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Die Erfindung betrifft Verfahren und Einrichtungen zur schnellen flächigen Energieeinbringung durch Beaufschlagung einer Oberfläche eines Körpers mit Laserstrahlung eines Lasers zur Lasermaterialbearbeitung sowie Verwendungen einer Laserstrahlung eines Lasers zur schnellen flächigen Energieeinbringung durch Beaufschlagung einer Oberfläche eines Körpers mit der Laserstrahlung zur Lasermaterialbearbeitung.
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Polygonspiegel zur Laserstrahlablenkung sind unter anderem aus der Messtechnik und in der Verwendung in Druckern bekannt.
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All diesen Systemen ist gemein, dass die Form des rotierenden Polygonspiegels dadurch gekennzeichnet ist, dass mehrere ebene Spiegelflächen tangential auf einer Kreisbahn mit definiertem Abstand zur Rotationsachse und mit einer Oberflächennormalen senkrecht zur Drehachse angeordnet sind. Hieraus resultiert, dass bei der Reflexion des Laserstrahls durch die tangentiale Polygonfacette die räumliche Lage des Dreh- oder Ablenkpunktes eine radiale Verschiebung pro Facettendurchlauf erfährt. Es wird eine Scanlinie erzeugt.
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Derartige Anordnungen werden beispielsweise bei Druckern verwendet. So ist unter anderem aus der Druckschrift
DE 689 24 077 T2 ein optisches Gerät mit Laser bekannt, wobei Laserstrahlung mittels eines Polygonspiegelscanners linienhaft geführt wird.
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Darüber hinaus ist durch die Druckschrift
DE 199 06 874 C1 eine Relaisoptik für ein Ablenksystem sowie ein Ablenksystem bekannt. Die speziellen Relaisoptiken zwischen Polygonspiegel werden zur Zeilenablenkung und ein Vertikalablenksystem zur teilweisen Kompensation eingesetzt, um Verzerrungen durch die örtliche Verschiebung des Reflexionspunktes beim Polygonspiegel auszugleichen. Derartige Ablenksysteme werden sowohl in der Laserdrucktechnik als auch in der Laservideotechnik eingesetzt.
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Durch die Druckschrift
DE 10 2012 010 191 A1 ist eine Einrichtung zur Hochgeschwindigkeits-Lasermaterialbearbeitung bekannt, die einen Polygonspiegel und eine laserstrahlablenkende Einrichtung aufweist. Mittels des Polygonspiegels wird ein Gegenstand zeilenweise mit Laserstrahlen beaufschlagt. Die laserstrahlablenkende Einrichtung dient der Positionsänderung des Laserstrahls, die zu einer Verschiebung der Zeile der Beaufschlagung des Gegenstandes mit Laserstrahlen führt. Hauptaugenmerk gilt der Korrektur der Verzerrung des Scanfeldes durch den sich ändernden Abstand zwischen dem Spiegelsegment während dessen Bewegung bei der Lasermaterialbearbeitung. Auf die Positionen der Zeilen zueinander wird nicht eingegangen.
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Die Druckschrift
DE 10 2011 106 097 A1 offenbart ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Bearbeiten eines Werkstückes, wobei mittels eines gepulsten Laserstrahls durch eine bestimmte Strahlführung und/oder Werkstückführung mehrere voneinander beabstandete Lasermarkierungen als Punkte zumindest einer vorgegebenen Raumkurve erzeugt werden. Die Punkte werden dabei nicht zeitlich nacheinander sondern zeitversetzt zueinander erzeugt. Dazu wird eine Anordnung mit Galvanometerspiegeln eingesetzt. Bei einer derartigen Anordnung ist eine kontinuierliche Bearbeitung während der Bewegungen der Galvanometerspiegeln nicht gegeben. Die Bewegungen der einzelnen Galvanometerspiegeln führen jeweils zu Unterbrechungen, so dass nur die punktweise Bestrahlung möglich ist.
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Der in den Patentansprüchen 1 bis 3 angegebenen Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, zur Lasermaterialbearbeitung Energie über die Beaufschlagung einer Oberfläche eines Körpers mit Laserstrahlung schnell und flächig einzubringen.
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Diese Aufgabe wird mit den in den Patentansprüchen 1 bis 3 aufgeführten Merkmalen gelöst.
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Die Verfahren und Einrichtungen sowie die Verwendungen zeichnen sich insbesondere dadurch aus, dass zur Lasermaterialbearbeitung Energie über die Beaufschlagung einer Oberfläche eines Körpers mit Laserstrahlung schnell und flächig einbringbar ist.
