DE102018214742A1 - Method and device for laser material processing of a workpiece by means of a photon pulse - Google Patents

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren sowie eine entsprechende Vorrichtung zur Lasermaterialbearbeitung eines Werkstücks mittels Photonenimpuls, bei dem ein erster Laserstrahl (1) aus einer ersten Laserstrahlungsquelle (2) und ein zweiter Laserstrahl (3) aus einer zweiten Laserstrahlungsquelle (4) auf einen gemeinsamen Auftreffpunkt (5) auf einer zu bearbeitenden Werkstückoberfläche (6) oder in einen mit dem ersten Laserstrahl (1) aufgeschmolzenen Werkstoff des Werkstücks gerichtet werden. Durch den ersten Laserstrahl (1) wird ein Aufschmelzen (9) der Werkstückoberfläche (6) oder des Werkstoffs und durch den zweiten Laserstrahl (3) ein Werkstoffaustrieb (10) erreicht, wobei eine Einwirkzeit des zweiten Laserstrahls (3) kürzer ist als eine Einwirkzeit des ersten Laserstrahls (1).The present invention relates to a method and a corresponding device for laser material processing of a workpiece by means of a photon pulse, in which a first laser beam (1) from a first laser radiation source (2) and a second laser beam (3) from a second laser radiation source (4) to a common point of impact (5) on a workpiece surface to be machined (6) or in a with the first laser beam (1) melted material of the workpiece are directed. By the first laser beam (1) melting (9) of the workpiece surface (6) or the material and by the second laser beam (3) a material discharge (10) is achieved, wherein a contact time of the second laser beam (3) is shorter than a contact time of the first laser beam (1).

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Lasermaterialbearbeitung eines Werkstücks mittels Photonenimpuls.The present invention relates to a method and an apparatus for laser material processing of a workpiece by means of a photon pulse.

Zur Lasermaterialbearbeitung sind verschiedene Technologien für einen Materialabtrag oder eine Materialtrennung verfügbar, die entweder auf einer gepulsten (pw-Betrieb) oder einer kontinuierlich emittierenden (cw-Betrieb) Laserstrahlquelle beruhen.For laser material processing, various material removal or separation technologies are available that rely on either pulsed (pw mode) or continuous (cw mode) laser beam source.

Nachteilig an gepulsten Verfahren ist jedoch, dass aufgrund der typischerweise geringen mittleren Leistungen das thermisch aktivierte Wechselwirkungsvolumen sowie die erreichbaren Abtragungsraten klein sind. Im Gegensatz dazu sind cw-Laserstrahlungsquellen mit hohen mittleren Ausgangsleistungen verfügbar. Nachteilig hieran ist jedoch, dass keine prozessinhärenten Wechselwirkungsmechanismen entstehen, durch die nicht nur ein Energieeintrag infolge Strahlungsabsorption, sondern auch ein Impulsübertrag auf das thermisch aktivierte Wechselwirkungsvolumen erreicht werden kann. Ein Materialaustrieb muss daher durch einen zusätzlich zugeführten Gasstrahl erreicht werden, was eine Flexibilität des Verfahrens einschränkt und das verwendete Gas das Verfahren verteuert.A disadvantage of pulsed methods, however, is that due to the typically low average powers, the thermally activated interaction volume and the achievable removal rates are small. In contrast, cw laser sources with high mean output powers are available. The disadvantage of this, however, is that no process-inherent interaction mechanisms arise by which not only an energy input due to radiation absorption, but also a momentum transfer to the thermally activated interaction volume can be achieved. A material discharge must therefore be achieved by an additionally supplied gas jet, which limits a flexibility of the process and the gas used makes the process more expensive.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung vorzuschlagen, mit denen die genannten Nachteile vermieden werden können, also hohe Trennraten ohne aufwändige zusätzliche Werkstückbehandlung erreicht werden können.The present invention is therefore based on the object to propose a method and a device with which the mentioned disadvantages can be avoided, ie high separation rates can be achieved without complex additional workpiece treatment.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren nach Anspruch 1 und eine Vorrichtung nach Anspruch 10. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.This object is achieved by a method according to claim 1 and a device according to claim 10. Advantageous embodiments and further developments are described in the dependent claims.

