DE102010027438A1 - Producing connection point and/or connection region on and/or in surface of substrate, comprises removing material to obtain periodic deep structure on and/or in surface by laser interference, and partially filling deep structure - Google Patents
Producing connection point and/or connection region on and/or in surface of substrate, comprises removing material to obtain periodic deep structure on and/or in surface by laser interference, and partially filling deep structure Download PDFInfo
- Publication number
- DE102010027438A1 DE102010027438A1 DE102010027438A DE102010027438A DE102010027438A1 DE 102010027438 A1 DE102010027438 A1 DE 102010027438A1 DE 102010027438 A DE102010027438 A DE 102010027438A DE 102010027438 A DE102010027438 A DE 102010027438A DE 102010027438 A1 DE102010027438 A1 DE 102010027438A1
- Authority
- DE
- Germany
- Prior art keywords
- substrate
- laser
- area
- periodic
- deep structure
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Granted
Links
Images
Classifications
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B32—LAYERED PRODUCTS
- B32B—LAYERED PRODUCTS, i.e. PRODUCTS BUILT-UP OF STRATA OF FLAT OR NON-FLAT, e.g. CELLULAR OR HONEYCOMB, FORM
- B32B37/00—Methods or apparatus for laminating, e.g. by curing or by ultrasonic bonding
- B32B37/12—Methods or apparatus for laminating, e.g. by curing or by ultrasonic bonding characterised by using adhesives
- B32B37/1284—Application of adhesive
- B32B37/1292—Application of adhesive selectively, e.g. in stripes, in patterns
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
- B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
- B23K26/02—Positioning or observing the workpiece, e.g. with respect to the point of impact; Aligning, aiming or focusing the laser beam
- B23K26/06—Shaping the laser beam, e.g. by masks or multi-focusing
- B23K26/067—Dividing the beam into multiple beams, e.g. multifocusing
- B23K26/0676—Dividing the beam into multiple beams, e.g. multifocusing into dependently operating sub-beams, e.g. an array of spots with fixed spatial relationship or for performing simultaneously identical operations
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
- B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
- B23K26/352—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring for surface treatment
- B23K26/3568—Modifying rugosity
- B23K26/3584—Increasing rugosity, e.g. roughening
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
- B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
- B23K26/36—Removing material
- B23K26/362—Laser etching
- B23K26/364—Laser etching for making a groove or trench, e.g. for scribing a break initiation groove
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
- B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
- B23K26/50—Working by transmitting the laser beam through or within the workpiece
- B23K26/53—Working by transmitting the laser beam through or within the workpiece for modifying or reforming the material inside the workpiece, e.g. for producing break initiation cracks
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B32—LAYERED PRODUCTS
- B32B—LAYERED PRODUCTS, i.e. PRODUCTS BUILT-UP OF STRATA OF FLAT OR NON-FLAT, e.g. CELLULAR OR HONEYCOMB, FORM
- B32B38/00—Ancillary operations in connection with laminating processes
- B32B38/10—Removing layers, or parts of layers, mechanically or chemically
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B32—LAYERED PRODUCTS
- B32B—LAYERED PRODUCTS, i.e. PRODUCTS BUILT-UP OF STRATA OF FLAT OR NON-FLAT, e.g. CELLULAR OR HONEYCOMB, FORM
- B32B38/00—Ancillary operations in connection with laminating processes
- B32B38/18—Handling of layers or the laminate
- B32B2038/1891—Using a robot for handling the layers
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B32—LAYERED PRODUCTS
- B32B—LAYERED PRODUCTS, i.e. PRODUCTS BUILT-UP OF STRATA OF FLAT OR NON-FLAT, e.g. CELLULAR OR HONEYCOMB, FORM
- B32B2309/00—Parameters for the laminating or treatment process; Apparatus details
- B32B2309/08—Dimensions, e.g. volume
- B32B2309/10—Dimensions, e.g. volume linear, e.g. length, distance, width
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B32—LAYERED PRODUCTS
- B32B—LAYERED PRODUCTS, i.e. PRODUCTS BUILT-UP OF STRATA OF FLAT OR NON-FLAT, e.g. CELLULAR OR HONEYCOMB, FORM
- B32B2310/00—Treatment by energy or chemical effects
- B32B2310/08—Treatment by energy or chemical effects by wave energy or particle radiation
- B32B2310/0806—Treatment by energy or chemical effects by wave energy or particle radiation using electromagnetic radiation
- B32B2310/0843—Treatment by energy or chemical effects by wave energy or particle radiation using electromagnetic radiation using laser
Abstract
Description
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung einer Verbindungsstelle und/oder eines Verbindungsbereiches auf und/oder in einer Oberfläche eines Substrats. Bei dem Substrat kann es sich um ein beliebiges Material handeln, dessen Benetzungs- und/oder Haftungseigenschaften verbessert werden sollen.The present invention relates to a method for producing a joint and / or a bonding region on and / or in a surface of a substrate. The substrate can be any material whose wetting and / or adhesion properties are to be improved.
Aus dem Stand der Technik sind z. B. Laservorbehandlungen von Oberflächen für den anschließenden Klebe- oder Kaschiereinsatz mittels eindimensionaler oder zweidimensionaler Laserscanner-Technik in Kombination mit Fokussieroptiken bekannt: Dabei rastert der Laserstrahl die Oberfläche quasi-simultan ab und trifft, je nach Optik, senkrecht oder unter einem positionsabhängigen, variablen Winkel, auf die Probenoberfläche.From the prior art z. B. Laser pre-treatment of surfaces for the subsequent adhesive or Kaschiereinsatz using one-dimensional or two-dimensional laser scanner technology in combination with focusing optics known: The laser beam scans the surface quasi-simultaneously and hits, depending on the optics, vertically or at a position-dependent variable angle , on the sample surface.
