DE102018120022A1

DE102018120022A1 - Verfahren zur Überwachung eines Materialbearbeitungsprozesses eines Werkstückes mit einem Laserstrahl und Vorrichtung

Info

Publication number: DE102018120022A1
Application number: DE102018120022.6A
Authority: DE
Inventors: Anmelder Gleich
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2018-08-16
Filing date: 2018-08-16
Publication date: 2020-02-20
Also published as: DE112019000319A5; WO2020035537A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Überwachung eines Materialbearbeitungsprozesses eines Werkstückes (14) mit einem Laserstrahl, wobei laserinduzierte Strahlung ausgewertet wird, welche durch die Wechselwirkung zwischen einem fokussierten Laserstrahl und der Auftreffstelle (7) auf dem Werkstück (14) entsteht, wobei die ausgewertete Strahlung eine Photonenenergie von mehr als 0,5 keV aufweist. Weiterhin betrifft die Erfindung eine Laserbearbeitungsmaschine, umfassend ein Lasergerät (1), welches dazu eingerichtet ist, einen Laserstrahl (2) mittels eines Objektives (2) derart auf ein Werkstück (14) zu fokussieren, dass beim Bearbeiten des Werkstückes (14) ionisierende Strahlung entsteht. Dabei ist wenigstens ein Sensor (10) vorhanden, welcher Photonen mit einer Energie von mehr als 0,5 keV registrieren kann, deren Wellenlänge außerhalb derjenigen der optischen Strahlung und teilweise außerhalb derjenigen von Röntgenstrahlung liegt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Überwachung eines Materialbearbeitungsprozesses eines Werkstückes mit einem Laserstrahl sowie eine Vorrichtung, mittels welcher das Verfahren angewendet werden kann.
Es ist bekannt, dass der Laserstrahl bei dem thermischen Materialabtrag an einem Werkstück ein Prozesslicht erzeugt. So wird beispielsweise in der deutschen Patenanmeldung DE 3913785 A1 das sichtbare Prozesslicht und die Flamme genutzt, um den Laserprozess beim Abtrag von übereinanderliegenden Schichten zu steuern. Die Zusammensetzungen des Prozesslichtes und der Flamme ändern sich mit der Zusammensetzung der Schichtwerkstoffe, wenn diese durch den Laserstrahl verbrannt werden. Bei diesem Verfahren werden Sensoren eingesetzt, die auf Licht reagieren.
Weiterhin wird in der deutschen Patentanmeldung DE 10 305 876 A1 ein Verfahren zur kontrollierten Erzeugung von Geometrien mittels Laser beschrieben. Der Laserstrahl erzeugt ein Prozessleuchten, dass zum Erkennen der Abtraggeometrie genutzt wird.
Daneben offenbart die DE 10 2011 001710 A1 ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Laserstrahlbearbeitung eines Werkstücks, wobei der Laserstrahl beim Auftreffen auf das Werksstück ein Plasma und/oder reflektierte Laserstrahlung erzeugt. Das leuchtende Plasma und/oder die reflektierte Laserstrahlung erzeugen ein Signal, dass zur Positionserkennung des Laserstrahls und zur Regelung der Abtragtiefe genutzt wird. Die dort eingesetzten Detektoren sind Bauelemente der Lichttechnik oder Infrarottechnik.
Aus der internationalen Patentanmeldung WO 2004/039530 A2 ist weiterhin ein Materialbearbeitungsverfahren mittels eines Ultrakurzpulslasers bekannt, bei welchem ebenfalls das Prozessleuchten ausgewertet wird.
Ultrakurzpulslaser (UKP-Laser), die einen kalten Materialabtrag bei extrem hohen Bestrahlungsstärken durchführen, erzeugen ionisierende Strahlung. Die Photonen dieser Strahlung gehören nicht zum optischen Bereich, denn sie haben Teilchenenergien von > 0,5 keV. Es ist bekannt, dass ein fokussierter Laserstrahl beim Zusammentreffen mit Materie ionisierende Strahlung erzeugen kann, wenn die Bestrahlungsstärke im Fokus bestimmte Grenzwerte überschreitet. Dazu muss im Fokus des Laserstrahls eine optische Bestrahlungsstärke von größer als 1×10¹² W/cm² erreicht werden. Dieser Wert überschreitet die beim Laserschweißen und Laserschneiden üblichen Bestrahlungsstärke um mehr als 6 Größenordnungen. Die hohe Bestrahlungsstärke von größer als 1×10¹² W/cm² wird gegenwärtig nur von Ultrakurzpulslasern erreicht.
Die Pulsdauer der Ultrakurzpulslaser ist kleiner als 100 Mikrosekunden. Die meisten Ultrakurzpulslaser arbeiten mit noch kürzeren Pulsen im Femtosekundenbereich. Damit ist eine noch höhere Bestrahlungsstärke im Laserfokus erreichbar. Zur Steigerung der Produktivität arbeiten derartige UKP-Laser mit bis zu 5 Millionen Pulswiederholungen pro Sekunde.
Der Vorteil der ultrakurzen Laserpulse besteht darin, dass nicht das Aufschmelzen die Grundlage für den Materialabtrag ist, sondern eine Druckwelle, die zum kalten Abtrag von Material führt. Zu den mit UKP-Lasern bearbeiteten Materialien zählen Gläser, Keramiken, Hartmetalle, Sondermetalle, Legierungen, Edelsteine, Diamant und Kunststoffe. Es ist kein Material bekannt, dass nicht von einem Ultrakurzpulslaser abgetragen werden kann. Die Bearbeitungsbereiche sind gegenwärtig noch geometrisch sehr klein, weil der Laserstrahl im Fokus nur wenige Mikrometer breit ist. Im unmittelbaren Umfeld des Laserfokus entsteht durch die Wechselwirkung mit Materie ein hell leuchtendes Plasma, dass augenscheinlich so aussieht, wie bei den thermischen Laserprozessen beim Laserschneiden und Laserschweißen. Das Plasma, dass von den ultrakurzen Laserpulsen bei hohen Bestrahlungsstärken erzeugt wird, enthält zusätzlich zu der energiearmen Lichtstrahlung noch ionisierende Strahlung mit Photonenenergien oberhalb von 0,5 keV.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, aus der bei der Laserbearbeitung entstehenden Strahlung zusätzliche Informationen insbesondere zur Prozesssteuerung zu gewinnen.
Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren und eine Vorrichtung mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche. Die Unteransprüche betreffen vorteilhafte Weiterbildungen und Varianten der Erfindung.
Im Rahmen eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Überwachung eines Materialbearbeitungsprozesses eines Werkstückes mit einem Laserstrahl wird laserinduzierte ionisierende Strahlung ausgewertet, welche durch die Wechselwirkung zwischen einem fokussierten Laserstrahl und Auftreffstelle auf dem Werkstück entsteht. Dabei weist die ausgewertete Strahlung eine Photonenenergie von mehr als 0,5 keV auf. Diese aufgrund ihrer hohen Energie bereits ionisierende Strahlung wurde in der Vergangenheit primär als Störstrahlung wahrgenommen, von welcher eine erhebliche Gefährdung für die Gesundheit, aber auch für technische Komponenten ausgeht. Die Erfindung macht sich nunmehr die Erkenntnis zunutze, dass die Beschaffenheit dieser Strahlung in hohem Maße von den jeweils herrschenden Bedingungen im Bereich der Auftreffstelle abhängt.
In einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung wird aus der Auswertung der Strahlung ein Steuersignal gewonnen, das zur Regelung des Bearbeitungsprozesses auf dem Werkstück genutzt wird. Insbesondere kann auf Basis des Steuersignals die Laserleistung geregelt werden.
Dabei macht sich die Erfindung zunutze, dass die laserinduzierte ionisierende Strahlung eine kontinuierliche Bremsstrahlung umfasst, die von charakteristischer Strahlung teilweise überlagert wird. Das energiearme Ende der Bremsstrahlung beginnt bei einer Energie von ca. 0,5 keV und damit unterhalb des Bereiches der Röntgenstrahlung, aber oberhalb der Energie der Lichtphotonen. Das energiereiche Ende der Bremsstrahlung reicht bis über 100 keV. Die Bremsstrahlung durchdringt lichtundurchlässige dünne Kunststoffe, Gase und auch Metalle. Die charakteristische Strahlung zeigt sich in Form von scharfen Energiespitzen im Photonenspektrum der laserinduzierten Strahlung. Die charakteristische Strahlung entsteht durch die Wechselwirkung des Laserstrahls mit den Atomen des Werkstückes. Aus der energetischen Lager und der Amplitude der charakteristischen Strahlung im Energiespektrum kann die Zusammensetzung des Werkstückes erkannt werden.
Je höher die optische Bestrahlungsstärke im Laserfokus ist, umso weiter reicht die Bremsstrahlung zu höheren Energien und umso hoher ist der emittierte Photonenstrom und umso gefährlicher ist die Strahlung für Lebewesen. Durch zahlreiche Versuche konnte gefunden werden, dass es einen Zusammenhang zwischen dem Bremsspektrum und der charakteristischen Strahlung auf der einen Seite und den Laserparametern auf der anderen Seite gibt. Auf Grund der chaotischen Bedingungen in dem viele Millionengrade heißen Plasma ist eine Berechnung unmöglich.
Zum Beispiel erzeugt ein Laserstrahl, der im Fokus eine Bestrahlungsstärke von 2×10¹⁴ W/cm² hat, eine Bremsstrahlung im Energiebereich zwischen 4 keV und 30 keV, deren Photonenmaximum bei 10 keV liegt. Bei einer Verdopplung der Bestrahlungsstärke des Laserstrahls auf der Materialoberfläche nimmt die Bremsstrahlung stark zu und erreicht einen um Faktor 10 größeren Photonenstrom. Die Bremsstrahlung und die charakteristische Strahlung sind Ergebnisse der Laserbestrahlung mit extrem hoher Bestrahlungsstärke.
Für eine gute Qualität bei der Materialbearbeitung und für die Steuerung des Abtragprozesses sind Kenntnisse der Bestrahlungsstärke im Laserfokus entscheidend. Es ist aber unmöglich, die Bestrahlungsstärke im Laserfokus des Ultrakurzpulslasers direkt zu bestimmen, denn sie ist so hoch, dass der direkt bestrahlte Sensor zerstört werden würde. Erfindungsgemäß kann die Bestrahlungsstärke jedoch indirekt und berührungslos in Echtzeit bestimmt werden, in dem die laserinduzierte ionisierende Strahlung bewertet wird.
Dabei kann auch der Messabstand variiert werden; es sind Messungen aus der Nähe und auch aus größerer Entfernung möglich, denn die laserinduzierte ionisierende Strahlung breitet sich nach allen Seiten aus. Das Messgerät für die ionisierende Strahlung wird dabei nicht direkt vom Laserstrahl getroffen und deshalb nicht zerstört. Das Messgerät kann beispielsweise ein sofort anzeigendes Dosimeter oder ein Spektrometer sein, das Photonenenergien ab 0,5 keV registrieren kann. So kann beispielsweise ein Ionisationsdosimeter mit großer Gaskammer, z.B. Typ OD-02 der Firma STEP Sensortechnik und Elektronik Pockau GmbH beziehungsweise ein sofort anzeigendes Röntgenspektrometer Typ X123 mit gekühltem CdTe-Sensor von Firma Amptek, USA, zur Anwendung kommen.
Die Messgeräte für die laserinduzierte ionisierende Strahlung registrieren die Anzahl der Photonen pro Zeiteinheit.
