DE102016108076A1

DE102016108076A1 - Materialabtragungsverfahren

Info

Publication number: DE102016108076A1
Application number: DE102016108076.4A
Authority: DE
Inventors: wird später genannt werden Erfinder
Original assignee: Lunovu GmbH
Current assignee: Lunovu GmbH
Priority date: 2016-05-02
Filing date: 2016-05-02
Publication date: 2017-11-02

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Erzeugung einer räumlichen Struktur an einem Werkstück (4), bei dem eine Steuereinrichtung (16) unter Verwendung von die Soll-Geometrie (10) der räumlichen Struktur definierenden Soll-Geometriedaten Steuerdaten erzeugt, mit denen in einem Bearbeitungsschritt die Bewegung einer Bearbeitungsstelle eines Lasers (1) über das Werkstück (4) und einen Energiefluss an einer Bearbeitungsstelle (3) zum Werkstück (4) derart gesteuert wird, dass an vorbestimmten Stellen durch Energiebeaufschlagung an der Bearbeitungsstelle (3) Material vom Werkstück (4) abgetragen wird, wobei in sich wiederholenden Schrittfolgen jeweils einem Bearbeitungsschritt ein Messschritt folgt, bei dem mittels Sensormitteln (6) die im vorangegangenen Bearbeitungsschritt erzeugte räumliche Struktur erfasst wird und daraus Ist-Geometriedaten gewonnen werden, und durch In-Beziehung-Setzen der Ist-Geometriedaten mit den Soll-Geometriedaten Korrekturdaten ermittelt werden, mit denen die Steuerdaten beim nächsten Bearbeitungsschritt modifiziert werden.

Description

Gebiet der Technik
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erzeugung einer räumlichen Struktur an einem Werkstück. Bei einem derartigen Verfahren wird eine Bearbeitungseinrichtung, die beispielsweise einen Laser nutzt, verwendet, um an vorbestimmten Stellen durch Energiebeaufschlagung Material von einer Bearbeitungsstelle vom Werkstück abzutragen wird. Es ist eine Steuereinrichtung vorgesehen, die unter Verwendung von die Soll-Geometrie der räumlichen Struktur definierenden Soll-Geometriedaten Steuerdaten erzeugt. Mit diesen Steuerdaten wird die Bearbeitungseinrichtung derart gesteuert, dass die Bearbeitungsstelle, an der der Materialabtrag stattfindet, sich relativ zu dem Werkstück bewegt. Die Steuereinrichtung ist in der Lage, den Energiefluss und/oder die Bewegung der Bearbeitungseinrichtung zu steuern. In mehreren aufeinanderfolgenden Bearbeitungsschritten wird unter Verwendung der Steuerdaten auf einer Oberfläche des Werkstücks ein von den Soll-Geometriedaten vorgegebenes Tiefenprofil erzeugt.
Stand der Technik
Mit dem oben beschriebenen Verfahren werden Halbleiter-Werkstücke, beispielsweise aus Silicium oder Siliciumoxid bearbeitet. Es werden aber auch Stähle, insbesondere Werkzeugstahl oder Edelstahl sowie technische Keramiken, Verbundwerkstoffe, organische Materialien oder Kunststoffe, bearbeitet. Das bekannte Verfahren wird insbesondere zum Erzeugen mikroelektromechanischer Systeme (MEMS) verwendet. Die lateralen Strukturgrößen liegen im Bereich zwischen 1 μm und 30 μm, die Tiefenstrukturen können im Bereich unterhalb eines Mikrometers liegen.
Es können gepulste Laser verwendet werden, wobei die Pulslängen wenige Pikosekunden oder auch nur Femtosekunden betragen können. Mit dem Verfahren ist es möglich, sehr kleine Materialvolumen in Festkörpern abzutragen. Es wird ein feinfokussierter Laserstrahl verwendet, der über das Werkstück geführt wird. Dabei kann das Werkstück Zeile für Zeile abgescannt werden. Es ist aber auch eine vektorielle Ansteuerung des Laserstrahls vorgesehen, so dass der Bearbeitungspunkt beliebig über die Werkstückoberfläche wandern kann. Mit dem Verfahren können dreidimensionale Strukturen im Werkstück erzeugt werden, indem für jeden Punkt der X-Y-Ebene Material bis zu einer vorbestimmten Tiefe in Z-Richtung abgetragen wird. Der Laserstrahl kann hinsichtlich der Wellenlänge, der Pulsdauer und der Pulswiederholrate so gewählt sein, dass Material thermisch durch Schmelzen oder Verdampfen abgetragen wird. Bei Laserpulsen die kürzer als 10 ps sind erfolgt das Abtragen kleinster Materialmenge ohne nennenswerten Eintrag von Wärme in das Werkstück. Man geht hier von einer Plasmaanregung aus.