Nachteilig hierbei ist, dass das Abrastern zu einem unregelmäßigen Energieeintrag führt, der wiederum zu unterschiedlich tiefen Strukturen und/oder undefinierten Mustern der in die Probenoberfläche eingebrachten Tiefenstruktur führt. Darüber hinaus weisen die Laserscanner-Verfahren einen hohen Wärmeeintrag in das bearbeitete Probenmaterial auf.The disadvantage here is that the scanning leads to an irregular energy input, which in turn leads to different deep structures and / or undefined patterns of introduced into the sample surface depth structure. In addition, the laser scanner methods have a high heat input into the processed sample material.
Aus dem Stand der Technik ist darüber hinaus bekannt, die Topographie einer Probenoberfläche durch Sandstrahlen mit Korund zu verändern. Wird kieselsäuremodifizierter Korund verwendet, wird neben einer Aufrauhung der Oberfläche eine SiOx-Schicht abgeschieden.It is also known from the prior art to change the topography of a sample surface by sandblasting with corundum. If silicic acid-modified corundum is used, an SiO x layer is deposited in addition to a roughening of the surface.
Nachteilig hierbei ist insbesondere, dass ein zusätzlich durchzuführender Reinigungsprozess (der dann auch vor und nach dem Sandstrahlen ausgeführt werden muss) notwendig ist. Das Sandstrahlen führt zudem zu Inhomogenitäten in der Oberfläche bzw. in der erzielten Tiefenstrukturierung dieser Oberfläche, da eine gleichmäßige Bearbeitung schwer zu kontrollieren ist. Zudem ist das Korundstrahlen für dünne Fügeteile ungeeignet und nicht in Produktionslinien integrierbar.The disadvantage here is in particular that an additional cleaning process to be performed (which must then be carried out before and after the sandblasting) is necessary. The sandblasting also leads to inhomogeneities in the surface or in the achieved deep structuring of this surface, since a uniform machining is difficult to control. In addition, corundum blasting is unsuitable for thin parts to be joined and can not be integrated into production lines.
Ausgehend vom Stand der Technik ist es daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum Herstellen einer Verbindungsstelle und/oder eines Verbindungsbereiches und/oder ein Verfahren zum Verbinden eines Materials (nachfolgend auch als Substrat bezeichnet) mit einem weiteren Material (nachfolgend auch als mit dem Substrat zu verfügendes Element oder als mit dem Substrat zu verbindendes Laminiermaterial (Laminierschicht) bezeichnet) zur Verfügung zu stellen, das zu einer Verbesserung der Benetzungs- und/oder Haftungseigenschaften des Materials und/oder zwischen dem Material und dem mit diesem Material zu verfügenden Element bzw. dem Laminiermaterial führt und mit dem eine hochfeste Verbindung zwischen einem zum Verbinden geeigneten, auf das Substrat aufzubringenden Vermittlermaterial (bei dem es sich um ein Haftvermittlermaterial oder auch um ein auf das Substrat zu laminierendes Material handeln kann) und der Substratoberfläche und/oder zwischen dem Substrat und einem damit zu verfügenden Element herstellbar ist. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren sollen somit beim Anwenden des zum Verbinden geeigneten Vermittlermaterials ein verbessertes Klebe- oder Laminierverhalten und eine hochfeste Verbindung zwischen den beteiligten Materialien (Substrat, Haftvermittlermaterial und mit dem Substrat zu verfügendes Element oder Substrat und Vermittlermaterial in Form eines Laminiermaterials) erzielt werden.Based on the prior art, it is therefore an object of the present invention, a method for producing a joint and / or a connection region and / or a method for connecting a material (hereinafter also referred to as a substrate) with another material (hereinafter also as with to provide the substrate to be provided with the substrate or as to be bonded to the substrate lamination (laminating)), to improve the wetting and / or adhesion properties of the material and / or between the material and the element to be equipped with this material or laminating material and with which a high-strength connection between a suitable for bonding, applied to the substrate mediator material (which may be a bonding agent material or to be laminated to the substrate material) and the substrate surface and / or between the substrate and a to be equipped element is produced. With the method according to the invention, an improved adhesive or lamination behavior and a high-strength bond between the materials involved (substrate, adhesion promoter material and substrate or substrate to be provided with the substrate and mediator material in the form of a laminating material) should thus be achieved when applying the bonding material suitable for bonding.
Aufgabe der Erfindung ist darüber hinaus, ein entsprechendes Substrat mit einer Verbindungsstelle und/oder einem Verbindungsbereich und ein Bauteil mit einem Substrat und einem mit diesem Substrat verfügten Element oder einem auf das Substrat auflaminierten Material zur Verfügung zu stellen.The object of the invention is moreover to provide a corresponding substrate with a connection point and / or a connection region and a component with a substrate and an element arranged with this substrate or a material laminated onto the substrate.
