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Stand der Technik
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Mit der Lasermaterialbearbeitung ergibt sich neben den klassischen Verfahren, wie zum Beispiel das Trennen von Werkstücken, die Möglichkeit, Werkstücke zu polieren oder zu glätten. Hierbei wird das Werkstück mit energetischer Strahlung, insbesondere Laserstrahlung, bearbeitet. Die energetische Strahlung wird üblicherweise gepulst zugeführt, wobei die Pulse eine Länge von einigen Mikrosekunden haben, um das Werkstück ausreichend aufschmelzen zu können.
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Beispielsweise offenbart die Druckschrift
DE 102 28 743 A1 , die wohl den nächstkommenden Stand der Technik bildet, ein Verfahren zum Glätten und Polieren von Oberflächen durch Bearbeitung mit energetischer Strahlung. Es wird dabei vorgeschlagen, in einer ersten Bearbeitungsstufe kontinuierliche Laserstrahlung oder gepulste Laserstrahlung mit einer Pulsdauer größer als 100 µs zu verwenden und in einer zweiten Bearbeitungsstufe gepulste Laserstrahlung mit einer Pulsdauer im Bereich von 1 µs einzusetzen. In der zweiten Bearbeitungsstufe sollen Umschmelztiefen von maximal 5 µm erreicht werden.
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Offenbarung der Erfindung
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Der Gegenstand der Erfindung betrifft ein Verfahren zum Polieren und/oder Glätten einer metallischen Oberfläche von einem Werkstück mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie ein entsprechend bearbeitetes Werkstück mit den Merkmalen des Anspruchs 9. Bevorzugte oder vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, der nachfolgenden Beschreibung sowie den beigefügten Figuren.
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Der Gegenstand der Erfindung betrifft ein Verfahren zum Polieren und/oder Glätten einer metallischen Oberfläche von einem Werkstück. Das Glätten bzw. Polieren wird durch ein Aufschmelzen der metallischen Oberfläche erreicht. Insbesondere erfolgt das Polieren und/oder Glätten nicht durch einen Materialabtrag, sondern durch das Aufschmelzen. Bei dem Verfahren wird das Werkstück im Bereich der Oberfläche in einem Bearbeitungsbereich durch Strahlung aufgeschmolzen, um die Oberfläche in dem Bearbeitungsbereich zu glätten bzw. zu polieren. Die Strahlung ist insbesondere als eine hochenergetische Strahlung ausgebildet. Im Speziellen ist die Strahlung als Laserstrahlung ausgebildet.
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Die Strahlung ist als eine gepulste Strahlung ausgebildet, wobei die gepulste Strahlung durch zeitlich aufeinanderfolgende Strahlpulse gebildet wird. Die Strahlpulse weisen einen zeitlichen Abstand voneinander auf, wobei der zeitliche Abstand beispielsweise als der Abstand von den Intensitätsmaxima der Strahlpulse gemessen wird. Es ist auch möglich, andere charakteristische Merkmale bei den Strahlpulsen zur Bestimmung des zeitlichen Abstands zu verwenden.
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Vorzugsweise wird das Werkstück in dem Bearbeitungsbereich mehrfach belichtet und/oder überlappend bestrahlt.
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Kernpunkt der Erfindung ist, dass die Strahlpulse als Ultrakurzpulse ausgebildet sind. In dem Verfahren werden Strahlpulse, im Speziellen Laserstrahlpulse, mit einer Pulslänge von weniger als 20 ps (Pikosekunden), vorzugsweise weniger als 5 ps (Pikosekunden) eingesetzt. Dagegen scheint es vorteilhaft, dass die Pulslängen länger als 0,01ps, insbesondere 0,1ps sind.
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Die Strahlpulse werden in dem Bearbeitungsbereich auf das Werkstück mit einem sehr geringen zeitlichen Abstand aufgebracht, wobei der zeitliche Abstand zwischen 0,1 ns (Nanosekunden) und 100 ns (Nanosekunden) beträgt.
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Durch das Aufbringen der Strahlpulse mit sehr geringer Pulslänge wird erreicht, dass nur wenig Energie in das Werkstück eingebracht wird, so dass die thermische Belastung geringgehalten ist. Dadurch, dass die Strahlung als eine gepulste Strahlung mit einem geringen zeitlichen Abstand zwischen den Strahlpulsen ausgebildet ist, wird erreicht, dass sich die metallische Oberfläche in dem Bearbeitungsbereich während der Bearbeitung nicht mehr vollständig abkühlen kann, sondern Puls für Puls weiter erwärmt wird. Die Erwärmung wird so gesteuert, dass es zu dem Aufschmelzen in dem Bearbeitungsbereich kommt, wobei durch das Aufschmelzen die metallische Oberfläche in dem Bearbeitungsbereich ausheilt und dadurch poliert bzw. geglättet wird.