Anders als bei Verfahren zum mechanischen Materialabtrag, beispielsweise Fräsen oder Drehen, fehlt beim zuvor beschriebenen Verfahren ein die zu erzeugende räumliche Struktur definierendes Werkzeug. Jeder Laserpuls hinterlässt in der Oberfläche an der Bearbeitungsstelle etwa eine linsenförmige Vertiefung, deren Durchmesser und Tiefe von der Laserleistung, der Wellenlänge und wesentlich durch die Werkstoffeigenschaften des Werkstücks bestimmt wird. Die Tiefe des Materialabtrags hängt oft von nicht vorhersehbaren Materialeigenschaften ab. Ferner erlauben es andere physikalische Effekte oftmals nicht, exakt das Materialvolumen zu entfernen, das durch eine Materialbearbeitungsvorschrift, beispielsweise durch CAD-Soll-Geometriedaten, vorgegeben ist. In vielen Fällen ist es deshalb unmöglich, einen Laserbearbeitungsprozess präzise vorab einzurichten oder in einer automatisierten Maschine zu programmieren.
Zusammenfassung der Erfindung
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das eingangs beschriebene Verfahren gebrauchsvorteilhaft weiterzubilden und eine diesbezügliche Vorrichtung anzugeben. Gelöst wird die Aufgabe durch die in den Ansprüchen angegebene Erfindung, wobei die Unteransprüche nicht nur vorteilhafte Weiterbildungen der nebengeordneten Ansprüche sondern auch eigenständige Lösungen der Aufgabe sind.
Die zuvor beschriebenen Probleme werden erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass in sich wiederholenden Schrittfolgen jeweils einem Bearbeitungsschritt ein Messschritt folgt, bei dem mittels Sensormitteln die im vorangegangenen Bearbeitungsschritt erzeugte räumliche Struktur erfasst wird und daraus Ist-Geometriedaten gewonnen werden. Jeder Bearbeitungsschritt kann eine Vielzahl von Materialabtragsschritten beinhalten, so dass eine unterschiedliche Anzahl von Messschritten auf eine unterschiedliche Anzahl von Materialabtragsschritten folgen kann. Die gesamte Abfolge kann sowohl mit einem Messschritt als auch mit einem Bearbeitungsschritt bzw. Materialabtragsschritt beginnen. Nach einem, bevorzugt jedem Bearbeitungsschritt, der zumindest einen Materialabtragsschritt, aber auch mehrere Materialabtragsschritte beinhalten kann, wird die Ist-Geometrie ermittelt. Diese werden durch Ist-Geometriedaten repräsentiert, die gewissermaßen Ist-Formdaten sind. Durch in Beziehung setzten der Ist-Geometriedaten mit den Soll-Geometriedaten werden Korrekturdaten ermittelt, mit denen die Steuerdaten beim nächsten Bearbeitungsschritt modifiziert werden. Die Soll-Geometriedaten sind gewissermaßen Soll-Formdaten. Die Soll-Geometriedaten können aus CAD-Daten gewonnen werden. Sie können aber auch CAD-Daten sein. Die Soll-Geometriedaten können aber auch aus anderen Datenquellen gewonnen werden. Sie repräsentieren ein Volumenmodell der zu erzeugenden räumlichen Struktur. Die räumliche Struktur kann ein vorgegebenes Tiefenprofil eines Flächenbereichs eines Werkstücks sein, wobei sich das Tiefenprofil über eine Ebene des Werkstücks, über mehrere Ebenen des Werkstücks oder über eine Freiformfläche des Werkstücks erstrecken kann. In einem ersten Bearbeitungsschritt erzeugt die Steuereinrichtung unter Verwendung der Soll-Geometriedaten Steuerdaten, mit denen in dem Bearbeitungsschritt die Bewegung einer Bearbeitungsstelle einer Bearbeitungseinrichtung über das Werkstück und ein Energiefluss an einer Bearbeitungsstelle zum Werkstück derart gesteuert wird, dass an vorbestimmten Stellen durch Energiebeaufschlagung Material von der Bearbeitungsstelle vom Werkstück abgetragen wird. Die Bearbeitungseinrichtung ist hierbei bevorzugt der oben beschriebene gepulste oder kontinuierlich arbeitende Laser. Nach dem ersten Bearbeitungsschritt, bei dem einzelne Oberflächenbereiche der zu bearbeitenden Oberfläche auch mehrfach mit