DE102020214259A1

DE102020214259A1 - Verfahren zum Laserpolieren einer Werkstückoberfläche

Info

Publication number: DE102020214259A1
Application number: DE102020214259.9A
Authority: DE
Inventors: Astrid Saßmannshausen; Andreas Brenner; Johannes Finger
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2020-11-12
Filing date: 2020-11-12
Publication date: 2022-05-12

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Laserpolieren einer Oberfläche eines Werkstücks oder allgemeiner eines Substrats, beispielsweise die metallische Oberfläche eines Werkzeugs oder einer Form für die Verarbeitung von Kunststoffen. Das erfinderische Verfahren zum Laserpolieren einer Oberfläche eines Werkstücks mittels ultrakurz gepulster Laserstrahlung durch Umschmelzen einer Randschicht, wobei die Bestrahlung der Oberfläche mit einer Mehrzahl von Bursts geschieht und wobei die Werkstückoberfläche eine werkstoffspezifische Schmelztemperatur aufweist, ist dadurch gekennzeichnet, dass die Schmelztemperatur an der Oberfläche des Werkstücks zwischen aufeinanderfolgenden Bursts unterschritten wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Laserpolieren einer Oberfläche eines Werkstücks, beispielsweise die metallische Oberfläche eines Werkzeugs oder einer Form für die Verarbeitung von Kunststoffen.
Funktionalität und Qualität technischer Produkte werden entscheidend durch deren Oberflächenbeschaffenheit bestimmt. Beispielsweise werden mikrostrukturierte Oberflächen in der Automobilindustrie zur Reduzierung von Reibung in Verbrennungsmotoren oder zur Effizienzsteigerung LED-basierter Beleuchtungssysteme eingesetzt. Darüber hinaus entwickelt sich die Oberflächenbeschaffenheit im Hinblick auf optische und haptische Eigenschaften verstärkt zum Qualitätsmerkmal von Produkten in der Konsumgüterindustrie.
Industriell werden solche Produkte in großen Stückzahlen effizient mittels strukturierten Abformwerkzeugen hergestellt. Beispielsweise kommen bei der Verarbeitung von Kunststoffen u.a. formgebende Verfahren zum Einsatz. Dabei ist es je nach Einsatzfall gewünscht, dass die erzeugten Kunststoffartikel eine strukturierte Oberfläche aufweisen. Oberflächen von Kunststoffartikeln können beispielsweise in einem separaten Arbeitsgang nach der Formgebung strukturiert werden. Effizienter ist allerdings die Einbringung der Oberflächenstruktur in die Werkzeugform selbst. Hierzu wird die Oberfläche der üblicherweise metallischen Form entsprechend strukturiert. Über replizierende Verfahren, wie beispielsweise dem Spritzgießen, gelangt die Struktur dann gleichzeitig mit der Formgebung in einem Arbeitsgang auf das finale Kunststoffprodukt. Durch die hervorragende Abbildungsgenauigkeit der meisten Kunststoffe ist es möglich, die in der Oberfläche der Form vorhandene Struktur, auch wenn diese sehr klein ist und beispielsweise im Bereich von 10 µm liegt, auf die Oberfläche des Kunststoffartikels aufzubringen. Dabei gewinnt die Laserstrukturierung im Industriezweig des Werkzeug- und Formenbaus zunehmend an Bedeutung. Aufgrund der Designflexibilität, der Miniaturisierung in Richtung Strukturgrößen < 10 µm und der hohen Präzisionsanforderungen werden ultrakurz gepulste (UKP) Laserstrahlquellen mit Pulsdauern ≤ 10 ps für den Strukturierungsprozess eingesetzt. Die Pulsrepetitionsraten der industriell eingesetzten Laserstrahlquellen liegen üblicherweise im Bereich zwischen einigen hundert Kilohertz bis mehreren Megahertz. Infolge der sehr kurzen Pulsdauer und der damit verbundenen hohen Pulsspitzenintensität > 10¹¹W/cm² wird das bestrahlte Material sublimiert, d.h. der Phasenübergang fest-gasförmig erfolgt instantan, ohne dass ein signifikanter Schmelzfilm ausgebildet wird. Dieser überwiegend verdampfungsdominierte Abtrag resultiert in der äußerst hohen Präzision der UKP-Bearbeitung. Mit dieser subtraktiven Technologie können dreidimensionale Strukturen (z.B. Pyramiden, Kalotten, Kissen, Näpfchen) in meist metallischen Werkstücken erzeugt werden, deren vertikale Tiefe üblicherweise in der Größenordnung einiger (10 - 500) Mikrometer liegt.
