DE102007057129B4

DE102007057129B4 - Verfahren und Einrichtung zur Hochleistungs-Mikrobearbeitung eines Körpers oder einer Pulverschicht mit einem Laser hoher Brillanz

Info

Publication number: DE102007057129B4
Application number: DE200710057129
Authority: DE
Inventors: Robby Ebert; Jan Drechsel; Jörg Schille; Andre Streek; Lars Hartwig; Sascha KLÖTZER; Udo Löschner; Horst Prof. Exner; Tino Süß
Original assignee: Hochschule Mittweida FH
Current assignee: Hochschule Mittweida FH
Priority date: 2007-11-24
Filing date: 2007-11-24
Publication date: 2010-07-22
Anticipated expiration: 2027-11-25
Also published as: DE102007057129A1

Abstract

Einrichtung zur Hochleistungs-Mikrobearbeitung eines Körpers oder einer Pulverschicht mit einem Laser hoher Brillanz, mit der partiell bestrahlte konturierte Schichten des Körpers (5) oder eine partiell bestrahlte kontinuierte Schicht aus der Pulverschicht (6) erzeugt werden, wobei im Strahlengang nach einem Monomode-Faserlaser oder einem Monomode-Scheibenlaser mit einer Leistung größer 1 kW als Laser (1)
– ein Strahlschalter (2) in Form optischer Modulatoren in Reihenschaltung oder Pockelszellen in Parallelschaltung mit einer Anstiegszeit kleiner 500 ns,
– ein Galvoscanner (3) für einen Zeilenwechsel,
– ein Zeilenscanner (4) als entweder ein Polygonscanner oder ein Galvo-Resonanzscanner zur schnellen Strahlablenkung, wobei die Drehgeschwindigkeit des Polygonscanners oder die Scanfrequenz des Galvo-Resonanzscanners so groß ist, dass die Ablenkgeschwindigkeit des Laserstrahls auf der Oberfläche des Körpers oder der Pulverschicht größer 50 m/s ist, und
– eine Fokussieroptik als entweder eine mindestens eindimensionale f-Theta-Optik oder eine Fokussieroptik mit einem Element zur vertikalen Fokusnachführung auf der Oberfläche des...

Description

Die Erfindung betrifft Einrichtungen zur Hochleistungs-Mikrobearbeitung eines Körpers oder einer Pulverschicht mit einem Laser hoher Brillanz, mit der partiell bestrahlte konturierte Schichten des Körpers oder aus der Pulverschicht erzeugt werden.
Verfahren und Vorrichtungen zur Bearbeitung von Körpern oder Pulverschichten durch Laserstrahlen sind durch eine Vielzahl von Druckschriften bekannt.
Ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung von Körpern aus schichtweise aufgebrachtem Pulver und einem selektiven Sintern der jeweilig aufgebrachten Schicht ist unter anderem aus der US 4,863,538 bekannt. Dabei wird durch energiereiche Strahlung das Pulver der jeweiligen Schicht partiell gesintert. Über das Auftreffen einer Strahlung auf die Pulverschicht wird dabei der Körper realisiert. Zur Erzeugung des jeweiligen Körpervolumens wird die energiereiche Strahlung gescannt. Zum Einsatz kommen CO₂- oder Nd:YAG-Laser mit Scanner, mit einer Leistung von 50 W bis 200 W und einem Fokus von 100 μm bis 300 μm. Die Sinterzeit ist sehr lang, wobei diese bis zu 100 h beträgt.
Durch die DE 43 09 524 C2 ist ein Verfahren zum Herstellen eines dreidimensionalen Objekts bekannt, wobei die Strahlungseinwirkung im Kernbereich eines Objektes zu einer minimalen Verformung und im Hüllbereich zu einer möglichst glatten und genauen Oberfläche führen. Die Ermittlung des Hüllbereichs erfolgt durch Subtraktion in dreidimensionaler Weise von Einzelbereichen des Kernbereichs von dem Gesamtkörper. Die Bestrahlung erfolgt in unterschiedlicher Art und Weise, je nachdem ob es sich um einen Einzelbereich im Kernbereich oder einen solchen im Hüllbereich handelt. Neben der Ermittlung der Hüllbereiche sind unterschiedliche Bestrahlungstechnologien zur Realisierung des Objektes notwendig.