Bei einem Verfahren zur Lasermaterialbearbeitung eines Werkstücks mittels Photonenimpuls wird ein erster Laserstrahl aus einer ersten Laserstrahlungsquelle und ein zweiter Laserstrahl aus einer zweiten Laserstrahlungsquelle auf einen gemeinsamen Auftreffpunkt auf einer zu bearbeitenden Werkstückoberfläche oder in einen mit dem oder durch den ersten Laserstrahl aufgeschmolzenen Werkstoff des Werkstücks gerichtet. Hierdurch wird ein Aufschmelzen der Werkstückoberfläche oder des Werkstücks durch den ersten Laserstrahl erreicht und durch den zweiten Laserstrahl wird ein Werkstoffaustrieb vorgenommen. Eine Einwirkzeit, die auch als Wechselwirkungszeit bezeichnet werden kann, des zweiten Laserstrahls ist hierbei kürzer als eine Einwirkzeit des ersten Laserstrahls.In a method for laser material processing of a workpiece by means of a photon pulse, a first laser beam is directed from a first laser radiation source and a second laser beam from a second laser radiation source to a common point of impact on a workpiece surface to be machined or into a workpiece material melted with or through the first laser beam. As a result, a melting of the workpiece surface or of the workpiece is achieved by the first laser beam and by the second laser beam, a Materialaustrieb is made. An exposure time, which can also be referred to as the interaction time, of the second laser beam is shorter than an exposure time of the first laser beam.

Indem das Werkstück durch den ersten Laserstrahl mit seiner längeren Wechselwirkungszeit mit dem Werkstoff getrennt wird, dient der zweite Laserstrahl, dessen Einwirkzeit für eine trennende Bearbeitung typischerweise zu kurz ist, für einen Werkstoffaustrieb, so dass keine zusätzlichen Maßnahmen am Auftreffpunkt bzw. dem durch den ersten Laserstrahl aufgeschmolzenen Werkstoff nötig sind. Der Auftreffpunkt und bzw. oder der aufgeschmolzene Werkstoff können auch als Prozesszone bezeichnet werden. Durch die vorgeschlagene synergetische Kopplung wird es möglich, dass bislang ausschließlich mit einem gepulsten Laserstrahl durchgeführte Abtragungs- bzw. Trennprozesse thermisch effizienter und mit einer erhöhten Abtragungsrate realisiert werden können. Andererseits wird es möglich, bislang mit kontinuierlich emittierenden Laserstrahlungsquellen durchgeführte Prozesse ohne zusätzliches Prozessgas bei reduzierten Betriebs- und Fertigungskosten samt höherer Flexibilität durchzuführen.By the workpiece is separated by the first laser beam with its longer interaction time with the material, the second laser beam whose exposure time for a separating machining is typically too short, for a material discharge, so that no additional measures at the point of impact or by the first Laser beam melted material are needed. The impact point and / or the molten material may also be referred to as a process zone. The proposed synergistic coupling makes it possible that removal or separation processes previously carried out exclusively with a pulsed laser beam can be realized more thermally more efficiently and with an increased removal rate. On the other hand, it becomes possible to carry out processes hitherto carried out with continuously emitting laser radiation sources without additional process gas at reduced operating and production costs, together with greater flexibility.

Es kann vorgesehen sein, dass der zweite Laserstrahl als gepulster Laserstrahl von der zweiten Laserstrahlungsquelle emittiert wird. Der erste Laserstrahl kann als kontinuierlicher Laserstrahl von der ersten Laserstrahlungsquelle emittiert werden oder der erste Laserstrahl kann als gepulster Laserstrahl mit einer Pulsdauer von der ersten Laserstrahlungsquelle emittiert werden, die größer ist als eine Pulsdauer des zweiten Laserstrahls. Hierdurch können gezielt die Einwirkzeiten bzw. Wechselwirkungszeiten bestimmt werden.It can be provided that the second laser beam is emitted as a pulsed laser beam from the second laser radiation source. The first laser beam can be emitted as a continuous laser beam from the first laser radiation source or the first laser beam can be emitted as a pulsed laser beam with a pulse duration from the first laser radiation source that is greater than a pulse duration of the second laser beam. As a result, the exposure times or interaction times can be determined in a targeted manner.

Der erste Laserstrahl und der zweite Laserstrahl können durch mindestens ein abbildendes optisches Element, vorzugsweise eine Linse, typischerweise eine bikonvexe Linse, auf die Werkstückoberfläche gerichtet werden, um eine ausreichend hohe Leistungsdichte durch Fokussierung auf der Werkstückoberfläche zu erreichen.The first laser beam and the second laser beam may be directed onto the workpiece surface by at least one imaging optical element, preferably a lens, typically a biconvex lens, to achieve a sufficiently high power density by focusing on the workpiece surface.

Der erste Laserstrahl und bzw. oder der zweite Laserstrahl können durch ein zwischen dem abzubildenden optischen Element sowie der ersten Laserstrahlungsquelle und der zweiten Laserstrahlungsquelle angeordnetes optisches Umlenkelement geführt und durch das optische Umlenkelement überlagert werden, um eine Strahlführung zu vereinfachen und eine definierte Prozesszone des Werkstücks zu erreichen.The first laser beam and / or the second laser beam can be guided by an optical deflection element arranged between the optical element to be imaged and the first laser radiation source and the second laser radiation source and superimposed by the optical deflection element to simplify a beam guidance and to a defined process zone of the workpiece to reach.