dem Laserstrahl überfahren worden sind, wird die Oberfläche des Werkstücks und insbesondere die Bereiche der Oberfläche des Werkstücks, die mittels der Bearbeitungseinrichtung bearbeitet worden sind, mit einer vermessenden Geräte-Einheit vermessen. Diese Einheit kann Messwertaufnehmer aufweisen und entspricht im Sinne der Erfindung ganz allgemein einem Messgerät. Das Messgerät kann somit Sensormittel oder anderweitige Messwerterfassungselemente aufweisen, die in der Lage sind, die in dem Bearbeitungsschritt erzeugte räumliche Struktur zu erfassen. Die Sensormittel sind insbesondere in der Lage, an in der Bearbeitungsebene liegenden Messstellen ein Tiefenprofil zu ermitteln. Sie können zu jedem Punkt in der Bearbeitungsebene oder zu ausgewählten Punkten in der Bearbeitungsebene einen Tiefenwert ermitteln. Die Sensormittel können hierzu einen optischen Sensor, beispielsweise einen Konfokalsensor oder einen chromatischen Sensor, besitzen. Mit den Sensormitteln werden Ist-Geometriedaten gewonnen, die als Volumenmodell die im Bearbeitungsschritt erzeugten räumlichen Strukturen repräsentieren. Die Ist-Geometriedaten und die Soll-Geometriedaten repräsentieren jeweils eine virtuelle Raumform. Die Steuereinrichtung ist in der Lage, die Ist-Geometriedaten mit den Soll-Geometriedaten derart in Beziehung zu setzen, dass die Abweichungen der Ist-Raumform von der Soll-Raumform gefunden werden. Bei diesen Abweichungen handelt es sich um die oben genannten Fehler, die insbesondere an Vertikalflanken aufgrund einer nicht vorhersehbare Materialeigenschaft aber auch aufgrund anderer physikalischer Effekte, beispielsweise der Intensitätsverteilung oder der Verteilung der Energie auf der zu bearbeitenden Werkstückoberfläche auftreten. Fehlstellen können auch im Bereich zu vertiefenden Planflächen auftreten. Hier können sich pyramidale Strukturen ausbilden. Derartige Strukturen bilden sich insbesondere dann aus, wenn während des Bearbeitungsschrittes durch ein vielfaches Bearbeiten der Oberfläche ein großer Materialabtrag vorgenommen wird. Aus den Abweichungen der Ist-Geometrie von der Soll-Geometrie werden Korrekturdaten gebildet, die beim nächsten Bearbeitungsschritt verwendet werden, um die aus den Soll-Geometriedaten gewonnenen Steuerdaten zu modifizieren. Die Modifizierung wird bspw. derart vorgenommen, dass in Bereichen in denen die Tiefe der Ist-Geometrie geringer ist als die Tiefe der Soll-Geometrie im nächsten Bearbeitungsschritt ein vergrößerter Materialabtrag stattfindet und in Bereichen in denen die Tiefe der Soll-Geometrie geringer ist als die Tiefe der Ist-Geometrie im nächsten Bearbeitungsschritt ein verminderter Materialabtrag oder gar kein Materialabtrag stattfindet. In einem zweiten Bearbeitungsschritt wird sodann mittels der modifizierten Steuerdaten erneut mittels der Bearbeitungseinrichtung an vorbestimmten Bearbeitungsstellen durch Energiebeaufschlagung Material vom Werkstück abgetragen. Diese jeweils aus einem Bearbeitungsschritt und einem Messschritt bestehenden Schrittfolgen werden so lange wiederholt, bis die vorgegebene räumliche Struktur erreicht worden ist. Es kann auch vorgesehen sein, dass mechanische Sensoren verwendet werden, die die erzeugten räumlichen Strukturen mechanisch abtasten. Bevorzugt sind jedoch optische Sensoren und insbesondere chromatische oder konfokale Sensoren, die in der Lage sind, an Messpunkten eine Tiefe der räumlichen Struktur gegenüber einer Messebene zu ermitteln. Die Ist-Geometriedaten können mit Sensoren ermittelt werden, die an einzelnen Messpunkten jeweils einen Tiefenwert liefern oder mit Sensoren, die einen Linienscan oder einen Flächenscan durchführen. Denkbar sind auch bildgebende Verfahren zur Ermittlung des Tiefenprofils der räumlichen Struktur gegenüber einer Messebene. Die