Durch die Druckschrift DE 199 53 000 C2 sind Verfahren und Einrichtungen zur schnellen Herstellung von Körpern bekannt, wobei vorteilhafterweise Körper maßgenau, konturscharf schnell und mit hoher Dichte hergestellt werden können.
Formkorrigierende Nachbehandlungen werden weitestgehend vermieden, so dass sehr ökonomisch derartige Körper herstellbar sind. Das wird durch die Verwendung zweier Strahlungsquellen beim Sintern oder Schweißen erreicht, wobei die Erste der Erzeugung der Kontur und die Zweite zur schnellen Realisierung des Innenraumes des zu erzeugenden Körpers dient. Der Nachteil liegt in der Verwendung von zwei Lasern zur Herstellung der Körper.
Durch die Druckschrift US 6,054,192 A sind ein Verfahren und eine Einrichtung zur Bearbeitung einer Pulverschicht auf einem Substrat bekannt. Im Strahlengang des Laserstrahls hoher Brillanz sind dazu hinter einer Laserstrahlquelle, die eine Leistung größer 1 kW aufweist, ein Galvanoscanner für einen Zeilenwechsel und ein Zeilenscanner in Form eines Polygonspiegels zur schnellen Strahlablenkung angeordnet. Eine Strahlformung und eine schnelle Strahlschaltung sind dabei nicht vorgesehen, da lediglich eine Maske belichtet wird. Die Vorrichtung ist nicht für die Mikrostrukturierung geeignet und nicht universell einsetzbar.
Die Druckschrift EP 0 388 129 A2 beinhaltet ein Verfahren und eine Einrichtung zur Herstellung von dreidimensionalen Körpern aus einer Flüssigkeit. Zusätzlich sind im Strahlengang vor den konventionellen Galvo-Scannern ein Strahlschalter in Form eines akustooptischen Modulators und nach den Scannern eine Fokussierlinse zur Strahlformung angeordnet. Mit dieser Einrichtung lassen sich im Prozess nur geringe Strahlleistungen bei relativ geringer Ablenkgeschwindigkeit umsetzen.
Durch die Druckschrift DE 199 53 000 C2 ist ein Verfahren und eine Einrichtung zur schnellen Herstellung von Körpern bekannt, wobei vorteilhafterweise Körper maßgenau, konturscharf schnell und mit hoher Dichte hergestellt werden können. Dazu wird ein Faserlaser mit einem Fokusdurchmesser kleiner 100 μm eingesetzt. Formkorrigierende Nachbehandlungen werden weitestgehend vermieden, so dass sehr ökonomisch derartige Körper herstellbar sind. Das wird durch die Verwendung zweier Strahlungsquellen beim Sintern oder Schweißen erreicht, wobei die Erste der Erzeugung der Kontur und die Zweite zur schnellen Realisierung des Innenraumes des zu erzeugenden Körpers dient. Der Nachteil liegt in der Verwendung von zwei verschiedenen Lasern mit entsprechender Strahlformung und Strahlablenkung zur Herstellung der Körper.
Die Druckschrift DE 198 01 013 A1 beschreibt ein Verfahren zur Abtragung von Oberflächenschichten mittels deckschichtenverstärkter laserinduzierter Schockwellen, wobei die abzutragende Oberflächenschicht mit einer für das Laserlicht durchsichtigen Deckschicht beaufschlagt ist.
Durch die Druckschrift DE 198 48 105 A1 ist ein Verfahren und eine Einrichtung zur Formung eines Laserimpulses bekannt. Dabei sollen zeitliche Schwankungen im Laserimpuls kompensiert werden. Die Kompensation basiert auf einer Einstellung des Zeitverhaltens oder des Timings eines Impulsformers. Der Laserimpuls wird vorteilhafterweise für ein Laserschockhämmern eingesetzt. Gegenstand der Druckschrift ist das Formen eines Laserimpulses.
