DE102018000441B4

DE102018000441B4 - Laserbearbeitungsverfahren

Info

Publication number: DE102018000441B4
Application number: DE102018000441.5A
Authority: DE
Inventors: Takashi Izumi
Original assignee: Fanuc Corp
Current assignee: Fanuc Corp
Priority date: 2017-01-19
Filing date: 2018-01-19
Publication date: 2021-10-07
Anticipated expiration: 2038-01-20
Also published as: JP2018114544A; DE102018000441A1; CN108326449A; JP6546207B2; US20180200838A1; CN108326449B

Abstract

Laserbearbeitungsverfahren, bei dem ein Keramikwerkstück (3) mit einem Laserstrahl (LB) bestrahlt wird und das Keramikwerkstück (3) bearbeitet wird,wobei das Produkt einer Bestrahlungsdauer, einer Leistung und einer Geschwindigkeit der Absorption des Laserstrahls (LB) bei der Bestrahlung des Werkstücks (3) mit dem Laserstrahl (LB) so eingestellt wird, dass es einer zum Schmelzen eines Volumens eines zu schmelzenden Zielabschnitts des Werkstücks (3) erforderlichen Energie oder mehr entspricht, undwobei entsprechend der Bestrahlung mit diesem Laserstrahl (LB) erzeugtes geschmolzenes Material (10) des Werkstücks (3) aus einem den Laser aufnehmenden Bereich (3a) des Werkstücks (3) mit einer derartigen Geschwindigkeit entfernt wird, dass ein Temperaturunterschied zwischen einem Basismaterial des Werkstücks (3) und in der Nähe eines Schmelzabschnitts wegen Wärmediffusion kleiner als ein vorbestimmter Temperaturunterschied ist, der eine Wärmeschockbeständigkeit des Werkstücks (3) angibt, wobei zum Absaugen und Entfernen des geschmolzenen Materials (10) ein Unterdruck in dem Laser aufnehmenden Bereich (3a) des Werkstücks (3) erzeugt wird, um zu veranlassen, dass auf das geschmolzene Material (10) eine Saugkraft aufgebracht wird, die einem Gewicht des geschmolzenen Materials (10) oder mehr entspricht.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Bereich der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Laserbearbeitungsverfahren zum Bestrahlen eines aus Keramik wie Tonerde (Aluminiumoxid) ausgebildeten Werkstücks (eines Keramikwerkstücks) mit einem Laserstrahl und zum Bearbeiten des Werkstücks.
Verwandte Technik
Wenn ein Keramikwerkstück mit einem Laserstrahl bestrahlt und bearbeitet wird, erfolgt das Bohren an dem Werkstück herkömmlicherweise durch Laserbestrahlung mit einer Pulsbreite von einigen µ-Sekunden oder weniger (siehe Patentschriften 1 und 2 als Beispiele).

Patentschrift 1: Ungeprüfte japanische Patentanmeldung, Veröffentlichung Nr. H06-155061
Patentschrift 2: Ungeprüfte japanische Patentanmeldung, Veröffentlichung Nr. 2015-047638

JP 2008 119 698 A offenbart das Bohren eines Lochs in ein Substrat mit einem Laser für einen MEMS geeigneten winzigen Lochdurchmesser unter Verwendung eines vergleichsweise kostengünstigen CO₂-Lasers.
Das Bohren wird dabei ohne Beschädigung an einem Werkstück ermöglicht und es wird keine Quellung oder dergleichen am Umfang des Bohrlochs verursacht, wobei ein Abstand zwischen den Löchern verringert werden kann. Bei dem Verfahren zum Bohren des Lochs in das Substrat durch Bestrahlung mit einem CO₂-Laser werden geschmolzene Komponenten des Werkstücks während der Bestrahlung abgesaugt. JP 2007 175 721 A offenbart das Verringerung des Bohrabstands, dadurch, dass Schlacken kaum um ein gebohrtes Loch haften bleiben und die Ausbreitung eines Lochdurchmessers an der Seite einer Laserbestrahlungsfläche verringert wird. Dazu wird ein YAG-Laserstrahl von einer Laserstrahlemissionseinheit zum Lochbohrpunkt eines Werkstücks geführt und der Punkt wird bestrahlt, wobei ein zylindrischer Körper zwischen der Emissionseinheit und dem Werkstück auf einer Bearbeitungsbühne angeordnet ist. JP S61 186 185 A offenbart das Aufbringen einer Beschichtungslage aus einer anorganischen Substanz auf der Oberseite eines Werkstücks und eine gleichzeitige Laserbestrahlung und ein Gasblasen des Werkstücks. Auf der Oberseite eines Werkstücks aus einem Keramikmaterial bildet sich eine Überzugslage aus einer anorganischen Substanz, die nicht verdampft. Die Spitze eines Brenners wird auf der Beschichtungslage positioniert und ein Laserstrahl wird auf die Beschichtungslage gerichtet. DE 10 2005 008 839 A1 offenbart ein Verfahren zum Abtragen von verunreinigtem Festbeton, wobei ein Bereich eines Körpers aus dem verunreinigten Festbeton durch Bestrahlen mit Laserstrahlen wenigstens eines Lasers in einen schmelzflüssigen und/oder gasförmigen Zustand versetzt wird und dass im schmelzflüssigen und/oder gasförmigen Zustand befindliches Material des Festbetons mittels einer darauf gerichteten Blasdüse während oder nach dem Bestrahlen mit Laserstrahlen durch wenigstens einen Impuls eines Blasgasstromes weggeblasen wird.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Dies ist jedoch aus den folgenden Gründen unpraktisch.
