DE102010003817B4 - Werkstückschutzfolie und damit folienbeschichtetes Werkstück - Google Patents

Werkstückschutzfolie und damit folienbeschichtetes Werkstück Download PDF

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Abstract

Werkstückschutzfolie (21) zum Aufkleben auf ein Werkstück (2) zur Lasermaterialbearbeitung, dadurch gekennzeichnet, dass die Werkstückschutzfolie (21) zwei Folienlagen (25, 26) aufweist, wobei die eine, erste Folienlage als Absorptionsschicht (25) ausgebildet ist, deren Absorption bei Laserwellenlängen im Bereich von ca. 1 μm derart hoch gewählt ist, dass noch vor Beginn der eigentlichen Materialbearbeitung des Werkstücks (2) die Werkstückschutzfolie (21) durch den auftreffenden Laserstrahl (4) bereits lokal verdampft ist, und deren Absorption bei Laserwellenlängen im Bereich von ca. 1 μm größer als die Absorption der anderen, zweiten Folienlage (26) ist.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine Werkstückschutzfolie zum Aufkleben auf ein Werkstück zur Lasermaterialbearbeitung, insbesondere zum Laserschneiden, sowie ein damit folienbeschichtetes Werkstück.
  • In der Lasermaterialbearbeitung, insbesondere beim Laserstrahlschneiden, -abtragen oder -schweißen, wird das zu bearbeitende Werkstück oftmals vor dem Prozess mit einem Überzug versehen. Dieser kann verschiedenen Zwecken, wie beispielsweise dem Schutz des Werkstücks, ästhetischen Aspekten oder der Einstellung von Materialeigenschaften der Oberfläche dienen.
  • Beispielsweise kann eine Lasermaterialbearbeitung zu Materialauswürfen führen, die ober- und/oder unterhalb der Bearbeitungsstelle am Werkstück anhaften. Diese Materialanhaftungen müssen in vielen Fällen im Rahmen einer Nachbearbeitung wieder entfernt werden, was sowohl zeit- als auch kostenintensiv ist.
  • Um diese Nacharbeiten zu vermeiden, werden bei der Lasermaterialbearbeitung mittels CO2-Lasers, also bei einer Laserwellenlänge von 10,6 μm, Schutzfolien verwendet, die auf der während der Bearbeitung dem Laserstrahl zugewandten Werkstückoberfläche aufgebracht werden und ein Anhaften von Materialpartikeln direkt auf der Werkstückoberfläche verhindern. Solche Schutzfolien werden über eine Klebeschicht auf dem Werkstück aufgebracht. Diese 10,6 μm-Schutzfolien sind aus preisgünstigem PE (Polyethylen) und weisen bei der CO2-Laserwellenlänge von 10,6 μm eine Absorption von ca. 85% auf.
  • Für eine Lasermaterialbearbeitung mit einer Wellenlänge im nahen Infrarotbereich von ca. 1 μm, wie sie z. B. von YAG-Lasern erzeugt werden, weisen jedoch diese konventionellen 10,6 μm-Schutzfolien eine wesentlich geringere Absorption der Laserstrahlung auf, so dass ein lokales Verdampfen der Schutzfolie vor dem eigentlichen Beginn des Bearbeitungsprozesses am Werkstück selbst nicht erfolgt. Somit ist die Bearbeitungsstelle durch eine 10,6 μm-Schutzfolie zwar gegenüber der Umgebung abgedeckt, aber das verdampfte Material kann nicht entweichen. Diese Dämpfe führen dann zur Blasenbildung und Ablösung der 10,6 μm-Schutzfolie vom Werkstück, wodurch die Schutzwirkung im Bereich der Bearbeitungsstelle nicht mehr gegeben ist. Insbesondere stört die in Richtung Laserbearbeitungskopf aufgeblähte Folie eine ggf. für den Prozess verwendete Abstandsregelung derart, dass dies in einer Fehleinstellung und in einer entsprechend schlechteren Schnittqualität resultiert. Auch besteht die Gefahr, dass eine an der Werkstückoberfläche noch vorhandene Folie oder deren Bestandteile in das Schmelzbad gezogen oder an den Schnittkanten eingebrannt werden und dadurch die Schneid- bzw. Schnittqualität negativ beeinflusst wird. Folienbeschichtete Bleche gelten daher bisher mit YAG-Lasern, also mit Wellenlängen im nahen Infrarotbereich von ca. 1 μm, als nicht schneidbar.
