DE102017111211A1

DE102017111211A1 - Verfahren zur Material abtragenden Laserbearbeitung eines Werkstücks

Info

Publication number: DE102017111211A1
Application number: DE102017111211.1A
Authority: DE
Inventors: Thomas Lacour
Original assignee: Automotive Lighting Reutlingen GmbH
Current assignee: Marelli Automotive Lighting Reutlingen Germany GmbH
Priority date: 2017-05-23
Filing date: 2017-05-23
Publication date: 2018-11-29
Anticipated expiration: 2037-05-24
Also published as: CN110944789A; WO2018215292A1; DE102017111211B4

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Material abtragenden Laserbearbeitung eines Werkstücks (10), das ein Trägerelement (14) aus einem Kunststoff mit einer Oberfläche (16) und eine im Vorfeld der Laserbearbeitung auf die Oberfläche (16) aufgebrachte Metallisierungsschicht (18) umfasst, wobei die Metallisierungsschicht (18) von einem Werkstück (10) mit einer dreidimensionalen Erstreckung in einem großen flächigen Bereich der Oberfläche (16) abgetragen werden kann.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Material abtragenden Laserbearbeitung eines Werkstücks, das ein Trägerelement aus einem Kunststoff mit einer Oberfläche und eine im Vorfeld der Laserbearbeitung auf die Oberfläche aufgebrachte Metallisierungsschicht umfasst. Die Laserbearbeitung wird mittels einer Laserbearbeitungsvorrichtung ausgeführt, die eine Lasereinheit und eine Steuereinheit zum Ansteuern der Lasereinheit umfasst. Das Verfahren umfasst:

- Anordnen des Werkstücks in einer Bearbeitungsposition in einem Arbeitsbereich der Lasereinheit,
- Generieren von Werten für Betriebsparameter zum Betreiben der Lasereinheit,
- Erzeugen und Aussenden eines Laserstrahls gemäß der generierten Werte für die Betriebsparameter durch die Lasereinheit,
- Beaufschlagen des in der Bearbeitungsposition angeordneten Werkstücks mit dem ausgesandten Laserstrahl in einem Bearbeitungspunkt im Bereich der mit der Metallisierungsschicht versehenen Oberfläche des Werkstücks, so dass in dem Bearbeitungspunkt lokal Material der Metallisierungsschicht abgetragen wird,
- Bewegen des Laserstrahls und damit auch des Bearbeitungspunkts gemäß der generierten Werte für die Betriebsparameter durch die Lasereinheit relativ zu dem Werkstück entlang einer Arbeitsbahn im Bereich der mit der Metallisierungsschicht versehenen Oberfläche des Werkstücks, so dass entlang der Arbeitsbahn Material der Metallisierungsschicht abgetragen wird.

Ferner betrifft die Erfindung eine Laserbearbeitungsvorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 11 und ein Computerprogramm gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 16.
Der Kunststoff des Trägerelements kann transparent sein. Er sollte ferner Laser resistent (ohne Reflexionen) sein. Eine Material abtragende Laserbearbeitung eines Werkstücks wird auch als Laserablation oder Laserverdampfen bezeichnet. Dabei wird durch Beschuss einer mit einem Material beschichteten Oberfläche mit gepulster Laserstrahlung Material von der Oberfläche abgetragen. Die hierbei verwendete Laserstrahlung hat eine hohe Leistungsdichte und führt zu einer rapiden Erhitzung des Materials und der Ausbildung eines Plasmas an der Oberfläche. Bei Laserpulsen im Nanosekundenbereich führt die Energie des Lasers zu einer Aufheizung der Oberfläche (im Sinne von thermischen Bewegungen der Atome) während des Laserpulses. Da die Wärmeleitung nur einen langsamen Energietransport ins Volumen ermöglicht, wird die eingestrahlte Energie auf eine sehr dünne Schicht konzentriert (ca. 1 µm bei 10 ns Pulslänge), daher erreicht das mit dem Laser bestrahlte Material sehr hohe Temperaturen, und es kommt zum schlagartigen Verdampfen des Materials. Durch Ionisation (thermisch, durch das Laserlicht oder Elektronenstoß) entsteht bei hoher Leistungsdichte des Lasers ein Plasma aus Elektronen und Ionen des abgetragenen Materials.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung umfasst das Werkstück, von dem Material abgetragen werden soll, ein Trägerelement aus einem Kunststoff mit einer Oberfläche und eine im Vorfeld der Laserbearbeitung auf die Oberfläche aufgebrachte Metallisierungsschicht. Der Kunststoff des Trägerelements ist vorzugsweise transparent.
Bei dem Werkstück handelt es sich beispielsweise um ein Zierelement oder Zierblende für eine Kraftfahrzeug-Beleuchtungseinrichtung. Der Innenraum eines Scheinwerfers ist bspw. mit solchen Zierblenden ausgekleidet (z.B. um eine Projektionslinse eines PES-Moduls oder um einen Reflektorrand eines Reflexionsmoduls herum), um die dahinter befindliche, in der Regel unansehnliche Mechanik und Elektrik des Scheinwerfers vor Blicken von außen durch die transparente Abdeckscheibe abzuschirmen. Aus verschiedenen Gründen, beispielsweise aus Designaspekten, kann es wünschenswert sein, die Transparenz des Trägerelements zumindest in ausgewählten Bereichen wieder herzustellen. So wäre es bspw. denkbar, hinter einem transparenten Abschnitt der Zierblende eine Kraftfahrzeugleuchte anzuordnen, die dann durch den transparenten Abschnitt der Zierblende hindurch Licht zur Realisierung einer Leuchtenfunktion aussendet. Es wäre auch einfach denkbar, dass hinter der Zierblende eine Lichtquelle positioniert wird, die den Bereich hinter der Zierblende ausleuchtet, so dass die transparenten Abschnitte der Zierblende zur Realisierung eines speziellen Nachtdesigns der Beleuchtungseinrichtung leuchten.