Durch die Druckschrift US 2006/0207976 A1 ist eine Lösung für eine Feinstbearbeitung von Materialien mittels eines Femtosekundenlasers bekannt.
Eine drehbare Ringrakel zum Aufbringen von Partikeln ist durch die Druckschrift DE 20 2004 007 214 U1 bekannt.
Durch die DE 10 2005 014 483 A1 ist eine Vorrichtung zur Herstellung von Gegenständen durch schichtweises Aufbauen aus pulverförmigem Werkstoff bekannt.
Dabei kommen mehrere Subsysteme mit jeweils einer Laserstrahlungsquelle und einer steuerbaren Zieleinrichtung zum Einsatz. Mehrere Subsysteme sind zur simultanen Bestrahlung des Werkstoffpulvers in Baufeldabschnitten einsetzbar. Im Strahlengang nach einem Zeilensanner ist dabei eine Fokussieroptik in Form einer F-Theta-Linse angeordnet.
Die Druckschrift DE 197 23 208 A1 offenbart eine Vorrichtung zum Intensitätsmodulieren eines Lichtbündels, ein Herstellungsverfahren für diese, ein Verfahren zum Intensitätsmodulieren eines Lichtbündels sowie Verwendungen von der Vorrichtung, wobei optische Modulatoren, beispielsweise Pockelszellen, in Reihe geschalten sind, wodurch die Extinktion des daraus resultierenden Strahlschalters gegenüber der eines jeden einzelnen Modulators verbessert ist.
Der im Patentanspruch 1 angegebenen Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Körper oder eine Pulverschicht durch eine Hochleistungs-Mikrobearbeitung einfach und schnell zu bearbeiten.
Diese Aufgabe wird mit den im Patentanspruch 1 aufgeführten Merkmalen gelöst.
Die Einrichtungen zur Hochleistungs-Mikrobearbeitung eines Körpers oder einer Pulverschicht mit einem Laser hoher Brillanz, mit der partiell bestrahlte konturierte Schichten des Körpers oder aus der Pulverschicht erzeugt werden, zeichnen sich insbesondere dadurch aus, dass der Körper oder die Pulverschicht sehr schnell bearbeitbar ist.
Dazu sind im Strahlengang nach einem Monomode-Faserlaser oder einem Monomode-Scheibenlaser mit einer Leistung größer 1 kW als Laser

– ein Strahlschalter in Form optischer Modulatoren in Reihenschaltung oder Pockelszellen in Parallelschaltung mit einer Anstiegszeit kleiner 500 ns,
– ein Galvoscanner für einen Zeilenwechsel,
– ein Zeilenscanner als entweder ein Polygonscanner oder ein Galvo-Resonanzscanner zur schnellen Strahlablenkung und
– eine Fokussieroptik als entweder eine mindestens eindimensionale f-Theta-Optik oder eine Fokussieroptik mit einem Element zur vertikalen Fokusnachführung auf der Oberfläche des Körpers angeordnet.

Die Drehgeschwindigkeit des Polygonscanners oder die Scanfrequenz des Galvo-Resonanzscanners ist so groß, dass die Ablenkgeschwindigkeit des Laserstrahls auf der Oberfläche des Körpers oder der Pulverschicht größer 50 m/s ist.
Dabei wird eine Oberfläche des Körpers oder der Pulverschicht mit dem durch den Zeilenscanner abgelenktem fokussierten Laserstrahl zeilenweise beaufschlagt. Ein Zeilenwechsel erfolgt mittels des Galvoscanners. Der fokussierte Laserstrahl mit einem Durchmesser kleiner 100 μm besitzt auf der Oberfläche eine Geschwindigkeit größer 50 m/s.
Die Einwirkzeit der Laserstrahlung auf der Oberfläche beträgt maximal 1 μs. Vorteilhafterweise entstehen durch mehrmaliges nacheinander folgendes zeilenweises Beaufschlagen mit mehreren Zeilenwechseln Körper mit dreidimensionalen Strukturen.