Erstens weist Keramik eine geringere Wärmeleitfähigkeit als Metalle wie Aluminium auf. Tonerde weist beispielsweise, wie in 4 gezeigt, eine Wärmeleitfähigkeit von 23 W/m . K auf. Daher nimmt das Bohren viel Zeit in Anspruch, wenn die Stärke des Keramikwerkstücks 1 mm oder mehr beträgt, und nachdem die Wärmeleitfähigkeit niedrig ist, weist eine Peripherie eines Bearbeitungspunkts lokal eine hohe Temperatur auf. Wenn das Bohren an dem Keramikwerkstück sukzessive ausgeführt wird, sammelt sich Wärme an. Dadurch wird in dem Keramikwerkstück lokal ein großer Temperaturunterschied erzeugt, und dadurch treten leicht Sprünge, Schäden und Verformungen an dem Keramikwerkstück auf.
Zweitens weist Keramik eine hohe Abhängigkeit von der Wellenlänge auf. Im Allgemeinen wird beim Ausführen einer Mikrofabrikation der Typ von Laser gewählt, bei dem ein Lichtkonvergenzdurchmesser verringert werden kann. Wenn der Reflexionsgrad hoch (die Absorptionsgeschwindigkeit gering) ist, muss jedoch ein Oszillator mit einer hohen Leistung verwendet werden. Dadurch wird eine Vorrichtung (eine Lasermaschine) mit einem Laseroszillator größer, und die Kosten der Laserbearbeitung erhöhen sich.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Laserbearbeitungsverfahren bereitzustellen, das selbst dann zum schnellen und kostengünstigen Ausführen einer Laserbearbeitung geeignet ist, ohne Sprünge, Schäden und Verformungen eines Keramikwerkstücks zu verursachen, wenn eine Laserbearbeitung an einem Keramikwerkstück mit einer Stärke von 1 mm oder mehr ausgeführt wird oder wenn eine Laserbearbeitung an einem Keramikwerkstück sukzessive ausgeführt wird.

(1) Bei einem Laserbearbeitungsverfahren gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein Keramikwerkstück (beispielsweise, ein später beschriebenes Werkstück 3) mit einem Laserstrahl (beispielsweise einem später beschriebenen Laserstrahl LB) bestrahlt, und das Keramikwerkstück wird bearbeitet. Bei der Bestrahlung des Werkstücks mit dem Laserstrahl wird das Produkt einer Bestrahlungsdauer, einer Leistung und einer Geschwindigkeit der Absorption des Laserstrahls so eingestellt, dass es einer zum Schmelzen eines Volumens eines zu schmelzenden Zielabschnitts des Werkstücks erforderlichen Energie oder mehr entspricht. Entsprechend der Bestrahlung mit diesem Laserstrahl erzeugtes geschmolzenes Material (beispielsweise später beschriebenes geschmolzenes Material 10) des Werkstücks wird aus einem den Laser aufnehmenden Bereich (beispielsweise einem später beschriebenen den Laser aufnehmenden Bereich 3a) des Werkstücks entfernt.
(2) Bei dem Laserbearbeitungsverfahren gemäß (1) kann der zu schmelzende Zielabschnitt des Werkstücks eine Form aufweisen, die einem Zylinder mit einer kreisförmigen Bodenfläche mit einem einer Brennfleckgröße des Laserstrahls entsprechenden Durchmesser von 0,01 mm bis 1 mm und einer einer Schmelztiefe des Werkstücks entsprechenden Höhe von 100 µm oder mehr angenähert ist.
(3) Bei dem Laserbearbeitungsverfahren gemäß (1) oder (2) kann beim Entfernen des geschmolzenen Materials des Werkstücks aus dem den Laser aufnehmenden Bereich des Werkstücks zum Absaugen und Entfernen des geschmolzenen Materials ein Unterdruck in dem den Laser aufnehmenden Bereich des Werkstücks erzeugt werden.
(4) Bei dem Laserbearbeitungsverfahren gemäß (1) bis (3) wird der den Laser aufnehmende Bereich des Werkstücks zur Erhöhung der Geschwindigkeit der Absorption des Laserstrahls beim Bestrahlen des Werkstücks mit dem Laserstrahl vorab mit einer Antireflexionsbeschichtung beschichtet.
(5) Bei dem Laserbearbeitungsverfahren gemäß (4) kann die Antireflexionsbeschichtung eine Stärke von 0,1 mm oder weniger aufweisen.
(6) Bei dem Laserbearbeitungsverfahren nach einem der Punkte (1) bis (5) kann eine Position des Brennflecks des Laserstrahls bei der Bestrahlung des Werkstücks mit dem Laserstrahl entsprechend der verbleibenden Stärke des Werkstücks zur Seite einer hinteren Oberfläche des Werkstücks bewegt werden.
(7) Bei dem Laserbearbeitungsverfahren gemäß (6) können beim Bewegen der Position des Brennflecks des Laserstrahls ein Arbeitsgang des Bewegens und ein Arbeitsgang des Anhaltens der Position des Brennflecks abwechselnd ausgeführt werden, um den Arbeitsgang des Bestrahlens mit dem Laserstrahl während des Bewegens der Position des Brennflecks anzuhalten und den Arbeitsgang des Bestrahlens mit dem Laserstrahl während des Stillstands dieser Position des Brennflecks auszuführen.
(8) Bei dem Laserbearbeitungsverfahren nach einem der Punkte (1) bis (7) wird bei der Bestrahlung des Werkstücks mit dem Laserstrahl eine Umgebungstemperatur des den Laser aufnehmenden Bereichs des Werkstücks gemessen. Wenn die Umgebungstemperatur des den Laser aufnehmenden Bereichs einen vorgegebenen Wert übersteigt, kann der Arbeitsgang des Bestrahlens des den Laser aufnehmenden Bereichs mit dem Laserstrahl unterbrochen werden.