Das optische Umlenkelement ist vorzugsweise als ein Strahlteiler, beispielsweise eine Strahlteilerplatte oder ein Strahlteilerwürfel, oder ein dichroitischer Spiegel ausgebildet.The optical deflection element is preferably designed as a beam splitter, for example a beam splitter plate or a beam splitter cube, or a dichroic mirror.

Der erste Laserstrahl kann mit einer Leistung im Bereich von 0,1 kW bis 20 kW, vorzugsweise im Bereich von 1 kW bis 10 kW emittiert werden. Der zweite Laserstrahl kann eine Pulsspitzenleistung im Bereich von vorzugsweise 0,1 MW bis 100 MW aufweisen. Typischerweise beträgt ein Verhältnis der Leistung (Pulsspitzenleistung) des zweiten Laserstrahls zur Leistung (mittlere Leistung) des ersten Laserstrahls zwischen 5·100 und 1·106.The first laser beam can be emitted with a power in the range of 0.1 kW to 20 kW, preferably in the range of 1 kW to 10 kW. The second laser beam can be a Pulse peak power in the range of preferably 0.1 MW to 100 MW have. Typically, a ratio of the power (peak power) laser beam to the second output is (average power) of the first laser beam is between 5 × 10 0 to 1 × 10. 6

Es kann vorgesehen sein, dass ein Schutzgas für eine Abschirmung des Auftreffpunkts bzw. der Prozesszone auf die Werkstückoberfläche geführt wird. Das Schutzgas kann ausgewählt sein aus Argon, Helium oder einer Mischung aus Argon und Helium, gegebenenfalls unter Beimengung von Anteilen anderer atomarer oder molekularer Gaskomponenten . Das Schutzgas sollte koaxial mit dem ersten Laserstrahl und bzw. oder dem zweiten Laserstrahl auf die Werkstückoberfläche gerichtet werden. Alternativ kann das Schutzgas auch seitlich über eine separate Schutzgasdüse in die Prozesszone bzw. auf die Werkstückoberfläche geführt werden.It can be provided that a shielding gas for a shielding of the point of impact or the process zone is guided onto the workpiece surface. The shielding gas may be selected from argon, helium or a mixture of argon and helium, optionally with the addition of portions of other atomic or molecular gas components. The shielding gas should be directed coaxially with the first laser beam and / or the second laser beam onto the workpiece surface. Alternatively, the protective gas can also be guided laterally via a separate shielding gas nozzle into the process zone or onto the workpiece surface.

Der zweite Laserstrahl kann mit einer Pulsdauer von weniger als 10 µs, vorzugsweise mit einer Pulsdauer von weniger als 10 ns, besonders vorzugsweise mit einer Pulsdauer von weniger als 10 ps emittiert werden, um keine zu große thermische Wechselwirkung mit dem Werkstoff zu ermöglichen. Vorzugsweise liegt die Pulsdauer im Bereich zwischen 1 fs und 10 ps.The second laser beam can be emitted with a pulse duration of less than 10 μs, preferably with a pulse duration of less than 10 ns, particularly preferably with a pulse duration of less than 10 ps, in order not to allow too great a thermal interaction with the material. Preferably, the pulse duration is in the range between 1 fs and 10 ps.

Eine Vorrichtung zur Lasermaterialbearbeitung eines Werkstücks mittels Photonenimpuls weist eine erste Laserstrahlungsquelle zum Emittieren eines ersten Laserstrahls und eine zweite Laserstrahlungsquelle zum Emittieren eines zweiten Laserstrahls auf. Die erste Laserstrahlungsquelle und die zweite Laserstrahlungsquelle sind dazu eingerichtet, den ersten Laserstrahl und den zweiten Laserstrahl auf einen gemeinsamen Auftreffpunkt auf einer zu bearbeitenden Werkstückoberfläche oder in einen mit dem ersten Laserstrahl aufgeschmolzenen Werkstoff des Werkstücks zu richten. Dadurch wird durch den ersten Laserstrahl ein Aufschmelzen der Werkstückoberfläche oder des Werkstoffs und durch den zweiten Laserstrahl ein Werkstoffaustrieb erreicht. Eine Einwirkzeit des zweiten Laserstrahls ist kürzer als eine Einwirkzeit des ersten Laserstrahls.A device for laser material processing of a workpiece by means of a photon pulse has a first laser radiation source for emitting a first laser beam and a second laser radiation source for emitting a second laser beam. The first laser radiation source and the second laser radiation source are configured to direct the first laser beam and the second laser beam to a common point of incidence on a workpiece surface to be machined or into a workpiece material melted with the first laser beam. As a result, a melting of the workpiece surface or of the material is achieved by the first laser beam and a material ejection by the second laser beam. An exposure time of the second laser beam is shorter than a contact time of the first laser beam.