Der Strahlschalter im Strahlengang nach dem Laser mit einer Anstiegszeit kleiner 500 ns führt dazu, dass durch schnelles definiertes Ein- und Ausschalten des kontinuierlich strahlenden Lasers hoher Brillanz partiell bestrahlte konturierte Schichten des Körpers oder aus der Pulverschicht erzeugt werden. Dadurch können auch bei hohen Scangeschwindigkeiten Konturen erzeugt werden.
Dazu sind optische Modulatoren in Reihenschaltung oder Pockelszellen in Parallelschaltung angeordnet. Durch die Reihenschaltung der optischen Modulatoren wird vorteilhafterweise die schaltbare Leistung erhöht und die Schaltzeit verringert.
Alternativ werden zwei Pockelszellen für vorteilhafte Schaltzeiten kleiner 50 ns eingesetzt. Dabei wird der zufällig polarisierte Laserstrahl in zwei senkrecht zueinander polarisierte Laserstrahlen aufgeteilt, welche in den beiden Pockelszellen parallel geschalten und danach wieder zusammengeführt werden.
Zur schnellen Strahlablenkung ist der Zeilenscanner vorzugsweise ein Polygonscanner oder Galvo-Resonanzscanner.
Dabei ist die Drehgeschwindigkeit des Polygonscanners oder die Scanfrequenz des Galvo-Resonanzscanners so groß, dass die Ablenkgeschwindigkeit der Laserstrahlen auf der Oberfläche des Körpers oder der Pulverschicht größer 50 m/s ist. Durch die Fokussieroptik ist gewährleistet, dass der Fokus auf der Oberfläche des Körpers unabhängig vom Auslenkwinkel des Galvoscanners immer den gleichen Durchmesser und die gleiche vertikale Lage besitzt.
Die für die Mikrobearbeitung bekannten eingesetzten gütegeschalteten Laser weisen eine durchschnittliche Leistung von kleiner 100 W auf.
Die Einrichtung zur Hochleistungs-Mikrobearbeitung eines Körpers oder einer Pulverschicht mit einem Laser höher Brillanz und schneller Strahlablenkung zeichnet sich vorteilhafterweise dadurch aus, dass eine um mindestens eine Größenordnung höhere Bearbeitungsgeschwindigkeit erreicht wird. Dadurch eignet sich vorteilhafterweise die Einrichtung auch für eine Bearbeitung größerer Flächen. Weiterhin können auch Bearbeitungen als schneller Durchlaufprozess erfolgen.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Patentansprüchen 2 bis 5 angegeben.
Der Monomode-Faserlaser oder der Monomode-Scheibenlaser ist nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 2 ein hochrepetierender Ultrakurzpulslaser. Damit kann der Laser vorteilhafterweise zur schnellen Bearbeitung von Oberflächen, zum schnellen Abtragen von Schichten oder zur schnellen indirekten Bearbeitung mit einem Laserplasma eingesetzt werden.
Die mit dem abgelenkten Laserstrahl beaufschlagte Oberfläche der Pulverschicht ist nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 3 die Oberfläche einer mit einer sich drehenden Rakel aufgebrachten Pulverschicht, so dass wenigstens Partikel der Pulverschicht sintern und/oder schmelzen.
Die Drehgeschwindigkeit der Rakel ist nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 4 zur Durchführung des Hochleistungsverfahrens größer 100 U/min.
Die mit dem abgelenkten Laserstrahl beaufschlagte Oberfläche der Pulverschicht ist nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 5 die Oberfläche einer mit einer Breitstrahldüse aufgebrachten Pulverschicht, so dass die Schicht über ein selektives Pulverauftragsschweißen mit einem Körper verbunden wird.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen jeweils prinzipiell dargestellt und werden im Folgenden näher beschrieben.
