DE102020207553A1

DE102020207553A1 - Verfahren zur Materialabtragung und Vorrichtung zur Materialabtragung

Info

Publication number: DE102020207553A1
Application number: DE102020207553.0A
Authority: DE
Inventors: Andreas Michalowski; Fabian Nyenhuis
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2020-06-18
Filing date: 2020-06-18
Publication date: 2021-12-23

Abstract

Verfahren zur Materialabtragung von einer metallischen Oberfläche eines Werkstücks, wobei das Verfahren eine erste Mehrzahl an Abtragungsschritten 100 und eine zweite Mehrzahl an Polierschritten 200 umfasst, wobei die Abtragungsschritte 100 jeweils ein Abtragen von Material von einem Oberflächenabschnitt mittels einer ersten gepulste Strahlung umfassen, wobei die Polierschritte 200 jeweils ein Glätten und/oder Polieren des Oberflächenabschnitts durch Aufschmelzen mittels einer zweiten gepulsten Strahlung umfassen, wobei die erste gepulste Strahlung eine Mehrzahl an Strahlpulsen aufweist, wobei die Strahlpulse vorzugsweise einen zeitlichen Abstand von mindestens 50 ns aufweisen, wobei die zweite gepulste Strahlung eine Mehrzahl an Strahlpulsen aufweist, wobei die Strahlpulse vorzugsweise einen zeitlichen Abstand von weniger als 25 ns aufweisen, wobei nach einer Maximalanzahl von Abtragungsschritten 100 jeweils mindestens ein Polierschritt 200 angewendet wird.

Description

Stand der Technik
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.
Ein Verfahren zum Polieren und/oder Glätten einer metallischen Oberfläche mittels gepulster Strahlung ist aus der Patentanmeldung DE 10 2019 220 167 der Anmelderin bekannt. Das Verfahren sieht die Anwendung von Strahlpulsen mit sehr kurzen Pulslängen und zeitlichen Abständen zwischen zwei Pulsen kleiner als 100 ns (Nanosekunden) zum Aufschmelzen und Glätten der metallischen Oberfläche vor.
Offenbarung der Erfindung
Der Gegenstand der Erfindung betrifft ein Verfahren zur Materialabtragung von einer metallischen Oberfläche eines Werkstücks mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie eine Vorrichtung zur Materialabtragung mit den Merkmalen des Anspruchs 14. Bevorzugte oder vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, der nachfolgenden Beschreibung sowie den beigefügten Figuren.
Es wird ein Verfahren zum Abtragen von Material von einer metallischen Oberfläche eines Werkstücks vorgeschlagen. Die Materialabtragung kann zum Trennen des Werkstücks vorgesehen sein. Insbesondere bildet die Materialabtragung eine Lasermaterialbearbeitung und/oder ist Teil der Lasermaterialbearbeitung. Die Materialabtragung erfolgt insbesondere in einem Oberflächenabschnitt der Oberfläche des Werkstücks. Zur Materialabtragung wird der Oberflächenabschnitt insbesondere mit einer ersten gepulsten Strahlung bestrahlt, wobei diese Bestrahlung mit der ersten gepulsten Strahlung eine Laserablation bildet. Die metallische Oberfläche ist beispielsweise als eine Eisenoberfläche, Kupferoberfläche oder Legierungsoberfläche ausgebildet.
Das Verfahren umfasst eine erste Mehrzahl an Abtragungsschritten und eine zweite Mehrzahl an Polierschritten. Die erste Mehrzahl ist insbesondere größer als die zweite Mehrzahl. Im Speziellen können mehrere Abtragungsschritte aufeinander folgen und/oder mehrere Polierschritte aufeinander folgen. Insbesondere erfolgt mittels eines Abtragungsschrittes ein mindestens teilweises Abtragen, auch Ablation genannt, der metallischen Oberfläche. Mittels eines Polierschrittes wird die metallische Oberfläche mindestens teilweise aufgeschmolzen, poliert und/oder geglättet.
Durch einen Abtragungsschritt wird Material von der Oberfläche, insbesondere dem Oberflächenabschnitt, des Werkstücks mittels der ersten gepulsten Strahlung abgetragen. Der Abtragungsschritt ist beispielsweise als ein Laserablationsschritt ausgebildet. Durch einen Polierschritt wird ein Abschnitt der Oberfläche, insbesondere ein Abschnitt und/oder Bereich des Werkstücks von dem vorher Material abgetragen wurde, im Speziellen durch einen oder mehrere Abtragungsschritte, mittels der zweiten gepulsten Strahlung aufgeschmolzen, geglättet und/oder poliert. Die erste und/oder zweite gepulste Strahlung bildet insbesondere hochenergetische Strahlung, insbesondere Laserstrahlung. Die erste und die zweite hochenergetische Strahlung weisen jeweils eine Wellenlänge auf, wobei die Wellenlängen von erster und zweiter Strahlung gleich oder unterschiedlich sein können. Im Speziellen ist die Wellenlänge von erster und zweiter Strahlung im Bereich zwischen 300 und 1100 nm.
