DE102014205497A1 - Workpiece with NIR scattering centers in a NIR-transparent material - Google Patents

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Abstract

Bei einem Werkstück (1), insbesondere plattenförmiges Werkstück, aus einem Werkstoff (2), welcher bei einer der Werkstückdicke (D) entsprechenden Werkstoffdicke mehr als ca. 10%, bevorzugt mehr als ca. 20% und besonders bevorzugt mehr als ca. 50%, einer NIR-Laserstrahlung (4) transmittiert, sind erfindungsgemäß in dem Werkstoff (2) Streuzentren (3) zum Streuen der NIR-Laserstrahlung (4) derart verteilt angeordnet, dass durch Mehrfachstreuung an den Streuzentren (3) der mittlere Strahlweg (x) von in Richtung der Werkstückdicke (D) in das Werkstück (1) eingekoppelter NIR-Laserstrahlung (4) verlängert ist und dadurch das Werkstück (1) insgesamt höchstens 50% an NIR-Laserstrahlung (4) transmittiert wie der Werkstoff (2) bei einer der Werkstückdicke (D) entsprechenden Werkstoffdicke, wobei für die Wellenlänge (λ) der NIR-Laserstrahlung (4) der spezifische Absorptionskoeffizient der Streuzentren (3) nicht höher als der spezifische Absorptionskoeffizient des Werkstoffes (2) ist.In the case of a workpiece (1), in particular a plate-shaped workpiece, of a material (2) which has a material thickness corresponding to the workpiece thickness (D) more than approximately 10%, preferably more than approximately 20% and particularly preferably more than approximately 50 %, transmitted to an NIR laser radiation (4), according to the invention are distributed in the material (2) scattering centers (3) for scattering the NIR laser radiation (4) such that by multiple scattering at the scattering centers (3) the mean beam path (x ) of in the direction of the workpiece thickness (D) in the workpiece (1) coupled NIR laser radiation (4) is extended and thereby the workpiece (1) a total of at most 50% transmitted to NIR laser radiation (4) as the material (2) one of the workpiece thickness (D) corresponding material thickness, wherein for the wavelength (λ) of the NIR laser radiation (4) the specific absorption coefficient of the scattering centers (3) is not higher than the specific absorption coefficient of the material (2) t.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Werkstück, insbesondere plattenförmiges Werkstück, aus einem Werkstoff, welcher bei einer der Werkstückdicke entsprechenden Werkstoffdicke mehr als ca. 10%, bevorzugt mehr als ca. 20% und besonders bevorzugt mehr als ca. 50%, einer NIR-Laserstrahlung transmittiert. Das Werkstück ist beispielsweise plattenförmig und kann insbesondere ein Blech sein.The invention relates to a workpiece, in particular a plate-shaped workpiece, made of a material which transmits more than about 10%, preferably more than about 20% and particularly preferably more than about 50%, of an NIR laser radiation at a material thickness corresponding to the workpiece thickness , The workpiece is, for example, plate-shaped and may in particular be a sheet metal.
  • Einige Werkstoffe wie Gläser oder thermoplastische Kunststoffe zeichnen sich durch einen geringen Absorptionskoeffizienten für elektromagnetische Strahlung im NIR-Spektrum, d. h. für Wellenlängen von 780 nm bis 3 μm, aus. Soll ein Werkstück aus solch einem Werkstoff für eine nachfolgende Be- oder Verarbeitung berührungslos erwärmt werden, wird daher entweder ein Wärmestrahler mit einer besser absorbierten Wellenlänge, zumeist aber ein breitbandiger Wärmestrahler eingesetzt. Dabei wird die Strahlungsenergie jeweils an der Werkstückoberfläche absorbiert und über Wärmeleitung in das Werkstückinnere eingebracht. Dieser Ansatz ist in mehrfacher Hinsicht nachteilig:
    • – geringe Prozesseffizienz, da entsprechend des geringen Absorptionskoeffizienten des Werkstoffs zumeist nur ein Teil der Strahlung absorbiert und damit in Wärme überführt wird. Mit anderen Worten ist die Absorptionslänge der NIR-Strahlung in diesen Werkstoffen in der Größenordnung oder größer als die Werkstückdicken.
    • – Da Werkstoffe bei einigen Wellenlängen eine recht kleine und bei anderen Wellenlängen eine recht große Absorptionslänge aufweisen, bewirkt das bekannte Hinzufügen von breitbandig stark absorbierenden Absorptionszentren (z. B. Ruß) zum Werkstoff des Werkstücks, dass die großen Absorptionslängen kleiner werden als die Werkstückdicke und somit ein großer Teil dieser Wellenlängen absorbiert wird und dass die kleineren Absorptionslängen nochmals kleiner werden und verstärkt an der Oberfläche absorbiert werden. Dies resultiert in einer geringen Prozesseffektivität, da die Absorption überwiegend an der Werkstückoberfläche erfolgt und die thermische Energie mittels Wärmeleitung in das Werkstück eingebracht wird. Die thermophysikalischen Eigenschaften des Werkstückstoffes begrenzen die Möglichkeit der räumlichen und zeitlichen Steuerbarkeit der Strahlung.
    • – Gläser und Thermoplaste haben außerdem eine sehr geringe Wärmeleitfähigkeit, so dass sich nach inhomogener Absorption nur stark verzögert ein homogenes Temperaturprofil über den Querschnitt einstellen kann.