Infolge der Laserablation resultiert auf den 3D-Strukturen eine Oberflächenrauheit (arithmetisches Mittel) S_a zwischen 0,4 µm und 2 µm in Abhängigkeit der verwendeten Prozessparameter. Diese Oberflächenrauheit genügt oftmals nicht den Anwendungsanforderungen, sodass im Nachgang ein zusätzlicher Polierprozess erforderlich ist. Vor allem im Hinblick auf die Abformung transparenter Kunststoffe werden höchste Anforderungen an die Oberflächenbeschaffenheit des formgebenden Werkzeugs gestellt. Da die Strukturgrößen im Bereich einiger Mikrometer liegen, kommt für den nachfolgenden Prozessschritt keine manuelle Politur infrage. Maschinenunterstütze Polierverfahren scheitern ebenfalls an den zum Teil komplexen und kleinen Strukturgrößen. Aufgrund der Forderung nach Materialerhaltung werden Polierverfahren, die auf einem nicht zu vernachlässigenden Materialabtrag basieren, grundsätzlich ausgeschlossen. Bezüglich der Strukturerhaltung ist ein Polierverfahren durch Umschmelzen erforderlich, mit dem kleine Umschmelztiefen erzielt werden können.
Ähnliches gilt auch für die formgebende Verarbeitung von Metallen beispielsweise mittels Gießprozessen.
Die deutsche Patentschrift DE 10 228 743B4 sieht eine mehrstufige Bearbeitung zur Glättung der Oberfläche vor, wobei in einem ersten Schritt eine kontinuierliche Laserstrahlung oder eine gepulste Laserstrahlung mit einer Pulsdauer ≥ 100 µs eingesetzt wird. Hierbei wird eine Umschmelztiefe von 10 bis 100 µm erreicht. Erst in einem weiteren Bearbeitungsschritt erfolgt die Beseitigung der verbleibenden Mikrorauheit durch ein gleichzeitiges Umschmelzen und Verdampfen von Rauheitsspitzen unter Verwendung von gepulster Laserstrahlung mit einer kurzen Pulsdauer ≤ 5 µs. Bei dieser zweiten Bearbeitungsstufe werden Umschmelztiefen von maximal 5 µm erzielt. Eine klassische Prozesskette im Werkzeug- und Formenbau sieht so aus, dass nach der mechanischen Vorbehandlung des Werkstücks eine Oberflächenstruktur mittels UKP-Laserablation auf einer Laserbearbeitungsanlage erzeugt wird. Ein nachfolgender und abschließender Polierprozess erfolgt auf einer weiteren Laserbearbeitungsanlage, die mit einer entsprechenden Laserstrahlquelle wie in der Patentschrift DE 10 228 743B4 beschrieben ausgestattet ist.
Andere Veröffentlichungen berichten von einer potenziellen Anwendbarkeit eines Picosekundenlasers zum Laserpolieren von Flächen unter Verwendung einer Pulsdauer von bis zu τ_P = 10,5 ps. Dabei werden Repetitionsraten der Einzelpulse von bis zu ƒ_Puls = 10 MHz vorgeschlagen, wobei verschieden mechanisch vorbehandelte Ausgangsoberflächen (gefräst, gedreht, geschliffen) bearbeitet werden. Hier werden für einen Parametersatz, der zu einer erfolgreichen Oberflächenglättung führt, eine Umschmelztiefe von 4,4 µm sowie eine Wärmeeinflusszone von 14 µm angegeben. Die beschriebenen Verfahren erfolgen unter Schutzgasatmosphäre, beispielsweise einer Argon- oder Stickstoffatmosphäre.
Die deutsche Offenlegungsschrift DE 10 2019 103 960 offenbart einen UKP-Polierprozess unter Anwendung mehrerer Pulse in einem Burst unter Verwendung einer Pulsfrequenz zwischen 20 und 82 MHz, wobei die Verdampfungstemperatur im Prozess nicht überschritten wird.