Die erste gepulste Strahlung umfasst eine Mehrzahl an Strahlpulsen. Die Strahlpulse der ersten gepulsten Strahlung weisen vorzugsweise einen zeitlichen Abstand von mindestens einer 50 ns, insbesondere mindestens 100 ns und im Speziellen mindestens 1 µs auf. Vorzugsweise beträgt der zeitliche Abstand der ersten Strahlung zwischen 50 ns bis 10 µs, insbesondere zwischen 500 ns bis 5 µs. Die Strahlpulse der ersten gepulsten Strahlung weisen vorzugsweise eine zeitliche Dauer von mindestens 100 fs, insbesondere mindestens 1ps und im Speziellen mindestens 10 ps auf. Vorzugsweise weisen die Strahlpulse der ersten gepulsten Strahlung eine zeitliche Dauer zwischen 100 fs bis 20 ps auf, insbesondere zwischen 800 fs und 6 ps. Die zweite gepulste Strahlung umfasst eine Mehrzahl an Strahlpulsen. Die Strahlpulse der zweiten gepulsten Strahlung weisen vorzugsweise einen zeitlichen Abstand von weniger als 25 ns, insbesondere weniger als 1 ns und im Speziellen weniger als 0,1 ns auf. Vorzugsweise beträgt der zeitliche Abstand der zweiten Strahlung zwischen 100 ps bis 30 ns, insbesondere zwischen 500 ps bis 5 ns. Die Strahlpulse der zweiten gepulsten Strahlung weisen vorzugsweise eine zeitliche Dauer von mindestens 1 ps, insbesondere mindestens 10 ps und im Speziellen mindestens 100 ps auf. Vorzugsweise weisen die Strahlpulse der zweiten gepulsten Strahlung eine zeitliche Dauer zwischen 100 fs bis 30 ps auf, insbesondere zwischen 1 ps und 10 ps.
Nach einer Maximalanzahl von Abtragungsschritten wird mindestens ein Polierschritt angewendet, insbesondere, wenn nach der Maximalanzahl von Abtragungsschritten ein oder mehrere Abtragungsschritte angewendet werden sollen. Die Maximalanzahl ist insbesondere einstellbar und/oder parameterabhängig, wobei die Maximalanzahl beispielsweise von dem Material der Oberfläche und/oder Strahlparameter der ersten gepulsten Strahlung abhängig ist, wobei Strahlparameter beispielsweise Fluenz, Pulslänge, Pulsabstand und/oder ein zeitlicher Abstand zwischen zwei Abtragungsschritten bilden. Insbesondere können auch mehrere Polierschritte nach der Maximalanzahl an Abtragungsschritten angewendet werden. Vorzugsweise werden die Abtragungsschritte und die Polierschritte sequentiell wiederholt durchgeführt.
Der Erfindung liegt die Überlegung zu Grunde, dass in der Ultrakurzpulsbearbeitung die Degradierung der bearbeiteten Oberfläche eine Grenze für die erreichbare Abtragsraten darstellt. Die Akkumulation von Restwärme der einzelnen Strahlungspulse führt zu starken Verformungen der Oberfläche. Die Verformung der Oberfläche wiederum führt zu einer Reduktion der Abtragungsrate. Beispielsweise ergibt sich aus dem Verhältnis Repetitionsrate und einer Vorschubgeschwindigkeit des Laserstrahls ein Puls zu Puls Überlappt. Abhängig von diesem räumlichen Überlappt erreicht die Oberflächentemperatur nach einigen Pulsen kurz vor Auftreffen des nächsten Pulses einen Sättigungswert (Sättigungstemperatur). Übersteigt die Sättigungstemperatur einen materialspezifischen Wert, setzt eine Verformung der Oberfläche ein. Häufig tritt dieser Effekt zuerst an Kanten oder Bereichen mit verstärktem Wärmestau auf. Eine Erhöhung der Pulsenergie und/oder der Fluenz (Pulsenergie pro Fläche) wirkt sich negativ auf die Abtragseffizienz (entferntes Volumen pro Pulsenergie) und somit auch negativ auf die Restwärme (Pulsenergie minus Energie notwendig für den Abtrag) aus, was den Effekt noch früher auslöst. Höhere Fluenz führen zu noch stärkeren Verformungen der Oberfläche. Die Verwendung eines größeren Fokusdurchmessers vermindert dagegen die laterale Auflösung des Prozesses, was je nach Anwendung unerwünscht ist. Dementsprechend ist bei gegebenem Fokusdurchmesser und gegebener Repetitionsrate eine minimale Vorschubgeschwindigkeit einzuhalten, um den Erhalt der Oberflächenqualität zu gewährleisten. Eine Erhöhung der Vorschubgeschwindigkeit wirkt sich dagegen negativ auf die Prozessdauer aus, da bei Erhöhung der Vorschubgeschwindigkeit die Anzahl an benötigten Scans ebenfalls steigt.