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Die thermische Belastung des Werkstücks ist durch die stark lokalisierte Energiedeponierung und vergleichsweise geringe Pulsenergie und mittlerer Leistung von Ultrakurzpulslaser gering bzw. nur konzentriert.
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Über die Pulsenergie und den zeitlichen Abstand kann eine Schmelzfilmdicke und/oder eine Aufschmelztiefe sehr gut kontrolliert werden. Der Poliereffekt und/oder Glättungseffekt wird wahrscheinlich durch die Marangoni-Konvektion getrieben, welche eine Funktion der Schmelzfilmdicke ist. Somit kann durch die Schmelzfilmdicke und/oder die Aufschmelztiefe bestimmt werden, welche Strukturgrößen durch das Glätten und/oder Polieren entfernt werden sollen.
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Der Vorteil der Erfindung ist somit insbesondere darin zu sehen, dass ein Polier- und/oder Glättungsverfahren vorgeschlagen wird, welches durch ultrakurze Pulse und somit abweichend vom Stand der Technik umgesetzt wird und welches zu einer kontrollierten Glättung bzw. Polierung führt, die zudem durch die Strahlparameter einstellbar sind.
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Bei einer bevorzugten Ausführung der Erfindung werden die Strahlparameter so gewählt, dass die Aufschmelztiefe und/oder Schmelzfilmdicke kleiner als 2 µm und größer als 0,5 µm ausgebildet ist. Die Aufschmelztiefe und/oder Schmelzfilmdicke bezeichnet den Abstand von der Oberfläche des Werkstücks, in dem das Werkstück eine Temperatur aufweist, welche größer als die Schmelztemperatur des Materials ist. Durch die Erzeugung eines entsprechend dünnen Schmelzfilms und der Tatsache, dass bei dem Verfahren die Oberflächenspannung eine treibende Kraft zur Glättung von Strukturen darstellt, können auf diese Weise selektiv nur kleine Strukturen beseitigt werden. Strukturen die größer als die Schmelzfilmdicke sind oder die eine gewisse Zeitdauer schmelzflüssig sein müssen um zu verschwinden, werden daher nicht beseitigt. Durch das Verfahren ist es somit möglich, gezielt Strukturen auf dem Werkstück mit sehr kleinen Strukturgrößen zu glätten und/oder zu polieren.
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Ein weiterführender Gedanke der Erfindung ist es, dass prinzipiell durch ultrakurze Laserpulse in einem abtragenden verfahren sehr feine Strukturen von wenigen Mikrometern auf den unterschiedlichsten Materialien hergestellt werden können. Da die Strukturgröße durch den Fokusdurchmesser des Lasers begrenzt ist, verwenden die meisten Hersteller für feinere Strukturen eine Interferenzstrukturierungsmethode. Dafür wird der Laserstrahl geteilt und unter bestimmten Winkel zur Interferenz mit sich selbst gebracht. Das dadurch erzeugte Interferenzmuster ist deutlich feiner als der eigentliche Fokusdurchmesser. Bedingt durch die Strahlteilung kommt es häufig zu einer Vorzugsrichtung der Polarisation. Es ist in der wissenschaftlichen Literatur gut bekannt, dass abhängig von der Polarisationsrichtung so genannte „Rippels“ entstehen können. Die Rippels sind noch feinere Strukturen, in der Größenordnung der Wellenlänge des Lichts, und entstehen vermutlich durch eine weitere Interferenz des reflektierten und eintreffenden Lichts. Da viele Optiken zur Interferenzstrukturierung durch ihren Aufbau die Entstehung dieser Rippels nicht verhindern können, stellen diese oft einen unerwünschten Nebeneffekt dar. Des Weiteren können andere feine Rauheit oder Nanopartikel auf der Oberfläche die Funktionalität der Strukturen verändern. Gerade in einem derartigen Anwendungsgebiet, ist es durch das Verfahren möglich, die Rippels zu polieren und/oder zu glätten, die gewollten Strukturen in dem Werkstück, welche oftmals nur wenige Mikrometer groß sind, nicht zu beschädigen. Damit ist ein größenselektives Glätten und/oder Polieren umsetzbar, wobei die zu glättende/polierende Strukturgröße über die Schmelztiefe und damit über die Strahlparameter einstellbar ist.