Bearbeitungseinrichtung ist bevorzugt ein Laser. Es kann sich dabei um einen gepulsten Laser handeln. Bevorzugt handelt es sich um einen Laser, der Laserpulse mit einer Pulsweite von wenigen Pikosekunden, beispielsweise weniger als 10 ps bis hin zu einigen fs, liefert. Der Energiefluss über den Laserstrahl zur zu bearbeitenden Oberfläche erfolgt über die Pulsfolgefrequenz, kann aber auch über die Pulslänge erfolgen und über die Geschwindigkeit, mit der die Bearbeitungsstelle, also der Punkt an dem der Laserstrahl auf die Oberfläche des Werkstücks trifft, in der Bearbeitungsebene wandert. Es kann eine Spiegelanordnung vorgesehen sein, bei der durch Verstellen der Spiegel die Bearbeitungsstelle über das Werkstück wandert. Es ist aber auch vorgesehen oder in Kombination dazu vorgesehen, das Werkstück gegenüber der Bearbeitungseinrichtung in einer Bearbeitungsebene zu verfahren. Hierzu kann das Werkstück beispielsweise auf einem Kreuztisch angeordnet sein. Auch der Messpunkt kann durch eine Spiegelanordnung und Bewegung der Spiegel über die Oberfläche der erzeugten räumlichen Struktur wandern. Auch hier ist alternativ oder in Kombination vorgesehen, dass sich das Werkstück relativ gegenüber den Sensormitteln bewegen kann. Die Bewegung kann dabei in derselben Ebene, in der auch die Bearbeitung stattfindet, erfolgen. Unter Soll-Geometrie wird insbesondere auch diejenige Raumform verstanden, die im jeweiligen Bearbeitungsschritt erzeugt werden soll, so dass jeder der aufeinander folgenden Bearbeitungsschritte eine ihm zugeordnete Soll-Geometrie erzeugen soll. Unter Ist-Geometrie wird insbesondere diejenige Raumform verstanden, die jeweils nach einem Bearbeitungsschritt erzeugt worden ist.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:
1 schematisch eine Seitenansicht auf eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens,
2 schematisch eine Draufsicht auf die Vorrichtung,
3 einen stark vergrößerten Querschnitt durch das Werkstück 4 vor einem ersten Bearbeitungsschritt,
4 eine Darstellung gemäß 3 nach dem ersten Bearbeitungsschritt,
5 eine Folgedarstellung zu 4 vor dem zweiten Bearbeitungsschritt,
6 eine Darstellung gemäß 5 nach dem zweiten Bearbeitungsschritt und
7 eine Darstellung gemäß 6 vor dem dritten Bearbeitungsschritt.
Beschreibung der Ausführungsformen
Die 1 und 2 beschrieben schematisch eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.
Ein torförmiger Träger 8 trägt eine Bearbeitungseinrichtung, bei der es sich um einen Laser 1 handelt. Der Laser 1 ist in der Lage einen kontinuierlichen Laserstrahl oder einen gepulsten Laserstrahl zu erzeugen. Es ist eine nicht dargestellte Spiegelanordnung vorgesehen, mit der der vom Laser 1 erzeugte Laserstrahl 2 nach von einer Steuereinrichtung 16 erzeugten Steuerdaten über ein Werkstück 4 wandert. Der Punkt, an dem der Laserstrahl 2 die Oberfläche des Werkstücks 4 trifft, ist eine Bearbeitungsstelle 3, in der Material vom Werkstück abgetragen wird. Die Wellenlänge, Pulsdauer und Pulswiederholfrequenz des Lasers 1 kann so gewählt werden, dass das Material thermisch durch Schmelzen und/oder Verdampfen an der Bearbeitungsstelle 3 vom Werkstück 4 abgetragen wird. Es ist aber auch vorgesehen, dass Laser 1 verwendet werden, deren Laserpulse kürzer als 10 ps sind. Bei einem derartig schnellen Abtragen kleinster Materialmengen erfolgt kein nennenswerter Wärmeeintrag in den Umgebungsbereich der Bearbeitungsstelle 3 des Werkstücks.
Das Werkstück 4 liegt auf einem in einer X-Y-Ebene verfahrbaren Werkstückträger 5. Die Bearbeitungsstelle 3 kann somit nicht nur durch die oben erwähnte Spiegelanordnung in der X-Y-Ebene wandern, sondern auch durch eine Bewegung des Werkstückträgers 5 gegenüber dem torförmigen Träger 8, der sich über den Werkstückträger 5 erstreckt.
