DE102019123239A1

DE102019123239A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Trennen eines Werkstücks mittels eines Laserstrahls

Info

Publication number: DE102019123239A1
Application number: DE102019123239.2A
Authority: DE
Inventors: Malte Kumkar; Jonas Kleiner; Daniel Flamm
Original assignee: Trumpf Laser und Systemtechnik GmbH
Current assignee: Trumpf Laser und Systemtechnik Se De
Priority date: 2019-08-29
Filing date: 2019-08-29
Publication date: 2021-03-04
Anticipated expiration: 2039-08-30
Also published as: WO2021037520A1; DE102019123239B4

Abstract

Die Erfindung betrifft das Trennen eines Werkstücks (12) durch lokales Modifizieren mittels eines Laserstrahls (16), wobei folgende Schritte durchgeführt werden:- Erzeugen eines Quasi-Bessel-Laserstrahls (16), welcher sich nach Austritt aus einer Strahlformungseinrichtung (24) entlang einer Propagationsrichtung (28) ausbreitet;- Einstrahlen des Quasi-Bessel-Laserstrahls (16) durch eine Oberfläche (30) des Werkstücks (12) derart, dass eine zur Trennung wirksame Fokuszone (32) zumindest teilweise innerhalb des Materials (14) des Werkstücks (12) liegt;- Verlagern der Fokuszone (32) entlang einer Trennkurve (34) entlang der Oberfläche (30) des Werkstücks (12); wobei das Verlagern der Fokuszone (32) derart erfolgt, dass zumindest in einem Korrektur-Abschnitt der Trennkurve (34) die Normale (36) der Oberfläche (30) und die Propagationsrichtung (28) in einem spitzen Winkel (α) zueinander geneigt sind, wobei der spitze Winkel (α) betragsmäßig gleich oder größer dem Konvergenzwinkel (β) ist, welchen der Quasi-Bessel-Laserstrahl (16) beim Austritt aus der Strahlformungseinrichtung (24) aufweist. Die Erfindung betrifft auch eine Lasertrennvorrichtung.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Trennen eines Werkstückes gemäß Anspruch 1 sowie eine Lasertrennvorrichtung gemäß Anspruch 10.
Mit diesen Techniken können transparente oder teilweise transparente Substrate getrennt bzw. geschnitten werden. Entsprechende Verfahren und Vorrichtungen kommen beispielsweise beim Zuschneiden von Gläsern oder sonstigen transparenten Substraten zum Einsatz, insbesondere wenn passgenaue Formen aus plattenartigen Werkstücken herausgetrennt werden sollen, z.B. bei der Displayherstellung.
Die WO 2012/006736 beschreibt ein Lasertrennverfahren, bei dem ein Laserfokus durch eine Oberfläche eines insbesondere plattenartigen Werkstückes eingestrahlt wird und entlang einer Trennkurve entlang der Oberfläche verlagert wird. Durch den Laserfokus werden im Material lokal Modifikationen und/oder Materialverspannungen erzeugt. Je nach Ausgestaltung der Trennkurve können dadurch Teile vom übrigen Material abgetrennt oder herausgetrennt werden.
Bei der Laserbearbeitung können insbesondere Bessel-ähnliche Laserstrahlen eingesetzt werden. Ein solcher Bessel-ähnlicher Laserstrahl oder Quasi-Bessel-Laserstrahl weist eine länglich ausgedehnte Fokuszone auf, in welcher der Strahl nichtbeugende Eigenschaften aufweist, in dem Sinne, dass der Laserstrahl in der Fokuszone einen näherungsweise propagationsinvarianten Strahlquerschnitt aufweist. Die charakteristische Fokuszone des Quasi-Bessel-Laserstrahls ermöglich vergleichsweise größere Schnitttiefen und somit das Trennen von dickeren Materialstücken.
Bessel-ähnliche Strahlen können mit Optiken (z.B. Axicon) aus einem von einer üblichen Laserlichtquelle abgegebenen Laserstrahl erzeugt werden, beispielsweise aus einem Gauß-Strahl. Der aus der Optik austretende Bessel-ähnliche Strahl weist im Strahlengang vor seiner Fokuszone in der Regel zunächst einen Konvergenzbereich auf, in welchem der Strahlbereich sich ausgehend von der Optik zunächst verjüngt.
In dem zu bearbeitenden Material können sich die optischen Eigenschaften (insbesondere Brechungsindex) lokal stark oder sprunghaft ändern, z.B. an Kanten, im Bereich bereits bestehender Materialmodifikationen oder im Bereich von sonstigen Störstellen. Solche Materialbereiche werden im Folgenden als kritische Bereiche bezeichnet. In den kritischen Bereichen kann der Bessel-ähnliche Strahl gestört werden und die Verlagerung der Fokuszone entlang der Trennkurve beeinträchtigt werden, beispielsweise dadurch, dass der Strahl im Strahlengang vor der Fokuszone abgeschattet oder reflektiert wird und dadurch die Fokuszone nicht mehr in das Material vordringen kann. In der Folge kann der Fokusbereich nicht nahe genug an genannten kritischen Bereich herangeführt werden. Dies kann dazu führen, dass eine Trennung des Materials in den kritischen Bereichen nicht möglich ist.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Zuverlässigkeit und Effizienz von Laser-Trennverfahren zu verbessern.
Diese Aufgabe wird durch das Verfahren gemäß Anspruch 1 gelöst. Durch Einbringen von lokalen Modifikationen in das Material eines Werkstückes mittels eines Laserstrahls werden von dem Werkstück Bereiche abgetrennt bzw. aus dem Werkstück Bereiche herausgetrennt. Dabei wird ein Werkstück verwendet, welches zumindest bereichsweise für den Laserstrahl transparent ist, z.B. Glas.