Insbesondere kann die Strahlung mit wenigstens einem lichtunempfindlichen Sensor erfasst werden. Als lichtunempfindlicher Sensor kann ein sofort anzeigender Halbleitersensor, beispielsweise eine Fotodiode aus Silizium oder Germanium mit einem Fenster, das Licht zu 100% blockiert aber ionisierende Strahlung hindurchlässt, verwendet werden. Ebenso kann ein sofort anzeigender Sensor mit Ionisationskammer wie Geiger-Müller-Zähler für radioaktive Strahlung zur Anwendung kommen.
In einer Variante der Erfindung wird die Strahlung durch mehrere Sensoren registriert, wobei die Dosisleistung mit einem ersten Sensor und die Energieverteilung der Photonen mit einem zweiten Sensor bestimmt werden.
Das Steuersignal kann eine Höhenverstellung eines Werkstücktisches auslösen; alternativ oder zusätzlich kann es eine Fokusverstellung eines Objektivs insbesondere zur Anpassung an die Oberfläche, beispielsweise an die Oberflächentopographie des bearbeiteten Werkstückes, auslösen. Auf diese Weise können beispielsweise Werkstückunebenheiten vorteilhaft kompensiert werden.
Bei der Mikro-Materialbearbeitung mittels Ultrakurzpulslasern können durch den kleinen Laserfokus mit einem Durchmesser von kleiner als 100 µm sehr kleine Löcher und schmale Gräben erzeugt werden. Der Abtragprozess ist maßgeblich von der Lage des Laserfokus zur Materialoberfläche abhängig. Ist der Laserfokus auf Grund einer Materialunebenheit, einer Verstellung des Werkstücktisches oder einer Erwärmung des Laserobjektivs nur wenige Mikrometer zu hoch oder zu tief eingestellt, wird der Abtragprozess ineffizient. Die Bestrahlungsstärke auf der Werkstückoberfläche soll möglichst gleichbleiben. Sie ist am höchsten, wenn der Fokus exakt auf der Werkstückoberfläche liegt. Unebenheiten im Material oder Änderungen im Laserobjektiv führen zu einer Fokusverschiebung. Der Fokus liegt dann höher oder tiefer als die Materialoberfläche. Somit nimmt die Bestrahlungsstärke auf der Werkstückoberfläche ab. Eine geringe Veränderung der Bestrahlungsstärke des Laserstrahls führt zu einer starken Änderung der laserinduzierten ionisierenden Strahlung. Mit dem sofort anzeigenden Dosimeter oder dem sofortanzeigenden Spektrometer kann die Änderung der laserinduzierten ionisierenden Strahlung berührungslos erfasst werden und als Steuersignal für Korrekturen weitergeleitet werden.
Beispielsweise führt eine Anhebung des Fokus um nur 100 µm über die Werkstückebene zu einer Halbierung der Dosisleistung der laserinduzierten ionisierenden Strahlung. Ein zu tief eingestellter Fokus, der durch eine Verwölbung des Werkstückes entsteht, führt ebenfalls zu einer Verringerung der laserinduzierten ionisierenden Strahlung.
Die Emission der laserinduzierten ionisierenden Strahlung ist ein sensibles Kriterium für einen richtig eingestellten Laserfokus. Bei einem gewölbten Blech kann die richtige Fokuslage durch eine Höhenverstellung des Werkstücktisches erreicht werden, indem die laserinduzierte ionisierende Strahlung als eine Messgröße für die richtige Fokuslage benutzt wird.
Die laserinduzierte ionisierende Strahlung signalisiert bei gleichem Werkstoff in jedem Fall eine Veränderung der Bestrahlungsstärke des Laserstrahls auf dem Werksstück.
Weiterhin kann aus der ausgewerteten Strahlung ein Wert für die auf der Auftreffstelle bestehende Bestrahlungsstärke gewonnen werden, wobei sich der Laserfokus in der Nähe der Materialoberfläche befindet, mit ihr eine Wechselwirkung eingeht und dadurch ionisierende Strahlung erzeugt; entsprechend kann auch aus der ausgewerteten Strahlung ein Wert für die im Laserfokus bestehende Bestrahlungsstärke gewonnen werden, wobei sich der Laserfokus auch in der Luft oder einem Gas befinden kann.
In beiden vorgenannten Fällen ermöglicht das erfindungsgemäße Verfahren eine Echtzeitmessung der Bestrahlungsstärke, ohne dass hierzu in den Bearbeitungsprozess des Werkstückes eingegriffen werden muss.
Insbesondere kann aus der ausgewerteten Strahlung ein Wert für die Menge des bereits abgetragenen Materials gewonnen werden.
Weiterhin kann mit wenigstens einem Sensor der Materialabtrag registriert werden und aus der ausgewerteten Strahlung kann ein Wert für das vollständige Abtragen einer Deckschicht gewonnen werden. So kann in vorteilhafter Weise ein Schichtabtrag gesteuert werden, insbesondere auch, um einen selektiven Abtrag zu ermöglichen.
Ferner kann mit wenigstens einem Sensor der Materialabtrag registriert werden und ein Steuersignal für das selektive Abtragen bei unterschiedlichen Materialarten geliefert werden, sowohl für das Vermeiden des Abtrages einer ersten Materialart und einen anderen Wert nur für das Abtragen einer zweiten Materialart.
Ebenso kann mit wenigstens einem Sensor ein Messwert registriert werden, der die Stoffumwandlung in einem Mikrobereich des Werkstückes in Folge der Laserbestrahlung liefert. Auf diese Weise können beispielsweise Stoffumwandlungsprozesse unter Lasereinwirkung erzeugt, überwacht und gesteuert werden.