(9) Bei dem Laserbearbeitungsverfahren nach einem der Punkte (1) bis (8) wird bei der Bestrahlung des Werkstücks mit dem Laserstrahl die Umgebungstemperatur des den Laser aufnehmenden Bereichs des Werkstücks gemessen. Wenn die Umgebungstemperatur des den Laser aufnehmenden Bereichs einen vorgegebenen Wert übersteigt, kann der den Laser aufnehmende Bereich gekühlt werden.
(10) Bei dem Laserbearbeitungsverfahren nach einem der Punkte (1) bis (9) kann der Laserstrahl ein Kohlendioxidgaslaser, ein Faserlaser, ein Direktdiodenlaser, oder ein YAG-Laser sein.

Durch die vorliegende Erfindung kann eine Laserbearbeitung selbst dann schnell und kostengünstig ausgeführt werden, ohne Sprünge, Schäden und Verformungen an einem Keramikwerkstück zu verursachen, wenn eine Laserbearbeitung eines Keramikwerkstücks mit einer Stärke von 1 mm oder mehr ausgeführt wird oder wenn eine Laserbearbeitung eines Keramikwerkstücks sukzessive ausgeführt wird.
Figurenliste

1 ist ein schematisches Konfigurationsdiagramm, das eine Lasermaschine gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
2 ist eine vertikale Schnittansicht, die eine Düse der Lasermaschine gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
3 ist ein einfachlogarithmischer Graph, der eine Beziehung zwischen einer Wellenlänge und einem Reflexionsgrad eines Laserstrahls zeigt.
4 ist eine Tabelle, die die physikalischen Eigenschaften von Tonerde zeigt.

GENAUE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Im Folgenden ist ein Beispiel von Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung beschrieben. 1 ist ein schematisches Konfigurationsdiagramm, das eine Lasermaschine gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt. 2 ist eine vertikale Schnittansicht, die eine Düse der Lasermaschine gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
Wie in 1 gezeigt, umfasst eine Lasermaschine 1 gemäß der ersten Ausführungsform: einen beweglichen Tisch 4, der ein flaches plattenförmiges Werkstück 3 aus Tonerde horizontal hält; einen Laseroszillator 5, der einen Laserstrahl LB mit einem kreisförmigen Querschnitt emittiert; einen Lichtleitweg 6, der den von dem Laseroszillator 5 emittierten Laserstrahl LB zu dem Werkstück 3 leitet; einen Bearbeitungskopf 8, der den Laserstrahl LB mittels einer Fokussierlinse 7 fokussiert und das Werkstück 3 mit dem Laserstrahl LB bestrahlt; eine Düse 2, die an einem vorderen Ende des Bearbeitungskopfs 8 montiert ist; und eine Steuereinheit 9, die die Arbeitsabläufe des beweglichen Tischs 4, des Laseroszillators 5 und des Bearbeitungskopfs 8 steuert.
Der bewegliche Tisch 4 ist in der Richtung einer X-Achse und in der Richtung einer Y-Achse beweglich. Der Bearbeitungskopf 8 ist in der Richtung einer Z-Achse beweglich. Die Fokussierlinse 7 ist im Inneren des Bearbeitungskopfs 8 in der Richtung einer Z-Achse beweglich. Der Lichtleitweg 6 umfasst einen Reflektor 6a, der den von dem Laseroszillator 5 emittierten Laserstrahl LB reflektiert, um den Laserstrahl LB zu der Fokussierlinse 7 zu leiten. Hinsichtlich des Typs des Laserstrahls LB bestehen keine Einschränkungen. Als Laserstrahl LB können beispielsweise ein Kohlendioxidgaslaser, ein Faserlaser, ein Direktdiodenlaser und ein YAG-Laser verwendet werden.
Wie in 2 gezeigt, umfasst die Düse 2: einen im Wesentlichen zylindrischen Düsenspitzenkörper 21, der das Werkstück 3 mit dem Laserstrahl LB bestrahlt; einen Beschickungsanschluss 22, der in dem Düsenspitzenkörper 21 ausgebildet ist; und einen Absauganschluss 23, der so in dem Düsenspitzenkörper 21 ausgebildet ist, dass er dem Beschickungsanschluss 22 gegenüberliegt. Der Beschickungsanschluss 22 ist mit einem zylindrischen Beschickungsrohr 32 verbunden. Der Absauganschluss 23 ist mit einem zylindrischen Absaugrohr 33 verbunden. Die Düse 2 ist so konfiguriert, dass sie dem Inneren des Düsenspitzenkörpers 21 zur Erzeugung eines Unterdrucks in der Nähe eines Öffnungsteils 21a eines vorderen Endes des Düsenspitzenkörpers 21 längs eines linearen Gasströmungswegs 25, der sich in einer Form, in der er den Laserstrahl LB in dem Düsenspitzenkörper 21 durchquert, von dem Beschickungsanschluss 22 zu dem Absauganschluss 23 erstreckt, Gas G zuführt.
Wie in 2 gezeigt, entspricht ein Durchmesser D2 des Beschickungsanschlusses 22 einem Durchmesser D1 in einem Abschnitt, den das Gas G des Laserstrahls LB in dem Düsenspitzenkörper 21 durchquert, oder ist größer (D2 ≥ D1). Ein Durchmesser D3 des Absauganschlusses 23 ist größer als der Durchmesser D2 des Beschickungsanschlusses 22 (D3 > D2). Es ist beispielsweise festgelegt, dass D3 = 5 mm und D2 = 1 mm sind. Der Beschickungsanschluss 22 weist zur Verbesserung Linearität des Gases G einen linearen Abschnitt mit einer vorgegebenen Länge L2 (beispielsweise 1 mm) auf.