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Dazu wird mit einem Polygonspiegelscanner mit der ersten Polygonspiegelfläche die Laserstrahlung in einer Linie über die Oberfläche des Körpers geführt. Mit einer Ablenkeinrichtung wird die Laserstrahlung in der Bewegung zwischen den Polygonspiegelflächen des Polygonspiegelscanners abgelenkt, so dass die Laserstrahlung mit der zweiten bewegten Spiegelfläche des Polygonscanners in einer weiteren durch die Ablenkung der Ablenkeinrichtung bestimmten beabstandeten Linie über die Oberfläche des Körpers geführt wird. Durch die Bewegung des Polygonscanners und die Ablenkung der Ablenkeinrichtung wird die Laserstrahlung in einem mindestens zwei Linien aufweisenden Linienraster über die Oberfläche des Körpers so geführt, dass der Linienabstand so groß ist,
- - dass ein abweichendes Materialbearbeitungsverhalten durch den Einfluss der vorherigen Bestrahlung verhindert ist,
- - dass zur lückenlosen Bearbeitung durch die linienhafte Bestrahlung der Oberfläche des Körpers mit einem nominellen Linienabstand eine wiederholte Bearbeitung des Linienrasters durch Rücksprung mit jeweiliger Verschiebung um den nominellen Linienabstand erfolgt, wobei der Linienabstand des Linienrasters ein Vielfaches des nominellen Abstandes beträgt, und
- - dass bei einer Bearbeitung mit einem neuen Linienraster der Linienabstand zur letzten Rasterlinie so groß ist, dass ein abweichendes Materialbearbeitungsverhalten durch den Einfluss der vorherigen Bestrahlung verhindert ist, so dass die Oberfläche des Körpers genau in der gleichen Zeit wie bei einem kontinuierlich im verfahrensbedingt nominellen Abstand erzeugten Linienraster flächig mit Laserstrahlung beaufschlagt wird.
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Beim Rücksprung dreht sich der zwei bewegte Spiegelflächen aufweisenden Scanner kontinuierlich weiter.
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Bei der Lasermaterialbearbeitung treten bei und nach der durch die Bestrahlung primär induzierten photoelektrischen oder photochemischen Wechselwirkungsvorgänge stets thermische Effekte auf. Dies kann durch das Rückheizen des ausgetretenen Materialdampfplasmas oder des im Material in Form von Gitterschwingungen und somit Wärme verbliebenen Energieanteil geschehen. Je nach gewünschtem Bearbeitungsprozess kann dieser Effekt gewollt, beispielsweise beim Laserschweißen, oder ungewollt, beispielsweise beim Kurzpulsbohren, Kurzpulsschneiden und Kurzpulsabtragen, sein. Besonders beim präzisen Herauslösen von Material aus einer Materialoberfläche, beispielsweise beim Abtragen mittels Kurzpulslasers, wirkt die als thermischer Anteil verbliebene Menge an Energie folglich störend. Diese ungewollten thermischen Effekte können zu nachfolgende Phasenübergängen, thermischen Spannungen oder Variationen der Gefügeeigenschaften führen. Besonders bei wiederholender Bestrahlung des Materials in räumlich naheliegenden Bereichen, wie es bei kontinuierlich strahlenden Laserquellen zwangsläufig und bei gepulster Bestrahlung bei hohen Repetitionsraten auftritt, akkumuliert sich die verbliebene thermische Energie infolge der Wärmeleitung im Material und führt folglich zu einer stetigen Erwärmung des zu bearbeitenden Materialabschnittes und der damit verbundenen störenden thermischen Beeinflussung des Materials. Ein abweichendes Materialbearbeitungsverhalten durch den Einfluss der vorherigen Bestrahlung ist die Folge.
