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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Auslegung einer Anordnung für die Materialbearbeitung eines Werkstücks gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie eine Anordnung für die Materialbearbeitung eines Werkstücks, die nach dem Verfahren gemäß Anspruch 4 ausgelegt ist.
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Somit geht die Erfindung aus von einem Verfahren zur Auslegung einer Anordnung für die Materialbearbeitung eines Werkstücks unter Einstellung einer Bestrahlungsstärkeverteilung mindestens eines vorgegebenen Bearbeitungsstrahls, der ein gegebenes Querschnittsprofil der Bestrahlungsstärkeverteilung senkrecht zur Strahl-Ausbreitungsrichtung aufweist, der in dem Werkstück ein räumliches und zeitliches Temperaturprofil erzeugt.
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In Bezug auf die Vorrichtung geht die Erfindung von einer solchen aus, die mit mindestens einem Bearbeitungsstrahl arbeitet, der ein gegebenes Querschnittsprofil der Bestrahlungsstärkeverteilung senkrecht zur Strahl-Ausbreitungsrichtung aufweist, und die mindestens ein optisches Element umfasst, das in dem Strahlengang des Bearbeitungsstrahls eingefügt ist.
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Die zeitliche Variation der Temperatur an einer Werkstückoberfläche während der Materialbearbeitung mit einem Bearbeitungsstrahl, beispielsweise einem Laserstrahl, entspricht in vielen Fällen nicht dem Verlauf, der für den jeweiligen Anwendungsfall optimal wäre. Bei über den Strahlquerschnitt konstanter, kreisförmiger (tophat-förmiger) Bestrahlungsstärkeverteilung oder bei Gauß-artigen Profilen der Bestrahlungsstärkeverteilung erfolgt zeitlich ein schneller Anstieg der Temperatur (in erster Näherung durch die Funktion (1 – exp(–t/tau)) beschreibbar) und dann direkt ein langsamer Abfall der Temperatur (gesehen in Vorschubrichtung) in dem Werkstück.
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Eine Möglichkeit, für eine bestimmte Zeit ein angepasstes Temperaturprofil einzustellen, besteht darin, z. B. ein tophatförmiges Profil stationär an einem Ort zu positionieren und über die Steuerung der Leistung der Bestrahlungsquelle, beispielsweise eines Lasers, zuerst einen schnellen Temperaturanstieg zu erreichen und danach durch Anpassung der Leistung die Temperatur auf dem geforderten Wert zu halten. Die sich hierbei ergebenden Probleme sind diejenigen, dass die Leistung in weiten Bereichen gesteuert werden muss und dass die mittlere nutzbare Leistung des Bestrahlungsstrahls deutlich reduziert werden muss. Darüber hinaus muss das Werkstück bei einer flächigen Bearbeitung zeilenweise mit der in der Regel kreisförmigen Bestrahlungsstärkeverteilung des Bestrahlungsstrahls abgerastert werden, so dass in den Überlappbereichen das gewünschte Bearbeitungsergebnis oftmals nicht oder nur durch aufwändige Verfahrensparameterermittlungen erzielt wird. Aber auch bei Einzelbearbeitungsspuren kann in den Randbereichen der Spur senkrecht zur Vorschubrichtung oftmals kein optimales Bearbeitungsergebnis erzielt werden, da die Temperatur auf Grund von Wärmeleitungseffekten am Rand (Flankenbereich) der Verteilung, senkrecht zur Vorschubrichtung des Bearbeitungsstrahls, auf dem Werkstück immer geringer ist als z. B. im Zentrum der Verteilung.
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Die
DE 198 09 103 A1 beschreibt eine optische Anordnung zur Strahlformung für eine Vorrichtung zur Durchführung eines Verfahrens zum Trennen von sprödem, nicht metallischem Material mit einem Laser und wenigstens einem strahlformenden Element, das den Laserstrahl so formt, dass er in einer Arbeitsebene mit einem bestimmten Strahlprofil abgebildet wird. Das strahlformende Element weist wenigstens eine strahlformende Fläche auf, die entweder eine mikrostrukturierte Oberfläche besitzt, die nach dem Prinzip der phasenangepassten Fresnel-Zonenplatte ausgebildet ist oder in einer anderen Weise als beugungs-optisches Phasenelement wirkt.