Die Düse 2 ist so konfiguriert, dass sie, wenn das Gas G längs des Gasströmungswegs 25 zugeführt wird, beispielsweise den Druck und die Strömungsmenge des Gases G geeignet einstellt, um zu veranlassen, dass eine dem Gewicht des geschmolzenen Materials 10 entsprechende oder höhere Saugkraft auf das entsprechend dem Bohren an dem Werkstücks 3 erzeugte geschmolzene Material 10 aufgebracht wird. Das geschmolzene Material 10 wird aus dem Öffnungsteil 21a des Düsenspitzenkörpers 21 abgesaugt und aus dem Absauganschluss 23 nach außerhalb des Düsenspitzenkörpers 21 abgegeben.
In der Nähe der Düse 2 ist eine Thermographie 31 zum Messen einer Umgebungstemperatur eines den Laser aufnehmenden Bereichs 3a des Werkstücks 3 installiert.
Die Lasermaschine 1 weist die vorstehend beschriebene Konfiguration auf. Ein Bohren an dem Werkstück 3 aus Tonerde unter Verwendung der Lasermaschine 1 wird mittels der folgenden Prozeduren ausgeführt.
Zunächst wird der bewegliche Tisch 4, wie in 1 gezeigt, in einem Zustand, in dem das Werkstück 3 auf dem beweglichen Tisch 4 angeordnet wird, entsprechend dem Befehl von der Steuereinheit 9 geeignet in der Richtung der X-Achse und der Richtung der Y-Achse bewegt, und das Werkstück 3 wird in der Richtung der X-Achse und in der Richtung der Y-Achse an einer vorgegebenen Position platziert.
Als nächstes wird der Bearbeitungskopf 8 entsprechend dem Befehl der Steuereinheit 9 geeignet in der Richtung der Z-Achse bewegt, und die Düse 2 wird in der Richtung der Z-Achse an einer vorgegebenen Position positioniert. Dann ist in der Düse 2, wie in 2 gezeigt, das Öffnungsteil 21a des Düsenspitzenkörpers 21 nach oben um einen vorgegebenen Abstand L1 (beispielsweise L1 = 0,5 mm bis 5 mm) von der Oberfläche des Werkstücks 3 entfernt.
Ferner wird die Fokussierlinse 7 in dem Bearbeitungskopf 8 entsprechend dem Befehl von der Steuereinheit 9 geeignet in der Richtung der Z-Achse bewegt. Dann wird in einem Zustand, in dem der Abstand L1 zwischen dem Öffnungsteil 21a des Düsenspitzenkörpers 21 und der Oberfläche des Werkstücks 3 beibehalten wird, die Position des Brennflecks des Laserstrahls LB in der Richtung der Z-Achse an der vorgegebenen Position positioniert.
Als nächstes wird dem Inneren des Düsenspitzenkörpers 21 längs des Gasströmungswegs 25, der sich von dem Beschickungsanschluss 22 zu dem Absauganschluss 23 erstreckt, das Gas G entsprechend dem Befehl von der Steuereinheit 9 mit einem vorgegebenen Druck (beispielsweise 0,5 MPa) zugeführt. Dann wird das Gas im Inneren des Düsenspitzenkörpers 21 durch Mitnahme durch den Strom des Gases G abgesaugt. Dadurch wird in der Nähe des Öffnungsteils 21a des Düsenspitzenkörpers 21 ein Unterdruck erzeugt.
Zu diesem Zeitpunkt liegt der Absauganschluss 23 dem Beschickungsanschluss 22 gegenüber, der Durchmesser D3 des Absauganschlusses 23 ist größer als der Durchmesser D2 des Beschickungsanschlusses 22, und der lineare Abschnitt mit der vorgegebenen Länge L2, der die Linearität des Gases G verbessert, ist in dem Beschickungsanschluss 22 vorgesehen. Daher wird das dem Inneren des Düsenspitzenkörpers 21 von dem Beschickungsanschluss 22 zugeführte Gas G von dem Absauganschluss 23 vollständig abgesaugt. Dadurch erfolgt keine unnötige Zufuhr des Gases G, und die Erzeugung des Unterdrucks kann effektiv ausgeführt werden.
Ferner wird entsprechend dem Befehl von der Steuereinheit 9 unter Verwendung der Thermographie 31 die Umgebungstemperatur des den Laser aufnehmenden Bereichs 3a des Werkstücks 3 gemessen.
In diesem Zustand wird von dem Laseroszillator 5 entsprechend dem Befehl von der Steuereinheit 9 der Laserstrahl LB emittiert. Dann wird der Laserstrahl LB längs des Lichtleitwegs 6 geleitet und von der Fokussierlinse 7 fokussiert, und das Werkstück 3 wird aus dem Öffnungsteil 21a des Düsenspitzenkörpers 21 der Düse 2 mit dem Laserstrahl LB bestrahlt. Dadurch wird in dem Werkstück 3 ein den Laser aufnehmender Bereich 3a des Werkstücks 3 durch die Laserbestrahlung mit dem Laserstrahl LB geschmolzenen, und das Bohren beginnt.
Zu diesem Zeitpunkt wird das Produkt einer Bestrahlungsdauer, einer Leistung und einer Geschwindigkeit der Absorption des Laserstrahls LB so eingestellt, dass es einer zum Schmelzen eines Volumens eines zu schmelzenden Zielabschnitts des Werkstücks 3 erforderlichen Energie oder mehr entspricht. Es wird angenommen, dass der zu schmelzende Zielabschnitt des Werkstücks 3 eine Form aufweist, die einem Zylinder angenähert ist, da der Laserstrahl LB einen kreisförmigen Querschnitt aufweist. Dieser Zylinder weist eine kreisförmige Bodenfläche mit einem einer Brennfleckgröße des Laserstrahls entsprechenden Durchmesser von 0,01 mm bis 1 mm und eine einer Schmelztiefe des Werkstücks entsprechenden Höhe von 100 µm oder mehr auf.