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Um eine thermische Beeinflussung des Untergrundmaterials des Körpers vor Eintreffen der Laserstrahlung zu vermeiden, muss eine Relativgeschwindigkeit größer/gleich der thermischen Energieausbreitungsgeschwindigkeit, welche für tiefe Temperaturen maximal der Schallausbreitungsgeschwindigkeit des Materials entspricht, gewählt werden. Dies kann nur mit sehr schnellen Strahlablenksystemen wie beispielsweise einem Polygonscanner als Polygonspiegel realisiert werden. Günstigerweise ist jedoch die verbliebene thermische Energiemenge lediglich Teilmenge der pro Oberflächensegment applizierten kontinuierlichen oder pulsweisen Laserenergie. Diese ist somit endlich und wird infolge der volumetrischen Ausbreitung durch Wärmeleitung in den Halbraum des Materials rasch auf ein großes Volumen verteilt. Dies führt, bedingt durch die spezifischen thermodynamischen Materialeigenschaften und der entsprechend der Menge und thermisch übertragenen Energie, zu einem raschen Abfall der Temperatur bereits nach geringem Abstand zur Wechselwirkungszone. Hierdurch kann bei entsprechendem Abstand der Wechselwirkungsereignisse speziell bei gepulster oder getakteter Laserstrahlung eine prozessbeinflussende Wärmeakkumulation auch bei Relativgeschwindigkeiten der Laserstrahlung unterhalb der maximalen Wärmeausbreitungsgeschwindigkeit vermieden werden. Das bedeutet folglich, dass bei einer gewünschten flächigen Bestrahlung nach dem Rasterscanprinzip im Falle eines kontinuierlich strahlenden Lasers die Bestrahlung in Ablenkrichtung mit einem prozessspezifischen Linienabstand abhängig von der Zeiteinheit bis zur Ausbildung der negativen prozessbeeinflussenden Wärmeakkumulation erfolgen muss.
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Durch eine Aneinanderreihung von zu überstreichenden Linien infolge der Rotation des Polygonspiegels als Scanner, entsteht zunächst ein Linienraster. Der Linienabstand wird durch die Bewegung als Sprung des zweiten Scanners so groß gewählt, dass ein abweichendes Materialbearbeitungsverhalten durch den Einfluss der vorherigen beaufschlagten Linie infolge der sich ausbreitenden Wärme oder anderer Effekte der verbliebenen Energie im Material durch die vorherig abgearbeitete Linie verhindert ist.
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Der Liniensprung mittels der Ablenkeinrichtung vorteilhafterweise jeweils zwischen den Spiegelflächen des Scanners und damit in einer Lücke der Bestrahlung. Damit ist kein Verlust an Bearbeitungsgeschwindigkeit vorhanden.
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Zur lückenlosen Bearbeitung mit einem nominellen Linienabstand kann eine wiederholte Bearbeitung des Linienrasters mit Rücksprung und jeweiliger Verschiebung um den nominellen Linienabstand erfolgen.
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In einer Einrichtung sind dazu der Polygonspiegelscanner mit drei oder mehr als drei Spiegelflächen und die Ablenkeinrichtung mit einer Steuereinrichtung so verbunden, dass die Anzahl von Linien im Linienraster durch die Zeit der Bewegung zwischen den bewegten Spiegelflächen und der Ablenkgeschwindigkit der im Strahlengang vorgeordneten oder nachgeordneten Ablenkeinrichtung sowie die Steuereinrichtung bestimmt sind. Durch die Bewegung des Polygonscanners und die Ablenkung der Ablenkeinrichtung ist die Laserstrahlung in einem mindestens zwei Linien aufweisenden Linienraster über die Oberfläche des Körpers so geführt, dass der Linienabstand so groß ist,
- - dass ein abweichendes Materialbearbeitungsverhalten durch den Einfluss der vorherigen Bestrahlung verhindert ist,
- - dass zur lückenlosen Bearbeitung durch die linienhafte Bestrahlung der Oberfläche des Körpers mit einem nominellen Linienabstand eine wiederholte Bearbeitung des Linienrasters durch Rücksprung mit jeweiliger Verschiebung um den nominellen Linienabstand erfolgt, wobei der Linienabstand des Linienrasters ein Vielfaches des nominellen Abstandes beträgt, und
- - dass bei einer Bearbeitung mit einem neuen Linienraster der Linienabstand zur letzten Rasterlinie so groß ist, dass ein abweichendes Materialbearbeitungsverhalten durch den Einfluss der vorherigen Bestrahlung verhindert ist, so dass die Oberfläche des Körpers genau in der gleichen Zeit wie bei einem kontinuierlich im verfahrensbedingt nominellen Abstand erzeugten Linienraster flächig mit Laserstrahlung beaufschlagt ist.
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Die wiederholte Bearbeitung des Linienrasters erfolgt einfach durch einen Rücksprung. Die Ablenkeinrichtung zur Erzeugung des Linienrasters kann dazu sprunghaft wirken.