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Die
DE 10 2011 103 793 A1 beschreibt ein Verfahren zur Fertigung optischer Elemente mit nicht-sphärischen Oberflächen durch Bearbeitung mit energetischer Strahlung.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren sowie eine Anordnung zu schaffen, mit denen ein vorgegebenes Soll-Temperaturprofil mit einem vorgegebenen Bearbeitungsstrahl in einem Werkstück erzielbar ist.
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Gelöst wird diese Aufgabe durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und durch eine Anordnung gemäß Anspruch 4. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
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Das Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass eine zur Erzielung eines für die Anwendung angepassten räumlichen und zeitlichen Temperaturprofils notwendige Bestrahlungsstärkeverteilung durch inverse Berechnung des Wärmeleitungsproblems bestimmt wird und hieraus ein optisches System abgeleitet wird, das mindestens eine Freiformfläche umfasst, die das Querschnittsprofil der Bestrahlungsstärkeverteilung des Bearbeitungsstrahls derart ändert, dass das für die Anwendung angepasste Temperaturprofil im Werkstück erzeugt wird, wobei die Freiformfläche mit Algorithmen bestimmt wird.
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Die Anordnung ist dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine optische Element mindestens eine Teilfläche aufweist, die als optische Freiformfläche ausgeführt ist.
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Ein wesentlicher Aspekt der Erfindung ist darin zu sehen, dass anstatt davon, die Laserleistung zeitlich zu steuern, die eingekoppelte Leistung über die räumliche Bestrahlungsstärkeverteilung und einen konstanten Vorschub so gesteuert wird, dass über einen bestimmten Zeitraum die Temperatur auf der Werkstückoberfläche konstant ist.
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In einer bevorzugten Ausführungsform wird das vorgegebene räumliche und zeitliche Temperaturprofil durch Bestrahlung des Werkstücks mit einem Bearbeitungsstrahl ermittelt, der eine bekannte Bestrahlungsstärkeverteilung aufweist, wobei nach der Bestrahlung die Auswirkung der Bestrahlung werkstoffkundlich erfasst wird und daraus das zu erzielende räumliche und zeitliche Temperaturprofil ermittelt wird.
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Das inverse Wärmeleitungsproblem wird bevorzugt durch Inversion eines Wärmeleitungsansatzes mit Green'schen Funktionen oder durch Lösung eines inversen Wärmeleitungsproblems mit Regularisierung oder durch Lösen eines optimalen Steuerungsproblems berechnet, wobei diese Berechnungsmethoden auch gemeinsam angewandt werden können.
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Für die Green'schen Funktionen werden lineare Differentialgleichungen gelöst, bei denen bestimmte Randbedingungen erfüllt werden müssen. Als Randbedingungen werden die Leistungsstromdichte auf der Werkstückoberfläche durch den Bearbeitungsstrahl und adiabatischen Randbedingungen an den nicht vom Bearbeitungsstrahl beaufschlagten Oberflächenteilen vorgegeben.
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Für das Lösen des inversen Wärmeleitungsproblems mit Regularisierung wird die allgemeine, nichtlineare Wärmeleitungsgleichung mit den dazugehörigen Rand- und Anfangsbedingungen invertiert, d. h. bei vorgegebener räumlicher und zeitlicher Temperaturverteilung wird die Leistungsstromdichte auf der Werkstückoberfläche bestimmt, die diese Temperaturverteilung erzeugt. Die Regularisierung führt weitere Bedingungen ein, z. B. die Glattheit der Lösung, die dafür sorgen, dass das Problem eine eindeutige und robust zu berechnende Lösung besitzt, was bei inversen Problemen ohne Regularisierung in der Regel nicht gegeben ist.
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Beim optimalen Steuerungsproblems wird ein Funktional minimiert, das unter anderem das Betragsquadrat der Abweichungen des Temperaturverlaufes vom vorgegebenen Verlauf und Regularisierungsterme enthält. Nebenbedingung ist, dass die Temperatur Lösung der Wärmeleitungsgleichung ist und die Rand- und Anfangsbedingungen erfüllt.
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Die Freiformfläche für das mindestens eine optische Element wird aus der berechneten Bestrahlungsstärkeverteilung (Soll-Bestrahlungsstärkeverteilung) und der Bestrahlungsstärkeverteilung des vorgegebenen Bearbeitungsstrahls ermittelt.