    • – limitierte Produktivität infolge der Gefahr der Werkstückschädigung an der Oberfläche durch thermische Überlast.
    Some materials such as glasses or thermoplastics are characterized by a low absorption coefficient for electromagnetic radiation in the NIR spectrum, ie for wavelengths of 780 nm to 3 microns from. If a workpiece made of such a material for subsequent processing or processing is heated contactless, therefore, either a heat radiator with a better absorbed wavelength, but usually a broadband heat radiator is used. In this case, the radiation energy is absorbed in each case on the workpiece surface and introduced via heat conduction into the workpiece interior. This approach is disadvantageous in several ways:
    • - Low process efficiency, since according to the low absorption coefficient of the material usually only a part of the radiation is absorbed and thus converted into heat. In other words, the absorption length of the NIR radiation in these materials is on the order of or greater than the workpiece thicknesses.
    • Since materials have a fairly short absorption wavelength at some wavelengths and a rather long absorption wavelength at other wavelengths, the known addition of absorption abilities (eg soot) to the material of the workpiece with broadband absorption causes the large absorption lengths to become smaller than the workpiece thickness and Thus, a large part of these wavelengths is absorbed and that the smaller absorption lengths are again smaller and more absorbed at the surface. This results in a low process efficiency, since the absorption takes place predominantly on the workpiece surface and the thermal energy is introduced into the workpiece by means of heat conduction. The thermophysical properties of the workpiece material limit the possibility of spatial and temporal controllability of the radiation.
    • - Glasses and thermoplastics also have a very low thermal conductivity, so that after inhomogeneous absorption only a very delayed can set a homogeneous temperature profile over the cross section.
    • - limited productivity due to the risk of workpiece damage to the surface due to thermal overload.
  • Der vorliegenden Erfindung liegt demgegenüber die Aufgabe zugrunde, ein Werkstück der eingangs genannten Art dahingehend weiterzubilden, dass die Absorption von NIR-Strahlung möglichst nicht an der Werkstückoberfläche, sondern zumindest homogen oder überwiegend im Werkstückinneren erfolgt.The present invention is based on the object to further develop a workpiece of the type mentioned in that the absorption of NIR radiation is possible not on the workpiece surface, but at least homogeneously or predominantly in the workpiece interior.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass in dem Werkstoff Streuzentren zum Streuen der NIR-Laserstrahlung derart verteilt angeordnet sind, dass durch Mehrfachstreuung an den Streuzentren der mittlere Strahlweg von in Richtung der Werkstückdicke in das Werkstück eingekoppelter NIR-Laserstrahlung verlängert ist und dadurch das Werkstück höchstens 50% an NIR-Laserstrahlung transmittiert wie der Werkstoff bei einer der Werkstückdicke entsprechenden Werkstoffdicke, wobei für die Wellenlänge der NIR-Laserstrahlung der spezifische Absorptionskoeffizient der Streuzentren nicht höher als der spezifische Absorptionskoeffizient des Werkstoffes ist. Vorzugsweise transmittiert das erfindungsgemäße Werkstück höchstens 20%, bevorzugt höchstens 10%, an NIR-Laserstrahlung wie der Werkstoff bei einer der Werkstückdicke entsprechenden Werkstoffdicke.This object is achieved according to the invention in that scattering centers for scattering the NIR laser radiation are distributed in the material in such a way that the mean beam path of NIR laser radiation coupled into the workpiece in the direction of the workpiece thickness is extended by multiple scattering at the scattering centers and thereby the workpiece at most 50% of NIR laser radiation is transmitted as the material at a material thickness corresponding to the workpiece thickness, wherein for the wavelength of the NIR laser radiation, the specific absorption coefficient of the scattering centers is not higher than the specific absorption coefficient of the material. Preferably, the workpiece according to the invention transmits at most 20%, preferably at most 10%, of NIR laser radiation, such as the material at a material thickness corresponding to the workpiece thickness.
  • Unter nahem Infrarot (NIR) wird der Bereich des elektromagnetischen Spektrums bezeichnet, der sich in Richtung größerer Wellenlänge an das sichtbare Licht anschließt. Dieser Bereich des Infrarotlichts erstreckt sich von 0,78 bis 3 μm und umfasst somit die Spektralbereiche IR-A (0,78 bis 1,4 μm) und IR-B (1,4 bis 3,0 μm).Near-infrared (NIR) refers to the region of the electromagnetic spectrum that adjoins the visible light in the direction of greater wavelength. This range of infrared light extends from 0.78 to 3 microns and thus includes the spectral ranges IR-A (0.78 to 1.4 microns) and IR-B (1.4 to 3.0 microns).
  • Unter Streuzentren werden im Rahmen der Erfindung Bereiche im Werkstoff verstanden, die auftreffende NIR-Strahlung streuen bzw. reflektieren und nicht selbst absorbieren, also mit anderen Worten Bereiche mit optischen Grenzflächen zum Streuen bzw. Reflektieren von NIR-Strahlung.In the context of the invention, scattering centers are understood as areas in the material which scatter or reflect incident NIR radiation and do not absorb it themselves, in other words areas with optical interfaces for scattering or reflecting NIR radiation.
