DE102019122827A1 - Device and method for cutting out a partial geometry from a block of material - Google Patents

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Abstract

Die Vorrichtung (100) zum Ausschneiden einer Teilgeometrie (112) aus einem Materialblock (104) weist eine Halteeinrichtung (106) zum Halten des Materialblocks (104) und eine Lasereinrichtung (108) auf, die ausgebildet ist, um einen auf einen Laserbrennpunkt fokussierten Laserstrahl (102) auszusenden. Weiterhin weist die Vorrichtung (100) eine Bewegungseinrichtung (110) auf, die ausgebildet ist, um eine Relativbewegung zwischen der Lasereinrichtung (108) und dem Materialblock (104) zu bewirken, wenn der Materialblock (104) von der Halteeinrichtung (106) gehalten wird. Dabei bewirkt die Relativbewegung eine Bewegung des Laserbrennpunkts im Inneren des Materialblocks (104) entlang einer Oberfläche der Teilgeometrie (112), um die Teilgeometrie (112) aus dem Materialblock (104) auszuschneiden.The device (100) for cutting out a partial geometry (112) from a material block (104) has a holding device (106) for holding the material block (104) and a laser device (108) which is designed to generate a laser beam focused on a laser focal point (102) to send out. The device (100) also has a movement device (110) which is designed to bring about a relative movement between the laser device (108) and the material block (104) when the material block (104) is held by the holding device (106) . The relative movement causes the laser focal point to move inside the material block (104) along a surface of the partial geometry (112) in order to cut the partial geometry (112) out of the material block (104).

Description

Stand der TechnikState of the art

Der hier vorgestellte Ansatz geht von einer Vorrichtung oder einem Verfahren zum Ausschneiden einer Teilgeometrie aus einem Materialblock nach Gattung der unabhängigen Ansprüche aus.The approach presented here is based on a device or a method for cutting out a partial geometry from a block of material according to the preamble of the independent claims.

Bei der spanenden Bearbeitung von beispielsweise monokristallinem Basismaterial entsteht ein hoher Anteil an Schleifstaub, der mit Schmiermittelrückständen und Mikropartikeln der dafür verwendeten Werkzeuge verunreinigt ist. Dieser Schleifstaub wird in einem Recycling-Prozess zu verwertbarem polykristallinem Vormaterial gemacht, um anschließend zur Herstellung von monokristallinem Basismaterial zugeführt werden zu können.When machining, for example, monocrystalline base material, a high proportion of grinding dust is generated, which is contaminated with lubricant residues and microparticles from the tools used for this purpose. This grinding dust is made into usable polycrystalline primary material in a recycling process so that it can then be used for the production of monocrystalline base material.

Die EP 2121236 beschreibt ein Verfahren zum Bilden einer rotationssymmetrischen Fläche auf einem polykristallinen Diamantelement oder einem Diamantelement.The EP 2121236 describes a method of forming a rotationally symmetrical surface on a polycrystalline diamond element or a diamond element.

Vor diesem Hintergrund werden mit dem hier vorgestellten Ansatz eine verbesserte Vorrichtung und ein verbessertes Verfahren zum Ausschneiden einer Teilgeometrie aus einem Materialblock gemäß den Hauptansprüchen vorgestellt. Durch die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der im unabhängigen Anspruch angegebenen Vorrichtung möglich.Against this background, the approach presented here is used to present an improved device and an improved method for cutting out a partial geometry from a block of material according to the main claims. The measures listed in the dependent claims enable advantageous developments and improvements of the device specified in the independent claim.

Durch den hier vorgestellten Ansatz wird eine Möglichkeit geschaffen, die Teilgeometrie so auszuschneiden, dass eine geringe Menge von Schleifstaub, der auch als „Kerf“ bezeichnet wird, und eine große Menge von Bruchmaterial entsteht, das als „Scrap“ bezeichnet wird. Dadurch kann vorteilhafterweise sowohl der Recycling-Prozess als auch der Fertigungsprozess effizienter und schonender bezüglich eines Verbrauchs von Neumaterial durchgeführt werden.The approach presented here creates a possibility of cutting out the part geometry in such a way that a small amount of grinding dust, also known as “kerf”, and a large amount of broken material, which is known as “scrap”, are produced. As a result, both the recycling process and the production process can advantageously be carried out more efficiently and more gently with regard to the consumption of new material.

Es wird eine Vorrichtung zum Ausschneiden einer Teilgeometrie aus einem Materialblock vorgestellt, die eine Halteeinrichtung zum Halten des Materialblocks und eine Lasereinrichtung aufweist, die ausgebildet ist, um einen auf einen Laserbrennpunkt fokussierten Laserstrahl auszusenden. Weiterhin weist die Vorrichtung eine Bewegungseinrichtung auf, die ausgebildet ist, um eine Relativbewegung zwischen der Lasereinrichtung und dem Materialblock zu bewirken, wenn der Materialblock von der Halteeinrichtung gehalten wird. Dabei bewirkt die Relativbewegung eine Bewegung des Laserbrennpunkts im Inneren des Materialblocks entlang einer Oberfläche der Teilgeometrie, um die Teilgeometrie aus dem Materialblock auszuschneiden.A device for cutting out a partial geometry from a block of material is presented, which has a holding device for holding the block of material and a laser device which is designed to emit a laser beam focused on a laser focal point. Furthermore, the device has a movement device which is designed to bring about a relative movement between the laser device and the material block when the material block is held by the holding device. The relative movement brings about a movement of the laser focal point inside the material block along a surface of the partial geometry in order to cut out the partial geometry from the material block.

Die Vorrichtung kann beispielsweise als ein Gerät zur Herstellung der Teilgeometrie realisiert sein. Die Teilgeometrie kann beispielsweise eine Form oder Kontur eines Endprodukts sein, welche die Vorrichtung aus dem Materialblock ausschneidet. Somit kann die Teilgeometrie auch als Synonym für das auszuschneidende Endprodukt stehen, dessen Form durch die Teilegeometrie bestimmt wird. Beispielsweise kann die Vorrichtung verwendet werden, um ein die Teilgeometrie aufweisendes Halbzeug oder Formstück, beispielsweise für ein optisches Element oder in Form eines optischen Elements, aus dem Materialblock auszuschneiden. Beispielsweise kann eine Infrarot-Optik unter Verwendung der Vorrichtung aus dem Materialblock ausgeschnitten werden. Der Materialblock kann dabei beispielsweise monokristallines Germanium oder Silizium sein, die beispielsweise in den Bereichen der Elektronik, Optik, und zusätzlich oder alternativ in der Technik einsetzbar sind. Die Lasereinrichtung kann beispielsweise einen Laser und ein Optikelement aufweisen. Der Laserstrahl kann geeignet sein, um Material des Materialblocks im Brennpunkt schmelzen oder verdampfen zu lassen. Die Bewegungseinrichtung kann beispielsweise zumindest einen Motor umfassen, durch den die Relativbewegung bewirkt wird und der beispielsweise von einem Steuergerät angesteuert werden kann. Indem der Laser ins Innere des Materialblock fokussiert wird, kann im Inneren des Materialblocks ein entlang der Teilegeometrie geführter Spalt ausgeformt werden. Vorteilhafterweise kann durch die Verwendung der Lasereinrichtung und des Formens des Spalts im Inneren des Materialblocks ein rotationssymmetrischer Körper, wie zum Beispiel ein „Dom“, gefertigt werden, wobei mit dieser spezifischen Methode deutlich weniger Schleifstaub („Kerf“) erzeugt wird, dafür aber signifikant mehr Bruchmaterial („Scrap“). Mit dieser Steigerung der Effizienz im Fertigungs-, aber auch im Recyclingprozess kann letztlich auch die gesamtheitlich betrachtete Produktivität gesteigert werden.The device can be implemented, for example, as a device for producing the partial geometry. The partial geometry can be, for example, a shape or contour of an end product which the device cuts out of the block of material. The part geometry can therefore also be used as a synonym for the end product to be cut out, the shape of which is determined by the part geometry. For example, the device can be used to cut out a semi-finished product or shaped piece having the partial geometry, for example for an optical element or in the form of an optical element, from the material block. For example, infrared optics can be cut out of the block of material using the device. The material block can be, for example, monocrystalline germanium or silicon, which can be used, for example, in the fields of electronics, optics, and additionally or alternatively in technology. The laser device can for example have a laser and an optical element. The laser beam can be suitable for melting or vaporizing material of the material block at the focal point. The movement device can, for example, comprise at least one motor, by means of which the relative movement is effected and which can, for example, be controlled by a control device. By focusing the laser into the interior of the material block, a gap can be formed inside the material block that is guided along the part geometry. Advantageously, a rotationally symmetrical body, such as a "dome", can be produced by using the laser device and the shaping of the gap inside the material block, with this specific method producing significantly less grinding dust ("kerf"), but significantly more scrap material (“scrap”). With this increase in efficiency in the manufacturing process, but also in the recycling process, the overall productivity can ultimately be increased.