Aus der US 5,817,243 ist bereits ein Verfahren bekannt, um bei verschiedenartigen Werkstücken (z.B. Metall, Plastik oder Leder)Material abzutragen und dadurch in die Oberfläche des Kunststoffteils ein möglichst kontrastreiches Design oder Muster einzubringen. Sofern es sich bei dem Werkstück um ein beschichtetes Werkstück handelt und im Rahmen der Laserabtragung ein Teil der Beschichtung abgetragen wird, ist dies lediglich in Verbindung für ein beschichtetes Metallteil beschrieben. Sofern es sich bei dem Werkstück um ein transparentes Werkstück handelt (z.B. eine Abdeckscheibe eines Motorradscheinwerfers), ist lediglich beschrieben, dass mittels des Lasers ein Muster in das transparente Material des Werkstücks eingebracht werden kann. Ferner ist an verschiedenen Stellen beschrieben, dass das Verfahren ein besonders detailliertes, filigranes Muster auf dem Werkstück erzeugen soll. Das Verfahren ist somit ungeeignet, von größeren Flächen eines mit einer Metallisierungsschicht versehenen, transparenten Kunststoffteils Material der Metallisierungsschicht abzutragen. Es kommt noch hinzu, dass das beschriebene Verfahren für Kunststoffteile nicht geeignet ist, die eine komplexe, dreidimensionale Form aufweisen.
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zu Grunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art dahingehend auszugestalten und weiterzubilden, dass auch bei einem komplexen dreidimensionalen Kunststoffteil großflächig Material der Metallisierungsschicht abgetragen werden kann.
Zur Lösung dieser Aufgabe schlägt die Erfindung ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 vor. Insbesondere wird vorgeschlagen, dass der Bearbeitungspunkt, in dem der Laserstrahl auf die zu bearbeitende Oberfläche des Kunststoffteils fällt, entlang mehrerer nebeneinander liegender Arbeitsbahnen hin und her bewegt wird, wobei benachbarte Arbeitsbahnen so dicht nebeneinander liegen, dass ein Bearbeitungspunkt des Laserstrahls auf einer Arbeitsbahn an einen Bearbeitungspunkt des Laserstrahls auf einer benachbarten Arbeitsbahn angrenzt oder diesen teilweise überlagert, um großflächig Material der Metallisierungsschicht abzutragen. Ferner wird die Lasereinheit gemäß den generierten Werten für die Betriebsparameter bewegt, um die Position des Bearbeitungspunkts zu ändern und einem dreidimensionalen Verlauf der mit der Metallisierungsschicht versehenen Oberfläche beim Abfahren der Arbeitsbahnen zu folgen.
Der Bearbeitungspunkt des Laserstrahls wird entlang mehrerer nebeneinander liegender mäandernder Arbeitsbahnen bewegt, sodass in gewünschten Bereichen auf der Oberfläche des Werkstücks Material der Metallisierungsschicht großflächig abgetragen werden kann. Vorzugsweise wird ein Winkel, mit dem der Laserstrahl auf die Oberfläche des Werkstücks trifft, konstant gehalten, während der Bearbeitungspunkt des Laserstrahls die mäandernden Arbeitsbahnen abfährt. Bei einem in einem globalen Koordinatensystem betrachtet dreidimensionalen Verlauf der Oberfläche ist dadurch eine ständige Anpassung der Strahlrichtung in einem globalen Koordinatensystem erforderlich. Die Variation der Richtung des Laserstrahls kann entweder dadurch erzielt werden, dass die Lasereinheit geeignete Umlenkmittel (bspw. verstellbare Umlenkspiegel) aufweist, so dass die Austrittsrichtung des Laserstrahls aus der Lasereinheit variiert werden kann. Es ist aber auch denkbar, dass die Position und Ausrichtung der gesamten Lasereinheit variiert wird, wobei die Austrittsrichtung des Laserstrahls aus der Lasereinheit konstant bleibt. Die Position und Ausrichtung der Lasereinheit folgt dabei dem dreidimensionalen Verlauf der mit der Metallisierungsschicht versehenen Oberfläche, damit der Laserstrahl stets in einem konstanten Winkel auf die Oberfläche trifft.
Dabei ist es denkbar, dass entweder die gesamte Lasereinheit oder nur ein Teil der Lasereinheit bewegt wird. Insbesondere ist es denkbar, dass ein Teil der Lasereinheit, der ein Lasermedium und einen Resonator umfasst, nicht bewegt wird. Das Bewegen der Lasereinheit oder eines Teils davon umfasst insbesondere ein lineares Verfahren in eine X-, Y- und/oder Z-Richtung. Ferner kann das Bewegen der Lasereinheit oder eines Teils davon auch ein Drehen um eine oder mehrere der genannten X-, Y- und/oder Z-Achsen umfassen.
Vorzugsweise wird die gesamte Lasereinheit in Position und Ausrichtung bewegt, und folgt dabei dem komplexen dreidimensionalen Verlauf der Oberfläche des Werkstücks. Das Bewegen der Lasereinheit erfolgt dabei in Abhängigkeit von den generierten Werten für die Betriebsparameter zum Betreiben der Lasereinheit. Die Betriebsparameter umfassen daher beispielsweise eine Position (X, Y, Z), eine Ausrichtung und eine Verstellgeschwindigkeit der Lasereinheit. Ferner können die Betriebsparameter insbesondere eine Pulsdauer, eine Pulsfrequenz und eine Leistung des Laserstrahls bzw. der Lasereinheit umfassen. Insbesondere ist es denkbar, dass Pulsdauer, Pulsfrequenz und Leistung der Lasereinheit während der eigentlichen Laserbearbeitung auf konstanten Werten eingestellt werden. Leistung, Pulsdauer und Pulsfrequenz müssen dabei möglichst präzise eingestellt werden, damit die Metallisierungsschicht in der gewünschten Schichtdicke möglichst vollständig abgetragen wird, ohne die Trägerschicht zu beschädigen. Insbesondere sollen die Licht durchlässigen Eigenschaften der Trägerschicht durch den auftreffenden Laserstrahl nicht beeinträchtigt werden.
Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht somit einen großflächigen und präzisen Materialabtrag, indem die Lasereinheit einem dreidimensionalen Verlauf der mit der Metallisierungsschicht versehenen Oberfläche des Werkstücks beim Abfahren der mäandernden Arbeitsbahnen folgt.
Die Lasereinheit wird beim Abfahren der nebeneinander liegenden Arbeitsbahnen vorzugsweise derart bewegt, dass der Auftreffwinkel des Laserstrahls auf die Oberfläche konstant bleibt. Auf diese Weise kann die Leistungsdichte des Lasers in dem Bearbeitungspunkt auf einem annähernd konstanten Niveau gehalten werden.
In vorteilhafter Weiterbildung der Erfindung wird der Bearbeitungspunkt des Laserstrahls auf der mit der Metallisierungsschicht versehenen Oberfläche des Kunststoffteils mittels Aktoren bewegt. Die Aktoren können ausgebildet sein, die Lasereinheit zu bewegen oder nur einen Teil davon. Vorzugsweise wird die gesamte den Laserstrahl erzeugende Lasereinheit mittels der Aktoren bewegt. Es kann sich jedoch als vorteilhaft erweisen, wenn nur ein Teil der Lasereinheit durch die Aktoren bewegt wird, um die Position des Bearbeitungspunkts zu ändern. Die Lasereinheit umfasst beispielsweise geeignete Umlenkmittel (bspw. verstellbare Umlenkspiegel), welche mittels der Aktoren bewegt werden, so dass die Austrittsrichtung des Laserstrahls aus der Lasereinheit variiert werden kann. Bei den Aktoren handelt es sich beispielsweise um elektromagnetische Aktoren, die dazu ausgebildet sind, die Lasereinheit oder einen Teil der Lasereinheit in X-, Y-, Z-Richtung zu bewegen und/oder um eine der genannten Achsen (X, Y, Z) zu drehen.
Vorteilhafterweise werden die Aktoren zum Bewegen der Lasereinheit oder eines Teils davon durch die Steuereinheit angesteuert. Die Ansteuerung erfolgt insbesondere gemäß generierten Werten für Betriebsparameter zum Betreiben der Lasereinheit. Insbesondere erfolgt die Ansteuerung gemäß generierten Werten für die Position (X, Y, Z), die Ausrichtung und die Verstellgeschwindigkeit.
Im Sinne der vorliegenden Erfindung umfasst das Generieren von Werten für die Betriebsparameter sowohl ein Erzeugen der Werte unmittelbar vor oder während der Laserbearbeitung als auch ein einfaches Einlesen von zuvor abgespeicherten Werten. Vorteilhafterweise werden die Werte für die Betriebsparameter der Lasereinheit unmittelbar vor oder während der Laserbearbeitung ad hoc erzeugt. Es ist denkbar, dass die Werte für die Betriebsparameter automatisch von der Steuereinheit erzeugt werden, bspw. auf Grundlage von Sensorsignalen, welche Informationen über den genauen dreidimensionalen Verlauf der Oberfläche liefern.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung werden die Werte für die Betriebsparameter der Lasereinheit unmittelbar vor oder während der eigentlichen Laserbearbeitung dadurch generiert, dass zuvor vor der Laserbearbeitung erzeugte und abgespeicherte Werte für die Betriebsparameter für den jeweiligen speziellen Anwendungsfall in die Steuereinheit geladen werden.
Vorteilhafterweise werden die Werte für die Betriebsparameter in Abhängigkeit von Daten des Werkstücks (z.B. Material des Trägerelements und der Metallisierungsschicht, Dicke des Trägerelements und der Metallisierungsschicht) generiert. Die Daten des Werkstücks werden beispielsweise manuell von einem Benutzer eingegeben. Alternativ oder ergänzend hierzu ist es aber auch denkbar, dass die Daten des Werkstücks in Form von elektronisch gespeicherten Werten an die Steuereinheit übergeben werden. Insbesondere werden Daten für verschiedene Werkstücke gespeichert und die Daten für das zu bearbeitende Werkstück ausgewählt und in die Steuereinheit geladen, so dass die Lasereinheit auf diese Weise in Abhängigkeit von Daten des Werkstücks betrieben wird.
Vorteilhafterweise werden die Werte für die Betriebsparameter in Abhängigkeit von Informationen über die dreidimensionale Form des Werkstücks und/oder über die Bearbeitungsposition des Werkstücks und/oder Informationen über einen Bereich der abzutragenden Metallisierungsschicht und/oder über Material und/oder Dicke der Metallisierungsschicht und/oder über Material des Trägerelements generiert. In Abhängigkeit der nicht abschließend aufgezählten Informationen über das Werkstück wird die Lasereinheit angepasst an das zu bearbeitende Werkstück betrieben.
In vorteilhafter Weiterbildung des Verfahrens hat es sich als vorteilhaft erwiesen, dass die Bearbeitungsposition, insbesondere eine Position und/oder Ausrichtung des Werkstücks, mittels eines Sensorelements erfasst und die Werte für die Betriebsparameter in Abhängigkeit von der erfassten Position und/oder Ausrichtung generiert werden. Vorzugsweise wird die Lasereinheit auf diese Weise in Abhängigkeit von der durch das Sensorelement erfassten Position und/oder Ausrichtung des Werkstücks betrieben. Insbesondere kann mit dem Sensorelement erfasst werden, ob sich das Werkstück in der Bearbeitungsposition befindet und für den Fall, dass sich das Werkstück in der Bearbeitungsposition befindet, die Lasereinheit zum Aussenden eines Laserstrahls angesteuert werden. Ergänzend kann mit dem Sensorelement beispielsweise ein Abstand des Werkstücks zu der Lasereinheit erfasst werden und die Leistung der Lasereinheit an den erfassten Abstand zu dem Werkstück angepasst werden. Das Sensorelement umfasst beispielsweise einen optischen Sensor, insbesondere eine Kamera oder eine Lichtschranke, oder einen taktilen Sensor Berührungssensor. Dieser kann bspw. an der Bearbeitungsposition angeordnet sein und die Position und Ausrichtung des Werkstücks erfassen.