Begrifflich sei hierzu erläutert:
Unter metallische Oberfläche wird die Oberfläche eines Körpers verstanden, die ein Metall und/oder eine Metalllegierung aufweist. Metalle zeichnen sich dabei im Allgemeinen durch die Stoffeigenschaften hohe elektrische Leitfähigkeit, hohe Wärmeleitfähigkeit, Duktilität und metallischer Glanz aus. Diese Eigenschaften beruhen darauf, dass der Zusammenhalt der betreffenden Atome über eine metallische Bindung erfolgt, wobei frei bewegliche Elektronen im Gitter vorhanden sind.
Unter Rauheit beziehungsweise Oberflächenrauheit wird die Unebenheit einer Oberflächenhöhe verstanden. Dabei wird in dieser Schrift die Rauheit in der Fläche S_a als mittlere arithmetische Höhe der betragsmäßigen Abweichung von auf der Oberfläche befindlichen Messpunkten von der Mittelebene benutzt. Der Begriff Mikrorauheit bezeichnet mittlere Rautiefen bei einer Ortswellenlänge von weniger als 10 µm.
Die Begriffe Werkzeug und Form bezeichnen Vorrichtungen zur Formgebung eines Bauteils. Das Bauteil kann dabei ein selbstständiges Produkt oder ein einzelnes Teil eines Produktes sein. Formgebungsverfahren können Verfahren zur Urformung oder zur Umformung sein. Mittels Urformverfahren wird aus einem formlosen Stoff ein fester Körper hergestellt, der eine geometrisch definierte Form hat. Urformen wird genutzt, um die Erstform eines festen Körpers herzustellen und den Stoffzusammenhalt zu schaffen. Zum Urformen können Ausgangsstoffe im flüssigen, gasförmigen, plastischen, körnigen oder pulverförmigen Zustand genutzt werden. Werden zum Urformen Verfahren benutzt, bei denen ein Stoff in einen Hohlraum eingefüllt wird, so werden die entsprechenden Vorrichtungen als Form, andernfalls als Werkzeug bezeichnet. Ein spezielles Urformverfahren für Kunststoffe das Spritzgießen, bei dem der Kunststoff in plastifizierter Form unter Druck in eine Hohlform als Negativ der zu erreichenden Form eines Bauteils eingespritzt wird. Umformverfahren werden dazu benutzt, feste Körper in eine andere Form zu bringen. Kommt bei einem Umformverfahren eine Vorrichtung zum Einsatz, so wird diese im Allgemeinen als Werkzeug bezeichnet.
Mit dem Begriff Kunststoff wird in dieser Schrift ein Werkstoff bezeichnet, der hauptsächlich aus Makromolekülen aufgebaut ist. Unter dem Begriff Kunststoff werden insbesondere Thermoplaste, Duroplaste und Elastomere subsummiert.
Polieren ist ein materialabtragendes Oberflächenbehandlungsverfahren für verschiedene Materialien. Dabei wird die zu behandelnde Oberfläche mit einer Polierpaste abgerieben. Das in der Polierpaste enthaltene Polierkorn greift mechanisch in die Oberfläche ein. Dabei werden Unebenheiten, Furchen und Riefen ausgeglichen und eingeebnet, mit anderen Worten also geglättet.
Demgegenüber wird beim Laserpolieren im Wesentlichen kein Material abgetragen. Durch das Umschmelzen einer dünnen Randschicht von im Allgemeinen weniger als 100 µm mit Laserstrahlung erfolgt eine Glättung der Oberfläche infolge der Grenzflächenspannung. Dem Laserpolieren liegt mit dem Umschmelzen ein grundlegend anderes Wirkprinzip gegenüber konventionellen materialabtragenden Polierverfahren zugrunde. Üblicherweise wird beim Laserpolieren die Substratoberfläche mit dem Laserstrahl abgefahren, d.h. gescannt, wobei die Oberfläche mehrfach gescannt werden kann, wobei auch unterschiedliche Scanrichtungen gewählt werden können.