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Bei einer Umdrehung eines derartigen Polygonspiegels wird die Laserstrahlung in Linien über die Oberfläche des Körpers geführt. Die Länge des aus der Bewegung resultierenden maximalen Sprungs der Ablenkeinrichtung berechnet sich aus der Pausenzeit zwischen zwei Spiegelflächen multipliziert mit der Geschwindigkeit der Ablenkeinrichtung. Dies bestimmt die Breite des mit der Laserstrahlung zu beaufschlagenden Linienrasters auf der Oberfläche des Körpers. Die Länge der Linien des Linienrasters ist durch die Länge der Spiegelflächen und dem Durchmesser der Laserstrahlung bestimmt. Die Anzahl der Linien im Linienraster wird durch die Steuereinrichtung bestimmt.
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Ein im Strahlengang des Lasers angeordneter und wenigstens zwei bewegte Polygonspiegelflächen aufweisender Polygonspiegelscanner und eine Ablenkeinrichtung der Laserstrahlung können damit vorteilhafterweise so verwendet werden, dass mit der ersten Polygonspiegelfläche die Laserstrahlung in einer Linie über die Oberfläche des Körpers geführt wird, dass mit der Ablenkung der Ablenkeinrichtung die Laserstrahlung in der Bewegung zwischen den Polygonspiegelflächen des Polygonspiegelscanners abgelenkt wird und dass die Laserstrahlung mit der zweiten bewegten Polygonspiegelfläche des Polygonspiegelscanners in einer weiteren durch die Ablenkung der Ablenkeinrichtung bestimmten beabstandeten Linie über die Oberfläche des Körpers geführt wird, so dass durch die Bewegung des Polygonspiegelscanners und die Ablenkung der Ablenkeinrichtung die Laserstrahlung in einem Linienraster über die Oberfläche des Körpers so geführt wird, dass der Linienabstand so groß ist,
- - dass ein abweichendes Materialbearbeitungsverhalten durch den Einfluss der vorherigen Bestrahlung verhindert ist,
- - dass zur lückenlosen Bearbeitung durch die linienhafte Bestrahlung der Oberfläche des Körpers mit einem nominellen Linienabstand eine wiederholte Bearbeitung des Linienrasters durch Rücksprung mit jeweiliger Verschiebung um den nominellen Linienabstand erfolgt, wobei der Linienabstand des Linienrasters ein Vielfaches des nominellen Abstandes beträgt, und
- - dass bei einer Bearbeitung mit einem neuen Linienraster der Linienabstand zur letzten Rasterlinie so groß ist, dass ein abweichendes Materialbearbeitungsverhalten durch den Einfluss der vorherigen Bestrahlung verhindert ist, so dass die Oberfläche des Körpers genau in der gleichen Zeit wie bei einem kontinuierlich im verfahrensbedingt nominellen Abstand erzeugten Linienraster flächig mit Laserstrahlung beaufschlagt wird.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Zeichnungen jeweils prinzipiell dargestellt und wird im Folgenden näher beschrieben.
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Es zeigt die
- 1 eine Einrichtung zur schnellen flächigen Energieeinbringung durch Beaufschlagung einer Oberfläche eines Körpers mit Laserstrahlung eines Lasers zur Lasermaterialbearbeitung und
- 2 eine Abarbeitung mit Rasterfolgen.
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Im nachfolgenden Ausführungsbeispiel werden ein Verfahren und eine Einrichtung zur schnellen flächigen Energieeinbringung durch Beaufschlagung einer Oberfläche eines Körpers mit Laserstrahlung 1 eines Lasers zur Lasermaterialbearbeitung zusammen näher erläutert.
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Eine Einrichtung zur schnellen flächigen Energieeinbringung durch Beaufschlagung einer Oberfläche eines Körpers mit Laserstrahlung 1 eines Lasers zur Lasermaterialbearbeitung besteht im Wesentlichen aus einem Laser, einem Galvoscanner 4 und einem Polygonspiegelscanner mit einem angetrieben rotierenden Polygonspiegel 3.
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Die 1 zeigt eine Einrichtung zur schnellen flächigen Energieeinbringung durch Beaufschlagung einer Oberfläche eines Körpers mit Laserstrahlung 1 eines Lasers zur Lasermaterialbearbeitung in einer prinzipiellen Darstellung.