  • Statt der herkömmlich eingesetzten Breitbandstrahler wird erfindungsgemäß zur berührungslosen Erwärmung gezielt eine NIR-Laserstrahlungsquelle, bevorzugt mit einer Wellenlänge im Wellenlängenbereich von 780 bis 900 nm, bei 1030 nm (Yb:YAG) oder bei 1064 nm (Nd:YAG), eingesetzt, die ausschließlich in dem Bereich vergleichsweise schwacher Absorption des Werkstoffs emittiert. Durch die erfindungsgemäß im Werkstück vorhandenen Streuzentren wird eine multiple und optimal raumfüllende Ablenkung der eingebrachten NIR-Laserstrahlung im Werkstoff erreicht. Die Streuzentren bewirken gewissermaßen eine erzwungene Mehrfachstreuung im Inneren des Werkstoffs bzw. Werkstücks. Dadurch kann der Strahlweg im Werkstück verlängert werden, und zwar insbesondere so weit, dass die Absorptionslänge der NIR-Laserstrahlung im Werkstoff in der Größenordnung oder kleiner als die Werkstückdicke ist. Über Dichte und Verteilung der Streuzentren lässt sich prinzipiell jeder Absorptionsgrad des Werkstücks, bis hin zu 100%, einstellen. Die im Werkstückinneren absorbierte NIR-Laserstrahlung führt zu einer Volumenerwärmung des Werkstücks, so dass eine thermische Überlast an der Werkstückoberseite vermieden wird.Instead of the conventionally used broadband radiators, a NIR laser radiation source, preferably with a wavelength in the wavelength range from 780 to 900 nm, at 1030 nm (Yb: YAG) or at 1064 nm (Nd: YAG), is used for contactless heating emitted in the region of comparatively weak absorption of the material. By virtue of the scattering centers present in the workpiece according to the invention, a multiple and optimally space-filling deflection of the introduced NIR laser radiation in the material is achieved. The scattering centers effectively effect a forced multiple scattering inside the material or workpiece. Thereby, the beam path can be extended in the workpiece, in particular so far that the absorption length of the NIR laser radiation in the material in the order of magnitude or smaller than the workpiece thickness is. In principle, any degree of absorption of the workpiece, up to 100%, can be set via the density and distribution of the spreading centers. The absorbed inside the workpiece NIR laser radiation leads to a volume heating of the workpiece, so that a thermal overload on the workpiece top is avoided.
  • Die erfindungsgemäße Lösung liegt also in der Umkehrung der bisher verfolgten Erwärmungsstrategie mit breitbandigem Wärmestrahler, indem ein NIR-Wärmestrahler mit schmalem Frequenzband eingesetzt wird, der ausschließlich in dem Frequenzbereich schwacher Absorption des Werkstoffes emittiert. Zur Absorption sind im Werkstück die Streuzentren eingebracht, welche eine multiple, optimal raumfüllende Ablenkung der Strahlung im teiltransparenten Werkstückstoff verursachen, wodurch der Strahlweg im Werkstück erhöht wird und bei geeigneter Ausführung die Absorptionslänge der Strahlung übertrifft.Thus, the solution according to the invention lies in the reversal of the hitherto pursued heating strategy with a broadband heat radiator, in that a narrow frequency band NIR heat emitter is used which emits exclusively in the frequency range of weak absorption of the material. For absorption in the workpiece, the scattering centers are introduced, which cause a multiple, optimally space-filling deflection of the radiation in the partially transparent workpiece material, whereby the beam path is increased in the workpiece and, with a suitable design, the absorption length of the radiation exceeds.
  • Vorzugsweise ist der Werkstoff ein Glas oder ein thermoplastischer Kunststoff oder ein Verbundwerkstoff, insbesondere ein Faserverbundwerkstoff wie z. B. ein Organoblech aus einer thermoplastischen Kunststoffmatrix und darin eingebetteten Fasern. Im Falle eines Verbundwerkstoffs sind die Streuzentren vorteilhaft in der Matrix vorgesehen. Das Organoblech kann mit seinen eingebetteten Fasern auch selbst das Werkstück ausbilden.Preferably, the material is a glass or a thermoplastic plastic or a composite material, in particular a fiber composite material such. B. an organic sheet of a thermoplastic resin matrix and fibers embedded therein. In the case of a composite material, the scattering centers are advantageously provided in the matrix. The organic sheet can also form the workpiece itself with its embedded fibers.
  • In einer besonderen Ausführungsform der Erfindung ist die Dichte der Streuzentren in dem Werkstück in einer Schicht, insbesondere in allen Schichten, die sich in einer bestimmten Tiefe ausgehend von den beiden Werkstückseiten im Werkstück befindet, im Wesentlichen konstant.In a particular embodiment of the invention, the density of the scattering centers in the workpiece in a layer, in particular in all layers, which is located at a certain depth from the two sides of the workpiece in the workpiece, is substantially constant.