Die vorstehende Aufgabe wird durch ein Herstellungsverfahren gemäß Anspruch 1, durch ein Substrat gemäß Anspruch 10 sowie durch ein Bauteil gemäß Anspruch 11 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungsvarianten lassen sich dabei jeweils den abhängigen Ansprüchen entnehmen.The above object is achieved by a manufacturing method according to
Die gesamte nachfolgende Erfindungsbeschreibung erfolgt dabei für ein Verfahren zur Herstellung einer Verbindungsstelle und/oder eines Verbindungsbereiches in Form einer Fügestelle bzw. eines Fügebereiches, bei dem also die erzeugte Tiefenstruktur (s. nachfolgend) zumindest teilweise mit einem zum stoffschlüssigen Fügen geeigneten Haftvermittlermaterial (Klebermaterial) als Vermittlermaterial aufgefüllt wird. Genau dieselbe Vorgehensweise lässt sich jedoch erfindungsgemäß für das Ausbilden einer Verbindungsstelle oder eines Verbindungsbereiches als Laminierstelle bzw. Laminierbereich realisieren: In diesem Falle wird die Tiefenstruktur mit einem Laminiermaterial anstelle eines Haftvermittlermaterials bzw. Klebermaterials aufgefüllt.In this case, the entire following description of the invention is made for a method for producing a connection point and / or a connection region in the form of a joint or a joining region, in which case the generated deep structure (see below) is at least partially covered by a bonding agent material (adhesive material) suitable for cohesive joining. is filled as mediator material. However, exactly the same procedure can be inventively realized for the formation of a joint or a connection region as a lamination or laminating: In this case, the depth structure is filled with a laminating material instead of a Haftvermittlermaterials or adhesive material.
Auch andere Materialien als Kleber- oder Laminiermaterialien, die zum Verbinden geeignet sind, können in die Tiefenstruktur eingebracht werden.Also, materials other than adhesive or laminating materials that are suitable for bonding can be incorporated into the depth structure.
Sämtliche nachfolgend erfindungsgemäß für das Fügen beschriebenen Merkmale sind somit erfindungsgemäß ebenso für das Aufbringen eines Laminiermaterials oder einer Laminierschicht auf das tiefenstrukturierte Substrat offenbart. Der einzige Unterschied besteht dann darin, dass lediglich das Laminiermaterial als Vermittlermaterial in die Tiefenstruktur des Substrates eingefüllt wird (und in der Regel auch darüber hinaus als z. B. ebene Laminierschicht aufgebracht wird): In diesem Falle werden somit lediglich zwei unterschiedliche Materialien (Substratmaterial und Laminiermaterial) benötigt, das beim Fügen (neben dem Substratmaterial und dem Haftvermittler- bzw. Klebermaterial) noch benötigte weitere, mit dem Substrat zu verfügende Material (weiteres Element) entfällt dann.All of the features described below for joining according to the invention are thus also disclosed according to the invention for the application of a laminating material or a laminating layer to the deep-structured substrate. The only difference then is that only the lamination material is filled into the deep structure of the substrate as a mediator material (and as a rule also applied, for example, as a planar lamination layer, for example): in this case only two different materials (substrate material and lamination) is required, which then required during joining (in addition to the substrate material and the adhesive or adhesive material) further, to be equipped with the substrate material (further element) is then eliminated.
Im Rahmen der nachfolgenden Erfindungsbeschreibung wird das Haftvermittlermaterial alternativ auch als Klebstoff bezeichnet, obwohl es sich hier ganz allgemein um ein beliebiges Material handeln kann, das nach Auf- und/oder Einbringen auf und/oder in die Oberfläche des Substrates zum Ausbilden einer stoffschlüssigen Verbindung des Substrates bzw. dessen Oberfläche mit dem damit zu verfügenden Element geeignet ist.In the context of the following description of the invention, the adhesion promoter material is alternatively also referred to as an adhesive, although it may in general be an arbitrary material, which after application and / or introduction on and / or in the surface of the substrate for forming a material connection of the Substrates or its surface is suitable with the element to be provided.
Nachfolgend wird die Erfindung zunächst allgemein, dann anhand von Ausführungsbeispielen beschrieben. Die im Rahmen der Ausführungsbeispiele in Kombination miteinander beschriebenen Einzelmerkmale müssen dabei nicht genau in den in den Beispielen gezeigten Konfigurationen verwirklicht werden, sondern können im Rahmen der vorliegenden Erfindung auch in andersartigen Kombinationen miteinander realisiert werden. Insbesondere können einzelne der in den Ausführungsbeispielen beschriebenen Verfahrensschritte auch weggelassen werden.The invention will first be described in general terms, then by means of exemplary embodiments. The individual features described in combination with one another in the context of the exemplary embodiments do not have to be realized exactly in the configurations shown in the examples, but can also be realized in different combinations with one another in the context of the present invention. In particular, individual method steps described in the exemplary embodiments can also be omitted.
Die Grundidee der vorliegenden Erfindung basiert darauf, mittels Laserinterferenz die Oberfläche des Substrates zu strukturieren, also eine sich von der Oberfläche in die Tiefe des Substrates erstreckende Tiefenstruktur (mittels des Laser-bedingten Materialabtrags) zu erzeugen und anschließend ein zum stoffschlüssigen Fügen des Substrates mit einem anderen Material geeignetes Haftvermittlermaterial in die Vertiefungen der Tiefenstruktur einzubringen. In der Regel handelt es sich bei diesen Vertiefungen um Strukturen in Mikrometergröße, so dass nachfolgend alternativ auch von Mikrovertiefungen bzw. Mikrostrukturen gesprochen wird.The basic idea of the present invention is based on structuring the surface of the substrate by means of laser interference, that is to produce a deep structure extending from the surface into the depth of the substrate (by means of the laser-related removal of material) and then a cohesive joining of the substrate with a substrate to introduce other material suitable adhesion promoter material in the wells of the depth structure. As a rule, these depressions are micrometer-sized structures, so that in the following, alternatively, micro-depressions or microstructures are also used.