Vorteilhafterweise erfolgt das Ansteuern der Lasereinheit in Abhängigkeit eines auf der Steuereinheit ausführbaren Computerprogramms. Das Computerprogramm ist programmiert, damit die Steuereinheit das erfindungsgemäße Verfahren ausführt bzw. steuert, wenn das Computerprogramm auf der Steuereinheit abgearbeitet wird. Auf diese Weise kann zumindest die eigentliche Laserbearbeitung des Werkstücks im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens automatisiert erfolgen. Ferner ist es denkbar, dass das Generieren von Betriebsparametern automatisiert im Rahmen der Abarbeitung des Computerprogramms erfolgt.
Als eine weitere Lösung der Aufgabe wird eine Laserbearbeitungsvorrichtung zur Material abtragenden Laserbearbeitung eines Werkstücks, das ein Trägerelement aus einem Kunststoff mit einer Oberfläche und eine im Vorfeld der Laserbearbeitung auf die Oberfläche aufgebrachte Metallisierungsschicht umfasst, vorgeschlagen, wobei die Laserbearbeitungsvorrichtung eine Lasereinheit zum Erzeugen und Aussenden eines Laserstrahls und eine Steuereinheit zum Ansteuern der Lasereinheit umfasst, und die Laserbearbeitungsvorrichtung Mittel zum Ausführen eines erfindungsgemäßen Verfahrens aufweist.
Vorteilhafterweise umfasst die Steuereinheit eine Recheneinheit und ein auf der Recheneinheit ausführbares Computerprogramm. Das Computerprogramm ist vorzugsweise programmiert, das Ansteuern der Lasereinheit durch die Steuereinheit zu ermöglichen. Ferner ist das Computerprogramm vorzugsweise programmiert, einen automatisierten Ablauf des erfindungsgemäßen Verfahrens zu ermöglichen.
Vorteilhafterweise ist die Steuereinheit dazu ausgebildet ist, Werte für Betriebsparameter der Lasereinheit zu generieren. Das Generieren der Werte erfolgt vorzugsweise in Abhängigkeit von Daten des zu bearbeiteten Werkstücks.
Vorteilhafterweise umfasst die Laserbearbeitungsvorrichtung Aktoren zum Positionieren und/oder Ausrichten und/oder Bewegen der Lasereinheit. Insbesondere ermöglichen die Aktoren ein Bewegen der Lasereinheit in X-, Y-, Z- Richtung und/oder eine Drehung der Lasereinheit um eine der genannten Achsen (X, Y, Z).
Vorteilhafterweise umfasst die Laserbearbeitungsvorrichtung mindestens ein Sensorelement zum Erfassen einer Position und/oder Ausrichtung des Werkstücks.
Als noch eine weitere Lösung der Aufgabe wird ein Computerprogramm vorgeschlagen, das programmiert ist, das erfindungsgemäße Verfahren auszuführen, wenn es auf einer Recheneinheit einer Steuereinheit einer Laserbearbeitungsvorrichtung zur Material abtragenden Laserbearbeitung abläuft.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in welcher bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert werden. Dabei zeigen:

1 eine erfindungsgemäße Laserbearbeitungsvorrichtung;
2 eine schematische Ansicht eines in der Laserbearbeitungsvorrichtung aus 1 angeordneten Werkstücks;
3 einen schematisch dargestellten Ablauf eines erfindungsgemäßen Verfahrens;
4 einen schematisch dargestellten weiteren Ablauf des erfindungsgemäßen Verfahrens;
5 eine Schnittansicht eines zur Laserbearbeitung vorgesehenen Werkstücks;
6 eine Draufsicht auf ein Werkstück, und
7 eine Ansicht eines bearbeiteten Werkstücks.

1 zeigt eine Laserbearbeitungsvorrichtung zur Material abtragenden Laserbearbeitung eines Werkstücks. Die Laserbearbeitungsvorrichtung ist in ihrer Gesamtheit mit dem Bezugszeichen 2 bezeichnet. Die Laserbearbeitungsvorrichtung 2 umfasst eine Lasereinheit 4 und eine Steuereinheit 6 zum Ansteuern der Lasereinheit 4. Die Lasereinheit 4 ist dazu ausgebildet, einen Laserstrahl zu erzeugen und auszusenden.
Prinzipiell kann die Lasereinheit 4 zum Erzeugen von Laserstrahlen beispielsweise einen Halbleiter-Laser, GasLaser oder Festkörper-Laser umfassen. Vorzugsweise umfasst sie einen Festkörper-Laser. Der Festkörper-Laser ist nicht separat dargestellt. Beispielsweise handelt es sich bei dem Festkörper-Laser um einen Faserlaser.
Bei einem Faserlaser wird Laserstrahlung durch eine Faser mit einem dotierten Faserkern geleitet und an einem Resonator verstärkt. Faserlaser werden im Allgemeinen optisch gepumpt, indem parallel zum Faserkern in dessen Mantel oder in den Faserkern selbst Strahlung von Lasern, insbesondere Diodenlasern, eingekoppelt wird. Bekannte Dotierungselemente für den laseraktiven Faserkern sind Erbium, Ytterbium und Neodym. Nach Austritt aus der aktiven Faser gelangt der Laserstrahl meist in eine Glasfaser oder in ein eine solche enthaltendes Lichtleitkabel, wobei die Glasfaser die Strahlung zum Beispiel zu einem optischen Element zum Fokussieren des Laserstrahls leitet.