Es zeigen:
1 eine Einrichtung zur Hochleistungs-Mikrobearbeitung eines Körpers oder einer Pulverschicht mit einem Laser hoher Brillanz,
2 eine Einrichtung zum Lasermikrosintern,
3 eine Einrichtung zur zwei- oder dreidimensionalen Mikrostrukturierung,
4 eine Einrichtung zum Pulverauftragsschweißen und
5 eine Einrichtung für ein PLD(Pulsed Laser Deposition)-Verfahren.
Die Einrichtungen zur Hochleistungs-Mikrobearbeitung eines Körpers mit einem Laser 1 hoher Brillanz der folgenden Ausführungsbeispiele bestehen dabei im Wesentlichen aus einem Strahlschalter 2, einem Galvoscanner 3, einem Zeilenscanner in Form vorzugsweise eines Polygonscanners 4 und einer Fokussieroptik in Form einer mindestens eindimensionalen f-Theta-Optik, die im Strahlengang nach dem Laser angeordnet sind.
Die 1 zeigt eine Einrichtung zur Hochleistungs-Mikrobearbeitung eines Körpers oder einer Pulverschicht mit einem Laser hoher Brillanz in einer prinzipiellen Darstellung.
Dabei wird eine Oberfläche des Körpers 5 oder der Pulverschicht mit dem durch den Polygonscanner 4 abgelenktem fokussierten Laserstrahl zeilenweise beaufschlagt. Ein Zeilenwechsel erfolgt mittels des Galvoscanners 3. Bei einer Ablenkgeschwindigkeit von 200 m/s und einer Scanlänge von 100 mm beträgt die Drehgeschwindigkeit des Polygonscanners 4 beispielsweise 10.000 U/min. Die Scanfrequenz beträgt dabei 2 kHz. Alternativ kann ein Galvo-Resonanzscanner mit einer Scanfrequenz von 2 kHz zum Einsatz gelangen.
Zur Erhaltung der Fokusposition beim Zeilenwechsel mit dem Galvoscanner 3 wird die f-Theta-Optik eingesetzt. Diese ist in der 1 nicht gezeigt.
In einem ersten Ausführungsbeispiel wird eine Einrichtung zum Lasermikrosintern genutzt.
Die 2 zeigt eine Einrichtung zum Lasermikrosintern in einer prinzipiellen Darstellung.
Dazu wird ein kontinuierlich strahlender Monomode-Faserlaser mit einer Leistung von 2,5 kW als Laser 1 eingesetzt. Monomode bedeutet in diesem und den folgenden Ausführungsbeispielen M² < 1,3. Der Laserstrahl wird auf einen Durchmesser von 60 μm fokussiert. Die Intensität im Fokus beträgt für das Verfahren notwendige 0,88·10⁸ W/cm². Bei einer Scangeschwindigkeit von 200 m/s ergibt sich eine durchschnittliche Einwirkzeit im Fokus von 300 ns. Auf die Oberfläche eines Körpers 5 werden nacheinander Pulverschichten 6 aufgetragen, die jeweils nach dem Aufbringen mit den Laserstrahlen des Lasers 1 beaufschlagt werden. Zum Auftrag wird eine schnell drehende Ringrakel 7 genutzt, deren Drehzahl vorzugsweise 250 U/min beträgt.
Bei einer Fläche des Bauraumes 8 von 10 cm² und einem Spurabstand von 30 μm ergibt sich eine Scanzeit von 165 ms für eine Pulverschicht 6. Bei einer Schichtdicke von 5 μm können mit diesem Hochleistungsverfahren pro Stunde 72 cm³ generiert werden. Die Auflösung des Verfahrens liegt im Bereich von kleiner 100 μm. Dafür sind Schaltzeiten des Strahlschalters 2 von kleiner 500 ns erforderlich. Der Körper befindet sich dabei vorteilhafterweise auf einem Träger 9, der in der Höhe verfahrbar ist. Es können mikrostrukturierte Werkzeuge oder integrierte Mikrogeräte, zum Beispiel eine Turbine in einem Gehäuse oder ein funktionales Mikrochirurgiewerkzeug, effektiv hergestellt werden. Das Sintern von superharten Materialien wie WC, TaC, TiC oder HfC ist möglich. Als Binder können hochschmelzende Metalle wie Wolfram und Tantal eingesetzt werden.