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Im Strahlengang nach dem Laser sind nacheinander der Galvoscanner 4 und der Polygonspiegelscanner angeordnet. Der Laser kann dazu sowohl ein Laser mit einer kontinuierlichen Laserstrahlung 1 als auch ein Laser mit einer gepulsten Laserstrahlung 1 sein. Mit einer Spiegelfläche wird die Laserstrahlung 1 bei sich drehendem Polygonspiegel 3 in einer Linie über die Oberfläche des Körpers geführt. Die Länge der Linie ist durch die Länge der Spiegelfläche und den Strahldurchmesser bestimmt. In der Bewegung des Polygonspiegels 3 wird die Laserstrahlung 1 mit dem Galvoscanner 4 im Übergang dieser Spiegelfläche zur nächsten Spiegelfläche des Polygonspiegels 3 abgelenkt, so dass die Laserstrahlung 1 mit dieser Spiegelfläche in einer zweiten Linie über die Oberfläche geführt wird. Eine Unterbrechung der Drehbewegung des Polygonspiegels 3 erfolgt dabei nicht. Die durch den Galvoscanner 4 verursachte Ablenkung erfolgt in der Drehbewegung des Polygonspiegels 3. Der Abstand der zweiten Linie zur ersten Linie wird durch die Bewegung des Galvoscanners 4 um dessen Drehachse 5 bestimmt. Diese Bewegung kann kontinuierlich oder in Sprüngen erfolgen. Die Bewegung wird durch die Steuereinrichtung vorgegeben. Der Abstand ist durch die Zeit der Bewegung zwischen den bewegten Spiegelflächen und der Ablenkgeschwindigkeit des Galvoscanners 4 beschränkt. Weiterhin ist dieser so bestimmt, dass ein abweichendes Materialbearbeitungsverhalten durch den Einfluss der vorherigen Bestrahlung verhindert ist. Die bearbeitbare Fläche ist durch die Breite der Spiegelflächen des Polygonspiegels 3 beschränkt.
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Die Linien sind in einem Linienraster 2 angeordnet. Es ist aber auch möglich, dass die Laserstrahlung in unterschiedlichen Abständen über die Oberfläche des Körpers führbar ist. Dabei können diese quasi auch vorspringen und rückspringen, so dass eine vollständige Bestrahlung wenigstens eines Oberflächenbereichs des Körpers erfolgt. Im Falle des Rasters kann durch wenigstens ein verschobenes weiteres Raster eine vollständige Flächenbestrahlung gewährleistet werden. Die Antriebe des Polygonspiegelscanners und des Galvoscanners 4 sind dazu mit einer Steuereinrichtung verbunden. Das kann insbesondere ein Datenverarbeitungssystem sein, so dass eine flächige Bestrahlung wenigstens eines Oberflächenbereichs gewährleistet ist, ohne dass ein abweichendes Materialbearbeitungsverhalten durch den Einfluss der vorherigen Bestrahlung vorhanden ist.
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Die 2 zeigt eine Abarbeitung mit Rasterfolgen in einer prinzipiellen Darstellung.
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Damit kann zunächst ein Linienraster 2 erzeugt werden, dass aus sechs Linien besteht. Der verfahrensbedingt nominelle Linienabstand beträgt im speziellen Fall 40 µm. Die Linien haben einen Abstand von 200 µm, was ein ganzzahliges Vielfaches des nominellen Linienabstandes ist, und was sicherstellt, dass ein abweichendes Materialbearbeitungsverhalten durch den Einfluss der vorherigen Bestrahlung verhindert ist. Mit dem Raster entsteht zunächst eine Länge von 1 mm. Nach der Abarbeitung des Rasters erfolgt ein Rücksprung auf die Ausgangsposition abzüglich des nominellen Linienabstandes von 40 µm. Danach wird wiederum das Raster abgearbeitet. Dieser Vorgang erfolgt noch weitere drei Mal. Danach liegt eine flächenhafte Bearbeitung in Form einer ersten Rasterfläche mit der Breite der Linie und einer Länge von 1,2 mm vor. Zur vollständigen Bearbeitung der Probenfläche muss der Vorgang entsprechend oft wiederholt werden. Dabei ist die letzte Linie der letzten Rasterfläche gleichzeitig die erste Linie der neuen Rasterfläche. Für die Bearbeitung der Probenfläche wird genau die gleiche Zeit benötigt, wie bei einem kontinuierlich im verfahrensbedingt nominellen Abstand erzeugten Linienraster 2, da der Polygonspiegelscanner kontinuierlich arbeitet. Vorteilhafterweise wird aber bei der angewandten Verfahrensweise in Form von beabstandeten Linienrastern 2 ein abweichendes Materialbearbeitungsverhalten durch den Einfluss der vorherigen Bestrahlung vermieden.