  • Die Streuzentren können im Werkstoff homogen oder, was bevorzugt ist, gezielt inhomogen verteilt sein, um einerseits ein Eindringen von NIR-Strahlung bis weit in das Werkstückinnere zu ermöglichen und andererseits den mittleren Strahlweg der eingekoppelten NIR-Strahlung innerhalb des Werkstücks zu maximieren. Vorzugsweise ist daher die Dichte der Streuzentren im oberflächennahen Bereich der strahlungszugewandten Werkstückseite geringer als im oberflächennahen Bereich der strahlungsabgewandten Werkstückseite. Besonders bevorzugt nimmt die Dichte der Streuzentren ausgehend von der strahlungszugewandten Werkstückseite in Richtung auf die strahlungsabgewandte Werkstückseite – im optimalen Fall exponentiell – zu, um eine möglichst hohe Absorption der Strahlung bei gleichzeitig homogener Absorptionsverteilung über die Werkstückdicke zu erreichen. Für eine beidseitige NIR-Bestrahlung ist es hingegen vorteilhaft, wenn die Dichte der Streuzentren ausgehend von der Werkstückmitte zu den beiden Werkstückseiten hin abnimmt.The scattering centers may be distributed homogeneously in the material or, as is preferred, in a targeted manner inhomogeneous in order, on the one hand, to allow penetration of NIR radiation far into the interior of the workpiece and, on the other hand, to maximize the mean beam path of the coupled NIR radiation within the workpiece. Preferably, therefore, the density of the scattering centers in the near-surface region of the radiation-facing workpiece side is lower than in the near-surface region of the radiation-remote workpiece side. Particularly preferably, the density of the scattering centers, starting from the side facing the side facing the radiation, increases toward the side facing away from the radiation, in the optimal case exponentially, in order to achieve the highest possible absorption of the radiation while at the same time homogenous absorption distribution over the workpiece thickness. For a bilateral NIR irradiation, however, it is advantageous if the density of the scattering centers decreases starting from the center of the workpiece to the two sides of the workpiece.
  • Bei einer erfindungsgemäßen Variante sind die Streuzentren durch eingelagerte Streu- oder Reflektorteilchen aus artfremdem Material gebildet, die in den Werkstoff eingelagert sind und beispielsweise Glasfasern, Glaskügelchen oder Glasfaserbruchstücke sein können. Im letzteren Fall sind die Streu- oder Reflektorteilchen dann zylinder- bzw. röhrenförmig, scheibenförmig oder kugelförmig ausgebildet. Streuzentren können auch durch gasgefüllte Hohlräume gebildet sein, die vorteilhafterweise einen sehr niedrigen Brechungsindex aufweisen.In a variant according to the invention, the scattering centers are formed by incorporated scattering or reflector particles of extraneous material, which are embedded in the material and may be, for example, glass fibers, glass beads or glass fiber fragments. In the latter case, the scattering or reflector particles are then cylindrical or tubular, disc-shaped or spherical. Scattering centers can also be formed by gas-filled cavities, which advantageously have a very low refractive index.
  • Dabei können vorteilhaft die eingelagerten Teilchen bei der Wellenlänge der NIR-Laserstrahlung einen Brechungsindex aufweisen, der niedriger ist als der Brechungsindex des Werkstoffs. Dadurch wird ein höherer Anteil der NIR-Laserstrahlung an den Teilchen reflektiert, denn je größer der Brechungsindexunterschied desto besser, da durch die Teilchen transmittierte Strahlung stärker gebrochen wird, sowie auch aufgrund von Totalreflexion, die dann bereits unter geringen Einfallswinkeln an der Grenzfläche vom optisch dichteren zum optisch dünneren Medium auftritt. Auch ein deutlich größerer Brechungsindex ist möglich und je größer der Brechungsindexunterschied zum Werkstoff desto besser, da transmittierte Strahlung dadurch stärker gebrochen wird und auch mehr Strahlung reflektiert wird, aber es gibt keine Totalreflexion, wie bei niedrigerem Brechungsindex, so dass insgesamt weniger Strahlung reflektiert wird.In this case, advantageously, the embedded particles at the wavelength of the NIR laser radiation having a refractive index which is lower than the refractive index of the material. As a result, a higher proportion of the NIR laser radiation is reflected at the particles, because the larger the refractive index difference the better, since radiation transmitted through the particles is more strongly refracted, as well as due to total reflection, which then already at low angles of incidence at the interface of optically denser to the optically thinner medium occurs. Also, a significantly larger refractive index is possible and the greater the refractive index difference to the material the better, since transmitted radiation is thereby refracted more and also more radiation is reflected, but there is no total reflection, as with lower refractive index, so that less radiation is reflected overall.
  • Bei einer anderen erfindungsgemäßen Variante sind die Streuzentren durch lokal strukturelle Modifikationen des Werkstoffs gebildet, beispielsweise durch laserinduzierte lokale Teilkristallisierung des Werkstoffs oder durch laserinduzierte Blasen im Werkstoff.In another variant of the invention, the scattering centers are formed by locally structural modifications of the material, for example by laser-induced local partial crystallization of the material or by laser-induced bubbles in the material.