Das beschriebene Verfahren wird typischerweise mit der beschriebenen Vorrichtung durchgeführt, d. h. die beschriebene Vorrichtung ist zum Durchführen des beschriebenen Verfahrens eingerichtet.The described method is typically performed with the described apparatus, i. H. the device described is set up to carry out the method described.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden nachfolgend anhand der 1 und 2 erläutert.Embodiments of the invention are illustrated in the drawings and are described below with reference to the 1 and 2 explained.

Es zeigen:

  • 1 eine schematische Darstellung eines Verfahrens zur Lasermaterialbearbeitung, bei dem ein Werkstück trennend bearbeitet wird und ein Materialaustrag von einer Laserstrahlungsquelle weggerichtet ist und
  • 2 eine 1 entsprechende Darstellung, bei der das Werkstück abtragend oder sequentiell trennend (durch mehrfaches Abfahren einer Bearbeitungskontur) bearbeitet wird und bei der der Materialaustrag primär entgegengesetzt der Bewegungsrichtung der Relativbewegung zwischen dem Laserstrahl und dem Material gerichtet ist.
Show it:
  • 1 a schematic representation of a method for laser material processing, in which a workpiece is processed by separating and a material discharge is directed away from a laser radiation source and
  • 2 a 1 corresponding representation in which the workpiece erosive or sequentially separating (by multiple retraction of a machining contour) is processed and in which the material discharge is directed primarily opposite to the direction of movement of the relative movement between the laser beam and the material.

In 1 werden in einer schematischen Ansicht ein Verfahren und eine entsprechende Vorrichtung zur Lasermaterialbearbeitung eines Werkstücks dargestellt. Eine erste Laserstrahlungsquelle 2 emittiert einen ersten Laserstrahl 1 als kontinuierlichen Laserstrahl, also als cw-Laserstrahl. Eine zweite Laserstrahlungsquelle 4 emittiert einen zweiten Laserstrahl 3 als gepulsten Laserstrahl, also als pw- Laserstrahl.In 1 In a schematic view, a method and a corresponding device for laser material processing of a workpiece are shown. A first laser radiation source 2 emits a first laser beam 1 as a continuous laser beam, ie as a cw laser beam. A second laser radiation source 4 emits a second laser beam 3 as a pulsed laser beam, ie as a pw laser beam.

Der erste Laserstrahl 1 und der zweite Laserstrahl 3 werden durch einen dichroitischen Spiegel 8 geführt, so dass sie gemeinsam in Richtung des zu behandelnden Werkstücks geführt werden. Der zweite Laserstrahl 3 wird hierbei am dichroitischen Spiegel umgelenkt, im dargestellten Ausführungsbeispiel um 90°, während der erste Laserstrahl 1 in gerader Linie hindurchtritt. Beide Laserstrahlen 1 und 3 werden durch eine bikonvexe Linse 7 als abbildendes optisches Element auf eine Werkstückoberfläche 6 fokussiert, wo der erste Laserstrahl 1 eine trennende Bearbeitung 9 des Werkstücks durch Aufschmelzen eines Werkstoffs des Werkstücks am Auftreffpunkt 5 durchführt, während der zweite Laserstrahl 3 für einen Materialaustrag 10 verantwortlich ist.The first laser beam 1 and the second laser beam 3 be through a dichroic mirror 8th guided, so that they are performed together in the direction of the workpiece to be treated. The second laser beam 3 is hereby deflected at the dichroic mirror, in the illustrated embodiment by 90 °, while the first laser beam 1 passes in a straight line. Both laser beams 1 and 3 be through a biconvex lens 7 as an imaging optical element on a workpiece surface 6 focused where the first laser beam 1 a separating treatment 9 of the workpiece by melting a material of the workpiece at the point of impact 5 performs while the second laser beam 3 for a material discharge 10 responsible for.

In dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel sind die Parameter des ersten Laserstrahls 1 und des zweiten Laserstrahls 3 derart gewählt, dass der Materialaustrag 10 von der ersten Laserstrahlungsquelle 2 und der zweiten Laserstrahlungsquelle 4 weggerichtet ist. Die Einwirkzeit bzw. Wechselwirkungszeit des ersten Laserstrahls 1 ist hierbei aufgrund der kontinuierlichen Emission länger als die Einwirkzeit des zweiten Laserstrahls 3. In weiteren Ausführungsformen kann auch vorgesehen sein, dass auch die erste Laserstrahlungsquelle 2 einen gepulsten Laserstrahl als den ersten Laserstrahl 1 emittiert, wobei eine Pulsdauer des ersten Laserstrahls 1 in diesem Fall größer als eine Pulsdauer des zweiten Laserstrahls 2 ist. Typischerweise ist die Pulsdauer des ersten Laserstrahls 1 hierbei um ein Vielfaches bzw. mindestens eine Größenordnung länger als die Pulsdauer des zweiten Laserstrahls 3. In dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel beträgt die Pulsdauer des zweiten Laserstrahls 3 weniger als 100 ps.In the in 1 illustrated embodiment are the parameters of the first laser beam 1 and the second laser beam 3 chosen such that the material discharge 10 from the first laser radiation source 2 and the second laser radiation source 4 is directed away. The exposure time or interaction time of the first laser beam 1 is longer due to the continuous emission than the contact time of the second laser beam 3 , In further embodiments, it may also be provided that the first laser radiation source 2 a pulsed laser beam as the first laser beam 1 emitted, wherein a pulse duration of the first laser beam 1 in this case, greater than a pulse duration of the second laser beam 2 is. Typically, the pulse duration of the first laser beam 1 in this case by a multiple or at least an order of magnitude longer than the pulse duration of the second laser beam 3 , In the in 1 shown embodiment is the pulse duration of the second laser beam 3 less than 100 ps.

Der erste Laserstahl 1 wird in dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel mit einer Leistung im Bereich von 1 kW emittiert, während der zweite Laserstrahl 3 eine mittlere Pulsspitzenleistung von 42 MW bei einer Pulsdauer von 12 ps und einer Pulsenergie von 500 µJ aufweist. In weiteren Ausführungsbeispielen kann ein Verhältnis der Leistungen zueinander (mittlere Pulsspitzenleistung des zweiten Laserstrahls zur mittleren Leistung des ersten Laserstrahls) auch im Bereich von 5·100 und 1·106 liegen.The first laser steel 1 will be in the in 1 illustrated embodiment with a power in the range of 1 kW emitted while the second laser beam 3 has a mean pulse peak power of 42 MW with a pulse duration of 12 ps and a pulse energy of 500 μJ. In further embodiments, a ratio of the powers to each other (average pulse peak power of the second laser beam to the average power of the first laser beam) in the range of 5 × 10 0 to 1 × 10 6 can lie.

Zudem kann in weiteren Ausführungsformen auch vorgesehen sein, ein Schutzgas auf die Werkstückoberfläche 6 zu führen, um den Auftreffpunkt 5 bzw. die Prozesszone von der Umgebung abzuschirmen. Durch eine Schutzgasdüse wird hierbei koaxial zu dem ersten Laserstrahl 1 und bzw. oder dem zweiten Laserstrahls 3 das Schutzgas auf die Werkstückoberfläche 6 aufgebracht. In einer weiteren Ausführungsform kann das Schutzgas auch über eine seitlich angeordnete, separate Schutzgasdüse in die oder zur Prozesszone geführt werden. Unter einer seitlichen Anordnung soll hierbei insbesondere eine Anordnung verstanden werden, bei der das Schutzgas unter einem Winkel von 45° bis 90° gegenüber dem ersten Laserstrahl 1 und bzw. oder dem zweiten Laserstrahl 3 geneigt auf den Auftreffpunkt 5 oder die Werkstückoberfläche 6 strömt.In addition, it can also be provided in further embodiments, a protective gas on the workpiece surface 6 lead to the point of impact 5 or shield the process zone from the environment. By a protective gas nozzle is coaxial with the first laser beam 1 and / or the second laser beam 3 the protective gas on the workpiece surface 6 applied. In a further embodiment, the protective gas can also be guided via a laterally arranged, separate protective gas nozzle in or to the process zone. In this case, a lateral arrangement should in particular be understood to mean an arrangement in which the protective gas is at an angle of 45 ° to 90 ° with respect to the first laser beam 1 and / or the second laser beam 3 inclined to the point of impact 5 or the workpiece surface 6 flows.

Zudem können auch Ausführungsbeispiele vorgesehen sein, in denen der erster Laserstrahl 1 und der zweite Laserstrahl 3 unter verschiedenen Winkeln auf den Auftreffpunkt 5 bzw. die Werkstückoberfläche 6 gerichtet sind. Hierbei kann sowohl auf ein Umlenkelement als auch gegebenenfalls auf ein ablenkendes optisches Element verzichtet werden. Es ist aber ebenso möglich, den emittierten Laserstrahl 1, 3 sowohl der ersten Laserstrahlungsquelle 2 als auch der zweiten Laserstrahlungsquelle 4 durch ein der jeweiligen Laserstrahlungsquelle 2, 4 zugeordnetes abbildendes optisches Element zu formen.In addition, embodiments may be provided in which the first laser beam 1 and the second laser beam 3 at different angles to the point of impact 5 or the workpiece surface 6 are directed. In this case, it is possible to dispense with a deflecting element as well as possibly a deflecting optical element. But it is also possible, the emitted laser beam 1 . 3 both the first laser radiation source 2 as well as the second laser radiation source 4 through one of the respective laser radiation source 2 . 4 to form associated imaging optical element.