Erfindungsgemäß wird hierzu eine ebene oder auch vorkonturierte (z. B. gekrümmte) Oberfläche des Substrates (oder auch des Substrates und des damit zu verfügenden Elementes; es können also auch beide zu verfügenden Oberflächen der Fügematerialien entsprechend behandelt werden) durch direkte Laserstrahl-Interferenz und/oder durch Einsatz von Mikrolinsenarrays (siehe auch nachfolgend) und unter Verwendung von gepulster oder kontinuierlicher Laserstrahlung im UV-Bereich, im sichtbaren Bereich und/oder im Infrarot-Bereich strukturiert mit einer Mikrometer- oder Sub-Mikrometer-Struktur versehen.According to the invention, for this purpose a flat or also precontoured (eg curved) surface of the substrate (or of the substrate and of the element to be provided therewith, ie both surfaces of the joining materials to be provided can be treated accordingly) by direct laser beam interference and or by using microlens arrays (see also below) and structured using a pulsed or continuous laser radiation in the UV range, in the visible range and / or in the infrared range structured with a micrometer or sub-micrometer structure.
Bei den (tiefen)-strukturierten Fügematerialien (Substrat und/oder Element) kann es sich um Kunststoffe, insbesondere Faser-verstärkte Kunststoffe, Keramiken, Metalle oder Legierungen handeln. Der Einsatzbereich der vorliegenden Erfindung ist jedoch nicht auf die genannten Materialien beschränkt.The (deep) -structured joining materials (substrate and / or element) may be plastics, in particular fiber-reinforced plastics, ceramics, metals or alloys. However, the field of application of the present invention is not limited to the materials mentioned.
Nach der Tiefenstrukturierung der Oberfläche des Substrates (oder beider Fügematerialien) erfolgt der Auftrag des zum stoffschlüssigen Fügen geeigneten Haftvermittlermaterials (Klebstoffauftrag) für den anschließenden stoffschlüssigen Fügevorgang. Je nachdem, welches Haftvermittlermaterial verwendet wird, sind dabei gegebenenfalls zeitliche Einschränkungen zu beachten, die ein Verfügen der beiden Fügematerialien innerhalb eines vordefinierten Zeitintervalls notwendig machen.After the deep structuring of the surface of the substrate (or both joining materials), the order of the adhesive agent suitable for cohesive joining (adhesive application) is carried out for the subsequent cohesive joining process. Depending on which adhesive agent is used, it may be necessary to consider time constraints, which make it necessary to have the two joining materials within a predefined time interval.
Hierbei können Klebstoffsysteme auf Basis der Polyaddition (beispielsweise Epoxide, Polyurethane und/oder Silikone), der Polykondensation (Formaldehyde, Polyamide und/oder Silikone), der Polymerisation (z. B. Acrylate oder Kautschukpolymere oder auch thermoplastische Elastomere) sowie physikalisch abbindende Systeme (Schmelzklebstoffe, z. B. Polyolefine) eingesetzt werden. Die genannten Klebstoffsysteme müssen entsprechend gemischt, dosiert und aufgetragen, also in die Vertiefungen eingebracht werden, was je nach den verwendeten Haftvermittlermaterialien unterschiedliche Prozessschritte notwendig machen kann: Abhängig von den Haftvermittlermaterialien und/oder auch von den konkreten Klebegeometrien des Substrates und/oder Elementes werden folgende Verfahren eingesetzt: Freifallender Tropfenauftrag, Siebdruck-Verfahren, Stempelauftrag, Nadelauftrag, Auftrag mittels Pinsel, Spachtel und/oder Rackel, Spritzen, Sprühen, Gießen und/oder Walzen. Die Aushärtungsbedingungen (Temperatur, gegebenenfalls Anwendung von UV-Strahlung, ...) der verwendeten Haftvermittlermaterialien hängen dabei von den Vernetzungsmechanismen dieser Materialien ab.Adhesive systems based on polyaddition (for example epoxides, polyurethanes and / or silicones), polycondensation (formaldehydes, polyamides and / or silicones), polymerization (eg acrylates or rubber polymers or also thermoplastic elastomers) and physically setting systems (US Pat. Hot melt adhesives, eg polyolefins). The adhesive systems mentioned must be mixed, metered and applied accordingly, that is to be introduced into the depressions, which may necessitate different process steps depending on the adhesion promoter materials used: Depending on the adhesion promoter materials and / or on the specific adhesive geometries of the substrate and / or element following are Method used: free-falling droplet application, screen printing process, stamping, needle application, brush application, spatula and / or racket, spraying, spraying, pouring and / or rolling. The curing conditions (temperature, if appropriate application of UV radiation,...) Of the adhesion promoter materials used depend on the crosslinking mechanisms of these materials.
Ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Herstellen von Fügebereichen auf Oberflächen von Substraten umfasst somit einen ersten Schritt, bei dem auf und/oder in der Oberfläche des Substrates mittels eines Laserstrahl-Interferenz-Verfahrens durch Laserbestrahlung der Oberfläche des Substrates ein Materialabtrag aus dieser Oberfläche erfolgt, der zu einer Tiefenstrukturierung dieser Oberfläche führt. Unter einer solchen Tiefenstruktur wird das Einbringen von in der Regel mikrometer- bis submikrometergroßen Strukturen, wie beispielsweise Gräben oder Löchern, in die in der Regel vormals (zumindest lokal) ebene Oberfläche des Substrates verstanden. Bevorzugt werden periodische Tiefenstrukturen eingebracht.A method according to the invention for producing joining regions on surfaces of substrates thus comprises a first step, in which a material removal from this surface takes place on and / or in the surface of the substrate by means of a laser beam interference method by laser irradiation of the surface of the substrate a deep structuring of this surface leads. Under such a deep structure, the introduction of usually micrometer to submicron sized structures, such as trenches or holes, in the usually formerly (at least locally) flat surface of the substrate understood. Preferably, periodic depth structures are introduced.
Anschließend erfolgt in einem zweiten Schritt das Einbringen des zum stoffschlüssigen Fügen geeigneten Haftvermittlermaterials in die in der Oberfläche eingebrachte Tiefenstruktur. Die einzelnen Vertiefungen der Tiefenstruktur müssen dabei, abhängig von der Anzahl, Lage, Größe und/oder Form dieser Vertiefungen und/oder der Form der Oberfläche vor deren Tiefenstrukturierung, nicht unbedingt alle und/oder vollständig mit dem Haftvermittlermaterial aufgefüllt werden, gegebenenfalls reicht ein teilweises Auffüllen aus.Subsequently, in a second step, the introduction of the material-locking joining suitable Haftvermittlermaterials in the introduced in the surface depth structure. Depending on the number, position, size and / or shape of these depressions and / or the shape of the surface prior to their deep structuring, the individual depressions of the deep structure must not necessarily be filled with all and / or complete with the adhesion promoter material, if necessary a partial one is sufficient Fill up.
In einer ersten vorteilhaften Verfahrensvariante wird das zur Laserstrahl-Interferenz verwendete, eingestrahlte Laserlicht mit örtlich variierender Laserlichtintensität auf die Oberfläche des Substrates so eingestrahlt, dass dadurch ein örtlich variierender Materialabtrag zur Ausbildung einer Vielzahl einzelner Vertiefungen der Tiefenstruktur führt.In a first advantageous variant of the method, the irradiated laser light used for laser beam interference with locally varying laser light intensity is irradiated onto the surface of the substrate in such a way that a locally varying material removal results in the formation of a plurality of individual depressions of the deep structure.
In einer weiteren vorteilhaften Variante kann die Laserinterferenz-Einstrahlung erfolgen, indem ein oder auch mehrere Laserstrahl(en) durch ein oder auch mehrere Mikrolinsenarray(s) gestrahlt und hierdurch (jeweils) in mehrere Einzelstrahlen aufgeteilt wird/werden. Diese Einzelstrahlen werden dann auf eine Fokusfläche fokussiert. Die zu strukturierende Oberfläche des Substrates wird dann in Laserstrahlrichtung gesehen hinter dem/den Mikrolinsenarray(s) an einer vordefinierten Position angeordnet: Diese Position kann vor der Fokusfläche, im Bereich der Fokusfläche oder hinter der Fokusfläche liegen, wobei bevorzugt eine Positionierung der Oberfläche des Substrates in der Fokusfläche erfolgt.In a further advantageous variant, the laser interference irradiation can be carried out by one or more laser beam (s) through one or more microlens array (s) (s) and thereby (in each case) is divided into several individual beams / are. These individual beams are then focused on a focus area. The surface of the substrate to be structured is then arranged behind the / the microlens array (s) at a predefined position in the laser beam direction: this position can be in front of the focus area, in the area of the focus area or behind the focus area, wherein preferably a positioning of the surface of the substrate takes place in the focus area.
Alternativ dazu oder bei geeigneter Anordnung der einzelnen Systemelemente auch in Kombination damit kann der Laserinterferenz-induzierte Materialabtrag auch wie folgt erfolgen: Mehrere kohärente Laserstrahlen werden in einem Überlagerungsbereich unter vordefiniertem/n Winkel(n) zur Interferenz gebracht. Die Substratoberfläche wird hierbei an einer vordefinierten Position in diesem Überlagerungsbereich positioniert. Die mehreren Laserstrahlen können mittels eines oder mehrerer Strahlteiler(s) aus einem einzelnen, von einem einzelnen Laser emittierten Laserstrahl erzeugt und unter Verwendung von Strahlumlenkern so in den Überlagerungsbereich geführt werden, dass in diesem Überlagerungsbereich Interferenz dieser Laserstrahlen eintritt.Alternatively, or with a suitable arrangement of the individual system elements also in combination therewith, the laser interference-induced material removal can also take place as follows: Several coherent laser beams are brought into interference in a superposition area under predefined angle (s). The substrate surface is hereby positioned at a predefined position in this overlay area. The plurality of laser beams can be generated by means of one or more beam splitters (s) from a single laser beam emitted by a single laser and guided into the overlap area using beam deflectors such that interference of these laser beams occurs in this overlapping area.