Der Begriff Laser wird hier sowohl für die Vorrichtung, mit der Laserstrahlen erzeugt werden, als auch für den zu Grunde liegenden physikalischen Effekt verwendet. Laserstrahlen sind elektromagnetische Wellen, die eine hohe Intensität in einem sehr engen Frequenzbereich bei scharfer Bündelung des Strahls und großer Kohärenzlänge aufweisen.
Auch sind, bei sehr weitem Frequenzbereich, extrem kurze und intensive Strahlpulse mit exakter Wiederholfrequenz möglich. Die besonderen Eigenschaften der Laserstrahlen entstehen durch ihre Erzeugung in Form einer stimulierten Emission. Durch diese besonderen Eigenschaften ist es möglich, Laser zum Strukturieren von Oberflächen, dem Laserstrukturieren, zu verwenden. Das Laserstrukturieren wird beispielsweise zunehmend zum Aufrauen von Oberflächen eingesetzt. Dabei wird die Oberfläche gezielt aufgeraut, wobei statistisch verteilte Mikrostrukturen auf der Oberfläche erzielt werden, um beispielsweise die Oberfläche zu vergrößern. Ein anderer, sogar häufigerer Anwendungsfall ist die Erzeugung von deterministisch verteilten Mikrostrukturen, wobei hier größter Wert darauf gelegt wird, dass diese konturgetreu erzeugt werden, ohne die Oberfläche aufzurauen. Mit anderen Worten kann das Laserstrukturieren zur Erzeugung von strukturierten Oberflächen eingesetzt werden. Der gepulste Laserstrahl wird in einem Punkt auf die Materialoberfläche fokussiert. Durch den thermischen Bearbeitungsprozess mit Pulsdauern im Bereich von Mikrosekunden bis Nanosekunden wird das Material lokal und temporär in die Schmelzphase überführt. Dies führt zu Schmelzwülsten, die als Erhöhungen aus der Oberfläche herausragen. Bei der Verwendung kürzerer Pulsdauern im Pico- und Femtosekundenbereich (ultrakurze Pulse) werden solche Schmelzwülste aufgrund der lokal sehr hohen Intensitäten in Kombination mit der sehr kurzen Pulsdauer nicht erzeugt.
Als Laserablation wird das Abtragen von Material von einer Oberfläche durch Beschuss mit gepulster Laserstrahlung bezeichnet. Die hierbei Verwendung findende Laserstrahlung mit hoher Leistungsdichte führt zur rapiden Erhitzung und der Ausbildung eines Plasmas an der Oberfläche.
Weiter wird in dieser Schrift zwischen UKP(ultrakurz gepulsten)-Lasern und KP(kurz gepulsten)-Lasern unterschieden. Dabei befindet sich die Pulsdauer bei UKP-Lasern im Bereich von einigen Picosekunden bis ca. 100 Femtosekunden (10^-11 s bis 10^-13 s), während sich die Pulsdauer bei KP-Lasern im Bereich von Mikrosekunden bis Nanosekunden (10^-6 s bis 10^-9 s) bewegt.
In dieser Schrift wird der Begriff Mikrostruktur für eine Struktur verwendet, deren Geometrie eine Ortswellenlänge < 10 µm aufweist. Im Gegensatz wird unter einer Makrostruktur eine Struktur verstanden, deren Geometrie eine Ortswellenlänge > 10 µm, üblicherweise >> 10 µm aufweist und in jedem Fall makroskopisch sichtbar, d.h. mit bloßem Auge erkennbar ist.
Unter einem Burst wird eine Gruppe zeitlich schnell hintereinander folgender Laserpulse verstanden. Synonym wird auch der Begriff Pulsburst verwendet.