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Gemäß einem erfindungsgemäßen Verfahrensablauf wird ein im zu bearbeitenden Werkstück zu erzielendes Soll-Temperaturprofil vorgegeben, wobei für diese Vorgabe der ausgewählte, einzusetzende Bearbeitungsstrahl eine wesentliche Rolle spielt. Für die Vorgabe des Soll-Temperaturprofils wird mit dem ausgewählten Bearbeitungsstrahl, beispielsweise einem Laserstrahl, das ausgewählte Werkstück bestrahlt, um danach das durch die Bestrahlung erzeugte Temperaturprofil im Werkstück zu ermitteln. Aus den dadurch erhaltenen Werten wird das Soll-Temperaturprofil vorgegeben.
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Um im Werkstück das für die Anwendung angepasste räumliche und zeitliche Temperaturprofil zu bestimmen, das sich durch eine bestimmte Bestrahlungsstärkeverteilung am Werkstück (bei Oberflächenquellen Watt pro m2, bei Volumenquellen Watt pro m3) ergibt, wird die Soll-Bestrahlungsstärkeverteilung durch inverse Berechnung des Wärmeleitungsprofils bestimmt.
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Diese Soll-Bestrahlungsstärkeverteilung wird wiederum mit der Ist-Bestrahlungsstärkeverteilung verglichen, die mit dem vorgegebenen Bearbeitungsstrahl erzielt wird. Falls die geforderte Soll-Bestrahlungsstärkeverteilung mit der Ist-Bestrahlungsstärkeverteilung übereinstimmt, wird durch Anwendung von Algorithmen eine Freiformfläche für ein optisches System berechnet; dieses optische System wird als Teil der Bearbeitungsvorrichtung in den Strahlengang des Bearbeitungsstrahls eingefügt. Anschließend wird mit diesem optischen System eine erneute werkstoffkundliche Erfassung des Ist-Temperaturprofils vorgenommen, um dann zu vergleichen, ob mit dem die Freiformfläche aufweisenden optischen System bzw. optischen Element im Werkstück das Ergebnis erreicht wird, dass das Ist-Temperaturprofil gleich dem vorgegebenen Soll-Temperaturprofil entspricht.
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Wie aus dem vorstehend beschriebenen Ablauf ersichtlich ist, erzeugt das optische System aus den im Allgemeinen rotationssymmetrischen Laserstrahlen, die üblicherweise als Bearbeitungsstrahlen eingesetzt werden, ein stark anisotropes Bestrahlungsstärkeprofil. Aus einem vorgegebenen Zeit-Temperatur-Verlauf wird mit einem mathematischen Reverse-Engineering-Verfahren, in Umkehr der Vorwärtswärmeleitungsrechnung, bei der aus einer vorgegeben Bestrahlungsstärkeverteilung der Temperaturverlauf berechnet wird, die erforderliche Bestrahlungsstärkeverteilung des Bearbeitungsstrahls auf der Werkstückoberfläche berechnet. Diese Verteilung ist z. B. für konstante Temperaturverteilungen bei endlichem Vorschub des Bearbeitungsstrahls über das Werkstück in der Regel stark anisotrop. Aus den berechneten Daten wird dann die Freiformfläche beispielsweise für eine Linsenfläche oder eine Reflektorfläche berechnet, mit der diese anisotrope Bestrahlungsstärkeverteilung realisiert wird. Folglich ist die Oberfläche einer solchen Linse oder eines solchen Reflektors, oder eines kombinierten Systems aus mehreren dieser Flächen verteilt über mehrere optische Elemente, ebenfalls stark anisotrop. Eine solche anisotrope Fläche ist daher nur mit den hier angegebenen, sogenannten Freiformflächen umzusetzen, die mit einer großen Zahl von Parametern beschrieben werden.