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Bei einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung wird die Leistungsdichte auf dem Werkstück unterhalb einer Ablationsschwelle für den Werkstoff des Werkstücks gewählt. Der dem Verfahren zugrundeliegende Mechanismus soll das Einkoppeln der Energie aus den Strahlpulsen in das Werkstück sein. Eine Ablation würde die Energieeinkopplung in das Material verhindern und zudem das Werkstück beschädigen, so dass es bevorzugt ist, unterhalb dieser Schwelle zu arbeiten.
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Bei einer bevorzugten Ausgestaltung ist vorgesehen, dass die Energiedichte im Strahlpuls kleiner als ein 1 J/cm2, vorzugsweise kleiner als 0,5 J/cm2. Diese Werte gelten insbesondere, wenn die Pulslänge im Bereich zwischen 0,5 ps (Pikosekunden) und 2 ps (Pikosekunden) gewählt ist. Dabei ist es eine Überlegung, dass die Obergrenze wiederum durch die Ablationsschwelle definiert ist. Eine Untergrenze ergibt sich dagegen aus den physikalischen Randbedingungen. So muss die Energiedichte groß genug sein, dass gegebenenfalls unter Nutzung einer Vielzahl von Strahlpulsen, das Aufschmelzen des Materials in der vorgegebenen Aufschmelztiefe umsetzbar ist.
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Es ist bevorzugt, dass der Bearbeitungsbereich lokal und/oder durchschnittlich mit mindestens 10, vorzugsweise mindestens 20 Strahlpulsen bearbeitet wird. Durch die Vielzahl der Strahlpulse an der gleichen Bearbeitungsstelle wird die Temperatur des Werkstücks sukzessive erhöht und ggf. danach konstant gehalten, bis diese Bearbeitungsstelle bis in die Aufschmelztiefe aufgeschmolzen ist. Die Energie der einzelnen Strahlpulse wird an der Bearbeitungsstelle akkumuliert, um genügend Gesamtenergie für das Aufschmelzen in die gewünschte Aufschmelztiefe zur Verfügung zu haben.
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Es kann vorgesehen sein, dass die Strahlpulse auf die gleiche Bearbeitungsstelle gesetzt werden, welche dann dem Bearbeitungsbereich bildet. Es kann jedoch auch vorgesehen sein, dass die Bearbeitungsstelle laufend verändert wird, wobei jedoch ein Überlapp so gewählt ist, dass durchschnittlich die geforderte Anzahl von Strahlpulsen eingebracht wird. Während die Untergrenze der Anzahl der Strahlpulse maßgeblich durch die Ablationsschwelle begrenzt ist, ist die Obergrenze wiederum physikalisch begrenzt, wobei bei einer höheren Anzahl von Strahlpulsen die Energie und/oder Energiedichte der Strahlpulse verringert werden kann.
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Es ist bevorzugt, dass die hochenergetische Strahlung als eine Laserstrahlung ausgebildet ist und eine Wellenlänge von mehr als 400 nm und/oder weniger als 2000 nm aufweist. In dieser Wellenlänge kann die Energie erfahrungsgemäß sehr gut in metallische Oberflächen ein gekoppelt werden. Versuche haben sehr gute Ergebnisse bei einer Wellenlänge von 1030 nm gezeigt. Hierzu wurde ein YB:YAG-Laser zum Einsatz gebracht.
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Bei einer bevorzugten Ausführung des Verfahrens weist das Werkstück im Eingangszustand Rippel oder andere Fehlbereiche z.B. mit einer durchschnittlichen Ausdehnung von 0,2 µm bis 1 µm auf, wobei die Rippel bzw. die Oberfläche der Rippel bzw. Fehlbereiche nach dem Verfahren poliert bzw. geglättet sind.
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Ein weiterer Gegenstand der Erfindung betrifft ein bzw. das Werkstück, welches mit dem Verfahren behandelt wurde. Das Werkstück weist eine metallische Oberfläche auf und ist in einem Bearbeitungsbereich durch Strahlung aufgeschmolzen, um die metallische Oberfläche zu polieren und/oder zu glätten. Das besondere Verfahren erkennt man aufgrund der Laserbearbeitung sowie der Schmelzfilme an der Oberfläche des Werkstücks, wobei die Schmelzfilme kleiner als 2 µm und größer als 0,5 µm ausgebildet sind.
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Das Werkstück weist eine bessere Oberflächenqualität (definierte Struktur, bessere mechanische Eigenschaften, Korrosionsbeständigkeit) auf und könnte als Funktionsfläche als Reibkontakt mit dem Vorteil eines geringeren Verschleißes, als Wand in einem Fluidtransport mit dem Vorteil der fehlenden, feinen Rauheit, als antibakterielle Flächen mit dem Vorteil des geringen Verschleißes und/oder des fehlenden Halts von Bakterien oder als hydrophobe Fläche mit dem Vorteil, dass der Kontaktwinkel besser einstellbar ist, aufgrund einer definierten Struktur ohne Rippel.