Das optische Element ist in der vorliegenden Erfindung ebenfalls nicht dargestellt, es ist vorzugsweise jedoch in der Lasereinheit 4 angeordnet. Bei dem optischen Element handelt es sich beispielsweise um eine Linse. Gemäß der dargestellten Ausführungsform tritt also aus der Lasereinheit 4 ein gebündelter Laserstrahl aus.
In einem Arbeitsbereich 8 der Lasereinheit 4 ist ein Werkstück 10 in einer Bearbeitungsposition 12 angeordnet. Das Werkstück 10 kann beispielsweise manuell in der Bearbeitungsposition 12 angeordnet werden. Im Rahmen eines automatisierten Ablaufs des Verfahrens, ist es aber auch denkbar, das Werkstück 10 mittels eines Pick-and-Place-Roboters in die Bearbeitungsposition 12 zu bewegen und dort in einer gewünschten Position und Ausrichtung abzulegen.
Das im Rahmen der vorliegenden Erfindung zu bearbeitende Werkstück 10 ist in 5 im Schnitt gezeigt und umfasst ein Trägerelement 14 aus einem transparenten Kunststoff mit einer Oberfläche 16 und eine auf die Oberfläche 16 aufgebrachte Metallisierungsschicht 18. Das Trägerelement 14 könnte aber auch aus deinem nicht transparenten Kunststoff bestehen. Im Rahmen der Erfindung soll die Metallisierungsschicht in relativ großflächigen Bereichen mittels Laserbearbeitung von dem Werkstück 10 abgetragen werden. Dabei soll eine Beschädigung oder Beeinträchtigung der Transparenz des Trägerelements 14 verhindert werden. Zudem weist das Werkstück 10 zumindest im Bereich der zu bearbeitenden Oberfläche 16 eine relativ komplexe dreidimensionale Form auf. Das an der Bearbeitungsposition 12 angeordnete Werkstück 10 wird mit einem von der Lasereinheit 4 erzeugten und ausgesandten Laserstrahl 20 beaufschlagt. Der Bereich des Laserstrahls, der mit der Metallisierungsschicht 18 versehenen Oberfläche 16, auf den der Laserstrahl 20 trifft, wird als Bearbeitungspunkt 22 bezeichnet. An dem Bearbeitungspunkt 22 wird aufgrund von einer durch die Energie des Laserstrahls 20 hervorgerufene Wärmeentwicklung lokal Material der Metallisierungsschicht 18 des Werkstücks 10 abgetragen. Insbesondere wird die Metallisierungsschicht 18 in dem Bearbeitungspunkt 22 schlagartig erhitzt, so dass das Material der Metallisierungsschicht 18 in dem Bearbeitungspunkt 22 verdampft.
Um in einem gewünschten großflächigen Bereich der Metallisierungsschicht 18 Material abzutragen, wird der Bearbeitungspunkt 22 entlang einer Arbeitsbahn 24 bewegt (vgl. 2). Der Bearbeitungspunkt 22 wird bewegt, indem ein Auftreffpunkt des Laserstrahls 20 auf die Oberfläche 16 bewegt wird. Zu diesem Zweck umfasst die Laserbearbeitungsvorrichtung 2 vorzugsweise Aktoren 26, mittels derer die Lasereinheit 4 ausgerichtet und/oder bewegt wird. Die Lasereinheit wird insbesondere in X-, Y-, oder Z-Richtung linear bewegt. Alternativ oder zusätzlich ist es denkbar, dass die Lasereinheit um eine der genannten Achsen (X, Y, Z) gedreht wird.
Die Aktoren 26 werden durch die Steuereinheit 6 angesteuert. Dies ist durch die gestrichelte Linie 28 kenntlich gemacht. Die Ansteuerung kann beispielsweise über eine oder mehrere Datenleitungen (nicht gezeigt) oder eine Funkverbindung zwischen der Steuereinheit 6 und den Aktoren 26 erfolgen. Durch Ansteuerung der Aktoren 26 mit geeigneten Ansteuerbefehlen oder -signalen durch die Steuereinheit 6, wird die Lasereinheit 4 derart ausgerichtet und bewegt, dass der Laserstrahl 20 und damit auch der Bearbeitungspunkt 22 entlang der gewünschten Arbeitsbahn 24 bewegt wird.
Dabei ist es denkbar, dass sowohl die gesamte Lasereinheit 4 oder nur ein Teil der Lasereinheit 4 ausgerichtet und bewegt wird. Wird nur ein Teil der Lasereinheit 4 bewegt, umfasst die Lasereinheit beispielsweise geeignete Umlenkmittel (bspw. verstellbare Umlenkspiegel), so dass die Austrittsrichtung des Laserstrahls aus der Lasereinheit variiert werden kann. Die Umlenkmittel können mittels der Aktoren 26 ausgerichtet und/oder bewegt werden. Ein Bewegen und/oder Ausrichten der Umlenkmittel kann insbesondere eine lineare Bewegung in X-, Y-, oder Z-Richtung umfassen. Alternativ oder zusätzlich ist es denkbar, dass die Umlenkmittel um eine der genannten Achsen (X, Y, Z) gedreht werden.
Ferner wird im Rahmen der Laserbearbeitung die Lasereinheit 4 durch die Steuereinheit 6 angesteuert, so dass sie einen gewünschten Laserstrahl 20 aussendet. Insbesondere kann durch geeignete Ansteuerung die Leistung, Pulsdauer und Pulsfrequenz des Laserstrahls 20 vorgegeben werden. Diese Ansteuerung der Lasereinheit 4 durch die Steuereinheit 6 ist in der 1 durch die gestrichelte Linie 30 kenntlich gemacht. Die Verbindung zwischen Steuereinheit 6 und Lasereinheit 4 kann beispielsweise mittels einer oder mehrerer Datenleitungen (nicht gezeigt) oder einer Funkverbindung (nicht gezeigt) realisiert sein.