Gemäß einer Ausführungsform kann die Bewegungseinrichtung ausgebildet sein, um die Lasereinrichtung und den Materialblock während der Relativbewegung so gegeneinander auszurichten, dass der Laserstrahl durch einen Abschnitt des Materialblocks zu dem Laserbrennpunkt auf einer äußeren Oberfläche der Teilgeometrie geführt wird. Zusätzlich oder alternativ kann der Laserstrahl durch eine von der Teilgeometrie ausgeformten Wand zu dem Laserbrennpunkt auf einer inneren Oberfläche der Teilgeometrie geführt werden. Das bedeutet, dass der Laserstrahl einen Abschnitt des Materialblocks und zusätzlich oder alternativ einen Abschnitt des aus dem Materialblock auszuschneidenden Endstücks durchdringen kann und nur im Bereich des Laserbrennpunkts Material des Materialblocks so stark erhitzt, dass dieses abgetragen wird. Somit wird der Materialblock nicht von außen bis zu der Teilegeometrie abgetragen, sondern es wird direkt im Inneren des Materialblocks geschnitten. Dadurch kann die Teilegeometrie sehr schnell ausgeschnitten werden. Vorteilhafterweise können dadurch auch große Stücke des Materialblocks abgeschnitten werden, die sich einfach auffangen und recyceln lassen.According to one embodiment, the movement device can be designed to align the laser device and the material block with one another during the relative movement such that the laser beam is guided through a section of the material block to the laser focal point on an outer surface of the partial geometry. Additionally or alternatively, the laser beam can be guided through a wall formed by the partial geometry to the laser focal point on an inner surface of the partial geometry. This means that the laser beam can penetrate a section of the material block and additionally or alternatively a section of the end piece to be cut from the material block and only heats the material of the material block so strongly in the area of the laser focal point that it is removed. Thus, the material block is not from the outside to the part geometry removed, but it is cut directly inside the material block. This allows the part geometry to be cut out very quickly. Advantageously, large pieces of the block of material can also be cut off in this way, which can be easily collected and recycled.

Die Lasereinrichtung kann dazu ausgebildet sein, um den Laserstrahl mit einer zum Durchdringen des Materialblocks geeigneten Wellenlänge auszusenden. Beispielsweise kann ein Infrarotlaser verwendet werden. Ein solcher Laserstrahl kann das Material des Materialblocks mit nur geringen Intensitätsverlusten bis zu dem Laserbrennpunkt durchdringen und erst am Laserbrennpunkt eine so große Erhitzung des Materials des Materialblocks bewirken, dass das Material im Bereich des Laserbrennpunkts schmilzt oder verdampft. Dies ermöglicht es, mit dem Laserstrahl eine Kavität im Inneren des Materialblocks auszuformen.The laser device can be designed to emit the laser beam with a wavelength suitable for penetrating the block of material. For example, an infrared laser can be used. Such a laser beam can penetrate the material of the material block with only slight loss of intensity up to the laser focal point and only cause the material of the material block to be heated so much at the laser focal point that the material melts or evaporates in the area of the laser focal point. This makes it possible to use the laser beam to form a cavity inside the block of material.

Gemäß einer Ausführungsform kann die Bewegungseinrichtung eine Rotationseinrichtung umfassen, die ausgebildet sein kann, um zum Bewirken eines Anteils der Relativbewegung den Materialblock um zumindest eine Rotationsachse zu drehen. Das bedeutet, dass die Halteeinrichtung mit beispielsweise einem Motor verbunden sein kann, welcher die Relativbewegung bewirkt. Vorteilhafterweise können dadurch alle um die Rotationsachse liegenden Seiten des Materialblocks von der Lasereinrichtung bearbeitet werden. Die Rotationseinrichtung kann ausgebildet sein, um den Materialblock sowohl in als auch entgegen dem Uhrzeigersinn zu drehen. Das bedeutet, dass die Drehrichtung der Rotationseinrichtung variabel gestaltet ist, sodass diese vorteilhafterweise individuell einstellbar ist. Gemäß einer Ausführungsform kann die Rotationseinrichtung so ausgebildet sein, dass der Materialblock mit konstanter Drehgeschwindigkeit drehen kann. Vorteilhafterweise kann der Materialblock dadurch gleichmäßig bearbeitet werden, sodass beispielsweise ein einen konstanten Durchmesser aufweisender Spalt entlang der Teilgeometrie ausgeschnitten werden kann.According to one embodiment, the movement device can comprise a rotation device which can be designed to rotate the material block about at least one axis of rotation in order to effect a portion of the relative movement. This means that the holding device can be connected, for example, to a motor which brings about the relative movement. As a result, all sides of the material block lying around the axis of rotation can advantageously be processed by the laser device. The rotation device can be designed to rotate the material block both clockwise and counterclockwise. This means that the direction of rotation of the rotation device is designed to be variable, so that it can advantageously be set individually. According to one embodiment, the rotation device can be designed in such a way that the material block can rotate at a constant rotational speed. The block of material can thereby advantageously be machined uniformly so that, for example, a gap having a constant diameter can be cut out along the partial geometry.

Die Bewegungseinrichtung kann eine Verfahreinrichtung aufweisen, die so ausgebildet sein kann, dass damit die Lasereinrichtung bewegt werden kann. Die Verfahreinrichtung kann beispielsweise über einen Motor realisiert sein. Vorteilhafterweise ist die Lasereinrichtung dadurch in ihrer Position verstellbar. Somit kann die Relativbewegung entweder ausschließlich durch Bewegen der Lasereinrichtung oder durch eine Kombination aus aufeinander abgestimmten Bewegungen der Halteeinrichtung und der Lasereinrichtung realisiert werden.The movement device can have a displacement device which can be designed in such a way that the laser device can be moved with it. The traversing device can be implemented, for example, by means of a motor. The position of the laser device can thereby advantageously be adjusted. Thus, the relative movement can be realized either exclusively by moving the laser device or by a combination of mutually coordinated movements of the holding device and the laser device.

Gemäß einer Ausführungsform kann die Verfahreinrichtung ausgebildet sein, um die Lasereinrichtung in eine erste Verfahrrichtung und zumindest eine zu der ersten Verfahrrichtung vertikal ausgerichteten zweiten Verfahrrichtung zu bewegen. Durch die erste Verfahrrichtung kann beispielsweise eine Höhenposition der Lasereinrichtung eingestellt werden. Durch die zweite Verfahrrichtung kann beispielsweise eine Entfernung der Lasereinrichtung zu dem Materialblock eingestellt werden. Vorteilhafterweise kann dadurch der Laserbrennpunkt entlang einer nahezu beliebigen Form der auszuschneidenden Teilgeometrie geführt werden.According to one embodiment, the traversing device can be designed to move the laser device in a first traversing direction and at least one second traversing direction aligned vertically with respect to the first traversing direction. A height position of the laser device can, for example, be set by the first travel direction. A distance between the laser device and the material block can, for example, be set by means of the second travel direction. In this way, the laser focal point can advantageously be guided along almost any shape of the partial geometry to be cut out.

Durch die erste Verfahrrichtung und die zweite Verfahrrichtung definierte Bewegungen können gemäß einer Ausführungsform jeweils linear sein. Das bedeutet, dass die erste Verfahrrichtung und die zweite Verfahrrichtung der Lasereinrichtung jeweils auf einer Geraden liegen, die quer zueinander angeordnet sein können.According to one embodiment, movements defined by the first direction of travel and the second direction of travel can each be linear. This means that the first direction of travel and the second direction of travel of the laser device each lie on a straight line that can be arranged transversely to one another.

Die Verfahreinrichtung kann ausgebildet sein, um die Lasereinrichtung in drei Dimensionen zu bewegen. Vorteilhafterweise kann somit auf die Rotationseinrichtung komplett verzichtet werden. Damit lässt sich die Relativbewegung des Laserstrahls zum zu fertigenden rotationssymmetrischen Teil ebenfalls realisieren.The traversing device can be designed to move the laser device in three dimensions. Advantageously, the rotation device can thus be completely dispensed with. The relative movement of the laser beam to the rotationally symmetrical part to be manufactured can thus also be realized.

Gemäß einer Ausführungsform kann die Lasereinrichtung eine Optik aufweisen, die ausgebildet sein kann, um den Laserstrahl in einem vordefinierten Abstand von der Optik in dem Laserbrennpunkt zu fokussieren. Die Optik kann beispielsweise als Linse ausgeformt sein und zusätzlich oder alternativ wie ein Kameraobjektiv einstellbar sein, um den Laserstrahl in einem bestimmten Abstand zu der Lasereinrichtung zu fokussieren. Vorteilhafterweise kann dadurch eine Eindringtiefe des Laserstrahls in den Materialblock festgelegt werden.According to one embodiment, the laser device can have optics which can be designed to focus the laser beam at a predefined distance from the optics in the laser focal point. The optics can, for example, be shaped as a lens and, additionally or alternatively, can be adjusted like a camera lens in order to focus the laser beam at a certain distance from the laser device. In this way, a penetration depth of the laser beam into the material block can advantageously be established.

Die Vorrichtung kann eine Absaugeinrichtung aufweisen, die so ausgebildet sein kann, um einen feinen Abtrag des Materialblocks abzusaugen. Das bedeutet, dass die Absaugeinrichtung beispielsweise einen gasförmigen Abtrag, wie beispielsweise Siliziumoxid, oder alternativ den Abtrag in pulverisierter Form aus der Vorrichtung absaugen kann. Vorteilhafterweise können dadurch für Menschen möglicherweise gesundheitsschädliche Stoffe abtransportiert werden.The device can have a suction device which can be designed to suction off a fine removal of material from the block of material. This means that the suction device can, for example, suction a gaseous material, such as silicon oxide, or, alternatively, the material removed from the device in powdered form. In this way, substances that may be harmful to human health can advantageously be transported away.