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Weitere Merkmale, Vorteile und Wirkung der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels Erfindung sowie der beigefügten Figuren. Diese zeigen:
- 1 eine schematische Darstellung von einer Vorrichtung zur Durchführung eines Verfahrens zum Polieren und/oder Glätten als ein Ausführungsbeispiel der Erfindung;
- 2 eine schematische Darstellung von einem Werkstück, welches durch das Verfahren bearbeitet wird, als ein weiteres Ausführungsbeispiel Erfindung;
- 3 eine Auftragung von Oberflächenstrukturen geordnet nach Strukturgrößen vor und nach dem Verfahren der vorhergehenden Figuren.
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Die 1 zeigt in einer stark schematisierten Blockdarstellung eine Vorrichtung 1 zur Durchführung eines Verfahrens zum Glätten und/oder Polieren eines Werkstücks 2. Das Werkstück 2 weist eine metallische Oberfläche auf oder ist aus Metall ausgebildet.
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Die Vorrichtung 1 weist eine Laserquelle 3 auf, wobei die Laserquelle 3 als ein Ultrakurzpulslaser ausgebildet ist. In diesem Ausführungsbeispiel ist die Laserquelle 3 als ein YB:Yag-Laser ausgebildet. Über eine Strahlformung- und/oder Strahlführungseinrichtung 4 wird ein Laserstrahl der Laserquelle 3 zu dem Werkstück 2 geführt. Der Laserstrahl kann relativ zu dem Werkstück 2 bewegt werden, dabei kann vorgesehen sein, dass das Werkstück 2 in laterale Richtung verfahren wird oder dass der Laserstrahl über die Strahlformung- und/oder Strahlführungseinrichtung 4, zum Beispiel über einen Umlenkspiegel oder Galvanospiegel, relativ zu dem Werkstück 2 bewegt wird.
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Die Laserquelle 3 sendet den Laserstrahl als gepulste Strahlung aus, so dass mehrere Einzelpulse hintereinander gebildet werden. Das Werkstück 2 wird in einem Bearbeitungsbereich mehrfach belichtet, wie dies in der 2 dargestellt ist. Zum einen ist es möglich, wie dies auf der linken Seite dargestellt ist, dass mehrere Einzelpulse auf die gleiche Bearbeitungsstelle eingebracht werden. Alternativ hierzu ist es möglich, dass das Werkstück 2 der Laserstrahl relativ zueinander während eines Pulszuges verfahren, so dass der Bearbeitungsbereich zwar durchschnittlich lokal mehrfach belichtet wird, die Einzelpulse jedoch nicht deckungsgleich aufeinander liegen, sondern nur überlappen. Dies ist auf der rechten Seite der 2 dargestellt.
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Vorausgehende Überlegungen sind wie folgt: Die thermische Belastung des Werkstücks ist durch die stark lokalisierte Energiedeponierung und vergleichsweise geringe Pulsenergie und mittlere Leistung von Ultrakurzpulslaser als Laserquelle 3 gering beziehungsweise nur konzentriert. Über die Pulsenergie, die Pulslänge und den zeitlichen Abstand der Strahlpulse sowie der Strahlformungs- und Strahlführungseinrichtung 4 kann eine Schmelzfilmdicke sehr gut kontrolliert werden. Die Schmelzfilmdicke ist in der 2 in dem Werkstück 2 mit d angedeutet. Da Polier- und/oder Glättungseffekte durch die Marangoni-Konvektion getrieben werden können und diese eine Funktion der Schmelzfilmdicke ist, kann somit bestimmt werden welche Strukturgrößen durch das Verfahren entfernt werden. Durch das Beseitigen der feineren Rauheiten/Rippels können z.B. die hydrodynamischen Eigenschaften von durch Interferenzstrukturierung gefertigten Schmierstofftransportkanälen verändert werden. Zusätzlich können unerwünschte Nanopartikel oder Rippels entfernt werden, was Einfluss auf die optischen Eigenschaften von Interferenzstrukturen hat. Ein weiterer Vorteil neben dem „Polieren/Glätten“ der Strukturen ist, dass die oberste Schicht (wenige Nanometer), abhängig von Material, bessere mechanische Eigenschaften aufweist und beständiger gegenüber Verschleiß ist - was besonders attraktiv für Reibkontakte oder bei antibakteriellen Flächen ist.