Bei allen vorveröffentlichten Verfahren tritt jedoch das Phänomen auf, dass infolge des Umschmelzverfahrens prozessinduzierte Mikrostrukturen auf der Werkstück- oder Substratoberfläche entstehen. Diese resultieren aus der kontinuierlichen Aufrechterhaltung des Schmelzbades während des Laserpolier- oder Glättungsprozesses. Darüber hinaus werden Mikrostrukturen durch Überschreiten der Abtragschwelle infolge von Materialverdampfung induziert. Bei der flächigen Bearbeitung erscheinen die Mikrostrukturen makroskopisch betrachtet als linienförmiges Muster auf der Oberfläche in Abhängigkeit der Scanstrategie der letzten Überfahrt. Diese prozessbedingten Mikrostrukturen limitieren den Laserpolierprozess hinsichtlich minimaler Rauheit und Glanzeffekte. Eine Beseitigung dieser Mikrostrukturen ist mit den zuvor beschriebenen Verfahren nicht möglich, sondern muss in einem gesonderten, anschließenden Prozess erfolgen. Darüber hinaus können bei der Laserablation durch eine selektive Bearbeitung einer Substratoberfläche Bereiche mit lokal unterschiedlichen Rauheiten entstehen. Weiterhin können die Anforderungen an Rauheit und Glanzgrad der Oberfläche einer Substratoberfläche in verschiedenen Bereichen, beispielsweise in verschiedenen Bereichen der Oberfläche eines Abformwerkzeuges, variieren.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zum Laserpolieren einer Oberfläche eines Werkstückes im Anschluss an die Erzeugung einer mikrostrukturierten Oberfläche auf dieser Oberfläche anzugeben, so dass eine mittlere Oberflächenrauheit auf der Mikrostruktur in der Größenordnung von etwa 0,2 µm erreichbar ist, wobei das Verfahren zum Laserpolieren mit derselben Laserquelle wie der für den Strukturierungsprozess durchführbar ist.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch ein Verfahren mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruches 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen des Verfahrens ergeben sich aus den Unteransprüchen 2 bis 13. Weiterhin wird die Aufgabe der Erfindung durch eine Vorrichtung gemäß Anspruch 1 gelöst.
Bei dem erfinderischen Verfahren zum Laserpolieren einer Oberfläche eines Werkstücks mittels ultrakurz gepulster Laserstrahlung, beispielsweise mit einer Pulsdauer von maximal 20 ps, durch Umschmelzen einer Randschicht, wobei die Bestrahlung der Oberfläche mit einer Mehrzahl von Bursts geschieht, und wobei die Werkstückoberfläche eine werkstoffspezifische Schmelztemperatur aufweist, ist dadurch gekennzeichnet, dass die Schmelztemperatur an der Oberfläche des Werkstücks zwischen aufeinanderfolgenden Bursts unterschritten wird.
Zunächst sei ausdrücklich darauf hingewiesen, dass im Rahmen der hier vorliegenden Patentanmeldung unbestimmte Artikel und Zahlenangaben wie „ein“, „zwei“ usw. im Regelfall als „mindestens“-Angaben zu verstehen sein sollen, also als „mindestens ein...“, „mindestens zwei...“ usw., sofern sich nicht aus dem jeweiligen Kontext ausdrücklich ergibt oder es für den Fachmann offensichtlich oder technisch zwingend ist, dass dort nur „genau ein...“, „genauzwei...“ usw. gemeint sein können. Weiterhin sind alle Zahlenangaben sowie Angaben zu Verfahrensparametern und/oder Vorrichtungsparametern im technischen Sinne zu verstehen, d.h. als mit den üblichen Toleranzen versehen zu verstehen. Auch aus der expliziten Angabe der Einschränkung „wenigstens“ oder „mindestens“ o.ä. darf nicht geschlossen werden, dass bei der einfachen Verwendung von „ein“, also ohne die Angabe von „wenigstens“ o.ä., ein „genauein“ gemeint ist.