  • Die Erfindung betrifft in einem weiteren Aspekt auch ein Verfahren zum Erwärmen eines wie oben beschriebenen Werkstücks, wobei das Werkstück mit NIR-Laserstrahlung, insbesondere mit IR-A-Laserstrahlung, besonders bevorzugt mit Laserstrahlung mit einer Wellenlänge im Wellenlängenbereich von 780 bis 980 nm (typische Laserdioden zum Pumpen von Festkörperlasern), bei 1030 nm (Yb:YAG) oder bei 1064 nm (Nd:YAG), bestrahlt wird. Als Laser wird vorteilhaft ein Festkörperlaser eingesetzt. Die Intensität der Laserstrahlung ist nach oben dadurch limitiert, dass die Oberfläche nicht durch Degenerierung geschädigt wird. Dieser Wert ist werkstoffabhängig.In a further aspect, the invention also relates to a method for heating a workpiece as described above, the workpiece being provided with NIR laser radiation, in particular with IR-A laser radiation, particularly preferably with laser radiation having a wavelength in the wavelength range from 780 to 980 nm (typical Laser diodes for pumping solid state lasers), at 1030 nm (Yb: YAG) or at 1064 nm (Nd: YAG). As a laser, a solid-state laser is advantageously used. The intensity of the laser radiation is limited to the top by the fact that the surface is not damaged by degeneration. This value is material-dependent.
  • Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen des Gegenstands der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung, den Ansprüchen und der Zeichnung. Ebenso können die vorstehend genannten und die noch werter aufgeführten Merkmale je für sich oder zu mehreren in beliebigen Kombinationen Verwendung finden. Die gezeigten und beschriebenen Ausführungsformen sind nicht als abschließende Aufzählung zu verstehen, sondern haben vielmehr beispielhaften Charakter für die Schilderung der Erfindung. Die Figuren der Zeichnung zeigen den erfindungsgemäßen Gegenstand stark schematisiert und sind nicht maßstäblich zu verstehen.Further advantages and advantageous embodiments of the subject invention will become apparent from the description, the claims and the drawings. Likewise, the above-mentioned and the still more valuable features listed per se or in any combination Find use. The embodiments shown and described are not to be understood as exhaustive enumeration, but rather have exemplary character for the description of the invention. The figures of the drawing show the subject matter according to the invention in a highly schematized manner and are not to be understood to scale.
  • Es zeigen:Show it:
  • 1a, 1b schematisch einen Querschnitt (1a) durch ein erstes erfindungsgemäßes Werkstück aus einem NIR-transparenten Werkstoff, sowie die über die Werkstückdicke aufgetragene Dichteverteilung (1b) von NIR-Streuzentren in dem Werkstück; und 1a . 1b schematically a cross section ( 1a ) by a first workpiece according to the invention made of an NIR-transparent material, and the density distribution applied over the workpiece thickness ( 1b ) of NIR scattering centers in the workpiece; and
  • 2a, 2b einen Querschnitt (2a) durch ein zweites erfindungsgemäßes Werkstück aus einem NIR-transparenten Werkstoff, sowie die über die Werkstückdicke aufgetragene Dichteverteilung (2b) von NIR-Streuzentren in dem Werkstück. 2a . 2 B a cross section ( 2a ) by a second inventive workpiece made of a NIR-transparent material, as well as the applied over the workpiece thickness density distribution ( 2 B ) of NIR scattering centers in the workpiece.
  • In der folgenden Figurenbeschreibung werden für gleiche bzw. funktionsgleiche Bauteile identische Bezugszeichen verwendet.In the following description of the figures identical reference numerals are used for identical or functionally identical components.
  • 1a zeigt schematisch einen Querschnitt durch ein Werkstück 1 aus einem NIR-transparenten Werkstoff 2, welcher bei einer der Werkstückdicke D (z. B. 5 mm) entsprechenden Werkstoffdicke mehr als ca. 10%, insbesondere mehr als ca. 20% oder ca. 50%, einer NIR-Laserstrahlung 4, bspw. bei einer Wellenlänge λ von 1030 nm (Yb:YAG), 1064 nm (Nd:YAG) oder zwischen 780 nm und 980 nm, transmittiert. Der Werkstoff 2 ist beispielsweise ein Glas oder ein thermoplastischer Kunststoff oder ein Verbundwerkstoff, insbesondere ein Faserverbundwerkstoff wie ein glasfaserverstärktes Organoblech. 1a schematically shows a cross section through a workpiece 1 made of an NIR-transparent material 2 in which at a material thickness corresponding to the workpiece thickness D (eg 5 mm) more than approximately 10%, in particular more than approximately 20% or approximately 50%, of an NIR laser radiation 4 , for example, at a wavelength λ of 1030 nm (Yb: YAG), 1064 nm (Nd: YAG) or between 780 nm and 980 nm, transmitted. The material 2 For example, a glass or a thermoplastic or a composite material, in particular a fiber composite material such as a glass fiber reinforced organic sheet.
  • Im Werkstoff 2 verteilt sind Streuzentren 3 zum Streuen von NIR-Laserstrahlung 4 angeordnet. Diese Streuzentren 3 sind beispielsweise durch Teilchen (z. B. Glasfasern, Glasbruchstücke oder Glaskügelchen), die in den Werkstoff 2 eingelagert sind, oder durch lokal strukturelle Modifikationen des Werkstoffs 2, insbesondere durch Kristallisierungen des Werkstoffs 2 oder durch Blasen im Werkstoff 2, gebildet. Die Streuzentren 3 streuen bzw. reflektieren auftreffende NIR-Laserstrahlung 4 und weisen einen ähnlich geringen oder noch geringeren spezifischen NIR-Absorptionskoeffizienten wie der Werkstoff 2 auf.In the material 2 scattering centers are distributed 3 for scattering NIR laser radiation 4 arranged. These scattering centers 3 are, for example, by particles (eg glass fibers, glass fragments or glass beads), in the material 2 embedded or by locally structural modifications of the material 2 , in particular by crystallization of the material 2 or by bubbles in the material 2 , educated. The scattering centers 3 scatter or reflect impinging NIR laser radiation 4 and have a similar low or even lower specific NIR absorption coefficient as the material 2 on.