Durch die damit mögliche Ermittlung der spektralen Zusammensetzung der laserinduzierten ionisierenden Strahlung lassen sich Rückschlüsse auf die vom Laserstrahl getroffene Materialart ziehen, so dass beim Bearbeiten von Schichtfolgen aus unterschiedlichen Werkstoffen Erkenntnisse über deren vollständigen Abtrag bzw. über deren Schichtdicke gesammelt werden können. Durch die Kenntnis der spektralen Zusammensetzung der laserinduzierten ionisierenden Strahlung können gezielt flächenförmig verteilte Materialinseln unterschiedlicher Zusammensetzung vom Laserstrahl selbständig mit einem Scanvorgang gefunden werden. Danach können sie gezielt abgetragen oder auch gezielt geschützt werden, indem dann die Laserstrahlung gedimmt wird.
Mit anderen Worten kann aus der energiedispersiven Auswertung des Spektrums der ionisierenden Photonenstrahlung mittels Röntgenspektrometer eine gezielte Steuerung des Abtragprozesses erfolgen. Im Spektrum der Photonenstrahlung kennzeichnen die charakteristischen Linien die Elemente, die im bearbeiteten Material vorhanden sind. Soll beispielsweise die obere Deckschicht einer beschichteten Platte abgetragen werden und nicht das darunter befindliche Material der Platte, kann der Abtragvorgang mit dem Laserstrahl gestoppt werden. Der Stoppvorgang wird ausgelöst, sobald im Spektrum der ionisierenden Strahlung die Elemente der Platte erkennbar sind.
Weiterhin kann mit wenigstens einem Sensor ein Messwert registriert werden, der eine Verschmutzung und/oder Alterung eines Objektivs signalisiert. So kann es beispielsweise aufgrund Staubablagerungen zu einer Verschmutzung des Objektivs kommen. Bei der Mikrobearbeitung von Materialien mit dem Ultrakurzpulslaser entstehen feine Stäube, die abgesaugt werden müssen. Nicht immer gelingt das vollständig und es setzt sich eine dünne Schicht von Staub auf die Frontseite des Laserobjektivs ab. Dadurch wird ein geringer Teil der Laserleistung im Staub absorbiert und verringert die auf dem Werkstück auftreffende Laserleistung. Zusätzlich wird der Staub erwärmt und gibt seine Wärme an die Linse ab. Dadurch ändert sich zunächst die Fokuslage und dann später kann es zur thermischen Zerstörung der Linse kommen. Durch die Detektion der laserinduzierten ionisierenden Strahlung kann die Lasermaschine so gesteuert werden, dass eine Ablagerung von Staub am allmählichen Abfall der laserinduzierten ionisierenden Strahlung erkannt wird und die Zerstörung des Objektivs verhindert wird.
In einer vorteilhaften Variante der Erfindung messen wenigstens zwei Sensoren mit unterschiedlicher spektraler Empfindlichkeit die Dosisleistung der laserinduzierten ionisierenden Strahlung in zwei Energiebereichen. Aus den so gewonnenen Messsignalen wird ein Quotient gebildet, der ein Maß für die Prozessregelung ist. So kann beispielsweise der erste Sensor schon niedrigenergetische Strahlung ab 1 keV messen. Der zweite Sensor kann mit einem Filter ausgestattet sein und erst auf Photonen mit einer Energie ab 10 keV reagieren. Durch eine Quotientenbildung der Ausgangssignale beider Sensoren erkennt man deutlich, wenn sich die atomaren Bestandteile der bearbeiteten Fläche verändern.
Die Erfindung umfasst weiterhin eine Laserbearbeitungsmaschine mit einem Lasergerät, welches dazu eingerichtet ist, einen Laserstrahl mittels eines Objektives derart auf ein Werkstück zu fokussieren, dass beim Bearbeiten des Werkstückes ionisierende Strahlung entsteht. Dabei ist wenigstens ein Sensor vorhanden, welcher Photonen mit einer Energie von mehr als 0,5 keV registrieren kann, deren Wellenlänge außerhalb derjenigen der optischen Strahlung und teilweise außerhalb derjenigen von Röntgenstrahlung liegt.
Dabei kann der Sensor in einem Neigungswinkel zwischen 20° und 40° zu der Werkstückebene auf das Werksstück gerichtet sein. Unter der Werkstückebene ist in diesem Fall diejenige Ebene zu verstehen, in welcher der aktuell bearbeitete Bereich der Werkstückoberfläche liegt. Auf diese Weise wird erreicht, dass der Sensor nicht durch die optische Laserstrahlung zerstört wird, aber ein Maximum an ionisierender Strahlung detektieren kann.
In einer Ausführungsform der Erfindung ist wenigstens ein Sensor, dessen Energieempfindlichkeit im Bereich von 1 keV bis 10 keV am größten ist, zur Erfassung der laserinduzierten ionisierenden Strahlung vorhanden.
Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele und Varianten der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen

1 eine schematische Darstellung eines beispielhaften Aufbaus einer Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens,
2a das Energiespektrum der laserinduzierten ionisierenden Strahlung,
2b das Spektrum der Bremsstrahlung in Einheiten der Dosisleistung,
3a die Wirkung einer schräg liegenden unebenen Materialoberfläche,
3b die Wirkung einer keilförmigen Materialoberfläche,
4 ein unbearbeitetes Werkstück und ein bearbeitetes Werkstück mit einem Graben, einem Abtrag oder Sackloch,
5 eine Anordnung zum Messen, Steuern und Regeln des Abtragprozesses von Schichtwerkstoffen,
6 eine Warneinrichtung, die eine Zerstörung des Objektivs verhindert,
7a eine Anordnung zum Messen und zur Überwachung der wirksamsten Bestrahlungsstärke im Laserfokus, der sich in einem Gas oder Luft befindet,
7b eine Anordnung zum Messen und zur Überwachung der wirksamsten Bestrahlungsstärke im Laserfokus, der sich in Wechselwirkung mit einem Festkörper oder einer Flüssigkeit (Stahlschmelze) befindet,
8a eine Draufsicht auf eine Platte mit eingebetteten Materialinseln,
8b den Schnitt der Seitenansicht zur 8a, und
9 die Stoffumwandlung mit einem Ultrakurzpulslaser.