Abtragende und trennende Verfahren der laserbasierten Materialbearbeitung sind dadurch gekennzeichnet, dass der Werkstoff entlang der Bearbeitungskontur thermisch aktiviert (Aufschmelzen, Verdampfen) werden muss und simultan hierzu aus der Bearbeitungszone auszutreiben ist. Diese zweifache Wirkung ist a priori lediglich bei solchen Anwendungen erfüllt, bei denen der Werkstoff entlang der Schnittfuge verdampft wird. Der Anwendungsbereich dieser Verfahrensvariante ist damit auf solche Werkstoffe begrenzt, die keine ausgeprägte Schmelzphase aufweisen. Für alle anderen Werkstoffe ist eine verdampfungsbasierte Prozessführung aufgrund thermischer Wechselwirkungen nicht realisierbar bzw. energetisch nicht sinnvoll anzuwenden.Ablative and separating methods of laser-based material processing are characterized in that the material along the machining contour thermally activated (melting, evaporation) must be and is simultaneously driven out of the processing zone. This dual effect is fulfilled a priori only in those applications in which the material is evaporated along the kerf. The scope of this process variant is thus limited to those materials that have no pronounced melting phase. For all other materials, evaporation-based process control due to thermal interactions is not feasible or energetically meaningful.

Eine thermische Aktivierung des Wechselwirkungsvolumens bei einem gleichzeitigen Materialaustrieb bzw. Werkstoffaustrieb wird unter Verwendung von pw-Laserstrahlquellen wie der zweiten Laserstrahlungsquelle 4 erreicht. Die einer solchen Prozessführung zugrundeliegenden Wechselwirkungsphänomene sind abhängig von der verfügbaren Pulsenergie bzw. Pulsenergiestromdichte (Fluenz) und der Pulsdauer. Die Pulsdauer bestimmt hierbei nicht nur die Dauer der Prozessphase für den Energieeintrag in den Werkstoff sowie die während der Pulsphase wirksame Leistungsdichte (Intensität der Laserstrahlung), sondern auch das Ausmaß der Wärmeleitung in den an die unmittelbare Prozesszone angrenzenden Grundwerkstoff. Gleichzeitig hat die Pulsdauer einen wesentlichen Einfluss auf die wirksamen Triebkräfte für den Materialaustrieb 10, da letztere insbesondere durch die Pulsleistung als Verhältnis von Pulsenergie zu Pulsdauer bzw. die Pulsintensität als Verhältnis von Pulsleistung zu Wechselwirkungsfläche (Fokusgröße) bestimmt werden.A thermal activation of the interaction volume in a simultaneous Materialaustrieb or material output is using pw laser beam sources as the second laser radiation source 4 reached. The interaction phenomena on which such a process is based depend on the available pulse energy or pulse energy density (fluence) and the pulse duration. The pulse duration determines not only the duration of the process phase for the energy input into the material and the effective during the pulse phase power density (intensity of laser radiation), but also the extent of heat conduction in the adjacent to the immediate process zone base material. At the same time, the pulse duration has a significant influence on the effective driving forces for material discharge 10 since the latter are determined in particular by the pulse power as the ratio of pulse energy to pulse duration or the pulse intensity as the ratio of pulse power to interaction surface (focus size).

Bei einer Prozessführung mit Pulsdauern im Bereich > 1 ns spielen Wärmeleitungsprozesse noch eine maßgebliche Rolle für die Prozesscharakteristik. In der Regel wird nur ein Teil der generierten Schmelze ausgetrieben und es verbleibt ein Anteil Restschmelze am Werkstoff, der zu einer Minderung der Bearbeitungsqualität (Grat, Schmelzanhaftungen) führt. Eine Erhöhung der Bearbeitungsqualität kann mit einer Verkürzung der Pulsdauer erreicht werden.In process control with pulse durations in the range of> 1 ns, heat conduction processes still play a significant role in the process characteristics. As a rule, only a portion of the generated melt is expelled and there remains a portion of residual melt on the material, which leads to a reduction of the processing quality (burr, melt adhesion). An increase in machining quality can be achieved by shortening the pulse duration.