Gemäß einer Ausführungsform kann die Vorrichtung ein Gehäuse aufweisen, das so ausgebildet sein kann, um die Vorrichtung nach außen abzudichten. Das bedeutet, dass das Gehäuse vorteilhafterweise hermetisch dicht ist, sodass keine innerhalb des Gehäuses befindlichen Stoffe nach außen und zusätzlich oder alternativ keine Stoffe in das Gehäuse gelangen können. Das Gehäuse kann beispielsweise eckig, aber auch zylindrisch ausgeformt sein.According to one embodiment, the device can have a housing which can be designed to seal the device from the outside. This means that the housing is advantageously hermetically sealed, so that no substances located inside the housing can get to the outside and, additionally or alternatively, no substances can get into the housing. The housing can, for example, be angular, but also cylindrical.

Weiterhin wird ein Verfahren zum Ausschneiden einer Teilgeometrie aus einem Materialblock vorgestellt, das einen ersten Schritt zum Aussenden eines auf einen Laserbrennpunkt fokussierten Laserstrahls und einen zweiten Schritt zum Bewirken einer Relativbewegung zwischen der Lasereinrichtung und dem Materialblock umfasst. Dabei bewirkt die Relativbewegung eine Bewegung des Laserbrennpunkts im Inneren des Materialblocks entlang einer Oberfläche der Teilgeometrie, um die Teilgeometrie letztlich aus dem Materialblock auszuschneiden.Furthermore, a method for cutting out a partial geometry from a material block is presented, which comprises a first step for emitting a laser beam focused on a laser focal point and a second step for bringing about a relative movement between the laser device and the material block. The relative movement brings about a movement of the laser focal point inside the material block along a surface of the partial geometry in order to ultimately cut the partial geometry out of the material block.

Das Verfahren kann beispielsweise in einer Vorrichtung in einer der zuvor vorgestellten Varianten angewandt werden. Das Verfahren kann dem entsprechend ebenfalls für monokristallines Germanium und zusätzlich oder alternativ auch für Silizium eingesetzt werden.The method can be used, for example, in a device in one of the variants presented above. The method can accordingly also be used for monocrystalline germanium and additionally or alternatively also for silicon.

Der hier vorgestellte Ansatz erfordert gemäß einer Ausführungsform ein Steuergerät, das so ausgebildet ist, um die Schritte einer Variante eines hier vorgestellten Verfahrens in entsprechenden Einrichtungen zu realisieren. Auch durch diese Ausführungsvariante der Erfindung mit Hilfe eines Steuergeräts kann die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe schnell und effizient gelöst werden. Insbesondere kann das Steuergerät verwendet werden, um die Relativbewegung zwischen der Lasereinrichtung und dem Materialblock zu steuern und optional das Aussenden des Laserstrahls zu steuern.According to one embodiment, the approach presented here requires a control device which is designed to implement the steps of a variant of a method presented here in corresponding devices. The object on which the invention is based can also be achieved quickly and efficiently by means of this embodiment variant of the invention with the aid of a control device. In particular, the control device can be used to control the relative movement between the laser device and the material block and optionally to control the emission of the laser beam.

Hierzu kann das Steuergerät eine Recheneinheit zum Verarbeiten von Signalen oder Daten, eine Speichereinheit zum Speichern von Signalen oder Daten, eine Schnittstelle zu einem Sensor oder einem Aktor zum Einlesen von Sensorsignalen von dem Sensor oder zum Ausgeben von Daten- oder Steuersignalen an den Aktor und/oder eine Kommunikationsschnittstelle zum Einlesen oder Ausgeben von Daten aufweisen, die in ein Kommunikationsprotokoll eingebettet sind. Die Recheneinheit kann beispielsweise ein Signalprozessor, ein Mikrocontroller oder dergleichen sein, wobei die Speichereinheit ein Flash-Speicher, ein EEPROM oder eine magnetische Speichereinheit sein kann. Die Kommunikationsschnittstelle kann ausgebildet sein, um Daten drahtlos und/oder leitungsgebunden einzulesen oder auszugeben, wobei eine Kommunikationsschnittstelle, die leitungsgebundene Daten einlesen oder ausgeben kann, diese Daten beispielsweise elektrisch oder optisch aus einer entsprechenden Datenübertragungsleitung einlesen oder in eine entsprechende Datenübertragungsleitung ausgeben kann.For this purpose, the control device can have a computing unit for processing signals or data, a memory unit for storing signals or data, an interface to a sensor or an actuator for reading in sensor signals from the sensor or for outputting data or control signals to the actuator and / or have a communication interface for reading in or outputting data that is embedded in a communication protocol. The computing unit can be, for example, a signal processor, a microcontroller or the like, wherein the storage unit can be a flash memory, an EEPROM or a magnetic storage unit. The communication interface can be designed to read in or output data wirelessly and / or wired, a communication interface that can read in or output wired data, for example, can read this data electrically or optically from a corresponding data transmission line or output it into a corresponding data transmission line.

Unter einem Steuergerät kann vorliegend ein elektrisches Gerät verstanden werden, das Sensorsignale verarbeitet und in Abhängigkeit davon Steuer- und/oder Datensignale ausgibt. Das Steuergerät kann eine Schnittstelle aufweisen, die hard- und/oder softwaremäßig ausgebildet sein kann. Bei einer hardwaremäßigen Ausbildung können die Schnittstellen beispielsweise Teil eines sogenannten System-ASICs sein, der verschiedenste Funktionen der Vorrichtung beinhaltet. Es ist jedoch auch möglich, dass die Schnittstellen eigene, integrierte Schaltkreise sind oder zumindest teilweise aus diskreten Bauelementen bestehen. Bei einer softwaremäßigen Ausbildung können die Schnittstellen Softwaremodule sein, die beispielsweise auf einem Mikrocontroller neben anderen Softwaremodulen vorhanden sind.In the present case, a control device can be understood to mean an electrical device that processes sensor signals and outputs control and / or data signals as a function thereof. The control device can have an interface that can be designed in terms of hardware and / or software. In the case of a hardware design, the interfaces can be part of a so-called system ASIC, for example, which contains a wide variety of functions of the device. However, it is also possible that the interfaces are separate, integrated circuits or at least partially consist of discrete components. In the case of a software-based design, the interfaces can be software modules that are present, for example, on a microcontroller in addition to other software modules.

Ausführungsbeispiele des hier vorgestellten Ansatzes sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigt:

  • 1 eine schematische Seitendarstellung einer Vorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel;
  • 2 eine schematische Seitendarstellung einer Vorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel;
  • 3 eine schematische Seitendarstellung einer Vorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel
  • 4 eine schematische Darstellung eines Laserbrennpunkts an einer Teilgeometrie gemäß einem Ausführungsbeispiel; und
  • 5 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Ausschneiden einer Teilgeometrie aus einem Materialblock.
Embodiments of the approach presented here are shown in the drawings and explained in more detail in the description below. It shows:
  • 1 a schematic side view of a device according to an embodiment;
  • 2 a schematic side view of a device according to an embodiment;
  • 3rd a schematic side view of a device according to an embodiment
  • 4th a schematic representation of a laser focal point on a partial geometry according to an embodiment; and
  • 5 a flowchart of a method for cutting out a part geometry from a block of material.

In der nachfolgenden Beschreibung günstiger Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden für die in den verschiedenen Figuren dargestellten und ähnlich wirkenden Elemente gleiche oder ähnliche Bezugszeichen verwendet, wobei auf eine wiederholte Beschreibung dieser Elemente verzichtet wird.In the following description of advantageous exemplary embodiments of the present invention, the same or similar reference numerals are used for the elements shown in the various figures and having a similar effect, a repeated description of these elements being dispensed with.

1 zeigt eine schematische Seitendarstellung einer Vorrichtung 100 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Die Vorrichtung 100 kann beispielsweise als eine Laserschneidemaschine realisiert sein, die ausgebildet ist, um mittels zumindest eines Laserstrahls 102 einen Werkstoff zu schneiden. Gemäß diesem Ausführungsbeispiel ist der Werkstoff als ein Materialblock 104 ausgeformt, der beispielsweise aus Germanium oder Silizium besteht oder zumindest aufweist. Die Vorrichtung 100 weist dabei eine Halteeinrichtung 106 auf, die ausgebildet ist, um den Materialblock 104 zu halten. Weiterhin weist die Vorrichtung 100 eine Lasereinrichtung 108 auf, die ausgebildet ist, um den auf einen Laserbrennpunkt fokussierten Laserstrahl 102 auszusenden. Die Vorrichtung 100 weist eine Bewegungseinrichtung 110 auf, die ausgebildet ist, um eine Relativbewegung zwischen der Lasereinrichtung 108 und dem Materialblock 104 zu bewirken, wenn der Materialblock 104 von der Halteeinrichtung 106 gehalten wird. Dabei wird die Relativbewegung so ausgeführt, dass der Laserbrennpunkt in einem Inneren des Materialblocks 104 entlang einer Oberfläche der Teilgeometrie 112 geführt wird, um die Teilgeometrie 112 aus dem Materialblock 104 auszuschneiden. Mit anderen Worten kann ein Endprodukt aus dem Materialblock 104 ausgeschnitten werden, dessen Form durch die Teilegeometrie 112 definiert ist. 1 shows a schematic side view of a device 100 according to an embodiment. The device 100 can be implemented, for example, as a laser cutting machine which is designed to use at least one laser beam 102 to cut a material. According to this exemplary embodiment, the material is available as a block of material 104 formed, which consists for example of germanium or silicon or at least has. The device 100 has a holding device 106 on, which is formed around the block of material 104 to keep. Furthermore, the device 100 a laser device 108 on, which is designed to focus the laser beam on a laser focal point 102 to send out. The device 100 has a movement device 110 on, which is designed to allow a relative movement between the laser device 108 and the Material block 104 to effect when the block of material 104 from the holding device 106 is held. The relative movement is carried out in such a way that the laser focal point is in an interior of the material block 104 along a surface of the part geometry 112 is guided to the part geometry 112 from the material block 104 cut out. In other words, an end product can be made from the block of material 104 cut out whose shape is determined by the part geometry 112 is defined.