1 zeigt eine schematische Darstellung eines beispielhaften Aufbaus einer Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens. Der durch ein Lasergerät 1 erzeugte parallele Laserstrahl 2 wird im Objektiv 3 fokussiert. Die Brennweite 4 des Objektivs und der Fokus 5 wird durch ein Linsensystem 6 bestimmt. An der Auftreffstelle 7 des Laserstrahls 2 auf dem Werkstück 14 wird durch den Laserstrahl 2 ein kalter Materialabtrag 8 in Form von kleinen Partikeln verursacht. Die Auftreffstelle 7 hat einen sehr kleinen Durchmesser von < 100 µm, um eine hohe Bestrahlungsstärke zu erreichen. In 1 liegt der Fokus 5 über der Auftreffstelle 7. Damit ist die Bestrahlungsstärke auf der Auftreffstelle kleiner als im Fokus. Wenn die Bestrahlungsstärke auf der Auftreffstelle 7 größer als 10¹³ W/cm² ist, wird laserinduzierte ionisierende Strahlung 9 emittiert. Die Sensoren 10 und 12 messen einen proportionalen Anteil der gesamten laserinduzierten ionisierenden Strahlung 9.
Der Sensor 10 ist im gezeigten Beispiel ein sofort anzeigendes Dosimeter und liefert ein Signal 11 an die in der Figur nicht gesondert dargestellt Steuereinheit des Lasergerätes 1. Der Sensor 12 ist im gezeigten Beispiel ein Radiospektrometer, das sein Signal 13 an die Steuereinheit des Lasergerätes 1 weitergibt. Ein Maximum in der Anzeige der Sensoren 10 und 12 erreicht man nicht bei 45°, sondern bei einem Neigungswinkel 17 bzw. 18 der Sensoren 10 bzw. 12 zwischen 20° bis 40° zur Werkstückebene 19. Der Werkstücktisch 15, auf dem das Werkstück 14 befestigt ist, muss durch die Höhenverstelleinheit 16 so positionierbar sein, dass der Fokus 5 auf der Oberfläche des Werkstückes 14 liegt. In diesem Fall herrscht dort die größte Bestrahlungsstärke, der beste Materialabtrag und die höchste Emission von ionisierender Strahlung.
2a zeigt das Energiespektrum 21 der laserinduzierten ionisierenden Strahlung 9. Die kontinuierliche Bremsstrahlung 22 wird von der charakteristischen Strahlung 23 überlagert, die zum Nachweis der atomaren Bestandteile der Auftreffstelle 7 dienen kann.
2b zeigt nur noch das Spektrum der Bremsstrahlung 24 in Einheiten der spektralen Dosisleistung. Die Höhe der Amplitude 25 des Energiespektrums der Bremsstrahlung 24 der laserinduzierten ionisierenden Strahlung 9 wird durch die Bestrahlungsstärke an der Auftreffstelle 7 des Laserstrahls auf dem Werkstück 14 bestimmt. Bei einer Verdopplung der Bestrahlungsstärke auf der Auftreffstelle 7 nimmt die anfangs kleine Dosisleistung 26 der Bremsstrahlung stark zu und erreicht einen um etwa den Faktor 10 größere Dosisleistung 27. Geringfügige Änderungen in der Bestrahlungsstärke führen zu großen Änderungen im Photonenstrom und somit in der Dosisleistung. Eine Messung des spektralen Photonenflusses nach der Anzahl der Photonen pro Sekunde und nach der energetischen Verteilung liefert wichtige Parameter zum Steuern des Abtragprozesses mittels Laserstrahlung. Etwas einfacher ist die Messung der Dosisleistung, die das gesamte Photonenspektrum mit Wichtungsfaktoren beinhaltet.
Die Laser, die ionisierende Strahlung erzeugen können, emittieren gegenwärtig gepulste Laserstrahlung. Zwischen den Pulsen muss der Laser aufgeladen werden. Die Pulsdauer liegt im Bereich von wenigen Femtosekunden bis Pikosekunden. Die Pulswiederholfrequenz liegt im Bereich von wenigen Hertz bis zu einigen Megahertz.
Der Photonenfluss der ionisierenden Strahlung ist in erster Näherung proportional zur Pulswiederholfrequenz.
3a zeigt die Wirkung einer schräg liegenden unebenen Materialoberfläche. Veränderungen im Abstand von der Werkstückoberfläche zum Laserfokus in der Größenordnung vom Zweifachen des Fokusdurchmessers, führen zu einer drastischen Abnahme der Bestrahlungsstärke auf dem Werkstück und damit zu einem starken Rückgang des Photonenflusses der ionisierenden Strahlung. Eine Abstandsänderung zwischen Laserfokus und Werkstückoberfläche vermindern die Abtragrate und führt zu breiteren Laserspuren. Beides ist in der Mikromaterialbearbeitung unerwünscht.
Erreicht die wellige oder ansteigende Oberfläche des Werkstückes 31 die Ebene des Fokus 32 des Laserstrahls, wird der größte Photonenstrom laserinduzierten ionisierenden Strahlung erzeugt, weil die Bestrahlungsstärke dann auf der Materialoberfläche am größten ist. Das ist die günstigste Position.