Die Erfindung geht von der Idee aus, dass zur Erhöhung einer Prozessgeschwindigkeit der Mindestvorschub ignorierbar ist, wenn eine aufkommende Oberflächenverformung durch das wiederholte Einfügen von Polierschritten unterbunden werden kann. Da die Verformung der Oberfläche Einfluss auf die Abtragsrate hat, weisen die Bereiche in welcher Verformung auftritt eine geringere Abtragsrate auf, wodurch sich mit der Anzahl an Abtragungsschritten eine verstärkte Abweichung der Sollabtragungsgeometrie ergibt. Daher soll insbesondere durchgehend und/oder wiederholt das Aufkommen der Verformung durch regelmäßig wiederkehrende Polierschritte verhindert und/oder korrigiert werden. Ferner ist es ein Gedanke der Erfindung, dass ein Lasersystem in einen Pulszugmodus (Burst-Mode) umgestalten wird, beispielsweise durch Erhöhung der Repetitionsrate, und die Oberfläche bzw. die verformten Abschnitte der Oberfläche hierdurch poliert und/oder geglättet werden.
Insbesondere basiert die zweite gepulste Strahlung auf der ersten gepulsten Strahlung. Beispielsweise wird die zweite gepulste Strahlung durch Veränderung, Bearbeitung und/oder Modulation der ersten gepulsten Strahlung erzeugt. Alternativ und/oder ergänzend können erste und zweite gepulste Strahlung auf einer gemeinsamen Ausgangsstrahlung basieren, wobei zur Erzeugung von erster und zweiter gepulster Strahlung die Ausgangsstrahlung unterschiedlich bearbeitet, verarbeitet und/oder moduliert. Bespielweise wird zur Erzeugung der zweiten Strahlung aus der ersten Strahlung und/oder aus der Ausgangsstrahlung diese Repetitionsrate erhöht, der zeitliche Abstand der Pulse verkürzt und/oder die Pulsdauer verändert. Beispielsweise wird die erste Strahlung und/oder die Ausgangsstrahlung mit einer Pulsabstandsvariationseinheit, einer optischen Verzögerungseinheit, einem Strahlteiler und/oder einem Kompressor verarbeitet und/oder verändert. Alternativ können erste und zweite gepulste Strahlung durch zwei unterschiedliche Strahlungsquellen, beispielsweise Laser, erzeugt werden.
Vorzugsweise bilden die erste Mehrzahl an Abtragungsschritten und die zweite Mehrzahl an Polierschritten ein Verhältnis von mindestens 4:1 und/oder insbesondere kleiner als 100:1. Im Speziellen ist es vorgesehen, dass die Anzahl an Abtragungsschritten vor Anwendung eines oder mehrerer Polierschritte und die Anzahl an Polierschritten nach den Abtragungsschritten ein Verhältnis von mindestens 4:1 bilden und insbesondere weniger als 100:1 bilden. Beispielsweise ist A die Maximalanzahl an Abtragungsschritte und P die Anzahl an Polierschritten nach den A Abtragungsschritten, wobei 4:1≤A/P≤100:1 gilt.
Insbesondere kann die Maximalanzahl einer Maximalpulszahl an Strahlpulsen entsprechen und/oder bilden. Beispielweise kann das Verfahren vorsehen, dass nach einer Anzahl N1 an Strahlpulsen der ersten Strahlung mindestens ein Polierschritt angewendet wird. Die Anzahl N1 bildet insbesondere die Maximalpulszahl. Die Anzahl N1 kann beispielsweise mindestens 10 000 Pulse betragen, im Speziellen mindestens 100 000 Pulse betragen. Die Anzahl N1 wird damit insbesondere zur Bestimmung und/oder Festlegung der Maximalanzahl an Abtragungsschritten herangezogen.