Gemäß einem Ausführungsbeispiel weist die Halteeinrichtung 106 eine Aufnahmeplatte 114 auf, die ausgebildet ist, um den Materialblock 104 aufzunehmen und/oder zu befestigen. An der Aufnahmeplatte 114 ist der Materialblock 104 befestigt. Weiterhin weist die Halteeinrichtung 106 gemäß diesem Ausführungsbeispiel ein Stangenelement 115 auf, das eine Verbindung einer zur Bewegungseinrichtung 110 gehörenden Rotationseinrichtung 116 herstellt. Die Rotationseinrichtung 116 weist beispielsweise einen Motor auf, der ausgebildet ist, um zum Bewirken eines Anteils der Relativbewegung den Materialblock 104 um zumindest eine Rotationsachse 120 zu drehen. Dadurch ist der Materialblock 104 beispielsweise in und/oder entgegen dem Uhrzeigersinn drehbar. Optional wird dabei beispielsweise eine konstante Drehgeschwindigkeit gehalten, sodass beispielsweise ein gleichmäßiges Ausschneiden der Teilgeometrie 112 ermöglicht wird. According to one embodiment, the holding device 106 a mounting plate 114 on, which is formed around the block of material 104 take up and / or fasten. On the mounting plate 114 is the block of material 104 attached. Furthermore, the holding device 106 according to this embodiment, a rod element 115 on, the one connection to the movement device 110 belonging rotation device 116 manufactures. The rotation device 116 has, for example, a motor which is designed to effect a portion of the relative movement around the block of material 104 around at least one axis of rotation 120 to turn. This is the block of material 104 for example rotatable clockwise and / or counterclockwise. Optionally, a constant rotational speed is maintained, for example, so that, for example, the partial geometry can be cut out evenly 112 is made possible.

Weiterhin weist die Bewegungseinrichtung 110 gemäß diesem Ausführungsbeispiel eine Verfahreinrichtung 118 auf. Die Verfahreinrichtung 118 ist dabei ausgebildet, um die Lasereinrichtung 108 in ihrer Position, beispielsweise in eine erste Verfahrrichtung und eine zweite Verfahrrichtung, zu bewegen. Die Lasereinrichtung 108 weist einen Laser und eine Optik auf, die in einer der folgenden Figuren näher erläutert werden. Die Lasereinrichtung 108 ist dabei ausgebildet, um den Laserstrahl 102 mit einer zum Durchdringen des Materialblocks 104 geeigneten Wellenlänge auszusenden. Dadurch wird beispielsweise eine Möglichkeit geschaffen, um den Materialblock 104 zumindest teilweise zu durchdringen. Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist die Verfahreinrichtung 118 ausgebildet, um die Lasereinrichtung 108 in allen Raumdimensionen zu bewegen. Dies ermöglicht eine vollständige Bearbeitung des Materialblocks 104, ohne dass der Materialblock 104 bewegt, beispielsweise gedreht, werden braucht. In diesem Fall kann die Rotationseinrichtung 116 entfallen.Furthermore, the movement device 110 according to this embodiment, a traversing device 118 on. The moving device 118 is designed to use the laser device 108 to move in their position, for example in a first direction of travel and a second direction of travel. The laser device 108 has a laser and optics, which are explained in more detail in one of the following figures. The laser device 108 is designed to handle the laser beam 102 with one to penetrate the block of material 104 emit suitable wavelength. This creates a possibility, for example, to remove the block of material 104 to penetrate at least partially. According to one embodiment, the traversing device 118 trained to use the laser device 108 to move in all spatial dimensions. This enables complete machining of the block of material 104 without the block of material 104 moved, for example rotated, needs to be. In this case, the rotating device 116 omitted.

Gemäß diesem Ausführungsbeispiel weist die Vorrichtung 100 ferner ein Steuergerät 122 auf, das ausgebildet ist, um ein Verfahren zum Ausschneiden der Teilgeometrie 112 aus dem Materialblock 104 anzusteuern oder durchzuführen. Beispielsweise ist das Steuergerät 122 ausgebildet, um das Aussenden des auf einen Laserbrennpunkt fokussierten Laserstrahls 102 und die Relativbewegung zwischen der Lasereinrichtung 108 und dem Materialblock 104 zu steuern. Dabei wird die Relativbewegung so gesteuert, dass eine Bewegung des Laserbrennpunkts im Inneren des Materialblocks 104 entlang einer Oberfläche der Teilgeometrie 112 bewirkt wird, um die Teilgeometrie 112 aus dem Materialblock 104 auszuschneiden. Durch die Führung des Laserbrennpunkts entlang der Teilgeometrie 112 wird beispielsweise ein Endprodukt in Form einer hohlen Halbkugel oder eines so genannten Doms ausgeschnitten. Das Steuergerät 122 ist gemäß einem Ausführungsbeispiel ausgebildet, um ein Ausgabesignal 124 an die Lasereinrichtung 108 auszugeben, durch das das Aussenden des Laserstrahls 102 gesteuert wird und ein Bewegungssignal 126 an die Bewegungseinrichtung 110, das bedeutet an die Rotationseinrichtung 116 und die Verfahreinrichtung 118, bereitzustellen, durch das die Relativbewegung gesteuert wird. Gemäß unterschiedlicher Ausführungsbeispiele ist das Steuergerät 122 ausgebildet, um die zum Erreichen der Relativbewegung erforderlichen Einzelbewegungen der Rotationseinrichtung 116 und der Verfahreinrichtung 118 zu bestimmen, oder über eine Schnittstelle einzulesen.According to this embodiment, the device 100 also a control unit 122 on, which is designed to provide a method for cutting out the part geometry 112 from the material block 104 to control or carry out. For example, is the control unit 122 designed to emit the laser beam focused on a laser focal point 102 and the relative movement between the laser device 108 and the block of material 104 to control. The relative movement is controlled in such a way that the laser focal point moves inside the material block 104 along a surface of the part geometry 112 is effected to the part geometry 112 from the material block 104 cut out. By guiding the laser focal point along the part geometry 112 For example, an end product is cut out in the form of a hollow hemisphere or a so-called dome. The control unit 122 is designed according to an embodiment to an output signal 124 to the laser device 108 output by emitting the laser beam 102 is controlled and a motion signal 126 to the movement device 110 , that means to the rotating device 116 and the moving device 118 to provide by which the relative movement is controlled. According to different exemplary embodiments, the control device is 122 designed to carry out the individual movements of the rotary device required to achieve the relative movement 116 and the moving device 118 to be determined or to be read in via an interface.

Alternativ kann die Bewegungseinrichtung 110 auch nur die Rotationseinrichtung 116 umfassen, wenn die Rotationseinrichtung 116 zusätzlich ausgebildet ist, um Linearbewegungen der Halteeinrichtung 114 zu bewirken oder die Bewegungseinrichtung 110 kann nur die Verfahreinrichtung 118 umfassen, wenn die Verfahreinrichtung 118 zusätzlich ausgebildet ist, um die Lasereinrichtung 108 rotatorisch zu bewegen.Alternatively, the movement device 110 also just the rotation device 116 include when the rotating device 116 is additionally designed to linear movements of the holding device 114 to effect or the movement device 110 can only be the moving device 118 include when the traversing device 118 is additionally designed to the laser device 108 to move rotationally.

Gemäß diesem Ausführungsbeispiel wird als Endprodukt eine Halbschale („Dom“) ausgeschnitten, wenn der Laserbrennpunkt entlang der inneren Oberfläche der Teilgeometrie 112, hier die nach oben ausgerichteten Oberfläche, und entlang der äußeren Oberfläche der Teilgeometrie 112, hier die nach unten ausgerichteten Oberfläche, geführt wird. Um den Laserbrennpunkt entlang der inneren Oberfläche der Teilgeometrie 112 zu führen, werden der Materialblock 104 und die Lasereinrichtung 108 gemäß einem Ausführungsbeispiel so gegeneinander ausgerichtet, dass der Laserstrahl 102 zunächst einen äußeren Abschnitt des Materialblocks 104, dann die äußere Oberfläche der Teilgeometrie 112 und einen das Endprodukt ausformenden Abschnitt des Materialblocks 104 bist zu der inneren Oberfläche der Teilgeometrie 112 durchdringt.According to this exemplary embodiment, a half-shell (“dome”) is cut out as the end product when the laser focal point is along the inner surface of the part geometry 112 , here the upward facing surface, and along the outer surface of the part geometry 112 , here the downward facing surface. Around the laser focal point along the inner surface of the part geometry 112 lead to be the block of material 104 and the laser device 108 according to one exemplary embodiment aligned with one another in such a way that the laser beam 102 first an outer portion of the block of material 104 , then the outer surface of the part geometry 112 and a portion of the block of material forming the end product 104 are to the inner surface of the part geometry 112 penetrates.