Liegt die Oberfläche 33 höher als der Laserfokus 32, verringert sich die Bestrahlungsstärke und der Photonenstrom und die Produktivität nimmt ab. Bei einer zu tiefliegenden Oberfläche 34 liegt der Fokus 32 zu hoch und die Bestrahlungsstärke ist zu gering. Folglich nimmt auch hier der Photonenstrom ab und die Produktivität beim Materialabtrag. Mit dem berührungslosen Messen des Photonenstroms erhält man eine Möglichkeit, das Werkstück mit einem höhenverstellbaren Werkstücktisch 35 an die Fokuslage anzupassen oder das Objektiv in seinem Abstand zur Werkstückoberfläche zu verschieben.
3b zeigt eine weitere Variante zum Anpassen des Fokus an eine keilförmige Werkstückoberfläche. Anstelle der Verstellung der Höhe des Werkstücktisches 35 kann eine gezielte Änderung der Brennweite des Objektivs die Fokusebene immer an die Werkstückoberfläche anzupassen. Die Regelgröße für die Änderung der Brennweite 4 des Objektivs ist der Photonenstrom der laserinduzierten ionisierenden Strahlung. Das Objektiv 36 besitzt einen schnell reagierenden Autofokus und kann so die Brennweite des Laserstrahls regeln. Wenn der höchste Photonenstrom gemessen wird, liegt der Fokus auf der Werkzeugoberfläche. Bei einer tieferliegender Werkstückfläche wird die Fokuslänge des Objektivs 37 automatisch verlängert. Die Regelgröße hierfür ist die laserinduzierte ionisierende Strahlung.
4 zeigt ein unbearbeitetes Werkstück 41 und ein bearbeitetes Werkstück 42 mit einem Graben, einem Abtrag oder Sackloch 43. Beim Abtragen der obersten Schicht mit dem Laserstrahl 44 liegt der Fokus auf der Oberfläche. Es wird laserinduzierte ionisierende Strahlung 45 erzeugt, mit einer Vorrichtung nach 1 gemessen und registriert. Nach dem Materialabtrag muss das Werkstück 41 um ein zunächst unbekanntes Maß angehoben werden, um eine gute Abtragqualität und Effektivität wie auf der Deckschicht zu erreichen. Durch eine Online-Messung des Photonenstroms der laserinduzierten ionisierenden Strahlung 45 wird die Höhenlage des Fokus nachgeregelt, bis wieder die höchste Abtragrate an Material erreicht ist. Das kann durch eine Höhenverstellung der Fokusebene des Laserstrahls 44 erfolgen, indem der Werkstücktisch oder das Objektiv verändert werden.
5 zeigt eine Anordnung zum Messen, Steuern und Regeln des Abtragprozesses von Schichtwerkstoffen. Dünne, übereinanderliegende Funktionsschichten, wie sie bei Solarzellen oder integrierten Schaltkreisen notwendig sind, können mit dem Ultrakurzpulslaser schichtgenau abgetragen werden, wenn der Abtragprozess rechtzeitig gestoppt oder modifiziert wird. Die Grundschicht 51 ist mit einer im atomaren Aufbau von ihr verschiedenen dünnen Deckschicht 52 versehen. Die Deckschicht 52 soll bis auf die Grundschicht 51 abgetragen werden, aber nicht weiter. Der Laserstrahl 53 trägt zunächst von der Deckschicht 52 das Material ab.
Dabei wird das Spektrum der laserinduzierten ionisierenden Strahlung 55 der Deckschicht mit einem Radiospektrometer 58 gemessen. Im Spektrum sind die Informationen zu den Bestandteilen der Deckschicht als charakteristische Linien enthalten. Sobald der Laserstrahl auf die Grundschicht kommt, ändert sich die spektrale Zusammensetzung der laserinduzierten ionisierenden Strahlung 57. Das Radiospektrometer 58 löst damit einen Steuerbefehl zur Unterbrechung oder zum Dimmen des Laserstrahls aus. Aufgrund des Abtrages des Materials muss die Fokuslage, wie in 4 beschrieben, nachgeregelt werden.
6 zeigt eine Warneinrichtung, die eine Zerstörung des Objektivs 68 verhindert. Bei der Bearbeitung des Werkstückes 61 mit dem Laserstrahl 62 entsteht durch den kalten Auswurf Staub 63 und laserinduzierte ionisierende Strahlung 64. Bei der Verwendung von Ultrakurzpuls-Laseranlagen mit hoher Pulsenergie kommt es zur Erwärmung der eingebauten optischen Elemente im Objektiv. Hochvergütete optische Flächen altern und können verschmutzen. Dadurch absorbieren die Linsen einen zunehmend größeren Anteil an Laserenergie und werden warm. Durch die Temperaturerhöhung verändert sich zunächst nur die Brennweite und damit die Lage des Laserfokus. Dieser Effekt kann mit dem vorne beschriebenen Verfahren ausgeregelt werden. Kritisch wird die Situation, wenn sich Staub aus dem Prozess heraus auf der Objektivaußenfläche absetzt oder die Vergütungsschichten der Linsen altern und nicht mehr ausreichen. Die fehlende Transmission des Objektivs verringert die Nutzstrahlung auf der Werkstückoberfläche und vergrößert gleichzeitig die innere Absorption der Laserleistung. Eine höhere innere Absorption führt zu einer thermischen Zerstörung der Optik. Da die Laserleistung am Ausgang des Lasergerätes bekannt ist, kann über eine Messung der laserinduzierten ionisierenden Strahlung mit dem Detektor 65 ein Signal 66 an das Lasergerät abgegeben werden. Ohne den Fertigungsprozess zu unterbrechen, kann im online-Verfahren der Zustand des Objektivs geprüft werden. Bei Notwendigkeit kann das Objektiv mit einem Gasstrom 67 gekühlt werden, der gleichzeitig die Ablagerung von Staub mindert.