Bei der in die Substratoberfläche eingebrachten Tiefenstruktur bzw. deren einzelner Vertiefungen kann es sich um ein- oder zweidimensional periodische Strukturen handeln. Die für die Abstände der einzelnen Vertiefungen, die Periodizität der Tiefenstruktur, die Tiefe der einzelnen Vertiefungen (senkrecht zur Substratoberfläche), deren laterale Ausdehnung in der Substratoberfläche und/oder die Aspektverhältnisse (z. B. bei periodisch eingebrachten linienförmigen Gräben mit dazwischen stehen bleibenden Graten) vorteilhaft zu realisierenden Größenordnungen lassen sich den abhängigen Ansprüchen entnehmen.The deep structure introduced into the substrate surface or its individual depressions may be one-dimensional or two-dimensional periodic structures. The spacings of the individual depressions, the periodicity of the deep structure, the depth of the individual depressions (perpendicular to the substrate surface), their lateral extent in the substrate surface and / or the aspect ratios (eg in the case of periodically introduced linear trenches with burrs remaining therebetween ) Advantageous to be realized orders of magnitude can be found in the dependent claims.
Insbesondere können die durch Laserinterferenz eingebrachten Tiefenstrukturen die folgenden Varianten einschließen:
- • linienartige Muster mit periodischem Abstand d,
- • kreuzartige Muster, die durch Mehrfachbestrahlung mit Linienmustern mit einem spezifischen Rotationswinkel von beispielsweise 30°, 60° oder 90° erreicht werden,
- • kombinierte kreuzartige Muster mit unterschiedlichen Linienabständen d1 und d2,
- • verschiedene Anordnungen von Vertiefungen (Löchern) mit unterschiedlichen Abständen,
- • praktisch beliebige Formen von Vertiefungen, die mittels Mikrolinsenarrays über der Probe eingebracht werden können,
- • praktisch beliebige Formen von Vertiefungen, die über eine Verschiebung der Probe während der Laserbestrahlung durch ein/mehrere Mikrolinsenarray(s) eingebracht werden können,
- • praktisch beliebige Formen von Vertiefungen, die durch eine Verschiebung der Bestrahlungsoptik während der Bestrahlung mittels eines Mikrolinsenarrays einstrukturiert werden können,
- • linienartige Muster, die über Mikrolinsenarrays eingebracht werden können,
- • kreuzartige Muster, die durch eine Mehrfachbestrahlung mit Linienmustern mit Mikrolinsenarrays erzeugt werden können, oder
- • beliebige Kombinationen der vorstehend aufgezählten Varianten.
- Line-like patterns with periodic spacing d,
- Cross-shaped patterns achieved by multiple irradiation with line patterns with a specific rotation angle of for example 30 °, 60 ° or 90 °,
- Combined cross-type patterns with different line distances d 1 and d 2 ,
- Various arrangements of depressions (holes) with different distances,
- Virtually any shape of wells that can be placed over the sample by means of microlens arrays;
- Virtually any shape of wells that can be introduced by a displacement of the sample during the laser irradiation by one / more microlens array (s),
- Practically any shapes of depressions which can be structured by a displacement of the irradiation optics during the irradiation by means of a microlens array,
- Line-like patterns that can be introduced via microlens arrays,
- Cross-shaped patterns, which can be generated by multiple irradiation with line patterns with microlens arrays, or
- Any combination of the above enumerated variants.
Die Laserbestrahlung kann gepulst oder kontinuierlich erfolgen, wobei Laserwellenlängen im sichtbaren, im infraroten und/oder im ultravioletten Bereich verwendet werden können. Besonders bevorzugt werden Nd:YAG-gepulste Laser mit Wellenlängen von 266 nm oder 355 nm eingesetzt.The laser irradiation can be pulsed or continuous, laser wavelengths in the visible, in the infrared and / or in the ultraviolet range can be used. Particular preference is given to using Nd: YAG pulsed lasers with wavelengths of 266 nm or 355 nm.
Der entscheidende Vorteil der vorliegenden Erfindung liegt in der Einbringung einer präzisen periodischen Mikrometer- bzw. Sub-Mikrometer-Struktur, wodurch, in Kombination mit der durch das Einbringen der Struktur erreichten Oberflächenvergrößerung und der anschließenden Auftragung des Haftvermittlermaterials (Klebstoffs) ein optimierter Fügevorgang erreicht werden kann.The key advantage of the present invention is the introduction of a precise periodic micrometer or sub-micrometer structure, which, in combination with the achieved by the introduction of the structure surface enlargement and the subsequent application of the Haftvermittlermaterials (adhesive), an optimized joining process can be achieved can.
Die Laserstrahl-Interferenz erlaubt hierbei die Bearbeitung aller Arten von Oberflächen und von Bauteilgeometrien unter natürlichen Umgebungsbedingungen. Sie ermöglicht die Herstellung exakt definierter periodischer Mikro- oder Sub-Mikrometer-Strukturen in einem einzigen Prozessschritt. Die hohe Auflösung, die dabei erreicht werden kann, ist anderen kommerziell eingesetzten Mikrostrukturierungsverfahren überlegen.The laser beam interference allows the processing of all types of surfaces and component geometries under natural environmental conditions. It enables the production of precisely defined periodic micro or sub-micrometer structures in a single process step. The high resolution that can be achieved is superior to other commercially used microstructuring methods.