In einem zweiten Ausführungsbeispiel wird eine Einrichtung zur Lasermikrostrukturierung in Form einer zweidimensionalen Mikrostrukturierung eingesetzt.
Die 3 zeigt eine Einrichtung zur zwei- oder dreidimensionalen Mikrostrukturierung in einer prinzipiellen Darstellung.
Die Leistung des kontinuierlich strahlenden Monomode-Scheibenlasers als Laser 1 beträgt 2,5 kW. Der Fokusdurchmesser ist 40 μm und die Intensität im Fokus beträgt 2·10⁸ W/cm². Die Scangeschwindigkeit ist dabei 400 m/s, wodurch eine durchschnittliche Einwirkzeit im Fokus von 100 ns vorhanden ist. Die Auflösung des Verfahrens liegt im Bereich von kleiner 50 μm. Dafür sind Schaltzeiten des Strahlschalters von kleiner 125 ns und eine Scanfrequenz von 4 kHz erforderlich. Bei einem Spurabstand von 25 μm wird mit dem Verfahren eine Flächenabtragsrate von 100 cm²/s erzielt.
Dabei erfolgt ein strukturiertes Abtragen von Schichten bis zu einer maximalen Dicke von 5 μm. Das Verfahren und die Einrichtung sind für extrem schnelle Durchlaufprozesse oder eine Hochleistungsmikrostrukturierung von Oberflächenschichten, zum Beispiel für die Solartechnik, geeignet. Zur Realisierung eines Verfahrens oder einer Einrichtung zur Bearbeitung großer Flächen sind weitere Achsen zur Bewegung des Körpers oder zur Bewegung der Einrichtung zur Hochleistungs-Mikrobearbeitung angebracht.
In einem dritten Ausführungsbeispiel wird eine Einrichtung zur dreidimensionalen Mikrostrukturierung genutzt. Die Leistung des kontinuierlich strahlenden Monomode-Faser- oder Monomode-Scheibenlasers als Laser 1 beträgt 2,5 kW, der Fokusdurchmesser ist 20 μm. Die Intensität im Fokus beträgt 8·10⁸ W/cm². Die Scangeschwindigkeit ist dabei 400 m/s, wodurch sich eine durchschnittliche Einwirkzeit im Fokus von 50 ns ergibt. Die Auflösung des Verfahrens liegt im Bereich von kleiner 25 μm. Dafür sind Schaltzeiten des Strahlschalters von kleiner 62,5 ns und eine Scanfrequenz von 4 kHz erforderlich. Bei einem Spurabstand von 25 μm und einer Abtragtiefe von 10 μm wird mit dem Verfahren und der Einrichtung eine Volumenrate von 6 cm³/min erzielt. Dabei werden insbesondere Mikrokavitäten für Werkzeuge in harte oder superharte Materialien oder dreidimensional strukturierte Oberflächen in Keramik, zum Beispiel für die Dentaltechnik, hergestellt. Die 3 zeigt dazu eine Einrichtung zur zwei- oder dreidimensionalen Mikrostrukturierung in einer prinzipiellen Darstellung.
In einem vierten Ausführungsbeispiel wird eine Einrichtung für ein Oberflächenverfahren genutzt. Es kommt ein fs-Monomode-Faserlaser als Laser 1 mit einer Leistung von 1 kW zum Einsatz. Die Repetitionsrate des Lasers 1 beträgt 100 MHz, die Pulszeit ist 300 fs und die Pulsenergie beträgt 10 μJ. Die Scangeschwindigkeit ist 400 m/s bei einem Spurabstand von 100 μm. Dabei kommen eine lange Brennweite von 1000 mm und ein relativ großer Fokusdurchmesser kleiner/gleich 100 μm zum Einsatz. Die maximale Intensität im Fokus beträgt 1·10¹¹ W/cm². Die durchschnittliche Einwirkzeit beträgt 250 ns. Die Auflösung des Verfahrens und der Einrichtung liegen im Bereich von kleiner 100 μm. Dafür sind Schaltzeiten des Strahlschalters 2 von kleiner 250 ns erforderlich. Bei einem Spurabstand von 100 μm wird mit dem Verfahren und der Einrichtung eine Flächenbearbeitungsrate von 400 cm²/s erzielt. Dabei werden Oberflächen durch Erzeugen von Nanostrukturen, Mikromustern, definierten Rauheiten, Materialmodifikationen oder durch partielles Verdichten (Härten) sowie durch Reinigen in großer Geschwindigkeit funktionalisiert.