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Es ist auch ersichtlich, dass das so berechnete optische System (Linse/Reflektor) nur für einen speziellen Fall (Zeit-Bestrahlungsstärkeverteilung-Verlauf, Vorschubgeschwindigkeit) eingesetzt werden kann. Ein flexiblerer Einsatz ist dann gegeben, wenn die optische Anordnung aus mehreren modularen Teilen besteht, so dass beispielsweise der initiale Aufheizbereich (der Bereich des Werkstücks, der in Vorschubrichtung durch den Bearbeitungsstrahl zuerst aufgeheizt wird), die Flankenbereiche (die Bereiche des Werkstücks, die in Vorschubrichtung des Bearbeitungsstrahls den aufgeheizten Bereich seitlich begrenzen) und der Nachheizbereich (der Bereich, der in Vorschubrichtung des Bearbeitungsstrahls zuletzt bestrahlt wird) unabhängig voneinander mit der jeweils notwendigen Beleuchtungsstärkeverteilung beaufschlagt werden können.
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Ein besonders hervorzuhebender Vorteil der erfindungsgemäßen Anordnung ist der zeitliche Verlauf der Temperatur, der ohne zeitliche Steuerung der Laserleistung realisiert wird.
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Eine Freiformfläche, wie sie in den vorliegenden Unterlagen angegeben ist, ist dadurch definiert, dass für deren Berechnung keine Periodizität und keine Symmetrie vorgegeben sind.
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Sofern von einem Wärmeleitungsproblem gesprochen wird, so ist darunter zu verstehen, dass bei vorgegebenen Oberflächen- und Volumenleistungsströmen sowie Rand- und Anfangsbedingungen die Temperatur als Funktion von Ort und Zeit berechnet wird, wobei die Berechnung entweder mit analytischen oder numerischen Methoden oder einer Kombination aus beiden durchgeführt wird.
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Das inverse Wärmeleitungsproblem bezieht sich darauf, dass aus der Vorgabe der räumlichen und zeitlichen Temperaturverteilung in einem bestimmten Gebiet eines Werkstücks auf die Oberflächen- und Volumenleistungsströme in diesem Gebiet des Werkstücks geschlossen wird. Die Vorgaben für inverse Wärmeleitungsprobleme sind in der Regel schlecht gestellt und daher nur unter Vorgabe weiterer Bedingungen lösbar. Diese Vorgabe weiterer Bedingungen wird als Regularisierung bezeichnet.
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Weitere Einzelheiten und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnung. In der Zeichnung zeigen
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1 ein Flussdiagramm, das den Ablauf des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Auslegung einer Anordnung für die Materialbearbeitung eines Werkstücks unter Vorgabe eines Bearbeitungsstrahls und Vorgabe einer Soll-Temperaturverteilung im Werkstück darstellt,
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2 den berechneten zeitlichen Temperaturverlauf auf der Werkstückoberfläche sowie zwei mögliche Temperaturverläufe, wie sie mit einem optischen Element, das eine Freiformfläche besitzt, die gemäß der Erfindung ermittelt und eingesetzt wird, realisierbar sind,
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3 schematisch den Aufbau einer Anordnung gemäß der Erfindung,
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4 eine Temperaturverteilung auf einer Werkstückoberfläche, die mit einem Bearbeitungsstrahl (Laserstrahl) mit rundem, tophat-förmigen Bestrahlungsstärkeprofil erreicht wird,
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5 einen Temperaturverlauf über die Zeit an einem Punkt der Werkstückoberfläche,
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6 einen Temperaturverlauf über die Breite einer Werkstückoberfläche,
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7 eine mit Hilfe eines Revers-Engineering-Verfahrens berechnete Bestrahlungsstärkeverteilung,
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8 die mit der Bestrahlungsstärkeverteilung, wie sie in 7 dargestellt ist, berechnete Temperaturverteilung, und
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9A und 9B jeweils eine Temperaturverteilung entlang eines Schnitts über die Länge und über die Breite des Werkstücks mit der Temperaturverteilung, wie sie in 7 dargestellt ist.
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Zunächst werden anhand des Flussdiagramms, wie es in 1 dargestellt ist, die einzelnen Verfahrensschritte des erfindungsgemäßen Verfahrens erläutert.