Gemäß dem Verfahren wird zunächst ein Bessel-ähnlicher Strahl (im Folgenden als Quasi-Bessel-Laserstrahl bezeichnet) erzeugt. Dies kann mittels einer optischen Strahlformungseinrichtung (z.B. umfassend ein Axicon-Element) erfolgen, die nachfolgend noch näher beschrieben ist. Nach Austritt aus der Strahlformungseinrichtung breitet sich der Quasi-Bessel-Laserstrahl entlang einer Propagationsrichtung aus.
Der Quasi-Bessel-Laserstrahl wird durch eine Oberfläche des Werkstückes in das Material des Werkstückes eingestrahlt, so dass der zur Trennung wirksame und insbesondere in Propagationsrichtung langgezogene Fokus des Quasi-Bessel-Laserstrahls zumindest teilweise innerhalb des Materials liegt. Dann wird die Fokuszone entlang einer Trennkurve entlang der Oberfläche des Werkstückes verlagert, insbesondere parallel zur Oberfläche des Werkstückes.
Dabei erfolgt das Verlagern der Fokuszone derart, dass zumindest bereichsweise (in einem sogenannten Korrektur-Abschnitt der Trennkurve) die Normale auf die Oberfläche mit der Propagationsrichtung betragsmäßig einen spitzen Winkel einschließt. Der spitze Winkel ist betragsmäßig gleich oder größer dem Konvergenzwinkel, welchen der Quasi-Bessel-Laserstrahl beim Austritt aus der Strahlformungseinrichtung aufweist. Der spitze Winkel wird insbesondere in einem Scheitelpunkt an einem Schnittpunkt der Propagationsrichtung mit der Oberfläche des Werkstückes mit der dortigen, lokalen Normalen eingeschlossen, wobei der spitze Winkel in Richtung zur Strahlformungseinrichtung (bzw. zu einem Strahlaustrittsbereich der Strahlformungseinrichtung) hin offen ist.
Ein Quasi-Bessel-Laserstrahl kann als näherungsweise Realisierung eines idealen Bessel-Strahls angesehen werden. Der Quasi-Bessel-Laserstrahl wird beispielsweise aus einem eintretenden Laserstrahl mittels beugender und/oder brechender optischer Elemente erzeugt, wie nachfolgend noch näher erläutert. Zur Erzeugung eines solchen Quasi-Bessel-Laserstrahls laufen verschiedene Strahlanteile in einer Fokuszone zusammen, welche dann über einen gewissen Raumbereich Eigenschaften ähnlich eines Bessel-Strahls aufweist. Insofern weist der Quasi-Bessel-Laserstrahl nach seinem Austritt aus der Strahlformungseinrichtung zunächst eine Konvergenzzone auf, die dann in den Fokusbereich übergeht.
Aufgrund der genannten Neigung in dem Korrektur-Abschnitt der Trennkurve kann eine Beeinträchtigung der Bessel-artigen Fokuszone durch die eingangs beschriebenen, kritischen Bereiche im Material reduziert oder sogar ausgeglichen werden. Dadurch ist es möglich, die zur Trennung wirksame Fokuszone bis zu den kritischen Bereichen oder sogar in die kritischen Bereiche hinein zu verlagern. So wird eine vollständige Trennung auch in Materialien mit den genannten kritischen Bereichen ermöglicht. Darüber hinaus können Beeinträchtigungen der Fokuszone durch Brechungseffekte (beispielsweise an der Oberfläche) und/oder Beugungseffekte (beispielsweise an Störstellen) ausgeglichen werden. Es können von der Fokuszone auch Bereiche erreicht werden, die ohne die beschriebene Neigung nicht optisch zugänglich sind. Durch das Einstrahlen des Quasi-Bessel-Laserstrahls mit der genannten Neigung können in vorteilhafter Weise auch Werkstücke aus einem umgebenden Materialbereich herausgelöst werden, also Innenkonturen in Materialbereichen erzeugt werden. Hierzu wird eine entsprechend geschlossen in dem Werkstück verlaufende Trennkurve gewählt. Außerdem kann durch das Einstrahlen des Quasi-Bessel-Laserstrahls mit der genannten Neigung bei einem geneigten Werkstück ein zu großer Winkel zur Normalen vermieden werden, z.B. bei einem dreidimensionalen Bauteil. Dadurch können Aberrationen an der Werkstückoberfläche vermindert werden. Diese Maßnahmen erlauben somit einen größeren Toleranzbereich zur Bearbeitung ohne aufwendige Korrektur innerhalb der Optik. Insgesamt wird die Zuverlässigkeit und Effizienz der Materialtrennung verbessert.
Je nach Art der kritischen Bereiche und/oder abhängig von den geometrischen Gegebenheiten kann die Neigung der Propagationsrichtung zur Oberfläche bezüglich einer Bahnbewegungsrichtung schleppend sein (Propagationsrichtung in Richtung der lokalen Bahnbewegung nach vorne geneigt), oder stechend sein (Propagationsrichtung entgegen der lokalen Bahnbewegung nach hinten geneigt).
Grundsätzlich kann der Korrektur-Abschnitt über die gesamte Trennkurve ausgedehnt sein, das heißt die gesamte Trennkurve mit der beschriebenen Neigung durchlaufen werden. Vorteilhaft kann jedoch auch sein, dass der Korrektur-Abschnitt nur in solchen Bereichen gewählt wird, in welchen Störstellen, kritische Bereiche oder sonstige Verschattungseffekte auftreten können. Insofern erfolgt die beschriebene Neigung vorzugsweise nur in solchen Bereichen des Materials des Werkstückes, in welchen sich der Brechungsindex des Materials für die Laserstrahlung räumlich stark verändert, insbesondere sprunghaft ändert. Wie erläutert, treten die kritischen Bereiche auch in Randbereichen der Oberfläche auf. In diesem Fall ist es vorteilhaft, wenn der Korrektur-Abschnitt der Trennkurve insbesondere eventuelle Schnittpunkte oder Berührungspunkte der Trennkurve mit Randbereichen des Werkstückes umfasst.