  • Die Streuzentren 3 sind in dem Werkstoff 2 derart verteilt angeordnet, dass durch Mehrfachstreuung an den Streuzentren 3 der mittlere Strahlweg x von in Richtung der Werkstückdicke D in das Werkstück 1 eingekoppelter NIR-Laserstrahlung 4 verlängert und dadurch das Werkstück 1 in Richtung der Werkstückdicke D insgesamt höchstens halb so viel (50%) an NIR-Laserstrahlung 4 transmittiert wie der Werkstoff 2 bei einer der Werkstückdicke D entsprechenden Werkstoffdicke. Durch die Streuzentren 3 wird eine multiple und optimal raumfüllende Ablenkung der eingebrachten NIR-Strahlung 4 im Werkstoff 2 erreicht. Die Streuzentren 3 bewirken also eine erzwungene Mehrfachstreuung im Inneren des Werkstücks 1. Dadurch kann der Strahlweg x im Werkstück 1 verlängert werden, und zwar insbesondere so weit, dass die Absorptionslänge der NIR-Laserstrahlung 4 im Werkstoff 2 überschritten wird und folglich die eingekoppelte Laserstrahlung 4 im Werkstoff 2 größtenteils absorbiert wird. Die im Werkstückinneren absorbierte NIR-Laserstrahlung 4 führt zu einer Volumenerwärmung des Werkstücks 1, so dass eine thermische Überlast an der Werkstückoberseite vermieden wird. Über Dichte und Verteilung der Streuzentren 3 lässt sich prinzipiell jeder Absorptionsgrad des Werkstücks 1, bis hin zu 100%, einstellen.The scattering centers 3 are in the material 2 arranged so distributed that by multiple scattering at the scattering centers 3 the mean beam path x from in the direction of the workpiece thickness D in the workpiece 1 coupled NIR laser radiation 4 lengthens and thereby the workpiece 1 in the direction of the workpiece thickness D a total of at most half as much (50%) of NIR laser radiation 4 transmits like the material 2 at a workpiece thickness D corresponding material thickness. Through the scattering centers 3 becomes a multiple and optimally space-filling deflection of the introduced NIR radiation 4 in the material 2 reached. The scattering centers 3 thus cause a forced multiple scattering inside the workpiece 1 , This allows the beam path x in the workpiece 1 be extended, in particular so far that the absorption length of the NIR laser radiation 4 in the material 2 is exceeded and thus the coupled laser radiation 4 in the material 2 is largely absorbed. The absorbed inside the workpiece NIR laser radiation 4 leads to a volume heating of the workpiece 1 , so that a thermal overload on the workpiece top is avoided. About density and distribution of scattering centers 3 In principle, any degree of absorption of the workpiece can be achieved 1 , up to 100%, adjust.
  • Wie in 1a schematisch gezeigt, ist die Dichte der Streuzentren 3 im oberflächennahen Bereich der strahlungszugewandten Werkstückseite 5a geringer als im oberflächennahen Bereich der strahlungsabgewandten Werkstückseite 5b, wobei die Dichte der Streuzentren 3 ausgehend von der strahlungszugewandten Werkstückseite 5a in Richtung auf die strahlungsabgewandte Werkstückseite 5b zunimmt. Die geringere Streuzentrendichte an der strahlungszugewandten Werkstückseite 5a ermöglicht das Eindringen der NIR-Laserstrahlung 4 bis weit in das Werkstückinnere, wohingegen die höhere Dichte an der strahlungsabgewandten Werkstückseite 5b das Austreten der NIR-Laserstrahlung 4 weitgehend verhindert und so den mittleren Strahlweg x der eingekoppelten NIR-Laserstrahlung 4 innerhalb des Werkstücks 1 verlängert.As in 1a shown schematically, is the density of the scattering centers 3 in the near-surface region of the radiation-facing workpiece side 5a less than in the near-surface region of the radiation-remote workpiece side 5b , where the density of the scattering centers 3 starting from the radiation-facing side of the workpiece 5a in the direction of the radiation side facing away from the workpiece 5b increases. The lower scattering density at the side of the workpiece facing the radiation 5a allows penetration of NIR laser radiation 4 far into the workpiece interior, whereas the higher density at the radiation side facing away from the workpiece 5b the leakage of the NIR laser radiation 4 largely prevented and so the mean beam path x of the coupled NIR laser radiation 4 within the workpiece 1 extended.
  • 1b zeigt die über die Werkstückdicke D aufgetragene Dichteverteilung der Streuzentren 3, wonach die Dichte p der Streuzentren 3 von der strahlungszugewandten Werkstückseite 5a in Richtung auf die strahlungsabgewandte Werkstückseite 5b exponentiell ansteigt. 1b shows the applied over the workpiece thickness D density distribution of the scattering centers 3 according to which the density p of the scattering centers 3 from the radiation facing workpiece side 5a in the direction of the radiation side facing away from the workpiece 5b increases exponentially.