  • Vergleichbar verhält es sich bei Werkstücken, die mit anderen Werkstücküberzügen, wie Lacken oder Pulverbeschichtungen, versehen sind. Auch hier können sich die Werkstücküberzüge, die vor Beginn des Bearbeitungsprozesses nicht verdampft werden, von der Werkstückoberfläche im Bereich der Schneidkanten ablösen und/oder mit den beschriebenen Folgen in das Schmelzbad gezogen oder an den Schnittkanten eingebrannt werden.
  • Aus DE 10 2005 048 860 A1 ist ein Schutzfilm für die Verwendung bei der Vereinzelung von Wafern bekannt. Der Schutzfilm besteht aus einem mit wasserlöslichem Harz und wasserlöslichen Laserlichtabsorptionsmitteln für 355 nm bestehenden Schutzfilmmittel, das auf die Waferoberfläche aufgebracht und getrocknet wird.
  • Aus DE 101 23 852 C1 ist weiterhin eine Folie zum Einsatz bei der Lasermaterialbearbeitung stark reflektierender Oberflächen bekannt. Die Folie ist hierzu absorbierend, bspw. durch die Beimengung schwarzer Pigmente, ausgeführt und sowohl für Strahlung im Bereich 1 μm als auch 10 μm anwendbar. Die Folie dient primär der lokalen Erwärmung, nicht dem Schutz des zu bearbeitenden Bleches. Durch die Anwesenheit dieser auf das Werkstück auflegbaren Absorptionsfolie für 1 μm Laserwellenlänge bewirkt der Laserstrahl eine lokale Erwärmung des Werkstücks und verdampft die Folie beim Auftreffen des Laserstrahls an dieser Stelle.
  • Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Werkstückschutzfolie sowie ein damit folienbeschichtetes Werkstück bereitzustellen, die bei einer Laserwellenlänge im nahen Infrarotbereich von ca. 1 μm eine Lasermaterialbearbeitung ohne Ablösen der Werkstückschutzfolie und/oder Negativbeeinflussung der Schneid- bzw. Schnittqualität ermöglichen und die vergleichsweise preisgünstig verfügbar sind.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die Werkstückschutzfolie zwei Folienlagen aufweist, wobei die eine, erste Folienlage als Absorptionsschicht ausgebildet ist, deren Absorption bei Laserwellenlängen im Bereich von ca. 1 μm derart hoch gewählt ist, dass noch vor Beginn der eigentlichen Materialbearbeitung des Werkstücks die Werkstückschutzfolie durch den auftreffenden Laserstrahl bereits lokal verdampft ist, und deren Absorption bei Laserwellenlängen im Bereich von ca. 1 μm größer als die Absorption der anderen, zweiten Folienlage ist. Bei dem Werkstück handelt es sich bevorzugt um ein Blech.
  • Die erfindungsgemäße Werkstückschutzfolie weist aufgrund ihrer Absorptionsschicht eine ausreichende Absorption der Laserstrahlung im nahen Infrarotbereich auf, um das Verdampfen des Werkstücküberzugs zu bewirken, bevor der eigentliche Materialbearbeitungsprozess selbst initiiert wird. Durch die im Bereich von ca. 1 μm ausreichend hoch absorbierende Absorptionsschicht wird somit eine YAG-lasertaugliche Werkstückschutzfolie bereitgestellt, bei der der Verdampfungsprozess genauso funktioniert wie bei der 10,6 μm-Schutzfolie für die Materialbearbeitung mit einem CO2-Laser. Durch die YAG-lasertaugliche Werkstückschutzfolie können damit überzogene Bleche erfindungsgemäß erstmals mit einem YAG-Laser bearbeitet, insbesondere geschnitten, werden.