Zur weiteren Ausgestaltung kann die Fokuszone entlang der Trennkurve auch parallel zur Oberfläche und zumindest bereichsweise auch senkrecht zur Oberfläche verlagert werden. Hierzu können im Strahlengang der Strahlformungseinrichtung entsprechende Teleskopoptiken vorgesehen sein, mittels welchen die Position der Bessel-ähnlichen Zone entlang der Propagationsrichtung in gewissen Grenzen variiert werden kann.
In vorteilhafter Weise wird der Quasi-Bessel-Laserstrahl aus einem Gauß-Strahl erzeugt, beispielsweise durch ein Axicon-Element, insbesondere konische Linse, wie nachfolgend noch näher erläutert.
Die genannte Neigung kann auf verschiedene Weisen erzielt werden, insbesondere durch ein Verkippen des Werkstückes in Bezug auf die Strahlformungseinrichtung oder ein Verkippen der Strahlformungseinrichtung in Bezug auf das Werkstück, oder durch Ausbildung eines entsprechend schräg verlaufenden Strahlengangs beim Austritt aus der Strahlformungsoptik.
Die genannte Aufgabe wird auch durch eine Lasertrennvorrichtung gemäß Anspruch 10 gelöst, welche eine Optikeinrichtung zur Erzeugung des Laserstrahls und eine Werkstückaufnahme zur bedarfsgerechten Anordnung (insbesondere Halterung und Positionierung) des Werkstücks in Bezug auf den Laserstrahl umfasst.
Die Optikeinrichtung umfasst eine Laserlichtquelle zur Abgabe eines Eingangslaserstrahls und eine Strahlformungseinrichtung, insbesondere umfassend ein Axicon-Element, zur Umformung des Eingangslaserstrahls in den Quasi-Bessel-Laserstrahl. Die Strahlformungseinrichtung hat einen Strahlaustrittsbereich, für welchen eine optische Achse definiert ist. Durch den Strahlaustrittsbereich tritt der Quasi-Bessel-Laserstrahl aus und breitet sich entlang einer Propagationsrichtung aus, wobei die Strahlung nach dem Strahlaustrittsbereich zunächst mit einem Konvergenzwinkel (insbesondere in Bezug auf die optische Achse) zusammenläuft, um die Bessel-ähnliche Strahlungszone auszubilden. Das Werkstück wird in der Werkstückaufnahme derart positioniert, dass der Quasi-Bessel-Laserstrahl auf eine Oberfläche des Werkstückes einstrahlbar ist und zwar derart, dass die Normale der Oberfläche und die Propagationsrichtung in einem spitzen Winkel zueinander geneigt sind, welcher betragsmäßig gleich oder größer dem Konvergenzwinkel des Quasi-Bessel-Laserstrahls beim Austritt aus der Strahlformungseinrichtung ist. Eine solche Lasertrennvorrichtung ist insbesondere dazu ausgebildet, das vorstehend beschriebene Verfahren auszuführen.
Zur Variation der Fokuszone, insbesondere zur Variation der Position des Bessel-ähnlichen Bereichs im Material, beispielsweise entlang der Propagationsrichtung, umfasst die Optikeinrichtung insbesondere wenigstens eine Teleskopanordnung. Beispielsweise kann eine erste Teleskopanordnung zur Strahlaufweitung des Eingangslaserstrahls vorgesehen sein, welche insbesondere im Strahlengang vor der Strahlformungseinrichtung angeordnet ist. Eine zweite Teleskopanordnung kann beispielsweise vorgesehen sein, um eine in Propagationsrichtung langgezogene Fokuszone zu formen und in ihrer Form und/oder Ausrichtung zu variieren. Eine solche Teleskopanordnung ist vorzugsweise im Strahlengang nach der Strahlformungseinrichtung anordnet.
Die Neigung kann wie erläutert, durch Verkippung von Werkstückaufnahme und optischer Achse relativ zueinander erreicht werden, oder auch durch Ausbildung eines geneigten Strahlungsverlaufs in der Optikeinrichtung.
Die Optikeinrichtung kann insofern insbesondere eine Keilplatte umfassen, welche eine Neigung des Quasi-Bessel-Laserstrahls gegenüber der optischen Achse bewirkt. Die Keilplatte ist insbesondere drehbar in der Lasertrennvorrichtung angeordnet, so dass die Richtung der Neigung des Quasi-Bessel-Laserstrahls verändert werden kann, beispielsweise um eine gekrümmte Bahnbewegung durch entsprechende Rotation der Neigung mitzugehen. Die Keilplatte ist vorzugsweise entlang des Strahlengangs auf die Strahlformungseinrichtung folgend und der zweiten Teleskopanordnung vorangehend angeordnet.
In vorteilhafterweise kann die Optikeinrichtung wenigstens zwei Keilplatten umfassen, die eine Neigung des Quasi-Bessel-Laserstrahls gegenüber der optischen Achse bewirken, wobei wenigstens zwei der Keilplatten relativ zueinander und/oder gemeinsam miteinander rotierbar angeordnet sind. Die wenigstens zwei Keilplatten sind vorzugsweise entlang des Strahlengangs auf die Strahlformungseinrichtung folgend und insbesondere der zweiten Teleskopanordnung vorangehend angeordnet.
