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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bearbeiten, insbesondere
zum Glätten und Polieren von Oberflächen eines
Werkstücks mit einem Laserstrahl, sowie ein durch dieses
Verfahren bearbeitetes Werkstück.
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Stand der Technik
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Das
Polieren von Werkstoffen mit Laserstrahlung beruht auf dem Umschmelzen
einer dünnen Oberflächenrandschicht mittels Laserbestrahlung.
Im Vergleich zum konventionellen Schleifen und Polieren stellt das
Laserstrahlpolieren in der Regel einen mehrstufigen Prozess dar.
So ist beispielsweise in der
DE
102 28 743 ein Verfahren zum Glätten und Polieren
von Oberflächen offenbart, bei dem die zu glättende
Oberfläche unter Einsatz von Laserstrahlung in einem mehrstufigen
Bearbeitungsprozess behandelt wird, der in Grob- und Feinbearbeitung
unterteilt werden kann. Dabei werden in einer ersten Bearbeitungsstufe
die Makrorauigkeiten der zu glättende Oberfläche
durch Umschmelzung, unter Einwirkung der Grenzflächenspannung
beseitigt und anschließend in einer zweiten Bearbeitungsstufe
die auf der Oberfläche verbleibenden Mikrorauigkeiten durch
eine Kombination aus Umschmelzen und Abdampfen eingeebnet.
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Die
bei diesen Verfahren verwendeten Laser sind entweder gepulste oder
cw-Laser mit einem kreisförmigen Laserstrahl, der mäanderförmig
(scannend) über die zu bearbeitende Oberfläche
geführt wird. In Abhängigkeit von dem Lasermodus
(cw oder gepulst), der mittleren Laserleistung, dem Laserstrahldurchmesser
und der Vorschubgeschwindigkeit entstehen auf der Oberfläche
des Werkstücks Laserspuren, die in der Regel einem Streifenmuster ähneln.
Grundsätzlich können durch das oben genannte Verfahren
Unebenheiten in der Oberfläche geglättet und die
Oberflächenrauigkeit gesenkt werden, allerdings stellt
sich die Schmelzdynamik der Schmelzflächen als große
Herausforderung bei der Prozessbeherrschung dar. Durch die Laserbestrahlung
und dem daraus resultierenden Temperaturunterschied bilden sich über
den Schmelzbädern Oberflächenspannungsgradienten
(Marangoni-Effekt) aus, so dass die Schmelze in Abhängigkeit
der physikalischen Kennwerte der Schmelze von der Schmelzbadmitte
nach außen oder von den Rändern nach innen strömt,
wodurch feine Oberflächenunebenheiten entstehen.
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Andererseits
werden die genannten Strömungseffekte gezielt ausgenutzt,
um ein Wellenprofil in die Oberfläche des Werkstückes
einzubringen, wobei es sich auch hierbei als nachteilig erweist,
dass die Schmelzdynamik der Schmelzflächen nicht kontrollierbar
beherrscht und gezielt eingesetzt werden kann.
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Die
Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht somit darin, ein Verfahren
zum Bearbeiten, insbesondere zum Glätten und Polieren von
Oberflächen eines Werkstücks mit einem Laserstrahl
bereitzustellen, bei dem die oben genannten Nachteile überwindet,
die auftretende Strömungen in der Schmelze beeinflusst
und gezielt an die jeweils zu erzielenden Prozessergebnisse angepasst
werden können.