  • Vom Werkstück der 1a unterscheidet sich das in 2a gezeigte Werkstück 1 dadurch, dass hier die Dichte der Streuzentren 3 in der Werkstückmitte geringer als in den oberflächennahen Bereichen der beiden Werkstückseiten 5a, 5b ist. Wie die zugehörige Dichteverteilung der 2b zeigt, weist die Dichteverteilung ρ ein lokales Maximum im oberflächennahen Bereich der strahlungszugewandten Werkstückseite 5a und ein globales Maximum im oberflächennahen Bereich der strahlungsabgewandten Werkstückseite 5b auf. Die geringere Streuzentrendichte an der strahlungszugewandten Werkstückseite 5a ermöglicht das Eindringen der NIR-Laserstrahlung 4 bis weit in das Werkstückinnere, wohingegen die höhere Dichte an der strahlungsabgewandten Werkstückseite 5b das Austreten der NIR-Laserstrahlung 4 weitgehend verhindert und so den mittleren Strahlweg x der eingekoppelten NIR-Laserstrahlung 4 innerhalb des Werkstücks 1 verlängert.From the workpiece to the 1a this is different in 2a shown workpiece 1 in that here the density of the scattering centers 3 in the middle of the workpiece less than in the near-surface areas of the two sides of the workpiece 5a . 5b is. Like the associated density distribution of 2 B shows, the density distribution ρ has a local maximum in the near-surface region of the radiation-facing side of the workpiece 5a and a global maximum in the near-surface region of the radiation-remote workpiece side 5b on. The lower scattering density at the side of the workpiece facing the radiation 5a allows penetration of NIR laser radiation 4 far into the workpiece interior, whereas the higher density at the radiation side facing away from the workpiece 5b the leakage of the NIR laser radiation 4 largely prevented and so the mean beam path x of the coupled NIR laser radiation 4 within the workpiece 1 extended.
  • Bei nicht gezeigten Ausführungsformen nimmt die Dichte der Streuzentren 3 ausgehend von der Werkstückmitte zu den beiden Werkstückseiten 5a, 5b hin ab. Eine solche Dichteverteilung der Streuzentren ist für eine beidseitige NIR-Bestrahlung des Werkstücks vorteilhaft.In embodiments not shown, the density of the scattering centers decreases 3 starting from the center of the workpiece to the two sides of the workpiece 5a . 5b down. Such a density distribution of the scattering centers is advantageous for a bilateral NIR irradiation of the workpiece.

Claims (15)

  1. Werkstück (1), insbesondere plattenförmiges Werkstück, aus einem Werkstoff (2), welcher bei einer der Werkstückdicke (D) entsprechenden Werkstoffdicke mehr als ca. 10%, bevorzugt mehr als ca. 20% und besonders bevorzugt mehr als ca. 50%, einer NIR-Laserstrahlung (4) transmittiert, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Werkstoff (2) Streuzentren (3) zum Streuen der NIR-Laserstrahlung (4) derart verteilt angeordnet sind, dass durch Mehrfachstreuung an den Streuzentren (3) der mittlere Strahlweg (x) von in Richtung der Werkstückdicke (D) in das Werkstück (1) eingekoppelter NIR-Laserstrahlung (4) verlängert ist und dadurch das Werkstück (1) insgesamt höchstens 50% an NIR-Laserstrahlung (4) transmittiert wie der Werkstoff (2) bei einer der Werkstückdicke (D) entsprechenden Werkstoffdicke, wobei für die Wellenlänge (λ) der NIR-Laserstrahlung (4) der spezifische Absorptionskoeffizient der Streuzentren (3) nicht höher als der spezifische Absorptionskoeffizient des Werkstoffes (2) ist.Workpiece ( 1 ), in particular plate-shaped workpiece, made of a material ( 2 ), which at a material thickness (D) corresponding material thickness more than about 10%, preferably more than about 20% and particularly preferably more than about 50%, of an NIR laser radiation ( 4 ), characterized in that in the material ( 2 ) Scattering centers ( 3 ) for scattering the NIR laser radiation ( 4 ) are distributed such that by multiple scattering at the scattering centers ( 3 ) the mean beam path (x) from in the direction of the workpiece thickness (D) in the workpiece ( 1 ) coupled NIR laser radiation ( 4 ) and thereby the workpiece ( 1 ) a maximum of 50% of NIR laser radiation ( 4 ) transmits like the material ( 2 ) at a workpiece thickness (D) corresponding material thickness, wherein for the wavelength (λ) of the NIR laser radiation ( 4 ) the specific absorption coefficient of the scattering centers ( 3 ) not higher than the specific absorption coefficient of the material ( 2 ).
  2. Werkstück nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Werkstück (1) insgesamt höchstens 20%, bevorzugt höchstens 10%, an NIR-Laserstrahlung (4) transmittiert wie der Werkstoff (2) bei einer der Werkstückdicke (D) entsprechenden Werkstoffdicke.Workpiece according to claim 1, characterized in that the workpiece ( 1 ) at most 20%, preferably at most 10%, of NIR laser radiation ( 4 ) transmits like the material ( 2 ) at a workpiece thickness (D) corresponding material thickness.