Zu diesem Zweck werden im Rahmen der Ansteuerung der Aktoren 26 und der Lasereinheit 4 durch die Steuereinheit 6 Ansteuersignale an die Aktoren 26 und Lasereinheit 4 übertragen. Diese Signale sind insbesondere von Werten für Betriebsparameter zum Betreiben der Lasereinheit abhängig. Die Betriebsparameter umfassen beispielsweise eine Position (X, Y, Z), einen Drehwinkel, eine Geschwindigkeit, mit der der Bearbeitungspunkt 22 über die Oberfläche 16 entlang der Arbeitsbahn 24 bewegt wird, eine Pulsdauer, eine Pulsfrequenz und/oder eine Leistung der Lasereinheit.
Die Werte für die Betriebsparameter können beispielsweise von der Steuereinheit 6 selbst generiert werden, in dem der Steuereinheit Daten des Werkstücks 10 übergeben werden und die Steuereinheit auf eine Datenbank zugreift, in der den Daten zugeordnete Betriebsparameter abgespeichert sind. Die Daten des Werkstücks 10, die an die Steuereinheit 6 übergeben werden, umfassen beispielsweise Informationen über das zu bearbeitende Werkstück 10 (Form des Werkstücks 10, beispielsweise als Daten aus einem CAD-Modell, Material und/oder Dicke der Metallisierungsschicht 18, Material des Trägerelements 14), Informationen über die Bearbeitungsposition 12 des Werkstücks 10, Informationen über einen Bereich der abzutragenden Metallisierungsschicht. Die Steuereinheit 6 ist beispielsweise mit einer Bedieneinheit (nicht dargestellt) verbunden. Über die Bedieneinheit können diese Daten durch einen Benutzer eingegeben werden. Alternativ oder zusätzlich können diese Daten über eine elektronische Speicherschnittstelle an die Steuereinheit übergeben werden.
Ferner können die Werte für die Betriebsparameter an die Steuereinheit 6 übergeben werden, bspw. durch Laden von bereits vor der eigentlichen Laserbearbeitung erzeugten und abgespeicherten Werten. Insbesondere kann zu jedem zu bearbeiteten Werkstück 10 ein Satz von Betriebsparameter erzeugt und an die Steuereinheit 6 übergeben werden. Die Betriebsparameter werden beispielsweise mittels einer Recheneinheit basierend auf Daten über das zu bearbeitende Werkstück (Form des Werkstücks 10, Material und/oder Dicke der Metallisierungsschicht 18, Material des Trägerelements 14, Informationen über die Bearbeitungsposition 12 des Werkstücks 10, Informationen über einen Bereich der abzutragenden Metallisierungsschicht) erzeugt. Es ist auch denkbar, dass die Betriebsparameter basierend auf Fachwissen und Erfahrungswerten im Bereich der Laserbearbeitung erzeugt werden. Das Übergeben der Betriebsparameter erfolgt beispielsweise über eine Bedieneinheit oder über eine elektronische Speicherschnittstelle.
Gemäß dem im 1 dargestellten Ausführungsbeispiel umfasst die Laserbearbeitungsvorrichtung 2 ein Sensorelement 32. Das Sensorelement 32 ist beispielsweise dazu ausgebildet, eine Position und/oder eine Ausrichtung des im Arbeitsbereich 8 angeordneten Werkstücks 10 zu erfassen. Das Sensorelement 32 ist beispielsweise ein Kontakt- oder Berührungssensor oder eine Kamera. Ein Berührungssensor könnte in der Bearbeitungsposition 12 angeordnet sein und die Position und/oder Ausrichtung des Werkstücks 10 im Arbeitsbereich 8 erfassen. Eine Kamera könnte bspw. in einem Abstand zu und oberhalb des Arbeitsbereichs 8 angeordnet sein und das Werkstück 10 optisch erfassen. Durch Auswerten der Kamerasignale kann die Position und/oder Ausrichtung des Werkstücks 10 ermittelt werden. Mit dem Sensorelement 32 kann dann vorzugsweise erfasst werden, ob und wie das Werkstück 10 an der Bearbeitungsposition 12 angeordnet und ausgerichtet ist. Das Sensorelement 32 erfasst Daten über die Position und/oder die Ausrichtung des Werkstücks 10 und überträgt diese an die Steuereinheit 6. Die Datenübertragung zwischen Sensorelement 32 und Steuereinheit 6 ist mit einer gestrichelten Linie 34 dargestellt.
Die Steuereinheit 6 umfasst eine Recheneinheit 36 und ein Speicherelement 37, auf dem ein Computerprogramm 38 abgespeichert ist, das auf der Recheneinheit 36 ausführbar ist. Das Ansteuern der Lasereinheit 4 und der Aktoren 26 erfolgt in Abhängigkeit des Computerprogramms 38.
2 zeigt eine Draufsicht auf die zu bearbeitende Oberfläche 16 des Werkstücks 10. Auf der Oberfläche 16 ist die Metallisierungsschicht 18 aufgebracht. Beispielhaft ist der Bearbeitungspunkt 22 eingezeichnet, in dem der Laserstrahl 20 zunächst auf das Werkstück 10 trifft, nachdem das Werkstück 10 in der Bearbeitungsposition 12 angeordnet wurde. Ferner ist beispielhaft ein Bereich 40 auf der Oberfläche 16 des Werkstücks 10 eingezeichnet, in welchem die Metallisierungsschicht 18 bereits abgetragen wurde. Zusätzlich soll nun in einem Bereich 40' auf der Oberfläche 16 des Werkstücks 10 die Metallisierungsschicht 18 abgetragen werden. Wie bereits beschrieben, wird der Bearbeitungspunkt 22 entlang der Arbeitsbahn 24 bewegt. Um großflächig Material der Metallisierungsschicht 18 abzutragen, wird der Bearbeitungspunkt 22 entlang mehrerer nebeneinander liegender Arbeitsbahnen 24, 24', 24", 24"' bewegt. Die Arbeitsbahnen 24, 24', 24", 24"' liegen so dicht nebeneinander, dass ein Bearbeitungspunkt 22' des Laserstrahls 20 auf einer ersten Arbeitsbahn 24' an den Bearbeitungspunkt 22 des Laserstrahls auf der benachbarten Arbeitsbahn 24 angrenzt oder diesen teilweise überlagert. Die Arbeitsbahnen 24, 24', 24", 24"' werden so gewählt, dass ein gewünschter Bereich 40, 40' der Metallisierungsschicht 18 großflächig abgetragen wird. Der Laserstrahl 20 wird entlang der Arbeitsbahnen 24, 24', 24", 24"' bewegt, indem die Werte für die Betriebsparameter zum Betreiben der Lasereinheit und Ansteuersignale zum Ansteuern der Aktoren in Abhängigkeit von den Werten der Betriebsparameter generiert werden.