Die geneigte Einstrahlung der Bessel-ähnlichen Fokuszone kann beispielsweise mittels der zweiten Teleskopanordnung erzielt werden. Hierzu kann z.B. wenigstens eine Linse der zweiten Teleskopanordnung transversal zur Propagationsrichtung und/oder transversal zur optischen Achse verlagerbar angeordnet sein. Vorzugsweise ist die abschließende Linse der zweiten Teleskopanordnung in der genannten Weise verlagerbar, zum Beispiel die abschließenden Linse eines Mikroobjektivs. Die Neigung der Fokuszone kann auch dadurch verändert werden, dass der Laserstrahl gegenüber der optischen Achse geneigt auf die im Strahlengang vorneliegende Linse der zweiten Teleskopanordnung trifft. Dies kann z.B. dadurch erreicht werden, dass im Strahlengang vor der zweiten Teleskopanordnung eine variierbare/einstellbare Strahlumlenkungseinrichtung vorgesehen ist, mittels welcher die Ausbreitungsrichtung des Laserstrahls vor der zweiten Teleskopanordnung veränderbar ist. Beispielsweise wird Propagationsrichtung gegenüber der optischen Achse an der ersten Linse der zweiten Teleskopanordnung mittels eines piezogetriebenen Spiegels um einen Winkel alpha' geändert. Der Spiegel kann auch als reflektierendes, diffraktives optisches Element (DOE) ausgeführt sein, was eine sehr kompakte Bauweise erlaubt.
Zur Erzeugung der Bessel-ähnlichen Strahlungseigenschaften umfasst die Strahlformungseinrichtung vorzugsweise ein Axicon-Element und/oder ein diffraktives optisches Element (DOE). Um eine Neigung in der genannten Weise zu erzeugen, kann das Axicon-Element und/oder das diffraktive optische Element vorzugsweise neigbar in Bezug zur optischen Achse gehaltert sein. Durch Neigung des Elements kann dann eine Neigung des Quasi-Bessel-Laserstrahls bzw. der Bessel-ähnliche Fokus gegenüber der optischen Achse bewirkt werden.
Zur weiteren Ausgestaltung ist das Axicon-Element und/oder das diffraktive optische Element rotierbar um die optische Achse der Strahlformungseinrichtung gehaltert. Dadurch kann die Neigungsrichtung des Strahlengangs beim Durchlaufen einer gekrümmten Bahnbewegung gedreht werden, so dass beispielsweise die Neigung in Bezug auf die lokale Bahnbewegung immer konstant gehalten werden kann.
Die Neigung des Strahlengangs in der genannten Weise kann auch mittels eines Alvarez-Linsensystems erzielt werden. Das Alvarez-Linsensystem ist vorzugsweise entlang des Strahlengangs auf der Strahlform des optischen Elements folgend und der Teleskopanordnung vorangehend angeordnet. Ein Alvarez-Linsensystem umfasst vorzugsweise zwei Linsenelemente, welche zur kontinuierlichen Veränderung der sphärozylindrischen Wirkung ausgebildet sind, wobei die beiden Linsen derart in Bezug aufeinander angeordnet sind, dass sich bei gegenseitiger Verschiebung unterschiedliche sphärische und/oder zylindrische Krümmungsradien ergeben.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Figuren näher erläutert.
Es zeigen:

1: skizzierte Darstellung einer Lasertrennvorrichtung zur Ausführung des beschriebenen Verfahrens;
2: skizzierte Darstellung zur Erläuterung der Verlagerung des Quasi-Bessel-Laserstrahls entlang einer Trennkurve;
3a, 3b, 3c: skizzierte Darstellungen zur Erläuterung der in kritischen Bereichen des Materials auftretenden Probleme beim Trennen mittels Laserstrahlen;
4: skizzierte Darstellung zur Erläuterung des Strahlengangs in einer Strahlformungseinrichtung für eine Lasertrennvorrichtung der beschrieben Art;
5: skizzierte Darstellung zur Erläuterung des Quasi-Bessel-Laserstrahls beim Austritt aus der Strahlformungseinrichtung;
6: skizzierte Darstellung zur Erläuterung der Neigung des Quasi-Bessel-Laserstrahls in Bezug auf die Normale auf die Oberfläche des Werkstücks;
7: skizzierte Darstellung zur Erläuterung der durch die beschriebenen Maßnahmen erreichbaren Vorteile.

In der nachfolgenden Beschreibung sowie in den Figuren sind für identische oder einander entsprechende Merkmale jeweils dieselben Bezugszeichen verwendet.
Die 1 skizziert eine Lasertrennvorrichtung 10, mittels welcher Bereiche eines Werkstückes 12 abgetrennt werden können, wobei das Werkstück 12 zumindest bereichsweise aus einer für einen Laserstrahl 16 transparentem Material 14 besteht. Die Lasertrennvorrichtung 10 umfasst eine Optikeinrichtung 18 zur Erzeugung des Laserstrahls 16 sowie eine Werkstückaufnahme 20 zur Halterung und Positionierung des Werkstücks 12.
Die Optikeinrichtung 18 umfasst eine Laserquelle 22 zur Abgabe eines Eingangslaserstrahles 16', welcher mittels einer im Strahlengang angeordneten Strahlformungseinrichtung 24 in den Laserstrahl 16 umgeformt wird, mittels dem die Bearbeitung des Werkstücks 12 erfolgt.
Die Strahlformungseinrichtung 24 ist dazu ausgebildet, den Eingangslaserstrahl 16' derart umzuformen, dass der Laserstrahl 16 in der Art eines Quasi-Bessel-Laserstrahls aus einem Strahlaustrittsbereich 26 der Strahlformungseinrichtung 24 austritt. Nach dem Strahlaustrittsbereich 26 breitet sich der Quasi-Bessel-Laserstrahl entlang einer Propagationsrichtung 28 aus. Das Werkstück 12 ist derart in der Werkstückaufnahme 20 aufgenommen, dass der Quasi-Bessel-Laserstrahl durch eine Oberfläche 30 des Werkstücks 12 in das Material 14 eingestrahlt wird.