Insbesondere weisen erste gepulste Strahlung und zweite gepulste Strahlung Pulse mit unterschiedlichen zeitlichen Pulslängen auf. Beispielsweise weisen die Pulse der ersten Strahlung eine erste Pulslänge auf und die Pulse der zweiten Strahlung eine zweite Pulslänge auf. Die erste Pulslänge ist vorzugsweise kleiner oder gleich der zweiten Pulslänge. Beispielsweise ist die zweite Pulslänge mindestens 1,5x erste Pulslänge, insbesondere mindestens 10x erste Pulslänge.
Vorzugsweise weisen erste und zweite gepulste Strahlung, insbesondere die Strahlungspulse, eine unterschiedliche Fluenz auf. Insbesondere wird hierbei die Fluenz der Strahlung auf dem Werkstück, insbesondere der Oberfläche, verstanden. Beispielsweise ist die Fluenz der zweiten Strahlung maximal halb so groß wie die Fluenz der ersten Strahlung, im Speziellen maximal ¼ der Fluenz der ersten Strahlung.
Die Fluenz der zweiten Strahlung ist insbesondere kleiner einer als eine materialspezifische Ablations-Fluenz, wobei für eine Fluenz größer oder gleich der materialspezifischen Ablations-Fluenz Material durch die Strahlung abgetragen wird. Insbesondere ist eine Leistungsdichte der zweiten Strahlung auf dem Werkstück, insbesondere der Oberfläche, kleiner oder gleich einer materialspezifischen Ablations-Intensitätsdichte. Beispielsweise beträgt die materialspezifische Ablations-Fluenz für Eisen 0,075 J/cm².
Im Speziellen ist die zweite gepulste Strahlung durch Strahlungsparameter definierbar, einstellbar und/oder charakterisiert. Strahlungsparameter sind beispielsweise die Fluenz, die Leistungsdicht, der Strahldurchmesser, insbesondere Spotgröße auf dem Werkstück, der zeitliche Abstand zwischen zwei Pulsen, die Pulslänge, die Wellenlänge und/oder eine Wiederholungsrate der Polierschritte. Die Strahlungsparameter werden insbesondere so eingestellt und/oder gewählt, dass nach einer bestimmten Anzahl an Strahlpulsen der zweiten Strahlung, auch Aufschmelzpulszahl genannt, der Oberflächenabschnitt, insbesondere das Material der Oberfläche, im bestrahlten Bereich zwischen zwei aufeinanderfolgenden Strahlpulsen flüssig bleibt. Die Aufschmelzpulszahl ist insbesondere materialspezifisch. Die Aufschmelzpulszahl steigt insbesondere mit steigendem zeitlichen Pulsabstand.
Ein Polierschritt umfasst insbesondere eine Anzahl N an Strahlpulspaketen der zweiten Strahlung. Ein Strahlpulspaket umfasst eine Vielzahl der Strahlpulse. Die Strahlpulse im Strahlpulspaket weisen insbesondere eine Repetitionsrate im Gigaherzbereich auf. Die Anzahl N ist vorzugsweise gleich für alle Polierschritte. Alternativ ist die Anzahl N für unterschiedliche Polierschritte unterschiedlich. Die Anzahl N ist vorzugsweise größer als 10, insbesondere größer als 32 und im Speziellen größer als 100.
Für die Polierschritte ist die Fluenz der zweiten Strahlung und/oder die Anzahl an Strahlpulsen der zweiten Strahlung vorzugsweise einstellbar und/oder auswählbar. Vorzugsweise wird durch Veränderung einer der beiden Größen die andere mitgeregelt. Insbesondere wird mit Erhöhung der Anzahl N an Strahlpulsen pro Polierschritt die Fluenz reduziert. Ferner wird insbesondere bei Reduzierung der Anzahl N an Strahlungspulsen pro Polierschritt die Fluenz vergrößert.
Besonders bevorzugt ist es, dass ein Strahldurchmesser der ersten Strahlung auf dem Werkstück kleiner oder gleich einem Strahldurchmesser der zweiten Strahlung auf dem Werkstück ist. Mit anderen Worten ist die erste Strahlung zum Abtragen des Materials gleich oder stärker auf die Oberfläche des Werkstücks fokussiert. Beispielsweise basiert die zweite Strahlung auf einer Defokusierung der ersten Strahlung und/oder einer Aufweitung des Strahldurchmessers der ersten Strahlung.