  • Aus der Laserbeschriftung von Kunststoffen mit Wellenlängen von ca. 1 μm ist es bekannt, dass durch absorptionssteigernde Additive eine Beschriftung oft erst ermöglicht wird. Neben Ruß (Kohlenstoff), der bei einer Laserwellenlänge von ca. 1 μm gut absorbiert, aber wegen der Schwarzfärbung oft nicht angewendet wird, gibt es auch andere absorbierende Additive wie „Lazerflair®” der Fa. Merck oder „Micabs®” der Firma DSM, die in geringen Beimengungen zum Farbstoff schon zur gewünschten Absorptionserhöhung führen.
  • In einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist die Absorptionsschicht zwischen der zweiten Folienlage und einer außenseitigen Klebeschicht der Werkstückschutzfolie gebildet, wobei die Absorption der Absorptionsschicht bei Laserwellenlängen im Bereich von ca. 1 μm größer als die Absorption der Klebeschicht ist und über ihre Farbe bzw. Schwarzfärbung, über Additive und/oder über ihre Schichtdicke entsprechend eingestellt werden kann. Die Absorptionsschicht kann beispielsweise auf eine konventionelle 10,6 μm-Schutzfolie aufgeklebt oder auflaminiert oder flüssig aufgetragen und getrocknet werden, bevor dann die Klebeschicht außen auf die Absorptionsschicht aufgebracht wird.
  • Vorzugsweise beträgt die Absorption der Absorptionsschicht bei Laserwellenlängen im Bereich von ca. 1 μm mindestens 5%, bevorzugt mindestens 50%, besonders bevorzugt mindestens 70%. Die Absorption ist so zu bemessen, dass bei der gewünschten Prozessgeschwindigkeit die notwendige Leistung zum Verdampfen oder Cracken des Folienwerkstoffes ausreichend ist.
  • Die Erfindung betrifft auch ein mit der Werkstückschutzfolie folienbeschichtetes Werkstück zur Lasermaterialbearbeitung bei einer Laserwellenlänge im Bereich von ca. 1 μm, wobei eine wie oben ausgebildete Werkstückschutzfolie auf die Werkstückoberfläche aufgeklebt ist.
  • Zum lokalen Verdampfen der Absorptionsschicht vor Beginn der eigentlichen Materialbearbeitung wird ausgenutzt, dass der auftreffende Laserstrahl eine typischer Weise rotationssymmetrische, gaußförmige Intensitätsverteilung aufweist, deren Zentralbereich, der sich von einem Maximum der Intensitätsverteilung zu einem bestimmten Intensitätswert, z. B. zu ca. 70% oder 80% der maximalen Intensität erstreckt, zur Materialbearbeitung genutzt wird. Beim Laserschneiden definiert dieser Zentralbereich die Breite des Schnittspalts. Zum Verdampfen der Absorptionsschicht wird der Anteil der Intensitätverteilung genutzt, der sich in Bearbeitungsrichtung im Vorlauf zu diesem Zentralbereich befindet. Die Eigenschaften der Absorptionsschicht, insbesondere deren Absorption sind so gewählt, dass bei der gewünschten Prozess-Geschwindigkeit (Vorschub-Geschwindigkeit des Laserstrahls) die Leistung des Laserstrahls im Bereich des Vorlaufs ausreicht, um die Absorptionsschicht zu verdampfen, bevor der Zentralbereich des Laserstrahls diese erreicht.
  • Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, der Beschreibung und der Zeichnung. Die gezeigten und beschriebenen Ausführungsformen sind nicht als abschließende Aufzählung zu verstehen, sondern haben vielmehr beispielhaften Charakter für die Schilderung der Erfindung.
  • Es zeigen:
  • 1 bis 4 vier verschiedene Ausführungsbeispiele eines mit einem Werkstücküberzug, insbesondere in Form einer lasertauglichen Schutzfolie, überzogenen Werkstücks (z. B. Blech), wobei nur die 3 eine erfindungsgemäße Ausführungsform darstellt und die 1, 2 und 4 nicht von der Erfindung umfasst sind.