Das direkte Laserinterferenz-Strukturierungsverfahren gemäß der Erfindung (ohne Einsatz von Mikrolinsenarrays) zeichnet sich darüber hinaus auch besonders dadurch aus, dass große Flächen in kurzer Zeit auf nahezu jedes Material strukturiert werden können. Kein anderes Verfahren bewirkt ein solch homogenes und definiert strukturiertes Muster an einer Fügeteiloberfläche. Die erfindungsgemäße Oberflächenprägung bzw. Strukturierung durch Laserinterferenz kann die Klebeschichtmorphologie und das damit strukturabhängige, mechanische Verhalten des Substrates und/oder damit zu verfügenden Elementes wirksam verbessern. Moreover, the direct laser interference patterning method according to the invention (without the use of microlens arrays) is characterized in particular by the fact that large areas can be structured on almost any material in a short time. No other method produces such a homogeneous and defined pattern on a joining part surface. The surface embossing or structuring by laser interference according to the invention can effectively improve the adhesive layer morphology and the structure-dependent, mechanical behavior of the substrate and / or element to be provided therewith.
Die erfindungsgemäße Laserstrahl-Interferenz-Methode zur Bauteilvorbehandlung für das anschließende Einbringen des Haftvermittlermaterials, also für die eigentliche Fügung, erlaubt außerdem einen sehr geringen Füge- bzw. Klebespalt. Bei niederviskosen Klebstoffen können die erzeugten Oberflächenstrukturen zudem äußerst effektiv verzahnen.The inventive laser beam interference method for component pretreatment for the subsequent introduction of the Haftvermittlermaterials, ie for the actual joining, also allows a very small joining or adhesive gap. In the case of low-viscosity adhesives, the surface structures produced can also interlock extremely effectively.
Die vorliegende Erfindung umfasst darüber hinaus die Verwendung der vorstehend beschriebenen, erfindungsgemäßen Verfahren im Bereich der Medizintechnik, Optik, Sensorik und in Bereichen, in denen Oberflächenverwerfungen sowie undefinierte Klebstoffmengen einen entscheidenden negativen Einfluss auf das Gesamtsystem haben. Darüber hinaus sind insbesondere auch in anderen Hochtechnologiebereichen, wie beispielsweise im Bereich der Elektronik oder im Bereich des Flugzeugbaus, Anwendungen der beschriebenen Verfahren möglich.The present invention moreover encompasses the use of the methods according to the invention described above in the field of medical technology, optics, sensor technology and in areas in which surface distortions and undefined adhesive quantities have a decisive negative influence on the overall system. In addition, applications of the described methods are also possible in particular in other high-technology areas, such as in the field of electronics or in the field of aircraft construction.
Nachfolgend werden das erfindungsgemäße Herstellungsverfahren und durch dieses ausgebildete, erfindungsgemäße Substrate und Bauteile anhand mehrerer Ausführungsbeispiele beschrieben.The production process according to the invention and the substrates and components according to the invention formed by this process will be described below with reference to several exemplary embodiments.
Es zeigen:Show it:
Wie mit Bezug auf die
Die Intensität der Laserstrahlen (Nd:YAG gepulster Laser mit Frequenzverdreifachung der Wellenlänge 355 nm) wird hierbei durch Überlagerung von mehreren Strahlen (
Durch Kontrolle des Auftreffwinkels β von z. B. zwei Laserstrahlen (
Nach der Laserstrukturierung der Oberfläche
Das Mikrolinsen-Array
Mithilfe eines in den drei Translationsrichtungen x, y und z eines Kartesischen Koordinatensystems bewegbaren Verschiebetisches
Zur Einstellung der Strukturgröße der Vertiefungsstruktur
Anstelle eines Verschiebetisches (mit oder ohne Rotationsachse) kann auch ein Roboter verwendet werden. Hierbei können sowohl die Komponenten
Beim in den
Im Strahlengang nach der Blende
Mithilfe des Verschiebetisches
Die in den
Beim Substrat
Schließlich wird das mit dem Substrat
Claims (11)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE102010027438.0A DE102010027438B4 (en) | 2010-07-14 | 2010-07-14 | Process for producing a connection point and/or a connection area in a substrate, in particular for improving the wetting and/or adhesion properties of the substrate |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE102010027438.0A DE102010027438B4 (en) | 2010-07-14 | 2010-07-14 | Process for producing a connection point and/or a connection area in a substrate, in particular for improving the wetting and/or adhesion properties of the substrate |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE102010027438A1 true DE102010027438A1 (en) | 2012-01-19 |
DE102010027438B4 DE102010027438B4 (en) | 2023-08-03 |
Family
ID=45402846
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
DE102010027438.0A Active DE102010027438B4 (en) | 2010-07-14 | 2010-07-14 | Process for producing a connection point and/or a connection area in a substrate, in particular for improving the wetting and/or adhesion properties of the substrate |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
DE (1) | DE102010027438B4 (en) |
Cited By (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE102011101415A1 (en) * | 2011-05-10 | 2012-11-15 | Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. | Optical arrangement for laser interference structuring of sample, has positioning mirrors which are arranged for reflecting beams on common target point so that optical path length of beams between beam splitter and common target is same |
DE102012012868A1 (en) * | 2012-06-28 | 2014-01-02 | Universität Konstanz | Method and device for producing a solar cell with a laser-structured metal layer |
DE102013007524A1 (en) * | 2013-04-22 | 2014-10-23 | Technische Universität Dresden | Optical arrangement for the formation of structural elements on component surfaces and their use |