Eine Steuereinrichtung 16 ist lediglich schematisch dargestellt. Sie liefert die beispielsweise aus CAD-Daten gewonnenen Steuerdaten, mit denen die Bearbeitungsstelle 3 über das Werkstück 4 wandert, um an vorbestimmten Stellen durch Energiezufuhr in das Werkstück Material vom Werkstück abzutragen. Das Werkstück 4 kann dabei zeilenweise vom Laserstrahl 2 abgetastet werden. Es ist aber auch möglich, im Wege einer vektoriellen Ansteuerung den Laserstrahl 2 frei über die Werkstückoberfläche, beispielsweise auf Kreisbögen oder dergleichen, wandern zu lassen.
Mit der Bezugsziffer 6 ist ein optischer Sensor bezeichnet, bei dem es sich um einen Konfokalsensor oder einen chromatischen Sensor handelt, der in der Lage ist, an einem Messpunkt 7 die quer zur Messebene bzw. Bearbeitungsebene sich erstreckende Tiefe der in einem Bearbeitungsschritt erzeugten räumlichen Struktur zu bestimmen. Die Bezugsziffer 6 repräsentiert aber auch ein anderweitiges Vermessen des Gerätes, welches in der Lage ist, die Ist-Geometrie zu erfassen.
Die Bearbeitungsrichtung ist ebenso wie die Messrichtung die Z-Richtung, die quer zur Bearbeitungsebene bzw. Messebene gerichtet ist. Der Messpunkt 7 kann als Folge einer Relativbewegung des Werkstückträgers 5 gegenüber dem optischen Sensor 6 über die Werkstückoberfläche wandern. Es ist aber auch möglich, dass hierzu eine Spiegelvorrichtung verwendet wird.
Die Steuereinrichtung 16 umfasst eine elektronische Datenverarbeitungseinrichtung, die einen Datenspeicher aufweist, in dem Soll-Geometriedaten und Ist-Geometriedaten gespeichert werden können. Die Soll-Geometriedaten werden vorgegeben und sind beispielsweise CAD-Daten oder werden aus CAD-Daten gewonnen. Sie entsprechen einem Volumenmodell der Raumform, die durch das Bearbeitungsverfahren bzw. durch einen einzelnen Bearbeitungsschritt erzeugt werden soll. Die Ist-Geometrie Daten repräsentieren insbesondere die Raumform, die mit einem Bearbeitungsschritt erzeugt worden ist.
Die Steuerdaten sind die Daten, die von der Steuereinrichtung 16 an die Bearbeitungseinrichtung 1 abgegeben werden, um auf den jeweiligen Bearbeitungsniveau an vorbestimmten Stellen einen Materialabtrag vorzunehmen.
Die Ist-Geometriedaten werden mittels des Sensors 6 gewonnen, dessen Messpunkt 7 in der Messebene ein Tiefenprofil gewinnt. Die Ist-Geometriedaten repräsentieren die tatsächlich im Bearbeitungsschritt erzeugte Raumform als Volumenmodell. Das Volumenmodell der Ist-Geometrie wird in der Steuereinrichtung mit dem Volumenmodell der Soll-Geometrie in Beziehung gesetzt. Es findet ein Vergleich der beiden Raumformen statt, die einerseits im Bearbeitungsschritt hätte erzeugt werden sollen und andererseits im Bearbeitungsschritt erzeugt worden ist. Beim In-Beziehung-Setzen werden Korrekturdaten gebildet, die eine Differenzraumform repräsentieren, nämlich die Materialanhäufungen, die im Bearbeitungsschritt nicht abgetragen worden sind, aber abgetragen hätten werden sollen, und die Stellen, die im Bearbeitungsschritt zu viel abgetragen worden sind. Mit diesen Korrekturdaten werden die Steuerdaten für den nächsten Bearbeitungsschritt modifiziert, so dass an den Stellen, an denen im vorangegangenen Bearbeitungsschritt zu wenig Material abgetragen worden ist, ein erhöhter Materialabtrag stattfindet und an den Stellen, an denen im Bearbeitungsschritt zu viel Material abgetragen worden ist, ein verminderter Materialabtrag stattfindet. Dies kann über eine Modifikation der Pulsfolge, der Geschwindigkeit, mit der der Bearbeitungspunkt über die Struktur wandert, der Laserleistung oder dergleichen erfolgen.