Aufeinander folgende Abtragungsschritte definieren insbesondere eine Wiederholungsrate. Die Wiederholungsrate ist hierbei als die Rate der Abtragungsschritte zu verstehen und zu unterscheiden von einer Wiederholungsrate der Pulse innerhalb eines Abtragungsschrittes. Die Wiederholungsrate der Pulse innerhalb eines Abtragungsschrittes, insbesondere der ersten Strahlung, ist beispielsweise zwischen 100 kHz und 20 MHz, wobei diese insbesondere durch einen Scannerspiegel gleichmäßig auf die Oberfläche verteilt werden.
Vorzugsweise werden Werkstück und erste gepulste Strahlung, beispielsweise der Auftreffpunkt und/oder Bestrahlungsbereich, zueinander bewegt. Zum Beispiel kann das Werkstück relativ zu einem festen Aufpunkt und/oder Fokuspunkt verschoben werden. Alternativ und/oder ergänzend kann die erste Strahlung, insbesondere Laserstrahl, abgelenkt werden und so unterschiedliche Bereiche der Oberfläche des Werkstücks bearbeiten. Die Bewegung zueinander wird insbesondere durch eine Vorschubgeschwindigkeit beschrieben. Die Vorschubgeschwindigkeit ist insbesondere von den Strahlungsparametern und/oder dem Material abhängig. Insbesondere ist die Vorschubgeschwindigkeit größer oder gleich 0,1 m/s und vorzugsweise größer oder gleich 0,3 m/s.
Einen weiteren Gegenstand der Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Abtragen von Material einer metallischen Oberfläche. Insbesondere ist die Vorrichtung zur Ausführung und/oder Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens ausgebildet. Die Vorrichtung umfasst eine Bestrahlungseinrichtung und eine Steuereinrichtung. Die Bestrahlungseinrichtung ist ausgebildet eine erste und eine zweite gepulste Strahlung bereitzustellen und/oder zu erzeugen. Beispielsweise umfasst die Bestrahlungseinrichtung einen oder mehrere Laser zur Erzeugung der ersten und zweiten Strahlung. Die Steuereinrichtung ist ausgebildet die Bestrahlungseinrichtung zu steuern und/oder zu regeln. Beispielsweise ist die Steuereinrichtung die Erzeugung und/oder Ablenkung der ersten und/oder zweiten Strahlung zeitlich zu steuern, koordinieren und/oder zu regeln. Die Steuereinrichtung ist beispielsweise ausgebildet und/oder eingerichtet, Abtragungsschritte und Polierschritte auf das Werkstück, insbesondere die Oberfläche, anzuwenden. Beispielsweise wird hierzu die Bestrahlungseinrichtung gesteuert, wann und/oder wo Abtragungsschritte und/oder Polierschritte auf die Oberfläche anzuwenden sind, beispielsweise durch zeitliche Steuerung der Erzeugung der ersten bzw. zweiten Strahlung und/oder deren räumliche Ablenkung. Die Polierschritte und Abtragungsschritte sind insbesondere ausgebildet wie für das Verfahren beschrieben. Die Steuereinrichtung ist ausgebildet nach einer Maximalzahl an Arbeitsschritten, insbesondere einer Maximalpulszahl an Pulsen der ersten Strahlung, mindestens einen Polierschritt zu veranlassen und/oder anzuwenden. Insbesondere ist die Steuereinrichtung ausgebildet, Polierschritte wiederholt zwischen Abtragungsschritten und/oder wiederholt nach der Maximalanzahl auf das Werkstück anzuwenden, insbesondere um durch die Abtragungsschritte hervorgerufenen Verformungen zu beheben und/oder zu reduzieren.
Vorzugsweise umfasst die Bestrahlungseinrichtung eine Strahlquelle. Die Strahlquelle kann beispielsweise eine Laserquelle bilden, insbesondere eines gepulsten Lasers. Die Laserquelle ist zur Erzeugung eines gepulsten Laserstrahls ausgebildet. Die Bestrahlungseinrichtung umfasst ferner vorzugsweise ein Strahlteilungsmodul und ein Strahlformungsmodul. Das Strahlteilungsmodul ist ausgebildet für den gepulsten Laserstrahl zwei Strahlengänge vorzugeben und/oder zwischen diesen den Laserstrahl umzuschalten. Die beiden Strahlengänge umfassen einen ersten und einen zweiten Strahlengang. Der erste Strahlengang ist dabei für die erste Strahlung vorgesehen, wobei der zweite Strahlengang für die zweite Strahlung vorgesehen ist. Das Strahlteilungsmodul kann beispielsweise ein optischer Schalter sein, insbesondere ein akustooptischer Modulator. Der erste Strahlengang kann beispielsweise den Laserstrahl der Strahlquelle zum Werkstück führen, insbesondere ohne Frequenz-, Pulslängen- und/oder Pulsabstandsveränderung. Im zweiten Strahlengang ist das Strahlformungsmodul angeordnet und/oder der Strahlengang verläuft durch das Strahlformungsmodul. Das Strahlformungsmodul umfasst beispielsweise eine Pulsabstandsvariationseinheit (PAV-Einheit), im Speziellen als optische Verzögerungsstrecke mit mehreren Strahlteilern zur Erhöhung der Repetitionsrate ausgebildet. Der Kompressor ist ausgebildet, die Pulsdauer für den Polierschritt anzupassen. Insbesondere führen erster und zweiten Strahlengang zu einem Scanner, beispielsweise Scannerspiegel zur gezielten Bestrahlung des Werkstücks mit der ersten und/oder zweiten Strahlung und/oder dem Ablenken der ersten und/oder zweiten Strahlung.