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Offenbarung der Erfindung
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Vorteile der Erfindung
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Die
Lösung der Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß durch
ein Verfahren zum Bearbeiten von Oberflächen eines Werkstücks
mit einem Laserstrahl mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Bevorzugte Ausgestaltungen
der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
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Bei
einem erfindungsgemäßen Verfahren zum Bearbeiten
von Oberflächen eines Werkstücks wirkt ein von
einer Laserstrahlquelle erzeugter Laserstrahl bereichsweise derart
auf die Oberfläche des Werkstückes ein, dass in
diesem Bereich die Oberfläche des Werkstückes
zu einer Schmelze umgeschmolzen wird. Dabei weist der Laserstrahl
eine Intensitätsverteilung und ein Laserstrahlprofil auf,
wobei das Verfahren erfindungsgemäß ein Element
zur Formung des Laserstrahls vorsieht, durch das die Intensitätsverteilung
des Laserstrahls individuell reguliert werden kann. Auf diese Weise
ist eine gezielte Anpassung des Laserstrahls an die Eigenschaften der
Schmelze und des Werkstoff während eines Laserbearbeitungsverfahrens,
wie beispielsweise dem Laserpolieren, möglich.
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In
einer bevorzugten Weiterbildung ist ferner vorgesehen, dass durch
das Element auch das Profil des Laserstrahls, wie Durchmesser und
Laserstrahlform flexibel regulierbar ist. Auf diese Weise ist es möglich, über
das Element auch den Strahldurchmesser und die Form des Laserstrahls
abhängig von einem gewünschten Verfahrensziel
einzustellen und darüber die Schmelze vorteilhaft zu beeinflussen. Vorteilhafterweise
verringert sich dadurch auch der Wärmeeintrag ins Werkstück,
so dass sich scharf abgegrenzte Schmelzflecken ausbilden, die sich
vorteilhaft auswirken können, wenn das Werkstück
mit mehreren Laserspuren bestrahlt wird und Überlappungsbereiche
zwischen den Laserspuren möglichst gering gehalten werden
sollen.
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Vorzugsweise
wird als Element ein optisches Element, wie beispielsweise eine
Linse oder ein Spiegel als Filter verwendet, so dass durch die geeignete
Wahl des optischen Elementes das gewünschte Strahlprofil
erzeugt werden kann.
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Wobei
in einer besonders vorteilhaften Ausführungsform das Element
aus einem im Wesentlichen transparenten Material bestehet, dass
einen derart großen Brechungsindex aufweist, um innerhalb
des optischen Elements den Laserstrahl vollständig oder
teilweise auf eine geeignete Stelle abzuleiten, die den abgeblendeten
und abgeleiteten Teil des Laserstrahls absorbieren kann und gegebenenfalls
aktiv oder passiv gekühlt ist. Alternativ kann das Element
auch aus einem Material bestehen, das einen Teil des Laserstrahls
absorbiert, ohne sich dabei stark aufzuheizen.
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Besonders
vorteilhaft kann die Richtung der Schmelzenströmung innerhalb
der Schmelze abhängig von den physikalischen Kennwerten
der Schmelze und des Werkstoffes auch durch Hinzufügen
von Legierungsmitteln in die Schmelze und/oder durch Schutzgas beeinflusst
werden.
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Bevorzugt
wird der Laserstrahl derart geformt, dass eine im Wesentlichen konstante Schmelztiefe
innerhalb der Schmelze erreicht wird, so dass eine optimale Anpassung
der Schmelztiefe an die Anforderungen des Bearbeitungsverfahrens ermöglicht
wird. Vorteilhaft kann der Laserstrahl derart geformt werden, dass
die Schmelzenströmung innerhalb der Schmelze nahezu vollständig
unterdrückt oder derart beeinflusst wird, dass eine zuvor
definierte Oberflächenstruktur, wie beispielsweise ein
makroskopisches Wellenprofil mit mikroskopisch polierter Oberfläche,
auf die Oberfläche des Werkstückes eingebracht
werden kann.
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Das
Laserstrahlprofil wird vorzugsweise eckig und besonders vorteilhaft
rechteckig geformt, da der Überlappungsbereich der Laserspuren,
die insbesondere bei einer kreisförmigen Strahlenform recht
groß ausfallen, entsprechend minimiert und dadurch wiederum
sowohl die Verfahrensgeschwindigkeit als auch die Verfahrenseffizienz
erhöht werden.