Wenn das Schneiden entlang der Teilegeometrie von einem Rand des Materialblocks 104 ausgehend begonnen wird, so kann ein sich entlang der Oberfläche der Teilgeometrie 112 erstreckender Spalt im Inneren des Materialblocks 104 ausgeformt wird, der eine Öffnung zur Umgebung des Materialblocks 104 aufweist, sodass beispielsweise im Bereich des Laserbrennpunkts verdampfendes Material des Materialblocks 104 entweichen kann. Dabei kann die Öffnung aufgrund der Führung des Laserbrennpunkts durch das Innere des Materialblocks 104 nicht mit einem Auftreffpunkt des Laserstrahls 102 auf den Materialblock 104 übereinstimmen. Vorteilhafterweise kann auf diese Weise der Laserbrennpunkt so geführt werden, dass sich der Spalt entlang der Teilgeometrie 112 in Richtung quer zur Strahlungsrichtung des Laserstrahls 102 nach oben vergrößert.When cutting along the part geometry from an edge of the block of material 104 is started starting, so a can be along the surface of the part geometry 112 extending gap in the interior of the material block 104 is formed, which has an opening to the environment of the Blocks of material 104 has, so that for example in the area of the laser focal point evaporating material of the material block 104 can escape. In this case, the opening can be made due to the guidance of the laser focal point through the interior of the material block 104 not with a point of impact of the laser beam 102 on the material block 104 to match. In this way, the laser focal point can advantageously be guided in such a way that the gap extends along the partial geometry 112 in the direction transverse to the direction of radiation of the laser beam 102 enlarged upwards.

In anderen Worten wird eine spanlose Möglichkeit für eine Herstellung von Halbzeugen für Infrarot-Optiken geschaffen, die aus infrarotdurchlässigem Material sind. Somit kann durch das Führen des Laserbrennpunkts des Laserstrahl 102 entlang der Teilgeometrie 112 eine Infrarot-Optik oder ein Halbzeug für eine Infrarot-Optik aus dem Materialblock 104 ausgeschnitten werden. Dazu weist der Materialblock gemäß einem Ausführungsbeispiel infrarotdurchlässiges Material, wie beispielsweise monokristallines Germanium oder Silizium auf. Ein solches Material wird, wie bereits bekannt, als Basismaterial für eine weitere Teilebearbeitung in einem Kristallziehprozess aus einem polykristallinen Vormaterial hergestellt. Bisher war die Teilebearbeitung eine spanende Bearbeitung mit Werkzeugmaschinen, mit der eine Grundgeometrie der späteren Infrarot-Optik hergestellt wird. Ein wesentlicher Faktor in der Herstellung kommt dabei einem Recycling-Prozess zu. Bei einer spanender Bearbeitung des monokristallinen Basismaterials entstand bisher ein hoher Anteil an Schleifstaub, der auch als Kerf bezeichnet wird und mit Schmiermittelrückständen und Mikropartikeln von beispielsweise Diamant- oder Stahlwerkzeuge verunreinigt ist. Dieser Schleifstaub wurde bisher im aufwendigen Recycling-Prozess zu verwertbarem Basismaterial verarbeitet, um erneut dem Fertigungsprozess zur Herstellung von monokristallinem Basismaterial zugeführt werden zu können. Bei der spanenden Bearbeitung entstand bisher ebenfalls eine Anteil an verwertbarem Bruchmaterial, das als Scrap, Rücklauf oder Bruch bezeichnet wird und dem Fertigungsprozess direkt zugeführt werden kann.In other words, a non-cutting possibility is created for the production of semi-finished products for infrared optics that are made of infrared-permeable material. Thus, by guiding the laser focal point, the laser beam 102 along the part geometry 112 an infrared optic or a semi-finished product for an infrared optic from the material block 104 be cut out. For this purpose, according to one exemplary embodiment, the material block has infrared-permeable material, such as, for example, monocrystalline germanium or silicon. As is already known, such a material is produced from a polycrystalline primary material as a base material for further machining of parts in a crystal pulling process. So far, parts processing has been machining with machine tools, with which a basic geometry of the later infrared optics is produced. A major factor in production is a recycling process. When machining the monocrystalline base material, a high proportion of grinding dust, which is also known as kerf and is contaminated with lubricant residues and microparticles from, for example, diamond or steel tools, has so far been generated. Up to now, this grinding dust has been processed into usable base material in an elaborate recycling process so that it can be fed back into the manufacturing process for the production of monocrystalline base material. Up to now, machining has also produced a proportion of usable broken material, which is referred to as scrap, return flow or breakage and which can be fed directly into the manufacturing process.

Vor diesem Hintergrund wird durch den hier vorgestellten Ansatz eine Möglichkeit geschaffen, durch ein Reduzieren von entstehendem Schleifstaub und gleichzeitigem Erhöhen des Bruchmaterials sowohl die Effizienz und die Produktivität zu steigern, als auch die dadurch beeinflussten Herstellkosten zu verringern. Das bedeutet, dass die Herstellung einer solchen Infrarot-Optik durch den hier vorgestellten Ansatz schonender in Bezug auf den Verbrauch von Neumaterial ist. Dabei wird gemäß diesem Ausführungsbeispiel der Materialblock 104 mit der Vorrichtung 100 als Laserschneidemaschine bearbeitet anstatt mit bisher verwendeten Diamant- oder Stahlwerkzeugen. Gemäß einem alternativen Ausführungsbeispiel ist beispielsweise die Lasereinrichtung 108 als Erweiterung für ein bereits existierendes Laserschneidsystem oder Standard-Fertigungseinrichtung, wie beispielsweise einer Vertikal-Drehbank, realisiert.Against this background, the approach presented here creates a possibility of increasing both efficiency and productivity by reducing the grinding dust that is produced and simultaneously increasing the breakage material, as well as reducing the manufacturing costs that are influenced by this. This means that the manufacture of such infrared optics is more gentle with regard to the consumption of new material thanks to the approach presented here. In this case, according to this exemplary embodiment, the material block 104 with the device 100 processed as a laser cutting machine instead of the diamond or steel tools previously used. According to an alternative embodiment, for example, the laser device 108 realized as an extension for an already existing laser cutting system or standard manufacturing equipment, such as a vertical lathe.

Gemäß diesem Ausführungsbeispiel hält die Halteeinrichtung 106 den Materialblock 104, der mittels der Rotationseinrichtung 116 mit beispielsweise einer konstanten Geschwindigkeit gedreht wird. Die Lasereinrichtung 108 der Vorrichtung 110 ist dabei auf einer x/y-Positioniereinheit angeordnet und wird entsprechend der Teilgeometrie 112 so gesteuert, dass der Laserbrennpunkt, mit dem das Material mittels hohem Energieeintrag geschnitten wird, immer exakt der Teilgeometrie 112 in der 2-dimensionalen Fläche folgt. Die x/y-Positioniereinheit wird hier auch als Verfahreinrichtung 118 bezeichnet und ist ausgebildet, um die Lasereinrichtung 108 auf einer x-Achse und einer y-Achse zu bewegen. In Verbindung mit der Rotationsbewegung des Materialblocks 104, der auch als monokristalliner Block bezeichnet wird, fährt der linear gesteuerte Laserstrahl 102 damit eine 3-dimensionale Teilstruktur ab und schneidet diese entsprechend aus. Die herausgeschnittenen „sauberen“ Bruchstücke können so direkt dem internen Kristallziehprozess ohne aufwendiges Recycling zugeführt werden. Gemäß diesem Ausführungsbeispiel können diese Bruchstücke beispielsweise als innerer Abtrag und äußerer Abtrag unterschieden werden. Dabei bezeichnet der innere Abtrag diejenigen Bruchstücke, die beispielsweise auf einer der Halteeinrichtung 106 abgewandten Seite der Teilgeometrie 112 nach einem Ausschneiden entstehen. Der äußere Abtrag bezeichnet diejenigen Bruchstücke, die beispielsweise auf einer der Halteeinrichtung 106 zugewandten Seite der Teilgeometrie 112 nach dem Ausschneiden entstehen.According to this exemplary embodiment, the holding device holds 106 the block of material 104 , which by means of the rotating device 116 is rotated at a constant speed, for example. The laser device 108 the device 110 is arranged on an x / y positioning unit and is based on the part geometry 112 controlled in such a way that the laser focal point, with which the material is cut by means of high energy input, always exactly matches the part geometry 112 in the 2-dimensional area follows. The x / y positioning unit is also used here as a traversing device 118 designated and is designed to the laser device 108 to move on an x-axis and a y-axis. In connection with the rotational movement of the material block 104 , which is also known as a monocrystalline block, moves the linearly controlled laser beam 102 thus a 3-dimensional partial structure and cuts it out accordingly. The cut out “clean” fragments can be fed directly to the internal crystal pulling process without costly recycling. According to this exemplary embodiment, these fragments can be differentiated, for example, as internal removal and external removal. The internal removal denotes those fragments that are, for example, on one of the holding devices 106 remote side of the part geometry 112 after a cut. The external removal refers to those fragments that, for example, on one of the holding devices 106 facing side of the part geometry 112 after cutting out.