Das Wirkprinzip des vorgestellten hybriden Lösungsansatzes beruht darauf, dass die Energie des cw-Laserstrahls primär zum Aufschmelzen des Werkstoffs entlang einer Bearbeitungsbahn genutzt wird, während simultan die Beaufschlagung der Prozesszone mit Laserstrahlpulsen des zweiten Laserstrahls 3 einen Austrieb des geschmolzenen Werkstoffes bewirkt. Infolge der vorgeschlagenen synergetischen Kopplung wird es möglich, dass bisher ausschließlich mit einer pw-Strahlquelle ausgeführte Abtrags- und Trennprozesse thermisch effizienter und mit einer erhöhten Abtragungsrate realisiert werden können. Andererseits wird es möglich, dass bisher ausschließlich mit einer cw-Strahlquelle ausgeführte Abtrags- und Trennprozesse ohne zusätzliches Prozessgas realisiert werden können, wodurch einerseits die Betriebs- und Fertigungskosten gesenkt werden können und andererseits eine höhere Flexibilität für die Bearbeitung erreicht werden kann. Gase können in Funktion eines Schutzgases jedoch für eine Abschirmung der Prozesszone von der Atmosphäre eingesetzt werden.The operating principle of the proposed hybrid approach is based on the fact that the energy of the cw laser beam is used primarily for melting the material along a processing path, while simultaneously the application of laser beam pulses of the second laser beam 3 causes a budding of the molten material. As a result of the proposed synergistic coupling, it is possible that previously carried out exclusively with a pw beam source removal and separation processes can be realized thermally efficient and with an increased removal rate. On the other hand, it is possible that previously performed exclusively with a cw beam source removal and separation processes can be realized without additional process gas, which on the one hand, the operating and manufacturing costs can be reduced and on the other hand, a higher flexibility for processing can be achieved. However, gases can be used as a shielding gas for shielding the process zone from the atmosphere.

2 zeigt in einer 1 entsprechenden Ansicht ein Ausführungsbeispiel, bei dem die Parameter des ersten Laserstrahls 1 derart gewählt wurden, dass das Werkstück nicht komplett getrennt wird, sondern nur eingeschnitten wird, wobei der Materialaustrag 10 nun vom Werkstück weggerichtet und primär in einer Richtung entgegengesetzt der Bearbeitungsrichtung erfolgt. Wiederkehrende Merkmale sind in dieser Figur mit identischen Bezugszeichen wie in 1 versehen. 2 shows in one 1 corresponding view of an embodiment in which the parameters of the first laser beam 1 were chosen so that the workpiece is not completely separated, but only cut, the material discharge 10 now directed away from the workpiece and primarily in a direction opposite to the machining direction. Recurring features in this figure are given the same reference numerals as in FIG 1 Mistake.

Lediglich in den Ausführungsbeispielen offenbarte Merkmale der verschiedenen Ausführungsformen können miteinander kombiniert und einzeln beansprucht werden.Only features disclosed in the embodiments of the various embodiments can be combined and claimed individually.

Claims (10)