Für den Strukturierungsprozess eingesetzte Hochleistungslaserstrahlquellen mit Pulsdauern im UKP-Regime sind in der Regel nach dem MOPA (Master Oscillator Power Amplifier) Prinzip aufgebaut. Dabei wird in einem Seedoszillator ein kontinuierlicher Zug niedrig energetischer Laserpulse mit Pulswiederholraten ƒ_seed von typischerweise mehreren 10 MHz generiert. In der konventionellen Einzelpuls-UKP-Bearbeitung werden aus diesem Pulszug anschließend mittels eines elektrooptischen Modulators (EOM) oder eines akustooptischen Modulators (AOM), dem sogenannten Pulspicker, einzelne Pulse ausgekoppelt. Der resultierende zeitliche Pulsabstand folgt aus der Repetitionsrate ƒ_rep. In einem nachgeschalteten Verstärker wird schließlich die Energie der Einzelpulse um mehrere Größenordnungen hochskaliert, wobei der Verstärkungsgrad variabel einstellbar ist. Alternativ zur Generierung von Einzelpulsen können mit entsprechenden Pulspickern auch Gruppen von Laserpulsen, die Bursts, ausgekoppelt werden. Diese enthalten eine definierte Anzahl an Pulsen pro Burst PpB. Innerhalb der Bursts folgen die Pulse der Seedlaserfrequenz ƒ_seed, während der zeitliche Abstand zwischen den Bursts durch die Repetitionsrate ƒ_rep gegeben ist. Beispielsweise beträgt für eine typische Seedlaserfrequenz ƒ_seed = 50 MHz der zeitliche Abstand zwischen aufeinanderfolgenden Pulsen innerhalb eines Bursts Δt_P = 20 ns. Eine typische Repetitionsrate von beispielsweise ƒ_rep = 500 kHz resultiert in einem zeitlichen Burstabstand von Δt_B = 2 µs. Die zur Verfügung stehende Energie wird durch den nachgeschalteten Verstärker homogen über die Anzahl der Pulse im Burst PpB verteilt.
Grundsätzlich weisen der auf Materialabtrag beruhende Strukturierungsprozess und der Laserpolierprozess durch Umschmelzen gegensätzliche Anforderungen an die Prozessführung auf. Aus klassischer Sicht besteht der große Vorteil der UKP-Bearbeitung aus einem verdampfungsdominierten, quasi schmelzfreien Materialabtrag. Aufgrund der hohen Pulsspitzenintensitäten ultrakurz gepulster Laserstrahlung erfolgt der Phasenübergang des Materials von fest zu gasförmig ohne die Ausbildung einer signifikanten schmelzflüssigen Phase. Die materialerhaltende Einebnung von Rauheiten im Laserpolierprozess hingegen erfordert die Ausbildung eines Schmelzfilms. Daher ist für die Ausbildung einer schmelzflüssigen Phase mittels UKP-Laserstrahlung die applizierte Energie so einzustellen, dass die Verdampfungsschwelle nicht überschritten wird und somit kein Materialabtrag stattfindet. Bezüglich der Schmelzgrenze existiert ein Schwellwert von niedrigerer Energie, sodass der Energieanteil zwischen Schmelz- und Verdampfungsschwelle in Schmelzebildung umgesetzt wird, während der darunter liegende Energieanteil zur Werkstückerwärmung beiträgt. Bei der Anwendung von UKP-Einzelpulsen ist der zeitliche Abstand zum nachfolgenden Puls so groß (Δt_B = 1/ƒ_rep), dass die im Werkstück deponierte Energie über Wärmeleitung aus der lokalen Bearbeitungszone abgeführt werden kann und somit kein signifikantes Schmelzvolumen ausgebildet wird. Im Burstmodus hingegen wird infolge der sehr großen Pulsrepetitionsrate innerhalb eines Bursts (Δt_P = 1/ƒ_seed) eine Wärmeakkumulation am Bearbeitungsort induziert. Die Laserpulse treffen auf ein bereits vorgewärmtes Werkstück, sodass die lokale Prozesstemperatur sukzessive ansteigt. Dadurch wird bei Überschreiten der Schmelztemperatur T_m die Ausbildung eines für den Umschmelzprozess benötigten signifikanten Schmelzfilms ermöglicht. Bei der Prozessführung ist darauf zu achten, dass die Verdampfungstemperatur T_v nicht überschritten wird. Über die Prozessparameter Pulsenergie Ep, Anzahl Pulse pro Burst PpB, Scangeschwindigkeit v_s, den zeitlichen Pulsabstand Δt_P = 1/ƒ_seed sowie den zeitlichen Burstabstand Δt_B = 1/ƒ_rep sind der zeitliche und räumliche Energieeintrag flexibel einstellbar. Zur Vermeidung von Mikrostrukturen, die aus der kontinuierlichen Aufrechterhaltung des Schmelzbades resultieren, d.h. also bei einer Prozesstemperatur kontinuierlich oberhalb der Schmelztemperatur T_m, ist erfindungsgemäß eine periodische Wiedererstarrung des Schmelzbades vorteilhaft. Dies wird erfindungsgemäß durch den Einsatz von Bursts erreicht, wobei die Prozesstemperatur phasenweise, d.h. zwischen aufeinanderfolgenden Bursts, unterhalb der Schmelztemperatur T_m fällt, wodurch die Schmelze zwischen aufeinanderfolgenden Bursts wiedererstarrt. Die ausschlaggebenden Prozessgrößen stellen die Schmelzbadlebensdauer τ_m einerseits und die Pausenzeit Δt_Pause zwischen aufeinanderfolgenden Bursts andererseits dar.