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Sowohl
bei der eckigen als auch bei andersartig geformten Laserstrahlprofilen
kann durch eine entsprechende Intensitätsverteilung innerhalb
des Laserstrahls die Schmelztiefe während des Verfahrens
optimiert werden. So kann in einem besonders vorteilhaften Verfahren
der Laserstrahl derart geformt werden, dass eine minimale Überlappung
der bereits umgeschmolzenen Bereiche erfolgt und beispielsweise
bei runden Laserstrahlprofilen die Intensitätsverteilung
in Überlappungsbereichen reduziert werden.
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Das
Verfahren ist besonders bevorzugt mit einem gepulsten oder einem
cw-Laser durchführbar und kann überall dort, wo
lokale Oberflächeneigenschaftsveränderungen notwendig
werden oder die Zugänglichkeit zur Bearbeitungsfläche
für konventionelle Verfahren nicht gegeben ist, wie beispielsweise dem
Polieren von Gleitflächen oder Dichtflächen in Ventilen,
eingesetzt werden.
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Weitere
Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen
Verfahrens sind den Zeichnungen und den Patentansprüchen
zu entnehmen.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Die
vorliegende Erfindung wird durch die im Folgenden gezeigten und
diskutierten Figuren und die nachfolgende Beschreibung genauer erläutert. Dabei
ist zu beachten, dass die Figuren nur beschreibenden Charakter haben
und nicht dazu gedacht sind, die Erfindung in irgendeiner Form einzuschränken.
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Es
zeigen:
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1a einen
schematischen Querschnitt durch ein mit einem konventionellen Verfahren
bearbeitetes Werkstück mit einer bereits ausgebildeten Schmelze;
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1b einen
schematischen Querschnitt durch ein mit einem konventionellen Verfahren
bearbeitetes Werkstück mit einer bereits ausgebildeten Schmelze;
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2 eine
Intensitätsverteilung innerhalb eines Laserstrahls bei
einem erfindungsgemäßen Verfahren
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3a einen
schematischen Querschnitt durch ein mit einem konventionellen Verfahren
bearbeitetes Werkstück;
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3b einen
schematischen Querschnitt durch ein mit einem konventionellen Verfahren
bearbeitetes Werkstück;
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3c einen
schematischen Querschnitt durch ein mit einem erfindungsgemäßen
Verfahren bearbeitetes Werkstück;
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4a in
einem Diagramm eine Intensitätsverteilung eines Laserstrahls
bei einem konventionellen Verfahren und eine damit erzeugten Temperaturverteilung
einer Schmelze; und
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4b in
einem Diagramm eine Intensitätsverteilung eines Laserstrahls
bei einem erfindungsgemäßen Verfahren und eine
damit erzeugten Temperaturverteilung einer Schmelze.
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Beschreibung der Abbildungen
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Die
in den 1a und 1b vereinfacht dargestellten
Querschnitte durch ein Werkstück 20 zeigen ein
mit einem konventionellen Verfahren bearbeitetes Werkstück 20.
Dabei wurde mit einem nicht dargestellten Laserstrahl 10 die
Oberfläche 30 des Werkstückes 20 bereichsweise
derart mit dem Laserstrahl 10 bestrahlt, dass eine Schmelze 40 entstand, dabei
weist der Laserstrahl 10 eine Intensitätsverteilung 15 und
die Schmelze 40 eine Temperaturverteilung 42 auf.
Abhängig von der Intensitätsverteilung 15 des
Laserstrahls 10, entsteht innerhalb der Schmelze 40 eine
Schmelzenströmung 45, die in Abhängigkeit
von den physikalischen Kennwerten der Schmelze 40 von den
Schmelzenrändern zur Schmelzenmitte (siehe untere 1a)
oder von der Schmelzenmitte nach außen (1b)
verläuft. Dies führt meist zu einer steigenden
Unebenheit der Oberfläche 30.
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2 zeigt
eine mögliche Variante der Strahlumformung eines Laserstrahls 10 durch
eine Element 50 während eines erfindungsgemäßen
Verfahrens. Dabei weist der Laserstrahl 10 sowohl eine an
das Verfahrensziel angepasste Intensitätsverteilung 15 als
auch ein rechteckiges Laserstrahlprofil 17 auf.