  • Die in 1 auf ein Werkstück 2 aufgeklebte lasertaugliche Schutzfolie 1 dient zum Schutz der Werkstückoberfläche 3 bei einer Laserbearbeitung des Werkstücks 2, insbesondere beim Laserschneiden, mittels eines Laserstrahls 4 mit einer Laserwellenlänge im Bereich von ca. 1 μm. Die Laserschutzfolie 1 wird auf die während der Bearbeitung dem Laserstrahl 4 zugewandte Werkstückoberfläche 3 aufgeklebt und verhindert ein Anhaften von Materialpartikeln direkt auf der Werkstückoberfläche 3.
  • Die lasertaugliche Schutzfolie 1 weist eine Absorptionsschicht 5 auf, die durch die einzige Folienlage 6 der lasertaugliche Schutzfolie 1 gebildet ist. Die lasertaugliche Schutzfolie 1 ist mit einer an der Folienlage 6 oder am Werkstück 2 angebrachten Klebeschicht 7 auf das Werkstück 2 geklebt. Die Folienlage 6 ist aus einem Kunststoffmaterial gebildet. Die Absorption der Absorptionsschicht 5 bei der Laserwellenlänge des Laserstrahls 4 im Bereich von ca. 1 μm ist derart hoch gewählt, dass noch vor Beginn der eigentlichen Materialbearbeitung des Werkstücks 2 die hochabsorbierende lasertaugliche Schutzfolie 1 samt der Klebeschicht 7 durch den auftreffenden Laserstrahl 4 bereits lokal verdampft wird.
  • Bei der in 2 gezeigten lasertauglichen Schutzfolie 11 ist die Absorptionsschicht 15 durch eine Klebeschicht 17 gebildet, die an der Folienlage 16 der lasertauglichen Schutzfolie 11 vorgesehen ist. Die Folienlage 16 ist aus einem Kunststoffmaterial gebildet, wobei die Absorption der Absorptionsschicht 15 bei der Laserwellenlänge des Laserstrahls 4 im nahen Infrarotbereich, insbesondere bei ca. 1 μm größer als die Absorption der Folienlage 16 ist. Die Absorption der Absorptionsschicht 15 bei der Laserwellenlänge ist derart hoch gewählt, dass noch vor Beginn der eigentlichen Materialbearbeitung des Werkstücks 2 die Klebeschicht 17 samt der Folienlage 16, also die gesamte lasertaugliche Schutzfolie 11, durch den auftreffenden Laserstrahl 4 bereits lokal verdampft werden.
  • Alternativ kann die Absorptionsschicht 15 auch durch eine hochabsorbierende Klebeschicht 17 gebildet sein, die auf das Werkstück 2 aufgebracht wird und auf die dann eine Schutzfolie 16, z. B. eine konventionelle 10,6 μm-Laserschutzfolie, aufgeklebt wird.
  • Bei der in 3 gezeigten erfindungsgemäßen lasertauglichen Schutzfolie 21 ist die Absorptionsschicht 25 als separate Schicht zwischen einer Folienlage 26 und einer außenseitigen Klebeschicht 27 der lasertauglichen Schutzfolie 21 gebildet. Die Folienlage 26 ist aus einem Kunststoffmaterial gebildet, wobei die Absorption der Absorptionsschicht 25 bei der Laserwellenlänge des Laserstrahls 4 im Bereich von ca. 1 μm jeweils größer als die Absorption der Folienlage 26 und die Absorption der Klebeschicht 27 ist. Die Absorption der Absorptionsschicht 25 bei der Laserwellenlänge ist derart hoch gewählt, dass noch vor Beginn der eigentlichen Materialbearbeitung des Werkstücks 2 die Absorptionsschicht 25 samt der Folienlage 26 und der Klebeschicht 17, also die gesamte lasertaugliche Schutzfolie 21, durch den auftreffenden Laserstrahl 4 bereits lokal verdampft sind.
  • Bei einer weiteren in 4 dargestellten Ausführung weist die Schutzfolie 31 wie in 2 eine Folienlage 36 auf, wie sie von einer konventionellen 10,6 μm-Laserschutzfolie bekannt ist. Die Absorptionsschicht 35 ist in diesem Fall unmittelbar auf das Werkstück 2 aufgebracht. Die Schutzfolie 31 weist eine außenseitige Klebschicht 37 auf, mit der die Schutzfolie 31 auf das Werkstück 2 bzw. auf die Absorptionsschicht 35 geklebt werden kann. Die Absorption der auf das Werkstück 2 aufgebrachten Absorptionsschicht 35 bei der Laserwellenlänge ist derart hoch gewählt, dass noch vor Beginn der eigentlichen Materialbearbeitung des Werkstücks 2 die Folienlage 36 samt Klebschicht 37 durch den auftreffenden Laserstrahl 4 bereits lokal verdampft werden.