Weitere Vorteile, Wirkungen und Ausgestaltungen ergeben sich aus den beigefügten Figuren und deren Beschreibung. Dabei zeigen:

1 einen schematischen Ablauf eines Ausführungsbeispiels des Verfahrens;
2 eine schematische Ansicht eines Ausführungsbeispiels der Vorrichtung.

1 zeigt schematischen einen beispielhaften Verfahrensablauf zur Materialabtragung von einer metallischen Oberfläche. Das Verfahren sieht eine erste Mehrzahl an Abtragungsschritten 100 und eine zweite Mehrzahl an Polierschritten 200 vor.
Die Abtragungsschritte 100 umfassen jeweils die Bestrahlung der Oberfläche eines Werkstücks in einem Oberflächenabschnitt mit einer ersten Strahlung. Die erste Strahlung ist als eine hochenergetische gepulste Strahlung, insbesondere hochenergetische gepulste Laserstrahlung ausgebildet. In jedem der Abtragungsstute 100 erfolgt die Bestrahlung über eine vorgegebene und/oder einstellbare Zeitdauer, alternativ und/oder ergänzend mit einer vorgegebenen und/oder einstellbaren Anzahl an Strahlpulsen. Durch die Bestrahlung mit der hochenergetischen ersten Strahlung wird die Oberfläche, bzw. das metallische Material, erwärmt und teilweise abgetragen. Der Abtragungsschritt 100 kann daher als ein Laserablationsschritt aufgefasst werden.
Das Verfahren sieht die Anwendung mehrerer Abtragungsschritte 100 nacheinander vor. Beispielsweise bildet jeder Abtragungsschritt 100 einen Scandurchgang. Durch die Anwendung mehrerer Abtragungsschritte 100 nacheinander, erfolgt eine immer stärkere und/oder tiefere Abtragung der metallischen Oberfläche. Durch die Anwendung mehrerer Abtragungsschritte erwärmt und verformt sich die Oberfläche des Werkstücks, sodass der Materialabtrag immer schlechter und/oder ungenauer erfolgt. 1 zeigt die Anwendung von N_A ¹ Abtragungsschritten nacheinander. Nach dieser Anzahl N_A ¹ wird angenommen, dass die Verformung der Oberfläche so stark ist, dass die weitere Anwendung von Abtragungsschritten unratsam ist. Die Anzahl N_A ¹ ist beispielsweise die Maximalanzahl an Abtragungsschritten.
Damit weitere Abtragungsschritte 100 anwendbar sind, sieht das Verfahren den Einschub und die Anwendung mindestens eines oder mehrerer Polierschritte 200 vor. In einem Polierschritt 200 wird die Oberfläche des Werkstücks, insbesondere im Bereich der vorher abgetragenen Oberflächenschichten, mit einer zweiten gepulsten Strahlung bestrahlt. Die zweite gepulste Strahlung bildet eine hochenergetische Laserstrahlung. Insbesondere bildet die zweite gepulste Strahlung Gigaherzburst-Laserstrahlung. Die zweite Strahlung umfasst mehrere Strahlpulse, die einen zeitlichen Abstand von weniger als 25 ns aufweisen. Durch die Anwendung der zweiten Strahlung in den Polierschritten 200 wird der Oberflächenabschnitt aufgeschmolzen Die mit den Polierschritten 200 bearbeitete Oberfläche ist nach dem erstarren der aufgeschmolzenen Oberfläche geglättet. Nach dieser Glättung bzw. dem Polieren können weitere Abtragungsschritte 100 angewendet werden.