Wie in 2 skizziert, konvergiert der Quasi-Bessel-Laserstrahl nach Austritt aus dem Strahlaustrittsbereich 26 der Strahlformungseinrichtung 24 zunächst, wobei er sich insgesamt entlang der Propagationsrichtung 28 ausbreitet. Die Propagationsrichtung des Laserstrahls 16 kann insofern als über den Strahlquerschnitt räumlich gemittelter Poynting-Vektor festgelegt werden.
Die Strahlformungseinrichtung 24 ist derart ausgebildet, dass der Quasi-Bessel-Laserstrahl 16 eine insbesondere entlang der Propagationsrichtung 28 langgezogene Fokuszone 32 aufweist, in welcher der Strahl 16 Bessel-ähnliche Eigenschaften aufweist, also insbesondere entlang der Propagationsrichtung über einen bestimmten Bereich nahezu beugungsfrei propagiert.
Wie in 2 erkennbar, erfolgt im Bereich der Fokuszone 32 eine lokale Modifikation (z.B. Aufschmelzen) des Materials 14, welche zu einer lokalen Trennung des Materialverbundes führt.
Zum Trennen des Werkstückes 12 wird die Fokuszone 32 entlang einer Trennkurve 34 durch das Material 14 des Werkstücks 12 verlagert. Die Trennkurve 34 kann gerade oder auch gekrümmt verlaufen. Insbesondere ist es möglich, dass die Trennkurve 34 eine in sich geschlossene Kurve ist, so dass ein gewünschtes Formteil aus dem Material 14 herausgeschnitten werden kann.
Beim Verlagern der Fokuszone 32 entlang der Trennkurve 34 können Probleme auftreten, welche die Trennung des Werkstückes durch Modifikation des Materials 14 in der Fokuszone 32 beeinträchtigen, wie eingangs beschrieben.
Die für die Lösung dieser Probleme relevanten Maßnahmen können insbesondere anhand geometrischer Größen, wie die lokale Normale 36 auf die Oberfläche 30 und die Propagationsrichtung 28 erläutert werden (vgl. hierzu die Veranschaulichung dieser Richtungen in 1).
Die 3a skizziert einen Fall, in welchem die Trennkurve 34 durch einen im Wesentlichen ungestörten Materialabschnitt des Werkstückes 12 verläuft. Im dargestellten Beispiel wird der Strahlaustrittsbereich 26 der Strahlformungseinrichtung 24 im Wesentlichen parallel zur Oberfläche 30 verlagert, was durch eine mit einem Pfeil skizzierte Bahnbewegung 38 symbolisiert ist. Dargestellt ist ein Fall, bei dem die Propagationsrichtung 28 im Wesentlichen senkrecht zur Oberfläche 30, also parallel zur Normalen 36 orientiert ist. Entlang der Bahnbewegung 38 erzeugt der Fokusbereich 32 (vergleiche 2) lokale Modifikationen in dem Material 14. Da keine störenden Materialbereiche auftreten, kann eine Trennung entlang der Trennkurve problemlos erfolgen.
In der in 3b skizzierten Situation nähert sich die Trennkurve (symbolisiert durch die Bahnbewegung 38) einem Rand 40 des Werkstückes 12 bzw. seiner Oberfläche 30. An dem Rand 40 treten lokal sprunghafte Veränderungen in den optischen Eigenschaften des Materials 14 auf, insbesondere eine sprunghafte Änderung des Brechungsindex. Dies hat zur Folge, dass mit dem Quasi-Bessel-Laserstrahl 16 nicht mehr über den gesamten Bereich des Materials 14 Lokalmodifikationen eingebracht werden können, da die Fokuszone 32 (2) nicht mehr alle Bereiche des Materials 14 erreichen kann. Damit ist eine Trennung des Werkstücks 12 im Bereich des Randes 40 nicht möglich. Selbst wenn der Laserstrahl direkt am Rand 40 eingestrahlt wird, so verbleibt ein optisch nicht zugänglicher oder „abgeschatteter Bereich 42“, vgl. 3c.
Die 4 zeigt in schematischer Darstellung eine Ausführungsform der Strahlformungseinrichtung 24, in welche der von der Laserquelle 22 abgegebene Eingangslaserstrahl 16' eingestrahlt wird. Von der Laserquelle 22 wird beispielsweise ein Laserstrahl in der Art eines Gauß-Strahls abgegeben, welcher nicht die Eigenschaften eines Bessel-ähnlichen Strahles aufweisen. Insofern umfasst die Strahlformungseinrichtung 24 insbesondere ein optisches Transformationselement 44 zur Umwandlung des Eingangslaserstrahls 16' in einen Bessel-ähnlichen Strahl. Im dargestellten Beispiel ist das optische Transformationselement 44 als Axicon-Element 46 ausgebildet. Grundsätzlich sind jedoch auch andere Ausgestaltungen möglich. Im Allgemeinen können Gauß-ähnliche Strahlen z.B. durch konische Linsenmittel in Bessel-ähnliche Strahlen umgeformt werden. Ebenso kann das optische Transformationselement als diffraktives optisches Element (DOE) ausgebildet sein oder ein solches umfassen. Im dargestellten Beispiel ist dem optischen Transformationselement 44 im Strahlengang eine erste Teleskopanordnung 48 vorangestellt. Diese kann beispielsweise dazu dienen, den Eingangslaserstrahl 16' vor Umwandlung in einen Bessel-ähnlichen Strahl aufzuweiten.