Verfahren zur Lasermaterialbearbeitung eines Werkstücks mittels Photonenimpuls, bei dem ein erster Laserstrahl (1) aus einer ersten Laserstrahlungsquelle (2) und ein zweiter Laserstrahl (3) aus einer zweiten Laserstrahlungsquelle (4) auf einen gemeinsamen Auftreffpunkt (5) auf einer zu bearbeitenden Werkstückoberfläche (6) oder in einen mit dem ersten Laserstrahl (1) aufgeschmolzenen Werkstoff des Werkstücks gerichtet werden, so dass durch den ersten Laserstrahl (1) ein Aufschmelzen (9) der Werkstückoberfläche (6) oder des Werkstoffs und durch den zweiten Laserstrahl (3) ein Werkstoffaustrieb (10) erreicht wird, wobei eine Einwirkzeit des zweiten Laserstrahls (3) kürzer ist als eine Einwirkzeit des ersten Laserstrahls (1).Method for laser material processing of a workpiece by means of a photon pulse, in which a first laser beam (1) from a first laser radiation source (2) and a second laser beam (3) from a second laser radiation source (4) be directed to a common point of impact (5) on a workpiece surface to be machined (6) or in a with the first laser beam (1) melted material of the workpiece, so that a material ejection (10) is achieved by the first laser beam (1) melting (9) of the workpiece surface (6) or of the material and by the second laser beam (3) an exposure time of the second laser beam (3) is shorter than a contact time of the first laser beam (1). Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Laserstrahl (3) als gepulster Laserstrahl von der zweiten Laserstrahlungsquelle (4) emittiert wird und der erste Laserstrahl (1) als kontinuierlicher Laserstrahl von der ersten Laserstrahlungsquelle (2) emittiert wird oder der erste Laserstrahl (1) als gepulster Laserstrahl mit einer Pulsdauer von der ersten Laserstrahlungsquelle (2) emittiert wird, die größer ist als eine Pulsdauer des zweiten Laserstrahls (3).Method according to Claim 1 characterized in that the second laser beam (3) is emitted as a pulsed laser beam from the second laser radiation source (4) and the first laser beam (1) is emitted as a continuous laser beam from the first laser radiation source (2) or the first laser beam (1) as Pulsed laser beam is emitted with a pulse duration of the first laser radiation source (2), which is greater than a pulse duration of the second laser beam (3). Verfahren nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Laserstrahl (1) und der zweite Laserstrahl (3) durch mindestens ein abbildendes optisches Element (7) auf die Werkstückoberfläche (6) gerichtet werden.Method according to Claim 1 or Claim 2 , characterized in that the first laser beam (1) and the second laser beam (3) are directed by at least one imaging optical element (7) on the workpiece surface (6). Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Laserstrahl (1) und/oder der zweite Laserstrahl (3) durch ein zwischen dem abbildenden optischen Element (7) sowie der ersten Laserstrahlungsquelle (2) und der zweiten Laserstrahlungsquelle (4) angeordnetes optisches Umlenkelement (8) geführt werden und durch das optische Umlenkelement (8) überlagert werden.Method according to Claim 3 , characterized in that the first laser beam (1) and / or the second laser beam (3) arranged between the imaging optical element (7) and the first laser radiation source (2) and the second laser radiation source (4) optical deflection element (8) are guided and superimposed by the optical deflecting element (8). Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das optische Umlenkelement (8) als ein Strahlteiler oder ein dichroitischer Spiegel ausgebildet ist.Method according to Claim 4 , characterized in that the optical deflection element (8) is designed as a beam splitter or a dichroic mirror. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Laserstrahl (1) mit einer Leistung im Bereich von 0,1 kW bis 20 kW emittiert wird.Method according to one of the preceding claims, characterized in that the first laser beam (1) is emitted with a power in the range of 0.1 kW to 20 kW. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Laserstrahl (3) mit einer Pulsspitzenleistung von 0,1 MW bis 100 MW emittiert wird.Method according to one of the preceding claims, characterized in that the second laser beam (3) is emitted with a pulse peak power of 0.1 MW to 100 MW. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Schutzgas für eine Abschirmung des Auftreffpunkts auf die Werkstückoberfläche geführt wird.Method according to one of the preceding claims, characterized in that a protective gas for a shielding of the point of impact is guided on the workpiece surface. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Laserstrahl (3) mit einer Pulsdauer von weniger als 10 µs, vorzugsweise mit einer Pulsdauer von weniger als 10 ns, besonders vorzugsweise mit einer Pulsdauer von weniger als 10 ps emittiert wird.Method according to one of the preceding claims, characterized in that the second laser beam (3) is emitted with a pulse duration of less than 10 μs, preferably with a pulse duration of less than 10 ns, particularly preferably with a pulse duration of less than 10 ps. Vorrichtung zur Lasermaterialbearbeitung eines Werkstücks mittels Photonenimpuls mit einer ersten Laserstrahlungsquelle (2) zum Emittieren eines ersten Laserstrahls (1) und einer zweiten Laserstrahlungsquelle (4) zum Emittieren eines zweiten Laserstrahls (3), wobei die erste Laserstrahlungsquelle (2) und die zweite Laserstrahlungsquelle (4) eingerichtet sind, den ersten Laserstrahl (1) und den zweiten Laserstrahl (3) auf einen gemeinsamen Auftreffpunkt (5) auf einer zu bearbeitenden Werkstückoberfläche (6) oder in einen mit dem ersten Laserstrahl (1) aufgeschmolzenen Werkstoff des Werkstücks zu richten, so dass durch den ersten Laserstrahl (1) ein Aufschmelzen (9) der Werkstückoberfläche (6) oder des Werkstoffs und durch den zweiten Laserstrahl (3) ein Werkstoffaustrieb (10) erreicht wird, wobei eine Einwirkzeit des zweiten Laserstrahls (3) kürzer ist als eine Einwirkzeit des ersten Laserstrahls (1).Device for laser material processing of a workpiece by means of a photon pulse a first laser radiation source (2) for emitting a first laser beam (1) and a second laser radiation source (4) for emitting a second laser beam (3), wherein the first laser radiation source (2) and the second laser radiation source (4) are arranged, the first laser beam (1) and the second laser beam (3) on a common point of incidence (5) on a machined workpiece surface (6) or in one with the first Laser beam (1) to direct molten material of the workpiece, so that a material ejection (10) is achieved by the first laser beam (1) melting (9) of the workpiece surface (6) or of the material and by the second laser beam (3) an exposure time of the second laser beam (3) is shorter than a contact time of the first laser beam (1).
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