In einer vorteilhaften Ausführungsform wird mithilfe eines ersten oder mehrerer erster Bursts ein Temperaturanstieg hervorgerufen, bis ein konstanter Prozesstemperaturbereich ΔT = T_o - T_u erreicht wird, innerhalb dessen ein periodischer Temperaturverlauf vorliegt. Das untere und das obere Prozesstemperaturniveau T_u bzw. T_o sind über die Beziehung T_u<T_m<T_o<T_v mit der werkstoffspezifischen Schmelz- (T_m) und Verdampfungstemperatur (T_v) verknüpft, sodass zwischen den Bursts ein Temperaturabfall unter die Schmelztemperatur stattfindet und die Maximaltemperatur unterhalb der Verdampfungstemperatur liegt. Für eine erfolgreiche Oberflächenglättung und zur Vermeidung von prozessinduzierten Oberflächenstrukturen hat sich ein möglichst schmales Temperaturfenster ΔT als zielführend herausgestellt, sodass minimale Pulsenergien zur Überschreitung der Schmelzgrenze ausreichend sind. Dadurch wird lediglich eine geringe Thermik pro Puls ausgebildet und dynamische Schmelzbadbewegungen werden vermieden. Über eine entsprechende Einstellung der Parameter Burstrepetitionsrate ƒ_rep, Pulse pro Burst, Repetitionsrate im Burst f_seed, Scangeschwindigkeit v_s kann das Verfahren entsprechend gesteuert werden.
Zur Vermeidung einer vollständigen Abkühlung der Schmelze werden vorzugsweise Burstrepetitionsraten ƒ_rep ≥ 100 kHz eingesetzt, sodass Wärmeakkumulation zwischen aufeinanderfolgenden Bursts ermöglicht wird und das untere Temperaturniveau T_u < T_m angehoben werden kann. Gleichzeitig sollte die Burstrepetitionsrate ƒ_rep in ihrem Maximum begrenzt sein, sodass T_m nicht dauerhaft überschritten wird und damit ein kontinuierliches Schmelzbad erzeugt wird. Das obere Temperaturniveau T_o wird maßgeblich durch die Einzelpulsspitzenfluenz F₀ festgelegt. Zur Vermeidung großer Temperaturspitzen T_o sind möglichst kleine Fluenzen F₀, die höchstens der materialspezifischen Abtragschwellfluenz F_thr,v entsprechen, zu bevorzugen. Dadurch wird eine Mindestanzahl von Pulsen pro Burst PpB ≥ 20 zur Überschreitung der Schmelzgrenze benötigt. Mittels der Anzahl an Pulsen pro Burst PpB sind die Schmelzbadlebensdauer τ_m und damit einhergehend die Umschmelztiefe flexibel einstellbar.
Um ein schmaleres Temperaturfenster nahe der werkstoffspezifischen Schmelztemperatur T_m als bei Verwendung großer Einpulsspitzenfluenzen F₀ und einer kleinen Anzahl von Pulsen pro Burst PpB zu erzeugen, sind kleine Fluenzen erforderlich, wobei die Schmelzbadlebensdauer τ_m mittels der Anzahl an Pulsen pro Burst PpB effektiv verlängert werden kann, während die Spitzentemperatur relativ konstant bleibt. Aufgrund der vorliegenden Schmelzbadlebensdauern im ns-µs-Bereich resultieren Umschmelztiefen von weniger als 5 µm. Außerdem findet eine Glättung von Strukturen mit überwiegend kleiner Ortswellenlänge statt, sodass der Glanzgrad der Oberfläche erhöht wird.