Die Strahlformungseinrichtung 24 umfasst im dargestellten Beispiel außerdem eine zweite Teleskopanordnung 50, welche im Strahlengang auf das optische Transformationselement 44 folgend angeordnet ist. Die zweite Teleskopanordnung 50 kann beispielsweise dazu ausgebildet sein, die räumliche Ausdehnung der Fokuszone 32 des erzeugten Bessel-ähnlichen Laserstrahls 16 zu verkleinern oder im Hinblick auf eine optimale Materialbearbeitung zu formen.
Die zweite Teleskopanordnung 50 umfasst beispielsweise ein erstes Linsenmittel 52 (z.B. Sammellinse) und ein im Strahlengang folgendes Abschlusslinsenmittel 54 (z.B. Sammellinse). Zwischen den Linsenmitteln 52 und 54 können ggf. weitere Linsenmittel vorgesehen sein, je nach Ausgestaltung der Teleskopoptik.
Die Strahlformungseinrichtung 24, insbesondere die zweite Teleskopanordnung 50, definiert im dargestellten Beispiel eine optische Achse 56. Die Strahlformungseinrichtung 24 ist vorzugsweise derart ausgebildet, dass die Fokuszone 32 des Quasi-Bessel-Laserstrahls 16 in Bezug zur optischen Achse 56 neigbar ist. Beispielsweise kann das Abschlusslinsenmittel 54 der zweiten Teleskopanordnung bezüglich der optischen Achse 56 transversal verlagerbar sein, wodurch ein axialer Versatz der Fokuszone 32 erzielt werden kann.
Eine Neigung der Bessel-ähnlichen Fokuszone 32 kann auch dadurch erreicht werden, dass wenigstens eine Keilplatte 58 vorgesehen ist, welche vorzugsweise im Strahlengang nach dem optischen Transformationselement 44 angeordnet ist. Die Keilplatte 58 ist insbesondere aus einem Linsenmaterial ausgebildet und kann den Strahlengang zur Ausbildung des Quasi-Bessel-Laserstrahls 16 bezüglich der optischen Achse 56 neigen. Insofern ist die Keilplatte 58 vorzugsweise neigbar bezüglich der optischen Achse gehaltert. Darüber hinaus kann die Keilplatte 58 auch um die optische Achse 56 drehbar gehaltert sein, so dass eine Neigung der Bessel-ähnlichen Fokuszone 32 sowohl im Neigungswinkel, als auch in der Neigungsrichtung eingestellt werden kann.
Die 5 skizziert die geometrischen Verhältnisse des Strahlungsverlaufs, ausgehend vom Strahlaustrittsbereich 26 der Strahlformungseinrichtung 24. Der Quasi-Bessel-Laserstrahl 16 ist schematisch durch einhüllende Randstrahlen skizziert. Ausgehend von dem Strahlaustrittsbereich 26 weist der Quasi-Bessel-Laserstrahl zunächst einen Konvergenzwinkel β auf und breitet sich insgesamt betrachtet entlang der Propagationsrichtung 28 aus. Im dargestellten Beispiel fällt die Propagationsrichtung 28 mit der optischen Achse zusammen, was jedoch nicht zwingend ist, wie nachfolgend noch näher erläutert. Wird in dieser Konfiguration der Quasi-Bessel-Laserstrahl 16 entlang der Normalen 36 auf die Oberfläche 30 des Werkstücks 12 eingestrahlt, so können die im Zusammenhang mit den 3a, 3b, 3c erläuterten Probleme auftreten.
Um diese Probleme zu beheben, wird der Quasi-Bessel-Laserstrahl 16 vorzugsweise derart durch die Oberfläche 30 des Werkstücks 12 eingestrahlt, dass in dem Bereich, in welchem der Quasi-Bessel-Laserstrahl 16 die Oberfläche 30 durchstrahlt, die (lokale) Normale 36 der Oberfläche 30 und die Propagationsrichtung 28 gegeneinander derart geneigt sind, dass sie betragsmäßig einen spitzen Winkel α einschließen. Der Scheitel des spitzen Winkels α liegt dabei auf der Oberfläche 30, insbesondere gebildet durch den Schnittpunkt der Propagationsrichtung 28 mit der dortigen, lokalen Normalen 36. Der Winkel α ist dabei insbesondere derart gewählt, dass er betragsmäßig gleich oder größer dem Konvergenzwinkel β ist.
Wie in 6 skizziert, kann die genannte Neigung beispielsweise dadurch realisiert werden, dass Werkstück 12 und Strahlformungseinrichtung 24 derart in Bezug aufeinander angeordnet und orientiert sind, dass die optische Achse 56 der Strahlformungseinrichtung 24 und die Normale 36 auf die Oberfläche 30 zueinander um den Winkel α geneigt sind. Dabei kann dann die Propagationsrichtung 28 auf der optischen Achse 56 verlaufen. Insofern ist es bei dieser Ausgestaltung nicht zwingend erforderlich, dass der Bessel-artige Laserstrahl 16 selbst bezüglich der optischen Achse 56 der Strahlformungseinrichtung 24 geneigt ist.
Alternativ oder ergänzend hierzu ist auch möglich, dass der Bessel-artige Laserstrahl 16 bzw. die Fokuszone 32 durch die im Zusammenhang mit der 4 beschriebenen Mittel zur optischen Achse geneigt werden.
Die beschriebene Neigung von Propagationsrichtung 28 und Normale 36 zueinander wird vorzugsweise nicht im gesamten Bereich der Trennkurve 34 (vergleiche 2) vorgesehen. Insbesondere kann es ausreichend sein, die beschriebene Neigung nur in einem Korrektur-Abschnitt der Trenngruppe 34, wobei der Korrektur-Abschnitt derart gewählt ist, dass sämtliche der eingangs beschriebenen, kritischen Bereiche des Materials umfasst, welche von der Trennkurve 34 durchlaufen werden. Eine einfache Ausgestaltung ergibt sich jedoch auch daraus, dass die beschriebene Neigung über die gesamte Trennkurve vorgesehen ist. Mit anderen Worten kann der Korrektur-Abschnitt auch über die gesamte Trennkurve ausgedehnt sein.