Durch geeignete Abstimmung der Rotationsgeschwindigkeit des Materialblocks 104 als Basismaterial und einer Vorschubgeschwindigkeit des schneidenden Laserstrahls 102 entsteht gemäß diesem Ausführungsbeispiel eine exakte Schnittkontur des zu fertigenden Teils, die hier auch als Teilgeometrie 112 bezeichnet wird, mit nur geringem „Materialverlustanteil“, der bei dieser Erfindung jedoch nicht verloren geht. Dieser geringe Materialanteil verdampft beim Schneidevorgang aufgrund der sehr hohen Temperaturen im Bereich des Laserbrennpunkts, der auch als Laser-Fokuspunkt oder Laser-Schnittpunkt bezeichnet wird. Dadurch entsteht gemäß diesem Ausführungsbeispiel eine relativ geringe Menge eines Schleifstaub-Oxids, welche über eine geeignete Absaugeinrichtung aufgefangen oder abtransportiert wird. Das Schleifstaub-Oxid kann dann ebenfalls wieder einem Recycling-Prozess zugeführt werden.By suitably coordinating the rotation speed of the material block 104 as a base material and a feed speed of the cutting laser beam 102 According to this exemplary embodiment, an exact cutting contour of the part to be manufactured is created, which is also used here as part geometry 112 is referred to, with only a small "material loss proportion", which is not lost in this invention. This small amount of material evaporates during the cutting process due to the very high temperatures in the area of the laser focal point, which is also referred to as the laser focal point or laser intersection point. According to this exemplary embodiment, this results in a relatively small amount of grinding dust oxide, which is collected or transported away by a suitable suction device. The grinding dust oxide can then also be fed back into a recycling process.

2 zeigt eine schematische Seitendarstellung einer Vorrichtung 100 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Die hier gezeigte Vorrichtung 100 kann gemäß diesem Ausführungsbeispiel der in 1 beschriebenen Vorrichtung 100 entsprechen. Demnach weist auch hier die Vorrichtung 100 die Lasereinrichtung 108 auf, die wiederum einen Laser 200 und eine Optik 202 aufweist. Die Lasereinrichtung 108 ist gemäß diesem Ausführungsbeispiel in betriebsbereitem Zustand der Vorrichtung 100 seitlich von dem Materialblock 104 angeordnet, sodass der Laserstrahl 102 beispielsweise parallel zu einer Standfläche der Vorrichtung 100 ausgerichtet ist. Der Laser 200 ist dabei ausgebildet, um den Laserstrahl 102 in Richtung des Materialblocks 104 auszugeben. Die Optik 202 ist beispielsweise ausgebildet, um den Laserstrahl 102 in einem vordefinierten Abstand von der Optik 202 in dem Laserbrennpunkt 204 zu fokussieren, der beispielsweise entlang einer Kontur der Teilgeometrie 112 bewegt wird. Gemäß diesem Ausführungsbeispiel ist die Lasereinrichtung 108 mit der hier nicht dargestellten Verfahreinrichtung verbindbar, die gemeinsam mit der Rotationseinrichtung 116 die Bewegungseinrichtung bildet. Die Bewegungseinrichtung ist dabei ausgebildet, um die Lasereinrichtung 108 und den Materialblock 104 während der Relativbewegung so gegeneinander auszurichten, dass der Laserstrahl 102 durch einen Abschnitt des Materialblocks 104 zu dem Laserbrennpunkt 204 auf einer äußeren Oberfläche 206 der Teilgeometrie 112 geführt wird oder durch eine Wand der Teilgeometrie 112 zu dem Laserbrennpunkt 204 auf einer inneren Oberfläche 208 der Teilgeometrie 112 geführt wird. Das bedeutet, dass der Laserstrahl 102 so fokussiert wird, dass sich der Laserbrennpunkt 204 im Materialblock 104 befindet und an diesem Punkt die Teilgeometrie 112 ausgeschnitten wird und dass gemäß diesem Ausführungsbeispiel zwischen innerem Laserbrennpunkt und äußerem Laserbrennpunkt unterschieden werden kann. Die hier nicht dargestellte Verfahreinrichtung ist demnach ausgebildet, um zum Bewirken eines Anteils der Relativbewegung die Lasereinrichtung 108 zu bewegen. Das bedeutet, dass die Verfahreinrichtung die Lasereinrichtung 108 in eine erste Verfahrrichtung 209 und zumindest eine zu der ersten Verfahrrichtung 209 vertikalen zweite Verfahrrichtung 210 bewegt. Die erste Verfahrrichtung 209 zeigt dabei beispielsweise eine Teilhöhe hi und ha und die zweite Verfahrrichtung 210 beispielsweise eine Distanz zwischen der Optik 202 und dem Materialblock 104 und/oder einen Laser-Fokussierweg zum Schneiden eines Teilradius ri und ra an. Die erste Verfahrrichtung 209 liegt gemäß diesem Ausführungsbeispiel auf einer x-Achse und die zweite Verfahrrichtung 210 auf einer y-Achse. Die erste Verfahrrichtung 209 und die zweite Verfahrrichtung 210 verlaufen dabei beispielsweise jeweils linear. Gemäß diesem Ausführungsbeispiel kann also mittels der ersten Verfahrrichtung 209 und der zweiten Verfahrrichtung 210 eine Innenhöhe 214 und eine Außenhöhe 216 der auszuschneidenden Teilgeometrie 112 bestimmt werden. 2 shows a schematic side view of a device 100 according to a Embodiment. The device shown here 100 can according to this embodiment of the in 1 described device 100 correspond. Accordingly, the device also has here 100 the laser device 108 on that turn a laser 200 and a look 202 having. The laser device 108 is according to this embodiment in the operational state of the device 100 to the side of the material block 104 arranged so that the laser beam 102 for example parallel to a standing surface of the device 100 is aligned. The laser 200 is designed to handle the laser beam 102 in the direction of the material block 104 to spend. The optics 202 is designed, for example, to the laser beam 102 at a predefined distance from the optics 202 in the laser focus 204 to focus, for example, along a contour of the part geometry 112 is moved. According to this exemplary embodiment, the laser device is 108 connectable to the traversing device, not shown here, which together with the rotating device 116 forms the movement device. The movement device is designed to move the laser device 108 and the block of material 104 during the relative movement to align against each other in such a way that the laser beam 102 through a section of the block of material 104 to the laser focus 204 on an outer surface 206 the part geometry 112 is guided or through a wall of the part geometry 112 to the laser focus 204 on an inner surface 208 the part geometry 112 to be led. That means the laser beam 102 is focused so that the laser focal point 204 in the material block 104 and at this point the part geometry 112 is cut out and that, according to this exemplary embodiment, a distinction can be made between the inner laser focal point and the outer laser focal point. The traversing device, not shown here, is accordingly designed to move the laser device to effect a portion of the relative movement 108 to move. This means that the moving device is the laser device 108 in a first direction of travel 209 and at least one for the first direction of travel 209 vertical second direction of travel 210 emotional. The first direction of travel 209 shows, for example, a partial height h i and h a and the second direction of travel 210 for example a distance between the optics 202 and the block of material 104 and / or a laser focusing path for cutting a partial radius r i and r a . The first direction of travel 209 lies according to this embodiment on an x-axis and the second direction of travel 210 on a y-axis. The first direction of travel 209 and the second direction of travel 210 run linearly, for example. According to this exemplary embodiment, by means of the first direction of travel 209 and the second direction of travel 210 an interior height 214 and an outside height 216 the part geometry to be cut out 112 to be determined.

Die Rotationseinrichtung 116 ist beispielsweise ausgebildet, um den Materialblock 104 um die Rotationsachse 120 zu drehen. Gemäß diesem Ausführungsbeispiel weist die Teilgeometrie 104 dabei einen Innenradius 218 und einen Außenradius 220 auf. Der Innenradius 218 zeigt beispielsweise einen Abstand von der Rotationsachse 120 zu der inneren Oberfläche 208 der Teilgeometrie 112 auf, während der Außenradius 220 einen Abstand von der Rotationsachse 120 zu der äußeren Oberfläche 206 der Teilgeometrie 112 anzeigt.The rotation device 116 is designed, for example, to the block of material 104 around the axis of rotation 120 to turn. According to this exemplary embodiment, the part geometry 104 thereby an inner radius 218 and an outside radius 220 on. The inner radius 218 shows, for example, a distance from the axis of rotation 120 to the inner surface 208 the part geometry 112 on while the outer radius 220 a distance from the axis of rotation 120 to the outer surface 206 the part geometry 112 indicates.