Die Brennfleckgröße des Laserstrahls LB bezeichnet einen Querschnittsbereich des Laserstrahls LB in dem den Laser aufnehmenden Bereich 3a des Werkstücks 3. Die Schmelztiefe des Werkstücks 3 bezeichnet eine Tiefe des durch die Bestrahlung mit dem Laserstrahl LB geschmolzenen den Laser aufnehmenden Bereichs 3a des Werkstücks 3.
Wenn der Laserstrahl LB mit einem hohen Reflexionsgrad auf dem Werkstück 3 ausgewählt wird und eine Bestrahlung mit dem Laserstrahl LB ausgeführt wird, ist es wünschenswert, dass der den Laser aufnehmende Bereich 3a des Werkstücks 3 zur Erhöhung der Geschwindigkeit der Absorption des Laserstrahls LB durch das Werkstück 3 vorab mit einer Antireflexionsbeschichtung mit einer Stärke von 0,1 mm oder weniger beschichtet wird. Der Grund hierfür ist, dass das Schmelzen viel Zeit in Anspruch nimmt und eine Wärmediffusion auftritt, da die Absorptionsgeschwindigkeit niedrig ist. Es wird auch in Betracht gezogen, dass zur Erhöhung der Geschwindigkeit der Absorption des Laserstrahls LB ein (nicht gezeigtes) Klebeband, das Eisenpulver enthält, auf die Oberfläche des Werkstücks 3 geklebt wird. Dadurch kann jedoch das geschmolzene Material 10 des Werkstücks an diesem Klebeband haften bleiben und wird möglicherweise nicht abgesaugt. Andererseits ist eine Beschichtung mit einer Antireflexionsbeschichtung vorzuziehen, da kein derartiges Problem auftritt.
Wenn das Werkstück 3 dick ist, ist das Bohren an dem Werkstück 3 nach einer einmaligen Laserbestrahlung nicht abgeschlossen. Daher wird die Fokussierlinse 7 entsprechend der verbleibenden Stärke des Werkstücks 3 in der Richtung der Z-Achse bewegt, und dadurch wird, wie in 2 durch eine Zwei-Punkt-Strichlinie dargestellt, die Position des Brennflecks des Laserstrahls LB mit der vorgegebenen Anzahl an Wiederholungen (beispielsweise drei Mal) zur Seite einer hinteren Oberfläche (unterer Teil von 2) des Werkstücks 3 bewegt.
Zu diesem Zeitpunkt können ein Arbeitsgang des Bewegens und ein Arbeitsgang des Anhaltens der Position des Brennflecks abwechselnd ausgeführt werden, um den Arbeitsgang des Bestrahlens mit dem Laserstrahl LB während des Bewegens der Position des Brennflecks anzuhalten und den Arbeitsgang des Bestrahlens mit dem Laserstrahl LB während des Stillstands dieser Position des Brennflecks auszuführen. Durch diesen Arbeitsablauf kann die Zeit der Abgabe des geschmolzenen Materials 10 des Werkstücks 3 auf den Stillstand der Laserbestrahlung gelegt werden. Dadurch kann verhindert werden, dass das geschmolzene Material 10 mit dem Laserstrahl LB bestrahlt wird, der Laserstrahl LB auf das Werkstück 3 reflektiert wird und die Umgebungstemperatur ansteigt.
Wie in 4 gezeigt, beträgt die Wärmeschockbeständigkeit von Tonerde 200°C. Daher springt das Material, wenn der Temperaturunterschied des den Laser aufnehmenden Bereichs 3a des Werkstücks 3 diese Temperatur beim Bohren an dem Werkstück 3 überschreitet. Wenn die Temperatur des den Laser aufnehmenden Bereichs 3a des Werkstücks 3 von der Thermographie nicht mit hoher Präzision direkt gemessen werden kann oder dergleichen, wenn die Umgebungstemperatur des den Laser aufnehmenden Bereichs 3a einen vorgegebenen Wert (beispielsweise 60°C) übersteigt, wird der Arbeitsgang des Bestrahlens des den Laser aufnehmenden Bereichs 3a mit dem Laserstrahl LB unterbrochen. Dann wird gewartet, bis der den Laser aufnehmende Bereich 3a abgekühlt ist, oder die Laserbearbeitung wird zuerst an einem Abschnitt ausgeführt, dessen Temperatur den vorgegebenen Wert nicht übersteigt. Zu diesem Zeitpunkt kann der den Laser aufnehmende Bereich 3a zwangsgekühlt werden, indem Luft oder Kühlwasser aufgebracht wird.
Zu diesem Zeitpunkt wird der den Laser aufnehmende Bereich 3a des Werkstücks 3 entsprechend dem Bohren an dem Werkstück 3 durch den Laser erwärmt und geschmolzenen. Wenn eine dem den Laser aufnehmenden Bereich 3a zugeführte Energiemenge groß ist, übersteigt die Temperatur des den Laser aufnehmenden Bereichs 3a augenblicklich den Siedepunkt, das geschmolzene Material 10 wird in dem den Laser aufnehmenden Bereich 3a erzeugt, und das geschmolzene Material 10 spritzt in die Koaxialrichtung des Laserstrahls LB. Das Gas G strömt jedoch so in die Düse 2, dass es den Laserstrahl LB durchquert. Dadurch wird verhindert, dass das geschmolzene Material 10 die Fokussierlinse 7 erreicht, und die Fokussierlinse 7 kann geschützt werden. Überdies ist in der Düse 2 der Druck in der Nähe des Öffnungsteils 21a des Düsenspitzenkörpers 21 aufgrund des Stroms des die optische Achse CL des Laserstrahls LB durchquerenden Gases G ein Unterdruck. Daher wird auch in diesem den Laser aufnehmenden Bereich 3a ein Unterdruck erzeugt. Überdies wird das Gas G so zugeführt, dass eine dem Gewicht des geschmolzenen Materials 10 oder mehr entsprechende Saugkraft wirkt. Dadurch wird das geschmolzene Material 10 aus dem Absauganschluss 23 nach außerhalb des Düsenspitzenkörpers 21 abgesaugt, wobei ein Absaugen aus dem Inneren des Düsenspitzenkörpers 21 und eine Kühlung erfolgen. Dementsprechend sammelt sich das geschmolzene Material 10 nicht im Inneren des Düsenspitzenkörpers 21 an und behindert die Bestrahlung mit dem Laserstrahl LB. Daher kann das Bohren an dem Werkstück 3 effizient ausgeführt werden.