Die 3 und 4 stellen jeweils ein Ablaufdiagramm des erfindungsgemäßen Verfahrens zur materialabtragenden Laserbearbeitung schematisch dar. Gemäß 3 wird in einem ersten Schritt 50 das Werkstück 10 an einer Bearbeitungsposition 12 in einem Bearbeitungsbereich 8 der Lasereinheit 4 angeordnet. In einem zweiten Schritt 52 werden Werte für Betriebsparameter zum Betreiben der Lasereinheit generiert.
In einem dritten Schritt 54 wird durch die Lasereinheit 4 ein Laserstrahl 20 in Abhängigkeit von der im zweiten Schritt 52 generierten Werte für die Betriebsparameter erzeugt und ausgesendet. In einem vierten Schritt 56 wird das an der Bearbeitungsposition 12 angeordnete Werkstück 10 in einem Bearbeitungspunkt 22 mit dem ausgesandten Laserstrahl 20 beaufschlagt. Diese Beaufschlagung bewirkt eine lokale Materialabtragung in dem Bearbeitungspunkt 22. In einem fünften Schritt 58 wird der Laserstrahl 20 und damit auch der Bearbeitungspunkt 22 gemäß der generierten Werte entlang der Arbeitsbahnen 24, 24', 24" und 24"' bewegt, so dass ein gewünschter Bereich 40' der Metallisierungsschicht 18 großflächig abgetragen wird.
Hierbei ist anzumerken, dass insbesondere die Schritte 54 bis 58 zeitlich nacheinander oder zeitgleich ausgeführt werden können. Ferner kann der Schritt 52, welcher das Generieren von Werten für Betriebsparameter zum Betreiben der Lasereinheit umfasst, bereits vor oder zeitgleich mit dem ersten Schritt 50, welcher das Anordnen des Werkstücks 10 an der Bearbeitungsposition 12, ausgeführt werden.
In 4 ist beispielhaft ein Ablauf des erfindungsgemäßen Verfahrens dargestellt, bei dem nach dem Schritt 50, welcher das Anordnen des Werkstücks 10 in der Bearbeitungsposition 12 umfasst, in einem Schritt 60, die Position und Ausrichtung des Werkstücks 10 erfasst wird. Basierend auf der erfassten Position und Ausrichtung des Werkstücks 10 durch das Sensorelement 32, werden dann in einem Schritt 62 Werte für Betriebsparameter zum Betreiben der Lasereinheit und Ansteuersignale zum Ansteuern der Aktoren in Abhängigkeit von den Werten der Betriebsparameter generiert. Anschließend werden die bereits genannten Schritte 54, 56, 58 ausgeführt.
5 zeigt eine Schnittansicht durch ein Beispiel für das im Rahmen der Erfindung zu bearbeitende Werkstück 10. Das Werkstück 10 umfasst das Trägerelement 14 aus einem transparenten Kunststoff mit der Oberfläche 16 und die auf die Oberfläche 16 aufgebrachte Metallisierungsschicht 18. Beispielhaft sind Bereiche 40' eingezeichnet, in denen die Metallisierungsschicht 18 entfernt werden soll. In 5 ist die komplexe dreidimensionale Struktur des Werkstücks 10 deutlich zu erkennen.