In den nachfolgenden Abtragungschritten 100 wird wieder Material mittels der ersten Strahlung abgetragen. Es werden nachfolgend N_A ² Abtragungsschritte 100 angewendet. Auch hier ist die Anzahl N_A ² wieder maximal gleich der Maximalanzahl an Abtragungsschritten, da dann wieder ein Glätten und Polieren nötig ist. Das Verfahren sieht somit vor, dass spätestens nach einer Maximalanzahl an Abtragungsschritten 100 mindestens ein Polierschritt 200 zur Glättung und/oder zum Polieren anzuwenden und/oder einzuschieben ist. Nach dem erneuten polieren können wie der weitere Abtragungsschritte 100 angewendet werden.
2 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung 1 zur Materialabtragung, insbesondere mit dem erfindungsgemäßen Verfahren. Die Vorrichtung 1 umfasst eine Steuereinrichtung, die ich hier nicht explizit gezeigt ist, jedoch insbesondere ausgebildet ist die gezeigten Komponenten zu steuern und/oder zu nutzen.
Die Vorrichtung 1 umfasst eine Laserquelle 2. Die Laserquelle 2 ist zur Ausgabe von Laserstrahlung ausgebildet, insbesondere einer hochenergetischen Laserstrahlung 3. Die Vorrichtung 1 umfasst einen optischen Schalter 4, mittels dem die Laserstrahlung der Laserquelle 2 auf einen ersten Strahlengang 5 und einen zweiten Strahlengang 6 gebracht werden kann. Der erste Strahlengang 5 bildet den Strahlengang für die erste Strahlung, bzw. die Abtragungsschritte 100. Dabei kann die von der Laserquelle 2 ausgesendete Strahlung 3 bereits die gepulste hochenergetische Strahlung der ersten Strahlung bilden, sodass der erste Strahlengang 5 im Wesentlichen direkt zu einem Scanner 7 führt, der das Werkstück bzw. die Oberfläche an den entsprechenden Stellen mit der Strahlung bestrahlt.
Der zweite Strahlengang 5 umfasst eine Einheit zur Pulsabstandsvariation, PAV-Einheit 8. die PAV-Einheit 8 umfasst beispielsweise eine optische Verzögerungsstrecke mit mehreren Strahlteilen, um so eine Erhöhung der Repetitionsrate zu erreichen bzw. um einen Pulszug zu erzeugen. Nach der PAV-Einheit 8 ist im Strahlengang 6 ein Kompressor 9 angeordnet, der ausgebildet ist die Pulsdauer für den Polierschritt anzupassen. Beispielsweise können abhängig vom Material längere Pulsdauern zum Polieren vorteilhafter sein als die Pulsdauern welche zum Abtragen im Abtragungsschritt 100 verwendet werden. Im weiteren Verlauf des Strahlengangs 6 ist ein Strahlformungselement 10 angeordnet, wobei das Strahlformungselement 10 ausgebildet ist das Strahlprofil, die Größe und/oder Fokussierung weiter anzupassen. Die so im zweiten Strahlengang 6 verarbeitete Laserstrahlung der Laserquelle 2 wird ebenfalls weiter zum Scanner 7 geschickt, in der sodann die zweite Strahlung auf das Werkstück anwenden kann.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 102019220167 [0002]

Claims

Verfahren zur Materialabtragung von einer metallischen Oberfläche eines Werkstücks, wobei das Verfahren eine erste Mehrzahl an Abtragungsschritten (100) und eine zweite Mehrzahl an Polierschritten (200) umfasst, wobei die Abtragungsschritte (100) jeweils ein Abtragen von Material von einem Oberflächenabschnitt mittels einer ersten gepulste Strahlung umfassen, wobei die Polierschritte (200) jeweils ein Glätten und/oder Polieren des Oberflächenabschnitts durch Aufschmelzen mittels einer zweiten gepulsten Strahlung umfassen, wobei die erste gepulste Strahlung eine Mehrzahl an Strahlpulsen aufweist, wobei die Strahlpulse vorzugsweise einen zeitlichen Abstand von mindestens 50 ns aufweisen, wobei die zweite gepulste Strahlung eine Mehrzahl an Strahlpulsen aufweist, wobei die Strahlpulse vorzugsweise einen zeitlichen Abstand von weniger als 25 ns aufweisen, wobei nach einer Maximalanzahl von Abtragungsschritten (100) jeweils mindestens ein Polierschritt (200) angewendet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite gepulste Strahlung auf der ersten gepulsten Strahlung und einer Erhöhung einer Repetitionsrate basiert.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Mehrzahl und die zweite Mehrzahl in einem Verhältnis zwischen 4:1 und 100:1 zueinander stehen.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Maximalanzahl von Abtragungsschritten (100) auf einer Maximalpulszahl an Strahlpulsen der ersten Strahlung basiert, wobei die Maximalpulszahl mindestens Zehntausend beträgt.