In einem fünften Ausführungsbeispiel wird und eine Einrichtung für ein Pulverauftragsschweißen genutzt.
Die 4 zeigt eine Einrichtung zum Pulverauftragsschweißen in einer prinzipiellen Darstellung.
Die Leistung des kontinuierlich strahlenden Monomode-Faser- oder Monomode-Scheibenlasers als Laser 1 beträgt 2,5 kW. Der Laserstrahl wird auf einen Durchmesser von 60 μm fokussiert. Die Intensität im Fokus beträgt 0,88·10⁸ W/cm². Bei einer Scangeschwindigkeit von 200 m/s ergibt sich eine durchschnittliche Einwirkzeit im Fokus von 300 ns. Die Pulverzufuhr erfolgt mittels einer Breitstrahldüse. Dabei handelt es sich um ein selektives Pulverauftragsschweißen, wobei mit einem Spurabstand von 50 μm ungefähr 10 cm²/s mit einer Schichtdicke von 10 μm erzeugt werden können.
Derartige Schichten sind beispielsweise Leiterbahnen 10 aus der Pulverschicht 6 für die Solartechnik oder Mikroerhebungen auch auf großflächigen Werkzeugen als Körper 5. Darüber hinaus können auch Mikroteile mit begrenzter Hinterschneidung, beispielsweise beliebig geformte Röhrchen, hergestellt werden. Das Pulverauftragsschweißen von superharten Materialien wie WC, TaC, TiC oder HfC ist möglich. Als Binder können hochschmelzende Metalle wie Wolfram oder Tantal eingesetzt werden.
In einem sechsten Ausführungsbeispiel wird eine Einrichtung für eine Plasmabearbeitung genutzt.
Die Leistung des kontinuierlich strahlenden Monomode-Faserlasers als Laser 1 beträgt 5 kW, der Fokusdurchmesser ist 10 μm. Die Intensität im Fokus beträgt 6,4·10⁹ W/cm².
Alternativ kann ein fs-Monomode-Faserlaser mit einer Leistung von 1 kW zum Einsatz gelangen. Die Repetitionsrate des Lasers 1 beträgt 100 MHz, die Pulszeit ist 300 fs und die Pulsenergie beträgt 10 μJ. Der Fokusdurchmesser ist 10 μm und die Intensität beträgt im Fokus 1·10¹³ W/cm².
Die Scangeschwindigkeit beträgt dabei jeweils 400 m/s, wodurch sich eine durchschnittliche Einwirkzeit im Fokus von 25 ns ergibt. Die benötigte Scanfrequenz beträgt 4 kHz. Die Auflösung liegt im Bereich von kleiner 20 μm. Dafür sind Schaltzeiten des Strahlschalters 2 von kleiner 50 ns erforderlich. Bei einem Spurabstand von 10 μm wird eine Flächenabtragsrate von 40 cm²/s erzielt.
Der Laserfokus liegt über der zu bearbeitenden Oberfläche. Dabei erfolgt eine indirekte Bearbeitung mit dem entstehenden Laserplasma, ähnlich dem Sputtern. Besonders vorteilhaft können damit Silizium, Glas oder Keramik spannungsarm mikrostrukturiert werden.
In einem siebten Ausführungsbeispiel wird eine Einrichtung für ein PLD(Pulsed Laser Deposition)-Verfahren genutzt.