Die 7 skizziert den durch die beschriebene Neigung erzielten Effekt. Im dargestellten Beispiel ist die Strahlformungseinrichtung 24 derart ausgebildet, dass die Propagationsrichtung 28 des austretenden Quasi-Bessel-Laserstrahls 16 nicht mehr auf der optischen Achse 56 der Strahlformungseinrichtung 24 (bzw. des Strahlaustrittsbereichs 26) verläuft, sondern dass die Propagationsrichtung 28 geneigt zur optischen Achse 56 ist. Insbesondere ist die Neigung derart gewählt, dass zwischen Propagationsrichtung 28 und der Normalen auf die Oberfläche 30 der Neigungswinkel α eingeschlossen ist. Da die Neigung mindestens so groß ist, wie der Konvergenzwinkel β (vergleiche 6) treten auch Strahlbeiträge in Randbereichen des Quasi-Bessel-Laserstrahls 16 derart durch die Oberfläche 30 hindurch, dass sie stets vollständig zur Ausbildung der Fokuszone 32 beitragen können.
Insbesondere kann der Neigungswinkel α derart gewählt werden, dass keine optische unzugänglichen Bereiche in dem Material 14 auftreten, insbesondere nicht in Bereichen des Materials 14, in welchem sich optische Eigenschaften (z.B. Brechungsindex) sprunghaft ändert. Im Beispiel der 7 ist die Einstrahlung des Quasi-Bessel-Laserstrahls 16 am Rand 40 des Werkstücks 12 gezeigt.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

WO 2012/006736 [0003]

Claims

Verfahren zum Trennen eines Werkstücks (12) durch lokales Modifizieren mittels eines Laserstrahls (16), wobei das Werkstück (12) ein für den Laserstrahl (16) zumindest teilweise transparentes Material (14) umfasst, das Verfahren umfassend die Schritte: - Erzeugen eines Quasi-Bessel-Laserstrahls (16) mittels einer optischen Strahlformungseinrichtung (24), wobei sich der Quasi-Bessel-Laserstrahl (16) nach Austritt aus der Strahlformungseinrichtung (24) entlang einer Propagationsrichtung (28) ausbreitet; - Einstrahlen des Quasi-Bessel-Laserstrahls (16) durch eine Oberfläche (30) des Werkstücks (12) derart, dass eine zur Trennung wirksame Fokuszone (32) des Quasi-Bessel-Laserstrahls (16) zumindest teilweise innerhalb des Materials (14) des Werkstücks (12) liegt; - Verlagern der Fokuszone (32) entlang einer Trennkurve (34) entlang der Oberfläche (30) des Werkstücks (12); wobei das Verlagern der Fokuszone (32) derart erfolgt, dass zumindest in einem Korrektur-Abschnitt der Trennkurve (34) die Normale (36) der Oberfläche (30) und die Propagationsrichtung (28) in einem spitzen Winkel (α) zueinander geneigt sind, wobei der spitze Winkel (α) betragsmäßig gleich oder größer dem Konvergenzwinkel (β) ist, welchen der Quasi-Bessel-Laserstrahl (16) beim Austritt aus der Strahlformungseinrichtung (24) aufweist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Trennkurve (34) mit einer Bahnbewegung (38) durchlaufen wird und in dem Korrektur-Abschnitt der Trennkurve (34) die Propagationsrichtung (28) in Richtung der Bahnbewegung (38) nach vorne geneigt ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Trennkurve (34) mit einer Bahnbewegung (38) durchlaufen wird und in dem Korrektur-Abschnitt der Trennkurve (34) die Propagationsrichtung (28) entgegen der Bahnbewegung (38) nach hinten geneigt ist.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Trennkurve (34) durch Bereiche des Materials (14) des Werkstücks (12) verläuft, in welchen sich der Brechungsindex des Materials (14) für die Laserstrahlung räumlich verändert, insbesondere sprunghaft verändert, und wobei der Korrektur-Abschnitt der Trennkurve (34) in dem genannten Bereich gewählt wird.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Trennkurve (34) einen Rand (40) der Oberfläche (30) in zumindest einem Schnittpunkt schneidet und wobei der Korrektur-Abschnitt derart gewählt ist, dass er den wenigstens einen Schnittpunkt umfasst.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Fokuszone (32) entlang der Trennkurve (34) parallel zur Oberfläche (30) und zumindest abschnittsweise auch senkrecht zur Oberfläche (30) verlagert wird.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei der Quasi-Bessel-Laserstrahl (16) mittels einer optischen Strahlformungseinrichtung (24) aus einem von einer Laserlichtquelle (22) abgegebenen Gauß-Strahl (16) erzeugt wird.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei das Erzeugen des Quasi-Bessel-Laserstrahls (16) mittels einer Strahlformungseinrichtung (24) erfolgt, welche eine optische Achse (56) definiert, wobei die Propagationsrichtung (28) auf der optischen Achse (56) liegt, und wobei beim Verlagern der Fokuszone (32) entlang der Trennkurve (34) in deren Korrektur-Abschnitt das Werkstück (12) derart in Bezug auf die optische Achse (56) angeordnet ist, dass die Normale (36) der Oberfläche (30) mit dem spitzen Winkel (α) gegenüber der optischen Achse (56) geneigt ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1-7, wobei das Erzeugen des Quasi-Bessel-Laserstrahls (16) mittels einer Strahlformungseinrichtung (24) erfolgt, welche eine optische Achse (56) definiert, wobei beim Verlagern der Fokuszone (32) entlang der Trennkurve (34) in deren Korrekturabschnitt die Propagationsrichtung (28) gegenüber der optische Achse (56) mit dem spitzen Winkel (α) geneigt ist.