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Für die Vorgabe eines Soll-Temperaturprofils, wie dies im Schritt (1) angegeben ist, wird zunächst im Schritt (1.1) ein Bearbeitungsstrahl, beispielsweise ein Laserstrahl, ausgewählt. Mit diesem Bearbeitungsstrahl wird im Schritt (1.2) ein Werkstück, das dem zu bearbeitenden Werkstück entspricht, bestrahlt und anschließend wird die Auswirkung dieser Bestrahlung auf das Werkstück werkstoffkundlich untersucht, um das im Werkstück durch die Bestrahlung hervorgerufene Temperaturprofil zu ermitteln (Schritt (1.3)). Aus den hierbei gewonnenen Daten erfolgt die Vorgabe des Soll-Temperaturprofils (Schritt (1)).
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Nun wird im Schritt (2) durch inverse Berechnung des Wärmeleitungsproblems die Soll-Bestrahlungsstärkeverteilung für den Schritt (3) berechnet.
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Die Soll-Bestrahlungsstärkeverteilung des Schritts (3) wird mit der Ist-Bestrahlungsstärkeverteilung verglichen, wie dies im Schritt (4) angegeben ist, um festzustellen, ob die Ist-Bestrahlungsstärkeverteilung dem vorgegebenen Bearbeitungsstrahl der Soll-Bestrahlungsstärkeverteilung entspricht oder zumindest angepasst ist.
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Falls die geforderte Soll-Bestrahlungsstärkeverteilung mit der Ist-Bestrahlungsstärkeverteilung übereinstimmt, wird durch Anwendung von Algorithmen ein optisches System mit mindestens einer Freiformfläche berechnet und ausgelegt (Schritt (7)).
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Unter Algorithmen sind hier mathematische Verfahren zu verstehen, mit denen Freiformflächen berechnet werden können.
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Mit diesem optischen System wird die Bearbeitungsanordnung aufgebaut (Schritt (8)), wobei hierzu die Vorgaben aus den Schritten (1.1) und (1.2) beachtet werden.
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Nun wird mit dieser Anordnung das Werkstück bestrahlt. Im Schritt (9) wird eine erneute werkstoffkundliche Erfassung des Ist-Temperaturprofils nach der Bestrahlung des Werkstücks vorgenommen. Dieses Ist-Temperaturprofil wird dann im Schritt (10) mit dem im Schritt (1) vorgegebenen Soll-Temperaturprofil verglichen; sollten die beiden Temperaturprofile übereinstimmen, endet das Verfahren am Schritt (11). Falls der Vergleich dazu führt, dass das Ergebnis des Ist-Temperaturprofils nicht dem vorgegebenen Soll-Temperaturprofil entspricht, wird zu dem Schritt (5) zurückgegangen, um mit korrigierten Parametern die Freiformfläche für das optische System erneut zu berechnen. Die Korrektur der Parameter wird dadurch vorgenommen, dass für die Berechnung der Freiformfläche die Zielfunktion geändert wird.
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Die Vorteile, die sich durch das erfindungsgemäße Verfahren sowie die erfindungsgemäße Vorrichtung ergeben, werden anhand der 2 verdeutlicht. Gemäß der Erfindung wird die Bestrahlungsstärke der Bestrahlungsquelle bzw. die Bestrahlungsstärkeverteilung bei konstantem Vorschub derart gesteuert, dass über einen zuvor festgelegten Zeitraum die Temperatur auf der Werkstückoberfläche konstant ist. In 2 sind verschiedene Temperaturverläufe über der Zeit t dargestellt.
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Der mit A gekennzeichnete Temperaturverlauf zeigt denjenigen, der für einen Punkt im Zentrum einer 4 mm × 2 mm Rechteck-Top-Hat-Verteilung berechnet wurde, mit einer Vorschubgeschwindigkeit der Bestrahlungsquelle von 200 mm/s und einer absorbierten Leistung von 200 Watt.
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Der Temperaturverlauf, der mit B gekennzeichnet ist, stellt einen Temperaturverlauf mit konstantem Plateau dar, während der Temperaturverlauf C einen Temperaturverlauf mit zwei Plateaus zeigt. Bei den beiden Temperaturverläufen B und C handelt es sich um schematische Darstellungen, die exemplarisch mögliche Temperaturverläufe veranschaulichen.