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Die
Oberflächen 30 der in 3a bis 3c dargestellten
Werkstücke 20 wurden alle mit einem Laserstrahl 10 bearbeitet,
wobei das in 3a und 3b dargestellte
Werkstück 20 mit einem konventionellen Verfahren
und das in 3c dargestellte Werkstück 20 mit
einem erfindungsgemäßen Verfahren bearbeitet wurde. Üblicherweise
wird bei einer Oberflächenbehandlung die Oberfläche 30 des Werkstücks 20 scannend,
bzw. mäanderförmig bestrahlt. Damit konstante
Schmelztiefen erzeugt werden, ist es notwendig Randbereiche der
Schmelze 40, bzw. einen Teil der bereits bearbeiteten Oberfläche 30,
erneut mit dem Laserstrahl 10 zu bestrahlen. Auf diese
Weise entsteht zwischen den einzelnen Laserstrahlspuren eine Überlappung 60,
welche insbesondere bei einem konventionellen Verfahren mit einem
kreisförmigen Laserstrahlprofil 17 und nicht angepasster
Intensitätsverteilung 15 relativ groß ausfallen
(siehe 3a und 3b). Eine
derart große Überlappung 60 ist aber
bei konventionellen Bearbeitungsverfahren notwendig, um die durch
die Schmelzenströmung 45 entstehende Welligkeit
der Oberfläche 30 entsprechend zu verringern.
Allerdings wirkt sich eine derart große Überlappung 60 negativ
auf das jeweilige Bearbeitungsverfahren aus, da dadurch sowohl die
Verfahrensgeschwindigkeit als auch die Verfahrenseffizienz sinkt.
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Wie
in 3c dargestellt, ist es bei einem erfindungsgemäßen
Verfahren mit einem vorzugsweise rechteckförmigen Laserstrahlprofil 17 und
einer angepassten Intensitätsverteilung 15 möglich,
die Überlappung 60 und die Schmelztiefe der einzelnen Laserspuren
derart zu optimieren, dass sowohl die Schmelztiefe als auch die Überlappung 60 reproduzierbar
in gewünschter Art und Weise beeinflusst werden kann. Auf
diese Weise kann die Schmelzenströmung 45 derart
beeinflusst werden, dass die Verfahrensgeschwindigkeit und die Verfahrenseffizienz erhöht
wird (3c).
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4a zeigt
die Intensitätsverteilung 15 eines Laserstrahls 10 und
die entsprechende Temperaturverteilung 42 einer Schmelze 40 bei
einem konventionellen Bearbeitungsverfahren, wobei die Schmelze 40 bei
einer Schmelztemperatur 41 schmilzt. Die durch den Laserstrahl 10 entstehende Temperaturverteilung 42 der
Schmelze 40 gleicht der in etwa einer Gaußschen Glockenkurve,
so dass die Temperatur der Schmelze 40 in der Mitte des
Strahls maximal ist und zum Rand hin exponentiell abfällt.
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4b hingegen
zeigt eine Intensitätsverteilung 15 eines Laserstrahls 10 und
die entsprechende Temperaturverteilung 42 einer Schmelze 40 bei
einem erfindungsgemäßen Verfahren. Der Laserstrahl 10 wurde
durch ein Element 50 dergestalt angepasst, dass die Bereiche
der Schmelze 40, die einen hohen Wärmeverlust
(Randbereiche) aufweisen mit einer höheren Leistungsintensität
des Laserstrahls 10 bestrahlt werden als Zonen mit einem
geringen Wärmeverlust. Auf diese Weise ist eine konstante
Temperaturverteilung 42 innerhalb der Schmelze 40 möglich, so
dass reproduzierbare und schärfer abgegrenzte Laserspuren
auf der Oberfläche 30 des Werkstücks 20 mit
angepasster Schmelztiefe erzeugt und die Schmelzenströmungen 45 entsprechend
beeinflusst oder vollständig unterdrückt werden
können.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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