7 zeigt in den 7a und 7b eine Anordnung zum Messen und zur Überwachung der wirksamsten Bestrahlungsstärke im Laserfokus. Ultrakurzpulslaser erzeugen so hohe optische Bestrahlungsstärken, dass alle berührend messenden Sensoren innerhalb von Bruchteilen einer Sekunde beschädigt werden würden. Die Bestrahlungsstärke des Laserstrahls kann gegenwärtig nur im aufgeweiteten Strahlengang oder bei stark verminderter Laserleistung bestimmt werden. Beim Verfahren des aufgeweiteten Strahlengangs muss man aus Berechnungen und Annahmen auf die Bestrahlungsstärke im Fokus schließen. Der extra dafür notwendige Umbau der Lasermaschine erfordert viel Zeit. Das Verfahren mit dem aufgeweiteten Laserstrahl ist kein sofortanzeigendes Verfahren.
Eine zweite bisher bekannte Methode zur Bestimmung der Laserleistung im Laserfokus erfolgt durch Messungen bei extrem stark reduzierter Laserleistung, so dass kein Material vom Lasersensor abgetragen wird und der Sensor auch nicht zu stark erwärmt wird. Dabei nimmt man an, dass die Strahlführung bei reduzierter Laserleistung unverändert ist und die Fokusfläche und Energieverteilung bei großen und kleinen Laserleistungen konstant sind. Auch diese Methode ist sehr zeitaufwendig und beinhaltet Fehler, wie die Korrektur der Fokusverschiebung, die nur bei hoher Laserleistung auftritt. Beide vorgenannten Verfahren sind aufwendig, jedoch geeignet, um einen Zusammenhang zwischen Bestrahlungsstärke und emittiertem Photonenfluss der laserinduzierten ionisierenden Strahlung herzustellen. Die damit erhaltene Kalibrierkurve 77 kann in dem folgenden Verfahren angewendet werden. Dieses Verfahren ist sofort anzeigend, rückwirkungsfrei und führt nicht zu Beschädigungen der Messtechnik.
In 7a wird die Nutzung der ionisierenden Strahlung zur Bestimmung der Bestrahlungsstärke ab einem Wert von ca. 1×10¹⁴ W/cm² im Fokus dargestellt. Die Laserstrahlung 71 wird im Objektiv 72 fokussiert und frei in die Luft oder in ein Gas 73 abgestrahlt. Im Brennpunkt herrscht die größte Bestrahlungsstärke und dort entsteht eine laserinduzierte ionisierende Strahlung 74, die nach allen Seiten abgestrahlt wird. Ein Dosimeter 75 oder ein Radiospektrometer 76 werden zur Bestimmung des Photonenflusses benutzt. Mit einer zuvor messtechnisch ermittelten Kalibrierkurve 77 wird aus dem Photonenfluss die Bestrahlungsstärke berechnet. Dabei muss die Absorption der Luft oder des Gases, zum Beispiel trockener Stickstoff oder Helium, berücksichtigt werden.
In 7b trifft der Laserstrahl auf eine ebene Wolframplatte 78. Durch eine Höhenverstellung wird die Stellung der Werkstückoberfläche gesucht, die die größte Emission an laserinduzierter ionisierender Strahlung 74 erzeugt. Dabei wird der Laserstrahl ständig relativ zur Werkstückoberfläche bewegt, so dass er sich nicht eingraben kann. Die laserinduzierte ionisierende Strahlung 74 wird mit einem Dosimeter 75 oder einem Radiospektrometer 76 gemessen. Mit der hinterlegten Kalibrierfunktion 79 kann unmittelbar aus dem Photonenfluss die Bestrahlungsstärke ermittelt werden.
In 8a ist eine Draufsicht auf eine Platte aus einem ersten Material 81 mit eingebetteten Materialinseln 82 dargestellt. Der Laserstrahl trägt nur das gewünschte Material 81 der Platte ab und lässt die Materialinsel 82 stehen. Das Signal zum Ausschalten oder Dimmen des Lasers bei der Materialinsel 82 liefert die spektrale Zusammensetzung der laserinduzierten ionisierenden Strahlung. Im Spektrum der Strahlung sind die charakteristischen Linien für die gesuchten Atomarten enthalten.
In 8b ist der Schnitt der Seitenansicht dargestellt. Die Materialinseln 82 sind stehen geblieben, weil sich das Spektrum des Photonenflusses der Materialinseln vom Spektrum des Plattenmaterials 81 unterscheiden. Der Unterschied ist ein Maß zum Abschalten bzw. Dimmen des Laserstrahls. Der Prozess kann auch so verlaufen, dass die Materialinsel 82 abgetragen wird und die Material 81 der Platte bestehen bleibt.
In 9 wird die Stoffumwandlung mit einem Ultrakurzpulslaser dargestellt. Das Grundmaterial 91 vor der Stoffumwandlung ist mit einer Deckschicht 92 beschichtet. Im Laserfokus wird eine Legierung 93 gebildet aus den Stoffen 91 und 92. Die hohe Bestrahlungsstärke des Laserstrahls 94 bewirkt die Stoffumwandlung und die dabei freigesetzte laserinduzierte ionisierende Strahlung 95 liefert den Nachweis des Umwandlungsprozesses.