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Anhand der 2 ist ersichtlich, dass die Bestrahlungsstärkeverteilungen, um das vorgegebene zeitliche und räumliche Temperaturprofile zu erreichen, stark anisotrop sein müssen, so dass nach dem Verfahren und der Anordnung das auszulegende, optische System aus einem im allgemeinen rotationssymmetrischen Bearbeitungsstrahl ein anisotropes Bestrahlungsstärkeprofil bzw. Bestrahlungsstärkeverteilung auf der Werkstückoberfläche erzeugen müssen. Dies wird dadurch erreicht, dass mit dem optischen System, das mindestens ein optisches Element einsetzt, das eine Freiformfläche umfasst, die Beleuchtungsstärkeverteilung derart umverteilt wird, dass damit die vorgegeben Temperaturverteilung erreicht wird. Es ist auch ersichtlich, dass das optische System für den jeweiligen Anwendungsfall, d. h. die eingesetzte Bestrahlungsquelle, die Vorschubgeschwindigkeit und den damit verbundenen zeitlichen Bestrahlungsstärkeverteilung, ausgelegt werden muss. Folglich ist die Oberfläche des optischen Elements ebenfalls stark anisotrop, was durch eine entsprechende Freiformfläche, durch die der Bearbeitungsstrahl hindurchfährt oder von der der Bearbeitungsstrahl reflektiert wird, um auf das Werkstück gerichtet zu werden, realisiert wird.
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Eine Anordnung gemäß der Erfindung ist in einer stark vereinfachten Darstellung in 3 gezeigt. Ein Bearbeitungsstrahl 1, bereitgestellt beispielsweise durch einen fasergekoppelten Diodenlaser, wobei das quadratische Faserende 2 im Querschnitt eine Seitenlänge von beispielsweise 0,46 mm aufweist und der aus dem Faserende 2 austretende Strahl 3 eine Divergenz von 120 mrad hat, wird in dem gezeigten Beispiel von einer Kollimationslinse 4, die von dem Faserende 2 unter einem Abstand 5 von 100 mm angeordnet ist, zu einem parallelen Strahlenbündel 6 kollimiert. Dieser Strahl 6 tritt in die ebene Eintrittsfläche 7 eines optischen Elements 8 ein. Auf der gegenüber liegenden Seite besitzt das optische Element 8 eine als Freiformfläche ausgeführte Austrittsfläche 9. Der Bearbeitungsstrahl 1 erfährt eine Kollimierung und trifft auf ein zu bearbeitendes Werkstück 10, beispielsweise ein Substrat mit einer dünnen Schicht, das zu der Austrittsfläche 9 unter einem Abstand 11 von 50 mm angeordnet ist.
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Das optische Element 8 bzw. dessen Freiformfläche 9 ist nach dem Verfahren, wie es in 1 dargestellt ist, in seiner Form ausgelegt. Die Austrittsfläche 9 des optischen Elements 8 besitzt eine stark anisotrope Form, so dass die jeweiligen Strahlungsanteile des Bearbeitungsstrahls 1, im Querschnitt gesehen, in dem optischen Element 8 so gerichtet werden, dass eine Umverteilung der Strahlungsanteile erfolgt und daher die Oberfläche des Werkstücks 10 mit einer Bestrahlungsstärke des Bearbeitungsstrahls 1 bestrahlt wird, die das vorgegebene räumliche und zeitliche Temperaturprofil erzeugt.
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Im Vergleich zu dem Ergebnis, das mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung erreicht wird, die das mindestens eine optische Element mit mindestens einer Freiformfläche umfasst, zeigt die 4 die Temperaturverteilung, wie sie durch einen Laserstrahl mit einem runden, tophatförmigen Bestrahlungsstärkeprofil erzeugt wird. Dieses Temperaturprofil entspricht dem Temperaturverlauf, der in 2 durch die Kurve A dargestellt ist. Auf der Y-Achse ist die Temperaturverteilung in Vorschubrichtung, mit dem Pfeil V gekennzeichnet, über eine Länge von etwa 2 mm und über eine Breite, in Richtung der X-Achse, von 0,6 mm (Strahlachse (Nullpunkt) + 0,3 mm) dargestellt. Die Temperatur steigt in dem Bereich, in dem der Bearbeitungsstrahl auf das Werkstück auftritt, stark an (Level 9 bis 11) und fällt langsam hinter dem Bearbeitungsstrahl, in Vorschubrichtung V gesehen, ab.