Es ist insbesondere vorgesehen, dass die Steuereinrichtung ein selbstlernendes System umfasst, das beispielsweise einen Grundenergiewert eines Laserpulses oder einen Grundwert für die Leistung des Laserstrahles vergrößert oder vermindert, abhängig von der Quantität und der Qualität der ermittelten Abweichungen von Soll-Geometrie und Ist-Geometrie.
Ein schematisches Beispiel dieses iterativen Bearbeitungsverfahrens zeigen die 3 bis 7.
Die 3 zeigt grob schematisch einen stark vergrößerten Querschnitt durch das Werkstück 4 vor dem ersten Bearbeitungsschritt. Die Oberfläche 4' des Werkstücks 4 ist noch nicht bearbeitet worden. Die Bezugsziffer 10 zeigt die ermittelte Soll-Geometrie, die im ersten Bearbeitungsschritt erreicht werden soll.
Im ersten Bearbeitungsschritt wandert der Laserstrahl 2 und damit die Bearbeitungsstelle 3 über das Werkstück, um an vorgegebenen Stellen, insbesondere an den in der 3 dargestellten Stellen, Material vom Werkstück 4 abzutragen, wobei eine Vertiefung der Oberflächenbereiche stattfindet. Das dabei entstandene Tiefenprofil bezogen auf den in 3 stark vergrößert dargestellten Ausschnitt zeigt die 4. Die Ist-Geometrie ist als durchgezogene Linie mit der Bezugsziffer 11 und die Soll-Geometrie als gestrichelte Linie mit der Bezugsziffer 10 bezeichnet. Es ist erkennbar, dass die Ist-Geometrie in einem Fehlerbereich 12 von der Soll-Geometrie 10 abweicht. Im Fehlerbereich 12 wurde zu dem ersten Bearbeitungsschritt zu wenig Material abgetragen. Dieser Fehlerbereich 12 wird beim zweiten Bearbeitungsschritt, mit dem die in der 5 mit der gestrichelten Linie 10 bezeichnete Soll-Geometrie erreicht werden soll, mit höherer Energie beaufschlagt.
Die 6 zeigt ebenfalls grob schematisch mit einer durchgezogenen Linie 11 die Ist-Geometrie der dreidimensionalen Struktur, die nach dem zweiten Bearbeitungsschritt erreicht worden ist. Die gestrichelte Linie 10 zeigt die Soll-Geometrie. Die Ist-Geometrie wird durch einen zweiten Messschritt ermittelt. Die Fehlerbereiche 13 und 14 werden durch den Vergleich der Ist-Geometrie 11 mit der Soll-Geometrie 10 gefunden. Im Fehlerbereich 13 wurde zu viel Material abgetragen. Im Fehlerbereich 14 wurde zu wenig Material abgetragen.
Die 7 zeigt mit einer gestrichelten Linie die Soll-Geometrie 10, die durch den dritten Bearbeitungsschritt erreicht werden soll. Die Steuereinrichtung 16 modifiziert die Steuerdaten zur Ansteuerung des Laserstrahles 2 derart, dass im Fehlerbereich 13 eine verminderte Energie in die Werkstückoberfläche eingebracht wird, so dass dort ein verminderter Materialabtrag stattfindet. Im Fehlerbereich 14 werden die Steuerdaten derart modifiziert, dass dort ein erhöhter Materialabtrag stattfindet, um im dritten Bearbeitungsschritt die Soll-Geometrie 10 zu erreichen.
Die strichpunktiert dargestellte Linie in den 3 bis 7, die mit 9 bezeichnet ist, charakterisiert die Soll-Geometrie der Gesamtstruktur, die nach einer Vielzahl von Bearbeitungszyklen erreicht werden soll, wobei jeder Bearbeitungszyklus einen Bearbeitungsschritt und einen Messschritt aufweist.
Jeder der zuvor beschriebenen Bearbeitungsschritte enthält zumindest einen Materialabtragsschritt, bei dem an ein oder mehreren Stellen des Werkstücks Material abgetragen werden kann. Ein einzelner Bearbeitungsschritt kann aber auch eine Vielzahl von Materialabtragsschritten beinhalten, so dass zwischen zwei Messschritten an ein oder mehreren Stellen des Werkstücks mehrfach ein Materialabtrag vorgenommen wird. Bei jedem Materialabtrag ändert sich dort die Ist-Geometrie, die einer Ist-Form entspricht. Diese Ist-Geometrie kann somit auch jeweils nach einer mehrfachen Veränderung mit einer Soll-Geometrie, die einer Soll-Form entspricht, in Beziehung gebracht werden.