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die die Strahlpulse der ersten Strahlung eine erste Pulslänge aufweisen, wobei die Strahlpulse der zweiten Strahlung eine zweite Pulslänge aufweisen, wobei die zweite Pulslänge größer als die erste Pulslänge ist.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Strahlung eine erste Fluenz aufweist und die zweite Strahlung eine zweite Fluenz aufweist, wobei die zweite Fluenz kleiner als die erste Fluenz ist.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite gepulste Strahlung auf dem Werkstück eine Leistungsdichte kleiner als eine Ablationsschwelle des Materials aufweist.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass für die zweite gepulste Strahlung eine Leistungsdichte, die Fluenz und/oder der zeitliche Abstand zwischen zwei Strahlpulsen eingestellt wird und/oder einstellbar ist, sodass ein aufgeschmolzenes Material der Oberfläche nach einer Aufschmelzpulszahl an Strahlpulsen zwischen zwei Strahlpulsen flüssig bleibt.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Polierschritte (200) jeweils das Aufschmelzen durch Bestrahlung mit N Strahlpulspaketen der zweiten Strahlung umfassen, wobei N größer oder gleich 10 ist.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Anzahl N an Strahlpulsen zum Aufschmelzen und/oder die Fluenz der zweiten Strahlung einstellbar ist, wobei bei Erhöhung der Anzahl N die Fluenz reduziert wird und/oder umgekehrt.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste gepulste Strahlung auf dem Werkstück einen größeren Strahldurchmesser aufweist als der Strahldurchmesser der zweiten Strahlung auf dem Werkstück.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass aufeinander folgende Abtragungsschritte (100) eine Wiederholungsrate von mindestens 100 kHz aufweisen.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Werkstück und die zweite gepulste Strahlung relativ zueinander mit einer Vorschubgeschwindigkeit bewegt werden, wobei die Vorschubgeschwindigkeit größer als 0,1 m/s ist.
Vorrichtung (1) zur Materialabtragung von einer metallischen Oberfläche eines Werkstücks, wobei die Vorrichtung (1) mindestens eine Bestrahlungseinrichtung zur Bereitstellung einer ersten und einer zweiten gepulsten Strahlung und eine Steuereinrichtung aufweist, wobei die Steuereinrichtung ausgebildet ist mittels der Bestrahlungseinrichtung eine erste Mehrzahl an Abtragungsschritten (100) und eine zweite Mehrzahl an Polierschritten (200) auf das Werkstück anzuwenden, wobei die Abtragungsschritte (100) jeweils ein Abtragen von Material von einem Oberflächenabschnitt mittels einer ersten gepulsten Strahlung umfassen, wobei die Polierschritte (200) jeweils ein Glätten und/oder Polieren des Oberflächenabschnitts durch Aufschmelzen mittels einer zweiten gepulsten Strahlung umfassen, wobei die erste gepulste Strahlung eine Mehrzahl an Strahlpulsen aufweist, wobei die Strahlpulse vorzugsweise einen zeitlichen Abstand von mindestens 50 ns aufweisen, wobei die zweite gepulste Strahlung eine Mehrzahl an Strahlpulsen aufweist, wobei die Strahlpulse vorzugsweise einen zeitlichen Abstand von weniger als 25 ns aufweisen, wobei die Steuereinrichtung ausgebildet ist, jeweils nach einer Maximalanzahl von Abtragungsschritten (100), insbesondere vor Anwendung eines weiteren Abtragungsschrittes (100), mindestens einen Polierschritt (200) anzuwenden.
Vorrichtung (1) nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Bestrahlungseinrichtung eine Strahlquelle (2), ein Strahlteilungsmodul (4) und ein Strahlformungsmodul umfasst, wobei das Strahlteilungsmodul (4) ausgebildet ist, ausgehend einen von der Strahlquelle (2) ausgehenden gepulsten Laserstrahl (3) auf einen ersten Strahlengang (5) und einen zweiten Strahlengang (6) zu führen, wobei der Laserstrahl des ersten Strahlengangs (5) die erste gepulste Strahlung bildet, wobei das Strahlformungsmodul im zweiten Strahlengang (6) angeordnet ist und ausgebildet ist, den gepulsten Laserstrahl (3) der Strahlquelle (2) zur zweiten gepulsten Strahlung verarbeiten, zu defokusieren, eine Pulsdauer und/oder einen Pulsabstand zu verändern.