Bezugszeichenliste

1: Lasergerät
2: Laserstrahl
3: Objektiv
4: Brennweite
5: Fokus des Laserstrahls
6: Linsensystem
7: Auftreffstelle des Laserstrahls
8: Materialabtrag
9: laserinduzierte ionisierende Strahlung
10: Sensor, Dosimeter
11: Signal des Dosimeters
12: Radiospektrometer
13: Signal des Radiospektrometers
14: Werkstück
15: Tisch
16: Höhenverstelleinheit
17: Neigungswinkel
18: Neigungswinkel des Spektrometers
19: Werkstückebene
21: Spektraler Photonenfluss mit charakteristischer Strahlung
22: kontinuierliche Bremsstrahlung
23: charakteristischer Strahlung
24: Dosisleistung der Bremsstrahlung
25: Amplitude der Bremsstrahlung
26: kleines Spektrum der Bremsstrahlung
27: großes Spektrum der Bremsstrahlung
31: unebenes Werkstück
32: Fokus
33: höher liegende Oberfläche
34: tiefer liegende Oberfläche
35: Tisch mit Höhenverstellung
36: Objektiv mit kurzer Brennweite
37: Objektiv mit langer Brennweite
41: unbearbeitetes Werkstück
42: bearbeitetes Werkstück
43: Sackloch
44: Laserstrahl
45: laserinduzierte ionisierende Strahlung
51: Grundschicht
52: Deckschicht
53: Laserstrahl
54: Boden des Loches in der Deckschicht
55: laserinduzierte ionisierende Strahlung der Deckschicht
57: laserinduzierte ionisierende Strahlung der Grundschicht
58: Radiospektrometer
61: Werkstück
62: Laserstrahl
63: Staub
64: laserinduzierte ionisierende Strahlung
65: Dosimeter
66: Signal
67: Gasstrom
68: Objektiv
71: Laserstrahlung
72: Objektiv
73: Gas
74: laserinduzierte ionisierende Strahlung
75: Dosimeter
76: Radiospektrometer
77: Funktion: Bestrahlungsstärke E und Photonenfluss Phi bei Gas
78: Wolfram platte
79: Funktion: Bestrahlungsstärke E und Photonenfluss Phi bei Wolfram
81: Plattenmaterial
82: Materialinsel
91: Grundmaterial
92: Deckschicht
93: Legierung
94: Laserstrahl
95: laserinduzierte ionisierende Strahlung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 3913785 A1 [0002]
DE 10305876 A1 [0003]
DE 102011001710 A1 [0004]
WO 2004/039530 A2 [0005]

Claims

Verfahren zur Überwachung eines Materialbearbeitungsprozesses eines Werkstückes (14) mit einem Laserstrahl, wobei laserinduzierte Strahlung ausgewertet wird, welche durch die Wechselwirkung zwischen einem fokussierten Laserstrahl und der Auftreffstelle (7) auf dem Werkstück (14) entsteht, dadurch gekennzeichnet, dass die ausgewertete Strahlung eine Photonenenergie von mehr als 0,5keV aufweist.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass aus der Auswertung der Strahlung ein Steuersignal (11) gewonnen wird, das zur Regelung des Bearbeitungsprozesses auf dem Werkstück (14) genutzt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlung mit wenigstens einem lichtunempfindlichen Sensor (10) erfasst wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlung durch mehrere Sensoren registriert wird, wobei die Dosisleistung mit einem ersten Sensor (10) und die Energieverteilung der Photonen mit einem zweiten Sensor (12) bestimmt werden.
Verfahren nach Anspruch 2 und einem der Ansprüche 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuersignal (11) eine Höhenverstellung (16) des Werkstücktisches (15) auslöst.
Verfahren nach Anspruch 2 und einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuersignal (11) eine Fokusverstellung eines Objektives (3) auslöst.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass aus der ausgewerteten Strahlung ein Wert für die auf der Auftreffstelle (7) bestehende Bestrahlungsstärke gewonnen wird, wobei sich der Laserfokus (5) auf der Materialoberfläche befindet.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1-7, dadurch gekennzeichnet, dass aus der ausgewerteten Strahlung ein Wert für die im Laserfokus (5) bestehende Bestrahlungsstärke gewonnen wird, wobei sich der Laserfokus (5) in der Luft oder einem Gas befindet.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass aus der ausgewerteten Strahlung ein Wert für die Menge des bereits abgetragenen Materials gewonnen wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mit wenigstens einem Sensor (12) der Materialabtrag registriert wird und aus der ausgewerteten Strahlung ein Wert für das vollständige Abtragen einer Deckschicht gewonnen wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mit wenigstens einem Sensor (12), der Materialabtrag registriert wird und ein Steuersignal (13) für das selektive Abtragen bei unterschiedlichen Materialarten geliefert wird, sowohl für das Vermeiden des Abtrages einer ersten Materialart (82) und einen anderen Wert nur für das Abtragen einer zweiten Materialart (81).
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mit wenigstens einem Sensor (12) ein Messwert (13) registriert wird, der die Stoffumwandlung in einem Mikrobereich (93) des Werkstückes in Folge der Laserbestrahlung liefert.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mit wenigstens einem Sensor (10) ein Messwert (11) registriert wird, der eine Verschmutzung und/oder Alterung eines Objektivs signalisiert.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens zwei Sensoren (10) mit unterschiedlicher spektraler Empfindlichkeit die Dosisleistung der laserinduzierten ionisierenden Strahlung in zwei Energiebereichen messen und aus den so gewonnenen Messsignalen ein Quotienten gebildet wird, der ein Maß für die Prozessregelung ist.
Laserbearbeitungsmaschine, umfassend ein Lasergerät (1), welches dazu eingerichtet ist, einen Laserstrahl (2) mittels eines Objektives (2) derart auf ein Werkstück (14) zu fokussieren, dass beim Bearbeiten des Werkstückes (14) ionisierende Strahlung entsteht, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Sensor (10) vorhanden ist, welcher Photonen mit einer Energie von mehr als 0,5 keV registrieren kann, deren Wellenlänge außerhalb derjenigen der optischer Strahlung und teilweise außerhalb derjenigen von Röntgenstrahlung liegt.
Laserbearbeitungsmaschine nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor (10) in einem Neigungswinkel (17) zwischen 20° und 40° zur dem Laserstrahl (2) auf das Werksstück (14) gerichtet ist.
Laserbearbeitungsmaschine nach einem der Ansprüche 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Sensor (10), dessen Energieempfindlichkeit im Bereich von 1 keV bis 10 keV am größten ist, zur Erfassung der laserinduzierten ionisierenden Strahlung vorhanden ist.