Lasertrennvorrichtung (10) zum Trennen eines Werkstücks (12) mittels eines Laserstrahls (16), wobei das Werkstück (12) ein für den Laserstrahl (16) zumindest teilweise transparentes Material (14) umfasst, mit einer Optikeinrichtung (18) zur Erzeugung des Laserstrahls (16) und mit einer Werkstückaufnahme (20) zur Anordnung des Werkstücks (12), die Optikeinrichtung (18) umfassend: - eine Laserquelle (22) zur Abgabe eines Laserstrahls (16'); - eine Strahlformungseinrichtung (24) zur Umformung des Laserstrahls (16') in einen Quasi-Bessel-Laserstrahl (16), wobei die Strahlformungseinrichtung (24) einen Strahlaustrittsbereich (26) mit einer optischen Achse (56) aufweist und derart ausgebildet ist, dass sich der Quasi-Bessel-Laserstrahl (16) nach dem Strahlaustrittsbereich (56) entlang einer Propagationsrichtung (28) ausbreitet, wobei die Werkstückaufnahme (20) dazu ausgebildet ist, das das Werkstück (12) derart zu positionieren, dass der Quasi-Bessel-Laserstrahl (16) auf eine Oberfläche (30) des Werkstücks (12) einstrahlbar ist, wobei die Normale (36) auf die Oberfläche (30) und die Propagationsrichtung (28) in einem spitzen Winkel (α) zueinander geneigt sind, wobei der spitze Winkel (α) betragsmäßig gleich oder größer dem Konvergenzwinkel (β) ist, welchen der Quasi-Bessel-Laserstrahl (16) beim Austritt aus der Strahlformungseinrichtung (24) aufweist.
Lasertrennvorrichtung (10) nach Anspruch 10, die Optikeinrichtung (18) umfassend eine erste Teleskopanordnung (48) zur Strahlaufweitung des Laserstrahls (16').
Lasertrennvorrichtung (10) nach Anspruch 10 oder 11, die Optikeinrichtung (18) umfassend eine zweite Teleskopanordnung (50) zur Erzeugung einer in einer Propagationsrichtung (28) langgezogenen Fokuszone (32) in dem zu bearbeitenden Material (14).
Lasertrennvorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 10-12, wobei die Optikeinrichtung (18) derart ausgebildet und angeordnet ist, dass Propagationsrichtung (28) auf der optischen Achse (56) liegt, und die Werkstückaufnahme (20) derart ausgebildet und angeordnet ist, dass die Normale (36) der Oberfläche (30) mit dem spitzen Winkel (α) gegenüber der optischen Achse (56) neigbar ist.
Lasertrennvorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 10-12, dadurch gekennzeichnet, dass die Optikeinrichtung (18) derart ausgebildet ist, dass die Propagationsrichtung (28) gegenüber der optische Achse (56) mit dem spitzen Winkel (α) neigbar ist.
Lasertrennvorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 10-14, wobei die Optikeinrichtung (18) eine Keilplatte (58) umfasst, die eine Neigung des Quasi-Bessel-Laserstrahls (16) gegenüber der optischen Achse (56) bewirkt, wobei die Keilplatte (58) insbesondere drehbar angeordnet ist, um die Richtung der Neigung des Quasi-Bessel-Laserstrahls (16) zu verändern.
Lasertrennvorrichtung nach einem der Ansprüche 10-14, dadurch gekennzeichnet, dass die Optikeinrichtung (18) wenigstens zwei Keilplatten (58) umfasst, wobei die Keilplatten (58) dazu ausgebildet sind, eine Neigung des Quasi-Bessel-Laserstrahls (16) gegenüber der optischen Achse (56) bewirken, wobei die Keilplatten (58) relativ zueinander und/oder gemeinsam miteinander rotierbar angeordnet sind, um die Neigung des Quasi-Bessel-Laserstrahls (16) zu verändern.
Lasertrennvorrichtung (10) nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Teleskopanordnung (50) derart ausgebildet ist, dass die Fokuszone (32) in dem Material (14) in Propagationsrichtung (28) langezogen ist und die langgezogene Fokuszone (32) gegenüber der optischen Achse (56) geneigt ist, wobei wenigstens eine Linse (54) der zweiten Teleskopanordnung (50), insbesondere die im Strahlengang abschließende Linse (54) der zweiten Teleskopanordnung (50), derart transversal zur Propagationsrichtung (28) verlagerbar ist, dass die Neigung der langgezogenen Fokuszone (32) veränderbar ist.
Lasertrennvorrichtung (10) nach Anspruch 12, wobei im Strahlengang vor der zweiten Teleskopanordnung (50) eine Strahlumlenkungseinrichtung derart vorgesehen ist, dass der Laserstrahl (16') gegenüber der optischen Achse (56) geneigt auf eine im Strahlenhang eingangsseitig angeordnete Linse der zweiten Teleskopanordnung (50) einstrahlbar ist.
Lasertrennvorrichtung (10) nach Anspruch 10, wobei die Strahlformungseinrichtung (24) ein Axicon-Element (16) und/oder ein diffraktives optisches Element (DOE) umfasst, welches in Bezug zur optischen Achse (56) neigbar derart gehaltert ist, dass durch die Neigung des Axicon-Elements (46) und/oder des diffraktiven optischen Elements (DOE) eine Neigung des Quasi-Bessel-Laserstrahls (16) gegenüber der optischen Achse (56) bewirkt wird.
Lasertrennvorrichtung (10) nach Anspruch 19, wobei das Axicon-Element (46) und/oder das diffraktive optische Element (DOE) derart gehaltert ist, dass es um die optische Achse (56) drehbar ist.