Wenn das Werkstück 3 mit dem Laserstrahl LB bestrahlt wird, wird auf diese Weise das Produkt einer Bestrahlungsdauer, einer Leistung und einer Geschwindigkeit der Absorption des Laserstrahls LB so eingestellt, dass sie einer zum Schmelzen eines Volumens eines zu schmelzenden Zielabschnitts des Werkstücks 3 erforderlichen Energie oder mehr entspricht. Da das entsprechend der Bestrahlung mit dem Laserstrahl LB erzeugte geschmolzene Material 10 rasch entfernt wird, können überdies eine Wärmediffusion in andere Abschnitte des Werkstücks 3 als den den Laser aufnehmenden Bereich 3a und Sprünge, Schäden und Verformungen des Werkstücks 3 aufgrund einer Überhitzung verhindert werden. Dadurch kann selbst dann eine Laserbearbeitung ausgeführt werden, ohne Sprünge oder dergleichen in dem Werkstück 3 zu verursachen, wenn die Laserbearbeitung an dem Werkstück 3 mit einer Stärke von 1 mm oder mehr ausgeführt wird oder wenn die Laserbearbeitung an dem Werkstück 3 aus Tonerde sukzessive ausgeführt wird.
Zudem kann durch die Beschichtung des den Laser aufnehmenden Bereichs 3a des Werkstücks 3 mit einer Antireflexionsbeschichtung die Absorptionsgeschwindigkeit selbst bei einem Laserstrahl LB mit einem hohen Reflexionsgrad erhöht werden. Dadurch kann der Laseroszillator 5 mit einer geringen Leistung verwendet werden, und die Laserbearbeitung kann schnell und kostengünstig ausgeführt werden.
Wenn das Bohren an dem Werkstück 3 auf diese Weise abgeschlossen ist, kann das geschmolzene Material 10 von dem Werkstück 3 von der hinteren Oberfläche des Werkstücks 3 nach unten abgegeben werden, da sich der den Laser aufnehmende Bereich 3a des Werkstücks 3 durchgehend von der Oberfläche des Werkstücks 3 zur hinteren Oberfläche erstreckt. Dementsprechend besteht anschließend nicht die Notwendigkeit, das geschmolzene Material 10 des Werkstücks 3 abzusaugen. Daher kann ein Abtragen des Werkstücks 3 ausgeführt werden, während das Öffnungs- und Schließventil 12 geschlossen ist, um ein Absaugen des Gases G zu blockieren, und Hilfsgas aus der Düse 2 zugeführt wird.
Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die vorstehend beschriebene erste Ausführungsform beschränkt. Variationen und Modifikationen in dem Rahmen, innerhalb dessen die Aufgabe der vorliegenden Erfindung gelöst werden kann, sind in die vorliegende Erfindung aufgenommen.
Im Zusammenhang mit der ersten Ausführungsform ist beispielsweise ein Fall beschrieben, in dem nur die Fokussierlinse 7 als optisches System in dem Bearbeitungskopf 8 enthalten ist. Die vorliegende Erfindung kann jedoch selbst dann ähnlich angewendet werden, wenn ein (nicht dargestelltes) Fenster, das die Fokussierlinse 7 schützt, im unteren Teil der Fokussierlinse 7 befestigt ist.
Im Zusammenhang mit der vorstehend beschriebenen ersten Ausführungsform ist ein Fall beschrieben, in dem die Laserbearbeitung in einem Zustand ausgeführt wird, in dem das Öffnungsteil 21a des Düsenspitzenkörpers 21 um den vorgegebenen Abstand L1 von der Oberfläche des Werkstücks 3 entfernt ist. Es kann jedoch zur Erhöhung des Grads an Einschluss des Düsenspitzenkörpers 21 und der Saugkraft für das geschmolzene Material 10 beispielsweise ein (nicht gezeigtes) aus einem zylindrischen Siliziumkautschuk ausgebildetes elastisches Element so an einer Unterseite des Öffnungsteils 21a des Düsenspitzenkörpers 21 befestigt sein, dass es mit dem Werkstück 3 in Kontakt gelangt.
Im Zusammenhang mit der vorstehend beschriebenen ersten Ausführungsform ist ein Fall beschrieben, in dem die Thermographie 31 zum Messen der Temperatur des den Laser aufnehmenden Bereichs 3a des Werkstücks 3 verwendet wird. Anstelle der Thermographie 31 können jedoch unterschiedliche Typen von (nicht dargestellten) Temperatursensoren verwendet werden.
Im Zusammenhang mit der vorstehend beschriebenen ersten Ausführungsform ist ein Fall beschrieben, in dem die Laserbearbeitung an dem Werkstück 3 aus Tonerde ausgeführt wird. Selbst wenn die Laserbearbeitung an dem aus einer anderen Keramik als Tonerde ausgebildeten Werkstück ausgeführt wird, kann die vorliegende Erfindung jedoch ähnlich angewendet werden.
BEISPIELE
Im Folgenden sind Beispiele der vorliegenden Erfindung beschrieben. Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die Beispiele beschränkt.