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Dieser Temperaturverlauf, wie er in 4 in der Draufsicht auf die Werkstückoberfläche gezeigt ist, ist in 5 nochmals in der Vorschubrichtung V (Y-Achse) als Funktion der Zeit [ms] und in 6 über die Breite [mm] jeweils in durchgezogener Linie A dargestellt; im Gegensatz dazu geben die jeweiligen unterbrochenen Linien B den gewünschten Temperaturverlauf an, der durch die Anordnung nach der Erfindung zumindest annähernd realisierbar ist. Gerade ein solcher Temperaturverlauf B ist für viele Anwendungen von großem Vorteil, beispielsweise bei dem Enthärten, Trocknen, und insbesondere auch solchen, bei denen ein enges Temperaturfenster, das bedeutet typisch +/–10% der Maximaltemperatur über eine erforderliche Haltezeit, eingehalten werden muss.
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Ein solcher Temperaturverlauf B, wie er in den 5 und 6 in der unterbrochenen Linie dargestellt ist, wird mit dem optischen System gemäß der Erfindung erreicht, das beispielsweise aus einem runden tophat-förmigen Laserstrahl geringer Kohärenz eine Bestrahlungsstärkeverteilung beim Überfahren einer Werkstückoberfläche auf dieser erzeugt, die innerhalb eines vorgebbaren räumlichen und zeitlichen Gebiets eine konstante Temperatur erzeugt.
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Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren, wie es in 1 dargestellt ist, wurde mit den Vorgaben einer zeitlich und räumlich über einen vorgegebenen Bereich konstanten Temperatur mit Hilfe eines Reverse Engineering Verfahrens die in 7 gezeigte Bestrahlungsstärkeverteilung berechnet, wobei in 7 die Breite [mm] den Strahlquerschnitt bzw. die Temperaturverteilung auf der Werkstückoberfläche quer zur Vorschubrichtung darstellt, während die Länge [mm] den Strahlquerschnitt bzw. die Temperaturverteilung auf der Werkstückoberfläche in Vorschubrichtung V darstellt. Mit den Ziffern ”2” bis ”9” sind die Isothermen, Linien von Bereichen gleicher Temperatur, angegeben, wobei die Temperatur von den kleinen Zahlen zu den großen Zahlen hin zunimmt. Der in Vorschubrichtung V vordere Bereich VB stellt den initialen Aufheizbereich dar, während der hintere Bereich HB den Nachheizbereich darstellt.
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In 8 ist die mit der Bestrahlungsstärkeverteilung aus 7 berechnete Temperaturverteilung gezeigt. Weiterhin zeigen die 9A und 9B Schnitte durch diese Temperaturverteilung in Vorschubrichtung (9A) und quer zur Vorschubrichtung (9B).
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In 8 geben die Ziffern ”1” bis ”9” (Level) das jeweilige Temperaturniveau (T[°C]) an, wie es in der Tabelle von 30°C bis 110°C angegeben ist. Anhand der 8 wird deutlich, dass der Temperaturgradient insbesondere an der Vorderfront groß ist und etwas weniger ausgeprägt an den Seiten ist.
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Die 9A und 9B zeigen, dass sowohl in Vorschubrichtung V (9A) als auch quer zur Vorschubrichtung (9B) über einen Bereich von etwa ± 2 mm (konkret 3,6 mm) eine annähernd rechteckige Temperaturverteilung auf einem Niveau von etwa 130° erreicht wird.
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Die vorstehenden Grafiken zeigen insbesondere, dass das zeitliche Plateau der Temperatur ohne zeitliche Steuerung der Laserleistung und ohne Überlappungsbereiche von Strahlungsanteilen des Bearbeitungsstrahls realisiert wird.
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Es wäre auch denkbar, das mindestens eine optische Element mit der mindestens einen Freiformfläche durch mindestens ein diffraktives optisches Element zu realisieren, allerdings mit dem Nachteil, dass solche diffraktiven optischen Elemente eine hohe Kohärenz des Bearbeitungsstrahls voraussetzen, was allerdings im Hochleistungsbereich in den meisten Fällen nicht gegeben ist.
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Soweit den Figuren Temperaturangaben und Angaben über die Länge und die Breite zu entnehmen sind, so dienen diese nur zur Erläuterung von Beispielen, um die Vorteile der Erfindung mit den gezeigten, grafischen Darstellungen zu erläutern.