Die vorstehenden Ausführungen dienen der Erläuterung der von der Anmeldung insgesamt erfassten Erfindungen, die den Stand der Technik zumindest durch die folgenden Merkmalskombinationen jeweils auch eigenständig weiterbilden,
Ein Verfahren, bei dem eine Steuereinrichtung 16 unter Verwendung von die Soll-Geometrie 10 der räumlichen Struktur definierenden Soll-Geometriedaten Steuerdaten erzeugt, mit denen in einem Bearbeitungsschritt die Bewegung einer Bearbeitungsstelle einer Bearbeitungseinrichtung 1 über das Werkstück 4 und einen Energiefluss an einer Bearbeitungsstelle 3 zum Werkstück 4 derart gesteuert wird, dass an vorbestimmten Stellen durch Energiebeaufschlagung an der Bearbeitungsstelle 3 Material vom Werkstück 4 abgetragen wird, wobei in sich wiederholenden Schrittfolgen jeweils einem Bearbeitungsschritt ein Messschritt folgt, bei dem mittels Sensormitteln 6 die im vorangegangenen Bearbeitungsschritt erzeugte räumliche Struktur erfasst wird und daraus Ist-Geometriedaten gewonnen werden, und durch In-Beziehung-Setzen der Ist-Geometriedaten mit den Soll-Geometriedaten Korrekturdaten ermittelt werden, mit denen die Steuerdaten beim nächsten Bearbeitungsschritt modifiziert werden.
Ein Verfahren, das dadurch gekennzeichnet ist, dass die Bearbeitungseinrichtung 1 ein Laser ist, der einen gepulsten oder kontinuierlichen Laserstrahl erzeugt, der an der Bearbeitungsstelle 3 auf das Werkstück 4 trifft.
Ein Verfahren, das dadurch gekennzeichnet ist, dass die Bearbeitungsstelle 3 im Wege einer vektoriellen Ansteuerung oder zeilenweise in einer Bearbeitungsebene über das Werkstück 4 wandert und der Materialabtrag quer zur Bearbeitungsebene erfolgt.
Ein Verfahren, das dadurch gekennzeichnet ist, dass die Sensormittel 6 zumindest einen optischen Sensor umfassen.
Ein Verfahren, das dadurch gekennzeichnet ist, dass die Sensormittel 6 einen chromatischen und/oder konfokalen Sensor aufweisen.
Ein Verfahren, das dadurch gekennzeichnet ist, dass der Sensor die erzeugte räumliche Struktur an einzelnen Messpunkten, durch eine Linienscan oder einen Flächenscan erfasst.
Ein Verfahren, das dadurch gekennzeichnet ist, dass die Soll-Formdaten CAD-Daten sind, aus CAD-Daten gewonnen werden oder andere die Geometrie beschreibenden Daten sind oder aus solchen gewonnen werden.
Ein Verfahren, das dadurch gekennzeichnet ist, dass die Korrekturdaten aus dem Vergleich eines den Ist-Geometriedaten entsprechenden Volumenmodels mit einem den Soll-Geometriedaten entsprechenden Volumenmodels gewonnen werden.
Ein Verfahren, das dadurch gekennzeichnet ist, dass das Werkstück 4 in einer Bearbeitungsebene relativ gegenüber der Bearbeitungseinrichtung 1 und den Sensormitteln 6 verlagert wird und/oder dass durch die Bewegung von Spiegeln einer Spiegelanordnung die Bearbeitungsstelle 3 oder der Messpunkt 7 über das Werkstück wandern.
Eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens, das gekennzeichnet ist durch eine Steuereinrichtung 16, die derart eingerichtet ist, dass in wiederholenden Schrittfolgen jeweils einem ein oder mehrere Materialabtragsschritte aufweisenden Bearbeitungsschritt ein Messschritt folgt, bei dem mittels Sensormitteln 6 die im vorangegangenen Bearbeitungsschritt erzeugte räumliche Struktur erfasst wird und daraus Ist-Geometriedaten gewonnen werden, und durch In-Beziehung-Setzen der Ist-Geometriedaten mit den Soll-Geometriedaten Korrekturdaten ermittelt werden, mit denen die Steuerdaten beim nächsten Bearbeitungsschritt modifiziert werden.