Die 5 zeigt eine nicht zur Erfindung gehörende Einrichtung für ein PLD-Verfahren in einer prinzipiellen Darstellung.
Die Leistung des Lasers 1 beträgt 2,5 kW, der Fokusdurchmesser ist 10 μm. Die Intensität im Fokus beträgt 3,2·10⁹ W/cm². Die Scangeschwindigkeit ist 400 m/s, wodurch sich eine durchschnittliche Einwirkzeit im Fokus von 25 ns ergibt. Die notwendige Auflösung liegt im Bereich von kleiner 200 μm. Dafür sind Schaltzeiten des Strahlschalters 2 von kleiner 500 ns erforderlich. Die Scanfrequenz beträgt 8 kHz bei einer Länge der Scanlinie von 50 mm. Bei einem Spurabstand von 25 μm wird mit dem Verfahren und der Einrichtung auf dem Target 11 als Körper 5 eine Flächenabtragsrate von 100 cm²/s erzielt. Dadurch können hohe Schichtabscheideraten auf einem Substrat erreicht werden. Das Substrat ist in der 5 nicht gezeigt.

Claims

Einrichtung zur Hochleistungs-Mikrobearbeitung eines Körpers oder einer Pulverschicht mit einem Laser hoher Brillanz, mit der partiell bestrahlte konturierte Schichten des Körpers (5) oder eine partiell bestrahlte kontinuierte Schicht aus der Pulverschicht (6) erzeugt werden, wobei im Strahlengang nach einem Monomode-Faserlaser oder einem Monomode-Scheibenlaser mit einer Leistung größer 1 kW als Laser (1) – ein Strahlschalter (2) in Form optischer Modulatoren in Reihenschaltung oder Pockelszellen in Parallelschaltung mit einer Anstiegszeit kleiner 500 ns, – ein Galvoscanner (3) für einen Zeilenwechsel, – ein Zeilenscanner (4) als entweder ein Polygonscanner oder ein Galvo-Resonanzscanner zur schnellen Strahlablenkung, wobei die Drehgeschwindigkeit des Polygonscanners oder die Scanfrequenz des Galvo-Resonanzscanners so groß ist, dass die Ablenkgeschwindigkeit des Laserstrahls auf der Oberfläche des Körpers oder der Pulverschicht größer 50 m/s ist, und – eine Fokussieroptik als entweder eine mindestens eindimensionale f-Theta-Optik oder eine Fokussieroptik mit einem Element zur vertikalen Fokusnachführung auf der Oberfläche des Körpers oder der Pulverschicht angeordnet sind, so dass die Oberfläche des Körpers (5) oder der Pulverschicht (6) mit dem durch den Zeilenscanner abgelenkten fokussierten Laserstrahl zeilenweise beaufschlagt wird und mittels des Galvoscanners (3) ein Zeilenwechsel erfolgt, wobei der fokussierte Laserstrahl mit einem Durchmesser kleiner 100 μm auf der Oberfläche eine Geschwindigkeit größer 50 m/s besitzt.
Einrichtung nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Monomode-Faserlaser oder der Monomode-Scheibenlaser ein hochrepetierender Ultrakurzpulslaser ist.
Einrichtung nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die mit dem abgelenkten Laserstrahl beaufschlagte Oberfläche der Pulverschicht (6) die Oberfläche einer mit einer sich drehenden Ringrakel (7) aufgebrachten Pulverschicht (6) ist, so dass wenigstens Partikel der Pulverschicht (6) sintern und/oder schmelzen.
Einrichtung nach Patentanspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Drehgeschwindigkeit der Ringrakel (7) größer 100 U/min ist.
Einrichtung nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die mit dem abgelenkten Laserstrahl beaufschlagte Oberfläche der Pulverschicht (6) die Oberfläche einer mit einer Breitstrahldüse aufgebrachten Pulverschicht (6) ist, so dass die Pulverschicht (6) über ein selektives Pulverauftragsschweißen mit einem Körper verbunden wird.