3 ist ein einfachlogarithmischer Graph, der eine Beziehung zwischen einer Wellenlänge und einem Reflexionsgrad eines Laserstrahls zeigt. In dem Graphen gemäß 3 repräsentiert eine horizontale Achse (log) eine Wellenlänge (Einheit: µm) des Laserstrahls, und die vertikale Achse repräsentiert einen Reflexionsgrad (Einheit: %) des Laserstrahls. 4 ist eine Tabelle, die die physikalischen Eigenschaften von Tonerde zeigt.
<Beispiel 1>
An einem Werkstück aus Tonerde mit einer Stärke von 2 mm wird mittels des vorstehend beschriebenen Laserbearbeitungsverfahrens gemäß der ersten Ausführungsform unter Verwendung eines Kohlendioxidgaslasers eine Laserbearbeitung ausgeführt. Wie aus 3 deutlich hervorgeht, weist der Kohlendioxidgaslaser (Wellenlänge: ca. 10 µm) bei Tonerde den Reflexionsgrad von ca. 20 %, d.h. die Absorptionsgeschwindigkeit von ca. 80 % auf. Wie in 4 gezeigt, weist Tonerde die Dichte von 3,9 g/cm³, die spezifische Wärme von 0,75 kJ/kg K, den Schmelzpunkt von 1777 K und den Siedepunkt von 2723 K auf.
Unter Berücksichtigung dessen werden die zum Schmelzen des Werkstücks erforderliche Energie und die zum Sieden des Werkstücks erforderliche Energie berechnet. Wenn davon ausgegangen wird, dass ein zu schmelzender Zielabschnitt des Werkstücks eine zylindrische Form aufweist, eine Bodenfläche (d.h. eine einer Brennfleckgröße des Laserstrahls entsprechende Form) des Werkstücks eine Kreisform mit dem Durchmesser von 0,5 mm aufweist und die Höhe (d.h. eine einer Schmelztiefe des Werkstücks entsprechende Form) 0,1 mm beträgt, bedeutet dies, dass ein Volumen dieses Zylinders 0,25 mm • 0,25 mm 3,14 • 0,1 mm = 0,0196 mm³ beträgt, wenn davon ausgegangen wird, dass Pi 3,14 beträgt. Dementsprechend wird als Gewicht dieses Zylinders durch Multiplizieren der Dichte mit diesem Volumen 0,0196 mm³ • 3,9 g/cm³ = 0.0765 • 10^-3 g ermittelt. Wird von einer Raumtemperatur von 293 K ausgegangen, wird als Ergebnis eine zum Schmelzen des Werkstücks erforderliche Energie von 0,0765 • 10^-3 g • (1777 K - 293 K) . 0,75 kJ/kg • K = 0,085 J berechnet. Als zum Sieden des Werkstücks erforderliche Energie werden 0,0765 • 10^-3 g • (2723 K - 293 K) • 0,75 kJ/kg • K = 0,139 J berechnet.
Wird andererseits angenommen, dass der Laseroszillator die Leistung von 100 W, die Auslastung von 20 %, die Frequenz von 1000 Hz und die Bestrahlungsdauer von 0,005 Sekunden aufweist und die Absorptionsgeschwindigkeit bei Tonerde 80 % beträgt, beträgt die von dem Laseroszillator aufgebrachte Energie 1000 W • 20 % • 0,005 Sekunden • 0,8 = 0.8 J. Daher ist die von dem Laseroszillator aufgebrachte Energie (0,8 J) höher als die zum Sieden des Werkstücks erforderliche Energie (0,139 J).
Dadurch wurde dieses Werkstück in einer Form geschmolzen, in der der Siedepunkt augenblicklich überschritten wurde. Durch diese sofortige Entfernung des entsprechend der Laserbestrahlung erzeugten geschmolzenen Materials konnte eine Wärmeleitung von dem geschmolzenen Material zu einem Basismaterial reduziert werden. Dadurch konnte eine Überhitzung des Basismaterials verringert werden. Auf diese Weise spritzt das geschmolzene Material gelegentlich in die Richtung der Laserbestrahlung, wenn die Temperatur des Werkstücks den Siedepunkt übersteigt. Selbst in einem derartigen Fall wird das geschmolzene Material durch den die optische Achse des Laserstrahls durchquerenden Strom des Gases G abtransportiert und verunreinigt die Fokussierlinse nicht.
Es wird angenommen, dass durch eine einmalige Laserbestrahlung eine Bohrung mit einer Tiefe von ca. 0,3 mm bis 0,4 mm erzeugt wird. Daher wurde die Laserbestrahlung 5 oder 6 Mal wiederholt, wobei die Position des Brennflecks des Laserstrahls jedes Mal um 0,3 mm zur Seite der hinteren Oberfläche des Werkstücks bewegt wurde. Dadurch wurde durch Durchdringen des Werkstücks aus Tonerde mit der Stärke von 2 mm eine Bohrung mit dem Durchmesser von 0,5 mm gebildet.
<Beispiel 2>
Die Laserbearbeitung wird, ähnlich wie bei der vorstehend beschriebenen Ausführungsform 1, an einem Werkstück aus Tonerde mit der Stärke von 2 mm ausgeführt, mit der Ausnahme, dass hinsichtlich des Typs des Lasers der Kohlendioxidgaslaser durch den Faserlaser ersetzt wird. Wie aus 3 deutlich hervorgeht, weist der Faserlaser (Wellenlänge: 1 µm) bei Tonerde eine Absorptionsgeschwindigkeit von ca. 8 %, d.h. 1/10 der Absorptionsgeschwindigkeit des Kohlenstoffgaslasers (siehe Beispiel 1) auf. Daher dauert es lange, wenn die Laserbearbeitung mit der gleichen Laserleistung ausgeführt wird. Wenn sich die Bearbeitungszeit verlängert, erhöht sich die Gefahr, dass das Basismaterial durch Wärmeleitung erwärmt wird und springt. Wenn die Laserbearbeitung in der gleichen Zeit ausgeführt wird, muss ein Laser mit der zehnfachen Leistung hergestellt werden.