EP3763463A1 (en) | 2019-07-08 | 2021-01-13 | FRAUNHOFER-GESELLSCHAFT zur Förderung der angewandten Forschung e.V. | Method for producing a composite component |
DE102022129623A1 (en) | 2022-11-09 | 2024-05-16 | SurFunction GmbH | Method for producing a tool, tool, method for machining a workpiece, workpiece |
Family Cites Families (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2658809B2 (en) | 1992-08-27 | 1997-09-30 | 三菱電機株式会社 | Laser processing equipment |
DE19614328A1 (en) | 1996-04-11 | 1997-10-16 | Gehring Gmbh & Co Maschf | Coating and/or machining of previously treated workpiece surfaces |
FR2796388B1 (en) | 1999-07-16 | 2003-01-03 | Robert Stehle | METHOD AND SYSTEM FOR PREPARING SURFACES BEFORE DEPOSITING AN ADHESIVE OR DECORATIVE PRODUCT |
DE10105893A1 (en) | 2001-02-09 | 2002-08-22 | Bosch Gmbh Robert | Laminar component, is produced by forming micro-structured cut-outs in the surface of one of the seam sections using a laser, and then adhering the surfaces together |
US8962151B2 (en) | 2006-08-15 | 2015-02-24 | Integrated Micro Sensors, Inc. | Method of bonding solid materials |
DE102009060924B4 (en) | 2009-12-18 | 2017-01-26 | Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. | Production Method for a Solid Lubricant Structure A solid lubricant structure produced by the production method, and uses |
-
2010
- 2010-07-14 DE DE102010027438.0A patent/DE102010027438B4/en active Active
Cited By (7)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE102011101415A1 (en) * | 2011-05-10 | 2012-11-15 | Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. | Optical arrangement for laser interference structuring of sample, has positioning mirrors which are arranged for reflecting beams on common target point so that optical path length of beams between beam splitter and common target is same |
DE102012012868A1 (en) * | 2012-06-28 | 2014-01-02 | Universität Konstanz | Method and device for producing a solar cell with a laser-structured metal layer |
DE102013007524A1 (en) * | 2013-04-22 | 2014-10-23 | Technische Universität Dresden | Optical arrangement for the formation of structural elements on component surfaces and their use |
DE102013007524B4 (en) * | 2013-04-22 | 2021-04-01 | Technische Universität Dresden | Optical arrangement for the formation of structural elements on component surfaces and their use |
EP3763463A1 (en) | 2019-07-08 | 2021-01-13 | FRAUNHOFER-GESELLSCHAFT zur Förderung der angewandten Forschung e.V. | Method for producing a composite component |
DE102019209992A1 (en) * | 2019-07-08 | 2021-01-14 | Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. | Method for producing a composite component |
DE102022129623A1 (en) | 2022-11-09 | 2024-05-16 | SurFunction GmbH | Method for producing a tool, tool, method for machining a workpiece, workpiece |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
DE102010027438B4 (en) | 2023-08-03 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
EP2964417B1 (en) | Method for providing through-openings in a substrate | |
EP3592500B1 (en) | Process for manufacturing a recess in a material by means of electromagnetic radiation and subsequent etching process | |
EP2964416B1 (en) | Method for separating a substrate | |
EP2976176B1 (en) | Method and device for forming a structured surface by means of a laser beam | |
DE19513354A1 (en) | Surface processing equipment | |
DE102009060924A1 (en) | A structure containing a solid lubricant (solid lubricant structure), in particular a solid lubricant structure formed for a vacuum tribological application, and a production method thereof | |
DE102018110211A1 (en) | Method for producing fine structures in the volume of a substrate made of brittle-hard material | |
DE102012011343B4 (en) | Device for interference structuring of samples | |
WO2003094584A1 (en) | Method for creating a trench structure in a polymer substrate | |
DE102014113339A1 (en) | Method for producing recesses in a material | |
DE102010027438B4 (en) | Process for producing a connection point and/or a connection area in a substrate, in particular for improving the wetting and/or adhesion properties of the substrate | |
DE10015702A1 (en) | Method for introducing at least one internal engraving into a flat body and device for carrying out the method | |
DE102005047082A1 (en) | Method for microstructuring surfaces of a workpiece and its use | |
EP2429758B1 (en) | Apparatus and method for fixing a component to a component carrier | |
WO2022122251A1 (en) | Laser machining of a material using a gradient filter element | |
EP3660573A1 (en) | Optical arrangement for structuring surfaces of a substrate | |
DE102018120011B4 (en) | Welding process for joining a transparent, alumina-containing first substrate to an opaque second substrate | |
DE102019108131A1 (en) | Device and method for forming VIA laser bores | |
EP0683007B1 (en) | Machining device | |
DE10140533A1 (en) | Method and device for micromachining a workpiece with laser radiation | |
DE102004047498B4 (en) | Optical fiber with a structured surface | |
DE102007020704B4 (en) | Device for processing a workpiece with a laser beam | |
DE102012004374A1 (en) | Spinning nozzle for direct spinning of super micro-fibers, has micro-holes that are formed in workpiece in transverse direction such that workpiece wall thickness is set to be five times greater than diameter of micro-holes | |
WO2012004012A1 (en) | Method for introducing an invisible weak point into a decorative layer and method for producing an airbag cover having a decorative layer weakened in such a manner | |
WO2021013796A1 (en) | Device and method for processing material by means of laser radiation |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
R016 | Response to examination communication | ||
R016 | Response to examination communication | ||
R016 | Response to examination communication | ||
R016 | Response to examination communication | ||
R016 | Response to examination communication | ||
R018 | Grant decision by examination section/examining division |