänge wird zur Erzeugung
eines Präzisionsschnittes an einem zu bearbeitenden keramischen Werkstoff
ein optimaler Impuls-zu-Impuls-Überlapp von O = 30% ermittelt
bzw. festgelegt, um das Aufheizen und somit den thermischen Schock
zu minimieren. Der gebündelte Laserstrahl hat auf dem Werkstoff
einen wirksamen Durchmesser dL = 10 μm.
Eine linearförmige Bearbeitung mit einer Auslenkung von
S = 0,25 mm wird festgelegt. Erfolgt die Laserbearbeitung mit einer
Repetitionsrate von fr = 5 000 Laserimpulsen
pro Sekunde, ergibt sich nach Gleichung [2] eine erforderliche Drehanzahl
Ur = 4 200 U/min.
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Wie
diese Berechnungen zeigen, sind am Markt erhältliche CNC-Maschinen
(spanende Bearbeitung) hinsichtlich der sich aus der Vorrichtung
ergebenden Oszillationsgeschwindigkeiten und den daraus folgenden häufigen
Richtungswechsel um Größenordnungen entfernt.
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- 1
- einfallender
Strahl
- 2
- Fokussierlinse
- 3
- planparallele
Platte
- 4
- Kurbelscheibe
- 5
- Pleuel
- 6
- Lagerbock
- 7
- Dreh-Achse
- 8
- (nicht
benutzt)
- 9
- oszillierender
Strahl
- 10
- Werkstück
- 11
- Abtragsspur
- α
- Einfallswinkel
- d
- Dicke
von (3)
- fr
- Anzahl
der Laserimpulse pro Sekunde (Repetitionsrate)
- n
- Brechungsindex
- O
- Impuls-zu-Impuls-Überlapp
- S
- Parallelversatzes
des Strahls
- Ur
- Drehzahl
der Oszillationsoptik bei gegebenem O
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- - "Laser beam
scanning" edited by Gerald F. Marshall, Marcel Dekker Inc., New
York-Basel, auf Seite 226 ff [0003]