Gemäß diesem Ausführungsbeispiel weist die Vorrichtung 100 optional eine Absaugeinrichtung 212 auf, die ausgebildet ist, um einen feinen Abtrag 213 des Materialblocks 104 abzusaugen. Der Abtrag 213 befindet sich dabei beispielsweise in einem gasförmigen oder pulverisierten Zustand. Beispielsweise kann der Abtrag 213 in Form von Siliziumoxid abgesaugt werden. Ferner weist die Vorrichtung 100 ein Gehäuse 230 auf, das ausgebildet ist, um ein Inneres der Vorrichtung 100 nach außen hin abzudichten, beispielsweise hermetisch, sodass die Vorrichtung 100 beispielsweise fluiddicht abgedichtet ist. Gemäß diesem Ausführungsbeispiel ist das Gehäuse 206 eckig oder alternativ zylindrisch ausgeformt oder ausformbar.According to this embodiment, the device 100 optionally a suction device 212 on, which is designed to produce a fine removal 213 of the material block 104 suction. The removal 213 is for example in a gaseous or pulverized state. For example, the removal 213 be sucked off in the form of silicon oxide. Furthermore, the device 100 a housing 230 which is formed to an interior of the device 100 to the outside to seal, for example hermetically, so that the device 100 for example, is sealed fluid-tight. According to this embodiment, the housing 206 angular or, alternatively, cylindrically shaped or can be shaped out.

3 zeigt eine schematische Seitendarstellung einer Vorrichtung 100 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Dabei kann es sich beispielsweise um eine funktionsähnliche Alternative zu der in den 1 oder 2 beschriebenen Vorrichtung 100 handeln. Auch die hier gezeigte Vorrichtung 100 weist eine der Bewegungseinrichtung auf, die gemäß diesem Ausführungsbeispiel eine Verfahreinrichtung und eine Rotationseinrichtung umfasst. Gemäß diesem Ausführungsbeispiel weist die Lasereinrichtung 108 lediglich einen linearen Verfahrweg 300 auf, der linear in zwei entgegengesetzte Richtungen verläuft. Abweichend zu der in den 1 und 2 dargestellten Ausführungen der Vorrichtung 100 ist gemäß diesem Ausführungsbeispiel die Lasereinrichtung 108 in betriebsbereitem Zustand unterhalb des beispielsweise zylindrisch ausgeformten Materialblocks 104 angeordnet, sodass durch die Bewegung der Lasereinrichtung 108 bei gleichzeitiger Rotation 318 des Materialblocks 104 um die Rotationsachse 120 beispielsweise eine hohle Halbkugel („Dom“) ausgeschnitten werden kann. Gemäß diesem Ausführungsbeispiel weist die Lasereinrichtung 108 einen als Hochleistungs-Laser ausgeführten Laser 200 und die Optik 202 zur Strahlfokussierung auf, die gemäß diesem Ausführungsbeispiel mit Ausnahme ihrer Ausrichtung dem in 2 beschriebenen Laser 200 und der Optik 202 in ihrer Funktion entsprechen kann. Auch hier ist die Lasereinrichtung 108 ausgebildet, um den Laserstrahl 102 mit einer zum Durchdringen des Materialblocks 104 geeigneten Wellenlänge auszusenden. 3rd shows a schematic side view of a device 100 according to an embodiment. This can be, for example, a functionally similar alternative to that in the 1 or 2 described device 100 act. Also the device shown here 100 has one of the movement devices which, according to this exemplary embodiment, comprises a displacement device and a rotation device. According to this exemplary embodiment, the laser device 108 only a linear travel 300 which runs linearly in two opposite directions. In contrast to that in the 1 and 2 illustrated embodiments of the device 100 is according to this embodiment the laser device 108 in the operational state below the, for example, cylindrically shaped material block 104 arranged so that by the movement of the laser device 108 with simultaneous rotation 318 of the material block 104 around the axis of rotation 120 For example, a hollow hemisphere ("dome") can be cut out. According to this exemplary embodiment, the laser device 108 a laser designed as a high-power laser 200 and the optics 202 for beam focusing, which according to this exemplary embodiment, with the exception of their alignment, corresponds to the in 2 described laser 200 and the optics 202 can correspond in their function. Here, too, is the laser device 108 trained to use the laser beam 102 with one to penetrate the block of material 104 emit suitable wavelength.

Die Teilgeometrie 112 formt eine hohle Halbkugel aus, die aus dem beispielsweise als monokristalliner Ge-Block ausgeformten Materialblock 104 ausgeschnitten wird. Von der hohlen Halbkugel wird eine Halbkugel 320 umschlossen, die durch einen sogenannten inneren Abtrag des Materials des Materialblocks 104 ausgeformt wird. Gemäß einem Ausführungsbeispiel wird der Laserbrennpunkt des Laserstrahls 102 so entlang der inneren Oberfläche der Teilgeometrie 112 geführt, dass die Halbkugel 320 einstückig entnommen werden kann. Außerhalb der durch die Teilgeometrie 112 ausgeformte hohle Halbkugel wird eine Zylinderhülle 322 ausgeformt die durch einen sogenannten äußeren Abtrag des Materials des Materialblocks 104 ausgeformt wird. Gemäß einem Ausführungsbeispiel wird der Laserbrennpunkt des Laserstrahls 102 so entlang der äußeren Oberfläche der Teilgeometrie 112 geführt, dass die Zylinderhülle 322 einstückig oder in mehreren größeren Teilstücken entnommen werden kann.The part geometry 112 forms a hollow hemisphere from the material block, which is shaped, for example, as a monocrystalline Ge block 104 is cut out. The hollow hemisphere becomes a hemisphere 320 enclosed by a so-called internal removal of the material of the material block 104 is formed. According to one embodiment, the laser focal point is the laser beam 102 so along the inner surface of the part geometry 112 led that hemisphere 320 can be removed in one piece. Outside of the part geometry 112 formed hollow hemisphere becomes a cylinder envelope 322 formed by a so-called external removal of the material of the material block 104 is formed. According to one embodiment, the laser focal point is the laser beam 102 so along the outer surface of the part geometry 112 led that the cylinder shell 322 can be removed in one piece or in several larger sections.

Gemäß einem Ausführungsbeispiel wird die Optik 202 verwendet, um eine Entfernung des Laserbrennpunkts des Lasers 200 von dem Laser 200 zu verstellen. Auf diese Weise kann auf eine Linearbewegung der Lasereinrichtung 108 längs der Rotationsachse 120 verzichtet werden.According to one embodiment, the optics 202 used to be a distance from the laser focal point of the laser 200 from the laser 200 to adjust. In this way, a linear movement of the laser device can be achieved 108 along the axis of rotation 120 be waived.

4 zeigt eine schematische Darstellung eines Laserbrennpunkts 204 an einer Teilgeometrie 112 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Der hier gezeigte Laserstrahl 102 kann gemäß diesem Ausführungsbeispiel beispielsweise dem in 3 gezeigten Laserstrahl 102 entsprechen und ist beispielsweise vergrößert angezeigt. Gemäß diesem Ausführungsbeispiel ist erkennbar, dass der Laserbrennpunkt 204 auf der inneren Oberfläche 208 der Teilgeometrie 112 liegt und optional auf der äußeren Oberfläche 206 liegen kann. Um die Teilgeometrie 112 ist gemäß diesem Ausführungsbeispiel noch nicht entferntes Material des Materialblocks 104 angeordnet. 4th shows a schematic representation of a laser focal point 204 on a part geometry 112 according to an embodiment. The laser beam shown here 102 according to this exemplary embodiment, for example, the in 3rd shown laser beam 102 correspond and is shown enlarged, for example. According to this embodiment it can be seen that the laser focal point 204 on the inner surface 208 the part geometry 112 and optionally on the outer surface 206 can lie. To the part geometry 112 is, according to this exemplary embodiment, not yet removed material from the material block 104 arranged.

Gemäß diesem Ausführungsbeispiel sind der Materialblock 104 und die Lasereinrichtung durch die Relativbewegung so zueinander positioniert worden, dass der Laserstrahl 102 das Material des Materialblocks 104 bis zu dem eingestellten Laserbrennpunkt 204 durchdringt, ohne dabei das sich außerhalb des eingestellten Laserbrennpunkts 204 befindliche Material des Materialblocks 104 zu zerschneiden. Somit wird das Material des Materialblocks 104 an einem Auftreffpunkt des Laserstrahls 102 auf den Materialblock 104 durch den Laserstrahl 102 nicht abgetragen, sofern der Laserbrennpunkt 204 entfernt zu dem Auftreffpunkt angeordnet ist. Das Material des Materialblocks 104 wird lediglich im Bereich des eingestellten Laserbrennpunkts 204 geschmolzen, verdampft oder pulverisiert. Dies wird gemäß einem Ausführungsbeispiel durch eine geeignete und auf die Materialeigenschaften des Materials des Materialblocks abgestimmte Charakteristik des Laserstrahls 102 erreicht.According to this embodiment, the material block 104 and the laser device has been positioned by the relative movement to one another in such a way that the laser beam 102 the material of the material block 104 up to the set laser focus 204 penetrates without being outside the set laser focus 204 material of the material block 104 to cut up. Thus, the material of the block of material becomes 104 at a point of impact of the laser beam 102 on the material block 104 by the laser beam 102 not removed, provided the laser focal point 204 is located away from the point of impact. The material of the material block 104 is only in the area of the set laser focal point 204 melted, evaporated or powdered. According to an exemplary embodiment, this is achieved by means of a suitable characteristic of the laser beam that is matched to the material properties of the material of the material block 102 reached.