6 zeigt ein anderes Beispiel für ein Werkstück 10 in seiner Gesamtheit. Auch hier ist die dreidimensionale Form gut zu erkennen. 7 zeigt einen Ausschnitt des Werkstücks 10 aus 6, bei dem in Bereichen 40 die auf der Oberfläche 16 des Werkstücks aufgetragen Metallisierungsschicht 18 entfernt wurde. Das Werkstück 10 in 7 ist durch eine Lichtquelle hinterleuchtet. Es ist gut zu erkennen, dass Bereiche der Oberfläche 16, wo die Metallisierungsschicht 18 noch vorhanden ist, dunkel erscheinen. Demgegenüber erscheinen die Bereiche 40, wo die Metallisierungsschicht 18 nach dem erfindungsgemäßen Verfahren großflächig abgetragen wurde, hell leuchtend.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 5817243 [0006]

Claims

Verfahren zur Material abtragenden Laserbearbeitung eines Werkstücks (10), das ein Trägerelement (14) aus einem Kunststoff mit einer Oberfläche (16) und eine im Vorfeld der Laserbearbeitung auf die Oberfläche (16) aufgebrachte Metallisierungsschicht (18) umfasst, wobei die Laserbearbeitung mittels einer Laserbearbeitungsvorrichtung (2) ausgeführt wird, die eine Lasereinheit (4) und eine Steuereinheit (6) zum Ansteuern der Lasereinheit (4) umfasst, das Verfahren umfassend: - Anordnen des Werkstücks (10) in einer Bearbeitungsposition (12) in einem Arbeitsbereich (8) der Lasereinheit (4), - Generieren von Werten für Betriebsparameter zum Betreiben der Lasereinheit (5), - Erzeugen und Aussenden eines Laserstrahls (20) gemäß der generierten Werte für die Betriebsparameter durch die Lasereinheit (4), - Beaufschlagen des in der Bearbeitungsposition (12) angeordneten Werkstücks (10) mit dem ausgesandten Laserstrahl (20) in einem Bearbeitungspunkt (22) im Bereich der mit der Metallisierungsschicht (18) versehenen Oberfläche (16) des Werkstücks (10), so dass in dem Bearbeitungspunkt (22) lokal Material der Metallisierungsschicht (18) abgetragen wird, - Bewegen des Laserstrahls (20) und damit auch des Bearbeitungspunkts (22) gemäß der generierten Werte für die Betriebsparameter durch die Lasereinheit (4) relativ zu dem Werkstück (10) entlang einer Arbeitsbahn (24) im Bereich der mit der Metallisierungsschicht (18) versehenen Oberfläche (16) des Werkstücks (10), so dass entlang der Arbeitsbahn (24) Material der Metallisierungsschicht (18) abgetragen wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Bearbeitungspunkt (22) entlang mehrerer nebeneinander liegender Arbeitsbahnen (24, 24', 24", 24"') bewegt wird, wobei benachbarte Arbeitsbahnen (24, 24') so dicht nebeneinander liegen, dass ein Bearbeitungspunkt (22) des Laserstrahls auf einer Arbeitsbahn (24) an einen Bearbeitungspunkt (22') des Laserstrahls auf einer benachbarten Arbeitsbahn (24') angrenzt oder diesen teilweise überlagert, um großflächig Material der Metallisierungsschicht (18) abzutragen, und dass die Lasereinheit (4) gemäß der generierten Werte für die Betriebsparameter bewegt wird, um die Position des Bearbeitungspunkts (22) zu ändern und einem dreidimensionalen Verlauf der mit der Metallisierungsschicht (18) versehenen Oberfläche (16) beim Abfahren der Arbeitsbahnen (24, 24', 24", 24"') zu folgen.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Werte für die Betriebsparameter zum Betreiben der Lasereinheit (5) derart generiert und die Lasereinheit (4) gemäß der generierten Werte für die Betriebsparameter derart bewegt wird, dass ein Winkel des Laserstrahls (20) in dem Bearbeitungspunkt (22) relativ zu der mit der Metallisierungsschicht (18) versehenen Oberfläche (16) des Werkstücks (10) während des Abfahrens der Arbeitsbahnen (24, 24', 24", 24"') konstant bleibt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Lasereinheit (4) mittels Aktoren (26) bewegt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Aktoren (26) zum Bewegen der Lasereinheit (4) durch die Steuereinheit (6) angesteuert werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Werte für die Betriebsparameter der Lasereinheit (4) unmittelbar vor oder während der Laserbearbeitung ad hoc erzeugt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Werte für die Betriebsparameter der Lasereinheit (4) unmittelbar vor oder während der eigentlichen Laserbearbeitung generiert werden, wobei das Generieren der Werte für die Betriebsparameter ein Laden von vor der Laserbearbeitung erzeugten Werten umfasst.
Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Werte für die Betriebsparameter in Abhängigkeit von Daten des Werkstücks (10) generiert werden.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Werte für die Betriebsparameter in Abhängigkeit von Informationen über die dreidimensionale Form des Werkstücks (10) und/oder über die Bearbeitungsposition des Werkstücks (10) und/oder Informationen über einen Bereich der abzutragenden Metallisierungsschicht und/oder über Material und/oder Dicke der Metallisierungsschicht (18) und/oder über Material des Trägerelements (14) generiert werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Position und/oder Ausrichtung des Werkstücks (10) mittels eines Sensorelements (34) erfasst und Werte für die Betriebsparameter in Abhängigkeit von der erfassten Position und/oder Ausrichtung generiert werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Ansteuern der Lasereinheit (4) in Abhängigkeit eines auf der Steuereinheit (6) ausführbaren Programms (38) erfolgt.
Laserbearbeitungsvorrichtung (2) zur Material abtragenden Laserbearbeitung eines Werkstücks (10), das ein Trägerelement (14) aus einem Kunststoff mit einer Oberfläche (16) und eine im Vorfeld der Laserbearbeitung auf die Oberfläche (16) aufgebrachte Metallisierungsschicht (18) umfasst, wobei die Laserbearbeitungsvorrichtung (2) eine Lasereinheit (4) zum Erzeugen und Aussenden eines Laserstrahls (20) und eine Steuereinheit (6) zum Ansteuern der Lasereinheit (4) umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass die Laserbearbeitungsvorrichtung (2) Mittel zum Ausführen eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 10 aufweist.
Laserbearbeitungsvorrichtung (2) nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (6) eine Recheneinheit (36) und ein auf der Recheneinheit (36) ausführbares Computerprogramm (38) umfasst.
Laserbearbeitungsvorrichtung (2) nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (6) dazu ausgebildet ist, Werte für Betriebsparameter der Lasereinheit (4) zu generieren.
Laserbearbeitungsvorrichtung (2) nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Laserbearbeitungsvorrichtung (2) Aktoren (26) zum Positionieren und/oder Ausrichten und/oder Bewegen des Bearbeitungspunktes (22) des Laserstrahls (20) und/oder der Lasereinheit (4) umfasst.
Laserbearbeitungsvorrichtung (2) nach einem der Ansprüche 11 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Laserbearbeitungsvorrichtung (2) mindestens ein Sensorelement (32) zum Erfassen einer Position und/oder Ausrichtung des Werkstücks (10) in seiner Bearbeitungsposition umfasst.
Computerprogramm (38), das programmiert ist, das erfindungsgemäße Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10 auszuführen, wenn es auf einer Recheneinheit (36) einer Steuereinheit (6) einer Laserbearbeitungsvorrichtung (2) zur Material abtragenden Laserbearbeitung abläuft.