Alle offenbarten Merkmale sind (für sich, aber auch in Kombination untereinander) erfindungswesentlich. In die Offenbarung der Anmeldung wird hiermit auch der Offenbarungsinhalt der zugehörigen/beigefügten Prioritätsunterlagen (Abschrift der Voranmeldung) vollinhaltlich mit einbezogen, auch zu dem Zweck, Merkmale dieser Unterlagen in Ansprüche vorliegender Anmeldung mit aufzunehmen. Die Unteransprüche charakterisieren mit ihren Merkmalen eigenständige erfinderische Weiterbildungen des Standes der Technik, insbesondere um auf Basis dieser Ansprüche Teilanmeldungen vorzunehmen.
Bezugszeichenliste

1: Bearbeitungseinrichtung
2: Laserstrahl
3: Bearbeitungsstelle
4: Werkstück
4': Oberfläche
5: Werkstückträger
6: optischer Sensor
7: Messpunkt
8: Träger
9: Soll-Geometrie
10: Soll-Geometrie
11: Ist-Geometrie
12: Fehlerbereich
13: Fehlerbereich
14: Fehlerbereich
16: Steuereinrichtung

Claims

Verfahren zur Erzeugung einer räumlichen Struktur an einem Werkstück (4), bei dem eine Steuereinrichtung (16) unter Verwendung von die Soll-Geometrie (10) der räumlichen Struktur definierenden Soll-Geometriedaten Steuerdaten erzeugt, mit denen in einem Bearbeitungsschritt die Bewegung einer Bearbeitungsstelle einer Bearbeitungseinrichtung (1) über das Werkstück (4) und einen Energiefluss an einer Bearbeitungsstelle (3) zum Werkstück (4) derart gesteuert wird, dass an vorbestimmten Stellen durch Energiebeaufschlagung an der Bearbeitungsstelle (3) Material vom Werkstück (4) abgetragen wird, wobei in sich wiederholenden Schrittfolgen jeweils einem Bearbeitungsschritt ein Messschritt folgt, bei dem mittels Sensormitteln (6) die im vorangegangenen Bearbeitungsschritt erzeugte räumliche Struktur erfasst wird und daraus Ist-Geometriedaten gewonnen werden, und durch In-Beziehung-Setzen der Ist-Geometriedaten mit den Soll-Geometriedaten Korrekturdaten ermittelt werden, mit denen die Steuerdaten beim nächsten Bearbeitungsschritt modifiziert werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Bearbeitungseinrichtung (1) ein Laser ist, der einen gepulsten oder kontinuierlichen Laserstrahl erzeugt, der an der Bearbeitungsstelle (3) auf das Werkstück (4) trifft.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Bearbeitungsstelle (3) im Wege einer vektoriellen Ansteuerung oder zeilenweise in einer Bearbeitungsebene über das Werkstück (4) wandert und der Materialabtrag quer zur Bearbeitungsebene erfolgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensormittel (6) zumindest einen optischen Sensor umfassen.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensormittel (6) einen chromatischen und/oder konfokalen Sensor aufweisen.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor die erzeugte räumliche Struktur an einzelnen Messpunkten, durch eine Linienscan oder einen Flächenscan erfasst.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Soll-Formdaten CAD-Daten sind, aus CAD-Daten gewonnen werden oder andere die Geometrie beschreibenden Daten sind oder aus solchen gewonnen werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Korrekturdaten aus dem Vergleich eines den Ist-Geometriedaten entsprechenden Volumenmodels mit einem den Soll-Geometriedaten entsprechenden Volumenmodels gewonnen werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Werkstück (4) in einer Bearbeitungsebene relativ gegenüber der Bearbeitungseinrichtung (1) und den Sensormitteln (6) verlagert wird und/oder dass durch die Bewegung von Spiegeln einer Spiegelanordnung die Bearbeitungsstelle (3) oder der Messpunkt (7) über das Werkstück wandern.
Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Steuereinrichtung (16), die derart eingerichtet ist, dass in wiederholenden Schrittfolgen jeweils einem ein oder mehrere Materialabtragsschritte aufweisenden Bearbeitungsschritt ein Messschritt folgt, bei dem mittels Sensormitteln (6) die im vorangegangenen Bearbeitungsschritt erzeugte räumliche Struktur erfasst wird und daraus Ist-Geometriedaten gewonnen werden, und durch In-Beziehung-Setzen der Ist-Geometriedaten mit den Soll-Geometriedaten Korrekturdaten ermittelt werden, mit denen die Steuerdaten beim nächsten Bearbeitungsschritt modifiziert werden.
Verfahren und Vorrichtung, gekennzeichnet durch eines oder mehrere der kennzeichnenden Merkmale eines der vorhergehenden Ansprüche.