Dann wird zur Verkürzung der Bearbeitungszeit vor der Laserbestrahlung ein Antireflexionsmittel („Black Guard Spray“, hergestellt von Fine Chemical Japan Co., LTD.) auf die Oberfläche des Werkstücks gesprüht, um die Antireflexionsbeschichtung aufzubringen, und dadurch wird die Geschwindigkeit der Absorption des Laserstrahls erhöht.
Dadurch könnte selbst dann, wenn kein Laseroszillator mit einer hohen Leistung verwendet wird, eine Bohrung in dem Werkstück aus Tonerde mit der Stärke von 2 mm erzeugt werden, wobei Sprünge in dem Basismaterial verhindert werden.
Bezugszeichenliste

3: Werkstück
3a: Den Laser aufnehmender Bereich
10: Geschmolzenes Material
LB: Laserstrahl

Claims

Laserbearbeitungsverfahren, bei dem ein Keramikwerkstück (3) mit einem Laserstrahl (LB) bestrahlt wird und das Keramikwerkstück (3) bearbeitet wird, wobei das Produkt einer Bestrahlungsdauer, einer Leistung und einer Geschwindigkeit der Absorption des Laserstrahls (LB) bei der Bestrahlung des Werkstücks (3) mit dem Laserstrahl (LB) so eingestellt wird, dass es einer zum Schmelzen eines Volumens eines zu schmelzenden Zielabschnitts des Werkstücks (3) erforderlichen Energie oder mehr entspricht, und wobei entsprechend der Bestrahlung mit diesem Laserstrahl (LB) erzeugtes geschmolzenes Material (10) des Werkstücks (3) aus einem den Laser aufnehmenden Bereich (3a) des Werkstücks (3) mit einer derartigen Geschwindigkeit entfernt wird, dass ein Temperaturunterschied zwischen einem Basismaterial des Werkstücks (3) und in der Nähe eines Schmelzabschnitts wegen Wärmediffusion kleiner als ein vorbestimmter Temperaturunterschied ist, der eine Wärmeschockbeständigkeit des Werkstücks (3) angibt, wobei zum Absaugen und Entfernen des geschmolzenen Materials (10) ein Unterdruck in dem Laser aufnehmenden Bereich (3a) des Werkstücks (3) erzeugt wird, um zu veranlassen, dass auf das geschmolzene Material (10) eine Saugkraft aufgebracht wird, die einem Gewicht des geschmolzenen Materials (10) oder mehr entspricht.
Laserbearbeitungsverfahren nach Anspruch 1, wobei der zu schmelzende Zielabschnitt des Werkstücks (3) eine Form aufweist, die einem Zylinder mit einer kreisförmigen Bodenfläche mit einem einer Brennfleckgröße des Laserstrahls (LB) entsprechenden Durchmesser von 0,01 mm bis 1 mm und einer einer Schmelztiefe des Werkstücks (3) entsprechenden Höhe von 100 µm oder mehr angenähert ist.
Laserbearbeitungsverfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei der den Laser aufnehmende Bereich (3a) des Werkstücks (3) zur Erhöhung der Geschwindigkeit der Absorption des Laserstrahls (LB) durch das Werkstück (3) bei der Bestrahlung des Werkstücks (3) mit dem Laserstrahl (LB) vorab mit einer Antireflexionsbeschichtung beschichtet wird.
Laserbearbeitungsverfahren nach Anspruch 3, wobei die Antireflexionsbeschichtung eine Stärke von 0,1 mm oder weniger aufweist.
Laserbearbeitungsverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei eine Position des Brennflecks des Laserstrahls (LB) bei der Bestrahlung des Werkstücks (3) mit dem Laserstrahl (LB) entsprechend der verbleibenden Stärke des Werkstücks (3) zur Seite einer hinteren Oberfläche des Werkstücks (3) bewegt wird.
Laserbearbeitungsverfahren nach Anspruch 5, wobei beim Bewegen der Position des Brennflecks des Laserstrahls (LB) ein Arbeitsgang des Bewegens und ein Arbeitsgang des Anhaltens der Position des Brennflecks abwechselnd ausgeführt werden kann, um den Arbeitsgang des Bestrahlens mit dem Laserstrahl (LB) während des Bewegens der Position des Brennflecks anzuhalten und den Arbeitsgang des Bestrahlens mit dem Laserstrahl (LB) während des Stillstands dieser Position des Brennflecks auszuführen.
Laserbearbeitungsverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei bei der Bestrahlung des Werkstücks (3) mit dem Laserstrahl (LB) eine Umgebungstemperatur des den Laser aufnehmenden Bereichs (3a) des Werkstücks (3) gemessen wird, und wenn die Umgebungstemperatur des den Laser aufnehmenden Bereichs (3a) einen vorgegebenen Wert übersteigt, der Arbeitsgang des Bestrahlens des den Laser aufnehmenden Bereichs (3a) mit dem Laserstrahl (LB) unterbrochen wird.
Laserbearbeitungsverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei bei der Bestrahlung des Werkstücks (3) mit dem Laserstrahl (LB) die Umgebungstemperatur des den Laser aufnehmenden Bereichs (3a) des Werkstücks (3) gemessen wird, und wenn die Umgebungstemperatur des den Laser aufnehmenden Bereichs (3a) einen vorgegebenen Wert übersteigt, der den Laser aufnehmende Bereich (3a) gekühlt wird.
Laserbearbeitungsverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei der Laserstrahl (LB) ein Kohlendioxidgaslaser, ein Faserlaser, ein Direktdiodenlaser oder ein YAG-Laser ist.