  3. Werkstück nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Werkstoff (2) ein Glas oder ein thermoplastischer Kunststoff oder ein Verbundwerkstoff, insbesondere ein Faserverbundwerkstoff, ist.Workpiece according to claim 1 or 2, characterized in that the material ( 2 ) is a glass or a thermoplastic plastic or a composite material, in particular a fiber composite material, is.
  4. Werkstück nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Werkstück (1) oder der Werkstoff (2) ein Organoblech aus einer thermoplastischen Kunststoffmatrix und darin eingebetteten Fasern ist.Workpiece according to claim 3, characterized in that the workpiece ( 1 ) or the material ( 2 ) is an organic sheet of a thermoplastic resin matrix and fibers embedded therein.
  5. Werkstück nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Dichte der Streuzentren (3) in dem Werkstück (1) in einer Schicht, insbesondere in allen Schichten, die sich in einer bestimmten Tiefe ausgehend von den beiden Werkstückseiten (5a, 5b) im Werkstück (1) befindet, im Wesentlichen konstant ist.Workpiece according to one of the preceding claims, characterized in that the density of the scattering centers ( 3 ) in the workpiece ( 1 ) in a layer, in particular in all layers which extend at a certain depth starting from the two sides of the workpiece ( 5a . 5b ) in the workpiece ( 1 ) is substantially constant.
  6. Werkstück nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Streuzentren (3) in dem Werkstoff (2) inhomogen verteilt sind.Workpiece according to one of the preceding claims, characterized in that the scattering centers ( 3 ) in the material ( 2 ) are distributed inhomogeneously.
  7. Werkstück nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Dichte der Streuzentren (3) im oberflächennahen Bereich einer der beiden Werkstückseiten (5a, 5b) geringer ist als in der Werkstückmitte oder im oberflächennahen Bereich der anderen Werkstückseite.Workpiece according to one of the preceding claims, characterized in that the density of the scattering centers ( 3 ) in the near-surface region of one of the two sides of the workpiece ( 5a . 5b ) is lower than in the center of the workpiece or in the near-surface area of the other side of the workpiece.
  8. Werkstück nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Dichte der Streuzentren (3) ausgehend von einer der beiden Werkstückseiten (5a, 5b) in Richtung auf die Werkstückmitte oder auf die andere Werkstückseite zunimmt, insbesondere exponentiell ansteigt.Workpiece according to one of the preceding claims, characterized in that the density of the scattering centers ( 3 ) starting from one of the two sides of the workpiece ( 5a . 5b ) increases in the direction of the workpiece center or on the other side of the workpiece, in particular increases exponentially.
  9. Werkstück nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Dichte der Streuzentren (3) ausgehend von der Werkstückmitte zu den beiden Werkstückseiten (5a, 5b) hin abnimmt.Workpiece according to one of the preceding claims, characterized in that the density of the scattering centers ( 3 ) starting from the center of the workpiece to the two sides of the workpiece ( 5a . 5b ) decreases.
  10. Werkstück nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Streuzentren (3) durch Teilchen gebildet sind, die in den Werkstoff (2) eingelagert sind.Workpiece according to one of the preceding claims, characterized in that the scattering centers ( 3 ) are formed by particles which are incorporated in the material ( 2 ) are stored.
  11. Werkstück nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die eingelagerten Teilchen Glasfasern, Glasbruchstücke oder Glaskügelchen sind.Workpiece according to claim 10, characterized in that the embedded particles are glass fibers, glass fragments or glass beads.
  12. Werkstück nach Anspruch 10 oder 11 dadurch gekennzeichnet, dass die eingelagerten Teilchen bei der Wellenlänge (λ) der NIR-Laserstrahlung (4) einen Brechungsindex aufweisen, der niedriger ist als der Brechungsindex des Werkstoffs (2).Workpiece according to claim 10 or 11, characterized in that the embedded particles at the wavelength (λ) of the NIR laser radiation ( 4 ) have a refractive index which is lower than the refractive index of the material ( 2 ).
  13. Werkstück nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Streuzentren (3) durch lokal strukturelle Modifikationen des Werkstoffs (2), insbesondere durch Kristallisierungen des Werkstoffs (2) oder durch Blasen im Werkstoff (2), gebildet sind.Workpiece according to one of claims 1 to 9, characterized in that the scattering centers ( 3 ) by locally structural modifications of the material ( 2 ), in particular by crystallisation of the material ( 2 ) or by blowing in the material ( 2 ) are formed.
  14. Verfahren zum Erwärmen eines Werkstücks (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Werkstück (1) mit NIR-Laserstrahlung (4), insbesondere mit IR-A-Laserstrahlung (4), besonders bevorzugt mit Laserstrahlung (4) im Wellenlängenbereich von 780 bis 980 nm, bei 1030 nm oder bei 1064 nm, bestrahlt wird.Method for heating a workpiece ( 1 ) according to any one of the preceding claims, wherein the workpiece ( 1 ) with NIR laser radiation ( 4 ), in particular with IR-A laser radiation ( 4 ), particularly preferably with laser radiation ( 4 ) is irradiated in the wavelength range from 780 to 980 nm, at 1030 nm or at 1064 nm.
  15. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass als Strahlquelle ein Festkörperlaser eingesetzt wird. A method according to claim 14, characterized in that a solid-state laser is used as the beam source.
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