5 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens 500 zum Ausschneiden einer Teilgeometrie aus einem Materialblock. Das Verfahren 500 ist beispielsweise für eine Vorrichtung 100 einsetzbar, wie sie in den 1 bis 4 beschrieben wurde. Das Verfahren 500 umfasst dabei einen Schritt 502 des Aussendens und einen Schritt 504 des Bewirkens. Im Schritt 502 des Aussendens wird ein auf einen Laserbrennpunkt fokussierter Laserstrahl ausgesandt. Im Schritt 504 des Bewirkens wird eine Relativbewegung zwischen der Lasereinrichtung und dem Materialblock bewirkt. Dabei bewirkt die Relativbewegung eine Bewegung des Laserbrennpunkts im Inneren des Materialblocks entlang einer Oberfläche der Teilgeometrie, um die Teilgeometrie aus dem Materialblock auszuschneiden. 5 shows a flow chart of a method 500 for cutting out a part geometry from a block of material. The procedure 500 is for example for a device 100 can be used as they are in the 1 to 4th has been described. The procedure 500 comprises one step 502 of sending out and one step 504 of effect. In step 502 When emitting, a laser beam focused on a laser focal point is emitted. In step 504 the effect is a relative movement between the laser device and the material block. The relative movement brings about a movement of the laser focal point inside the material block along a surface of the partial geometry in order to cut out the partial geometry from the material block.

In anderen Worten wird dadurch ein spanloses Bearbeitungsverfahren für Infrarot-Optiken aus Infrarotdurchlässigem Material zur Effizienzsteigerung im Recycling- und Fertigungsprozess ermöglicht.In other words, this enables a non-cutting processing method for infrared optics made of infrared-permeable material to increase efficiency in the recycling and manufacturing process.

Umfasst ein Ausführungsbeispiel eine „und/oder“-Verknüpfung zwischen einem ersten Merkmal und einem zweiten Merkmal, so ist dies so zu lesen, dass das Ausführungsbeispiel gemäß einer Ausführungsform sowohl das erste Merkmal als auch das zweite Merkmal und gemäß einer weiteren Ausführungsform entweder nur das erste Merkmal oder nur das zweite Merkmal aufweist.If an exemplary embodiment comprises an “and / or” link between a first feature and a second feature, this is to be read in such a way that the exemplary embodiment according to one embodiment has both the first feature and the second feature and, according to a further embodiment, either only the has the first feature or only the second feature.

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Zitierte PatentliteraturPatent literature cited

  • EP 2121236 [0003]EP 2121236 [0003]

Claims (11)

Vorrichtung (100) zum Ausschneiden einer Teilgeometrie (112) aus einem Materialblock (104), wobei die Vorrichtung (100) die folgenden Merkmale aufweist: eine Halteeinrichtung (106) zum Halten des Materialblocks (104); eine Lasereinrichtung (108), die ausgebildet ist, um einen auf einen Laserbrennpunkt (204) fokussierten Laserstrahl (102) auszusenden; eine Bewegungseinrichtung (110), die ausgebildet ist, um eine Relativbewegung zwischen der Lasereinrichtung (108) und dem Materialblock (104) zu bewirken, wenn der Materialblock (104) von der Halteeinrichtung (106) gehalten wird, wobei die Relativbewegung eine Bewegung des Laserbrennpunkts (204) im Inneren des Materialblocks (104) entlang einer Oberfläche (206, 208) der Teilgeometrie (112) bewirkt, um die Teilgeometrie (112) aus dem Materialblock (104) auszuschneiden.Device (100) for cutting out a partial geometry (112) from a block of material (104), the device (100) having the following features: holding means (106) for holding the block of material (104); a laser device (108) which is designed to emit a laser beam (102) focused on a laser focal point (204); a movement device (110) which is designed to bring about a relative movement between the laser device (108) and the material block (104) when the material block (104) is held by the holding device (106), the relative movement being a movement of the laser focal point (204) inside the material block (104) along a surface (206, 208) of the part geometry (112) to cut out the part geometry (112) from the material block (104). Vorrichtung (100) gemäß Anspruch 1, wobei die Bewegungseinrichtung (110) ausgebildet ist, um die Lasereinrichtung (108) und den Materialblock (104) während der Relativbewegung so gegeneinander auszurichten, dass der Laserstrahl (102) durch einen Abschnitt des Materialblocks (104) zu dem Laserbrennpunkt (204) auf einer äußeren Oberfläche (206) der Teilgeometrie (112) geführt wird oder durch eine Wand der Teilgeometrie (112) zu dem Laserbrennpunkt (204) auf einer inneren Oberfläche (208) der Teilgeometrie (112) geführt wird.Device (100) according to Claim 1 , wherein the movement device (110) is designed to align the laser device (108) and the material block (104) with each other during the relative movement so that the laser beam (102) through a section of the material block (104) to the laser focal point (204) an outer surface (206) of the part geometry (112) or is guided through a wall of the part geometry (112) to the laser focal point (204) on an inner surface (208) of the part geometry (112). Vorrichtung (100) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei die Lasereinrichtung (108) ausgebildet ist, um den Laserstrahl (102) mit einer zum Durchdringen des Materialblocks (104) geeigneten Wellenlänge auszusenden.Device (100) according to one of the preceding claims, wherein the laser device (108) is designed to emit the laser beam (102) with a wavelength suitable for penetrating the material block (104). Vorrichtung (100) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei die Bewegungseinrichtung (110) eine Rotationseinrichtung (116) umfasst, die ausgebildet ist, um zum Bewirken eines Anteils der Relativbewegung den Materialblock (104) um zumindest eine Rotationsachse (120) zu drehen.Device (100) according to one of the preceding claims, wherein the movement device (110) comprises a rotation device (116) which is designed to rotate the material block (104) about at least one axis of rotation (120) to effect a portion of the relative movement. Vorrichtung (100) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei die Bewegungseinrichtung (110) eine Verfahreinrichtung (118) aufweist, die ausgebildet ist, um die Lasereinrichtung (108) zu bewegen.Device (100) according to one of the preceding claims, wherein the movement device (110) has a displacement device (118) which is designed to move the laser device (108). Vorrichtung (100) gemäß Anspruch 5, wobei die Verfahreinrichtung (118) ausgebildet ist, um die Lasereinrichtung (108) in eine erste Verfahrrichtung (209) und zumindest eine zu der ersten Verfahrrichtung (209) vertikal ausgerichtete zweite Verfahrrichtung (210) zu bewegen.Device (100) according to Claim 5 , wherein the traversing device (118) is designed to move the laser device (108) in a first traversing direction (209) and at least one second traversing direction (210) aligned vertically with respect to the first traversing direction (209). Vorrichtung (100) gemäß Anspruch 5 oder 6, wobei die Verfahreinrichtung (118) ausgebildet ist, um die Lasereinrichtung (108) in drei Dimensionen zu bewegen.Device (100) according to Claim 5 or 6th , wherein the displacement device (118) is designed to move the laser device (108) in three dimensions. Vorrichtung (100) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei die Lasereinrichtung (108) eine Optik (202) aufweist, die ausgebildet ist, um den Laserstrahl (102) in einem vordefinierten Abstand von der Optik (202) in dem Laserbrennpunkt (204) zu fokussieren.Device (100) according to one of the preceding claims, wherein the laser device (108) has optics (202) which are designed to direct the laser beam (102) at a predefined distance from the optics (202) in the laser focal point (204) focus. Vorrichtung (100) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, mit einer Absaugeinrichtung (212), die ausgebildet ist, um einen feinen Abtrag (213) des Materialblocks (104) abzusaugen.Device (100) according to one of the preceding claims, with a suction device (212) which is designed to suction off a fine removal (213) of the material block (104). Vorrichtung (100) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, mit einem Gehäuse (230), das ausgebildet ist, um die Vorrichtung (100) nach außen abzudichten.Device (100) according to one of the preceding claims, with a housing (230) which is designed to seal off the device (100) from the outside. Verfahren (500) zum Ausschneiden einer Teilgeometrie (112) aus einem Materialblock (104), wobei das Verfahren (500) die folgenden Schritte umfasst: Aussenden (502) eines auf einen Laserbrennpunkt (204) fokussierten Laserstrahls (102); und Bewirken (504) einer Relativbewegung zwischen der Lasereinrichtung (108) und dem Materialblock (104), wobei die Relativbewegung eine Bewegung des Laserbrennpunkts (204) im Inneren des Materialblocks entlang einer Oberfläche (206, 208) der Teilgeometrie (112) bewirkt, um die Teilgeometrie (112) aus dem Materialblock (104) auszuschneiden.A method (500) for cutting out a partial geometry (112) from a block of material (104), the method (500) comprising the following steps: Emitting (502) a laser beam (102) focused on a laser focal point (204); and Bringing about (504) a relative movement between the laser device (108) and the material block (104), the relative movement causing a movement of the laser focal point (204) inside the material block along a surface (206, 208) of the partial geometry (112) by which Cut out partial geometry (112) from the material block (104).
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