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Der Erfindung liegen Ultrakurzpulslaser mit Pulszügen aus vielen einzelnen, schnell aufeinanderfolgenden, ultrakurzen Laserpulsen zu Grunde. Diese sogenannten GHz-Bursts erlauben eine kontrollierte Energieeinbringung in Bereich der optischen Eindringtiefe der Materialien (bei Metallen wenige Nanometer). Durch die richtige Prozess-Strategie kann so ein dünner Schmelzfilm (<< 2 µm) an der Oberfläche erzeugt werden. Da beim Laserpolieren/-glätten die Oberflächenspannung eine treibende Kraft zur Glättung von Strukturen darstellt, können auf diese Weise sehr selektiv nur kleine Strukturen beseitigt werden. Strukturen die größer als die Schmelzfilmdicke sind oder die eine gewisse Zeitdauer schmelzflüssig sein müssen, um zu verschwinden, werden daher nicht beseitigt. Unter Verwendung von vielen einzelnen ultrakurzen Laserpulsen, bei einer Repetitionsrate nahe des GHz-Bereichs aber unterhalb der Abtragsschwelle (Energie für Verdampfung des Materials), kann so ein dünner Schmelzfilm erzeugt und kontrolliert werden. Ein Erstarren zwischen den einzelnen GHz-Pulsen wird so verhindert und die gewünschte Dauer des Poliereffekts kann gesteuert werden, beziehungsweise durch die Abkühlrate eingestellt werden. Bei sehr hohen Abkühlraten kommt es insbesondere bei Metallen zusätzlich zur Entstehung einer sehr harten Oberflächenschicht, insbesondere einer amorphen Metallschicht, welche den Vorteil hat, die Beständigkeit der Strukturen zu verbessern.
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Als Beispiel dient eine Grabenstruktur mit einer Periodenlänge von 8 µm. In 3 ist zu erkennen, dass die Struktur (Peak bei 8µm) durch die Bearbeitung (fette Kurve) nicht verloren geht, das Signal der feineren Rauheiten (< 4 µm) jedoch deutlich reduziert wird. Die Bearbeitung des Werkstücks 2 erfolgt mit gepulster Strahlung, wobei die einzelnen Strahlpulse zueinander einen zeitlichen Abstand aufweisen. Unter zeitlichem Abstand wird die Zeitspanne verstanden, um die die Strahlpulse zueinander verschoben sind.
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Bearbeitungsbeispiel 1: Eisen
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Bei dem Bearbeitungsbeispiel 1 wurden Rippel auf einem Werkstück aus Eisen mit der Vorrichtung 1 geglättet und/oder poliert. An dem Bearbeitungsbereich wurden eine gepulste Strahlung mit der angegebenen Pulszahl als Pulszug überlappend appliziert. Die Strahlpulse hatten die folgenden Parameter:
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Bearbeitungsbeispiel 2: Titan
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Bei dem Bearbeitungsbeispiel 2 wurden Rippel auf einem Werkstück aus Titan mit der Vorrichtung 1 geglättet und/oder poliert. An dem Bearbeitungsbereich wurden eine gepulste Strahlung mit der angegebenen Pulszahl als Pulszug überlappend appliziert. Die Strahlpulse hatten die folgenden Parameter:
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Bearbeitungsbeispiel 3: Edelstahl (1.4112)
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Bei dem Bearbeitungsbeispiel 1 wurden Rippel auf einem Werkstück aus Edelstahl mit der Vorrichtung 1 geglättet und/oder poliert. An dem Bearbeitungsbereich wurden eine gepulste Strahlung mit der angegebenen Pulszahl als Pulszug überlappend appliziert. Die Strahlpulse hatten die folgenden Parameter:
- Parameter: 8x32 Pulse @ 125kHz Repetitionsrate
- Zeitlichen Pulsabstand = 625 ps.
- Mittlere verwendete Leistung von 3.17 Watt.
- Fluenz < 0.003 J/cm2
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Allgemeine Parameter für das Verfahren entweder mit der Vorrichtung nach Anspruch 1 oder einer Vorrichtung wie diese zuvor beschrieben wurde:
| Pulsdauer [ps] | Fluenz (Einzelpuls)* | Intensität (Einzelpuls)* | Zeitlicher Pulsabstand | Pulsanzahl im Überlapp |
| 0.01 - 50 | 0.001 – 1 J/cm2 | 1*10E11 – 1*10E16 W/m2 | 0.1 – 100 ns | 1 – 500 |
* die verwendete Energie zur Ermittlung der Fluenz bzw. Intensität ist stets die eines einzelnen Laserpulses, nicht die eines Pulszuges.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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