  • Insbesondere kann die Absorptionsschicht 35 als Lack oder Pulverbeschichtung ausgebildet sein, der beispielsweise absorbierende Partikel, z. B. Ruß, beigemengt sind, wobei in diesem Fall auf eine Schutzfolie 31 verzichtet werden kann. Es versteht sich, dass in diesem Fall an Stelle der Schutzfolie 31 auf die Absorptionsschicht 35 gegebenenfalls eine oder mehrere Schichten eines Werkstücküberzugs, beispielsweise ein nicht als Absorptionsschicht ausgebildeter Lack oder eine nicht als Absorptionsschicht ausgebildete Pulverbeschichtung auf der Absorptionsschicht 35 aufgebracht werden können, deren Absorption in der Regel kleiner als die der Absorptionsschicht 35 gewählt wird, so dass der Laserstrahl 4 die Absorptionsschicht 35 ohne zu große Leistungsverluste erreichen und diese möglichst schnell samt dem Werkstücküberzug abtragen kann.
  • Die Absorption der Absorptionsschicht 5, 15, 25, 35 lässt sich beispielsweise über ihre Farbe bzw. Schwarzfärbung, über Additive und/oder über ihre Schichtdicke einstellen, und zwar vorzugsweise derart, dass die Absorption der Absorptionsschicht 5, 15, 25 bei der Laserwellenlänge im Bereich von ca. 1 μm vorzugsweise mindestens 5%, besonders bevorzugt mindestens 50%, insbesondere mindestens 70% beträgt.

Claims (7)

  1. Werkstückschutzfolie (21) zum Aufkleben auf ein Werkstück (2) zur Lasermaterialbearbeitung, dadurch gekennzeichnet, dass die Werkstückschutzfolie (21) zwei Folienlagen (25, 26) aufweist, wobei die eine, erste Folienlage als Absorptionsschicht (25) ausgebildet ist, deren Absorption bei Laserwellenlängen im Bereich von ca. 1 μm derart hoch gewählt ist, dass noch vor Beginn der eigentlichen Materialbearbeitung des Werkstücks (2) die Werkstückschutzfolie (21) durch den auftreffenden Laserstrahl (4) bereits lokal verdampft ist, und deren Absorption bei Laserwellenlängen im Bereich von ca. 1 μm größer als die Absorption der anderen, zweiten Folienlage (26) ist.
  2. Werkstückschutzfolie nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Absorptionsschicht (25) zwischen der zweiten Folienlage (26) und einer außenseitigen Klebeschicht (27) der Werkstückschutzfolie (21) gebildet ist und dass die Absorption der Absorptionsschicht (25) bei Laserwellenlängen im Bereich von ca. 1 μm größer als die Absorption der Klebeschicht (27) ist.
  3. Werkstückschutzfolie nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Absorption der Absorptionsschicht (25) bei Laserwellenlängen im Bereich von ca. 1 μm mindestens 5% beträgt.
  4. Werkstückschutzfolie nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Absorption der Absorptionsschicht (25) bei Laserwellenlängen im Bereich von ca. 1 μm mindestens 50% beträgt.
  5. Werkstückschutzfolie nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Absorption der Absorptionsschicht (25) bei Laserwellenlängen im Bereich von ca. 1 μm mindestens 70% beträgt.
  6. Werkstückschutzfolie nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Absorptionseigenschaften der Absorptionsschicht (25) über ihre Farbe, Additive und/oder ihre Schichtdicke eingestellt sind.
  7. Folienbeschichtetes Werkstück (2) zur Lasermaterialbearbeitung mit einer Laserwellenlänge im Bereich von ca. 1 μm, mit einer auf die Werkstückoberfläche (3) aufgeklebten Werkstückschutzfolie (21) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
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