Insgesamt kann durch diese Vorgehensweise eine aus der Überschreitung der Verdampfungsschwelle resultierende Strukturbildung vermieden werden.
Innerhalb eines Bursts kann der Temperaturanstieg über die Anzahl an Pulsen pro Burst PpB, die Pulsenergie Ep und die Scangeschwindigkeit v_s, welche den räumlichen Pulsabstand bestimmt, eingestellt werden. Die Pausenzeit zur Wiedererstarrung der Schmelze resultiert aus der Burstrepetitionsrate ƒ_rep und der Anzahl an Pulsen pro Burst PpB. Über die Burstrepetitionsrate ƒ_rep wird die Wärmeakkumulation zwischen den Bursts und damit einhergehend das untere Prozesstemperaturniveau beeinflusst.
Somit ist der diskontinuierliche UKP-Polierprozess zur Glättung von Mikrorauheiten auf strukturierten Oberflächen geeignet, sodass das Laserpolieren schließlich in einer Aufspannung unmittelbar nach der Laserstrukturierung eines Werkstückes in derselben Bearbeitungsanlage erfolgen kann. Daraus resultiert eine Vereinfachung der Prozesskette.
Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, wenn die Repetitionsrate der Pulse im Burst ƒ_seed mehr als 8 MHz beträgt.
Im Gegensatz zum konventionellen Laserstrahlpolieren kann der UKP-Polierprozess unter Umgebungsbedingen an Luftatmosphäre durchgeführt werden. Dies gilt in erster Linie in Kombination mit den beim UKP-Polieren typischerweise verwendeten relativ großen Scangeschwindigkeiten v_s von größer 10 mm/s, bevorzugt mit einer Scangeschwindigkeit v_s größer 2 m/s, besonders bevorzugt mit einer Scangeschwindigkeit v_s größer 4 m/s. Die Umsetzung in der Bearbeitungsanlage wird dadurch erleichtert und ebenso wird die Bearbeitung von großformatigen Werkzeugeinsätzen ermöglicht.
Das Verfahren kann in Umgebungsatmosphäre ausgeführt werden. Unter Einsatz einer Schutzgasatmosphäre, beispielsweise einer Argonatmosphäre, kann eine weitere Verringerung der Oberflächenrauheit erzielt werden.
Die Prozessführung erfolgt in parallelen Bahnen, wobei der zeitliche Abstand zwischen aufeinanderfolgenden Pulsen innerhalb eines Bursts, der zeitliche Abstand zwischen aufeinanderfolgenden Bursts sowie der Spurabstand so zu wählen sind, dass eine teilweise Überlappung der Pulse, Bursts und Bahnen vorliegt. Dabei wird unter dem Begriff Spurabstand der Abstand der Bahnen des Laserstrahls verstanden. Mit anderen Worten wird die Werkstückoberfläche in parallelen Bahnen gescannt, wobei natürlich nicht zwangläufig die gesamte Werkstückoberfläche abgefahren werden muss, sondern nur der zu bearbeitende Teil der Werkstückoberfläche.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform wird der zu bearbeitende Teil der Werkstückoberfläche mehrfach gescannt, wobei die Bearbeitungsrichtung jeweils gegenüber der vorherigen Scanrichtung um einen Winkel zwischen 5° und 175°, vorzugsweise zwischen 40° und 140°, besonders bevorzugt von 80 bis 100°, insbesondere in einem Winkel von 90° gedreht wird.
Mit dem erfinderischen Verfahren des UKP-basierten Laserstrahlpolierens mit diskontinuierlichem Schmelzbad wird die Glättung von Mikrostrukturen basierend auf dem Umschmelzen einer dünnen Randschicht ermöglicht. Durch einfache Parametervariation können die Schmelzbadlebensdauer, die Pausenzeit zur Wiedererstarrung der Schmelze und die resultierende Umschmelztiefe fein abgestuft kontrolliert werden. Die Entstehung prozessinduzierter Oberflächenstrukturen wird aufgrund der periodischen Wiedererstarrung der Schmelze vermieden. Infolge der variabel einstellbaren Umschmelztiefe ist der Prozess geeignet, die Oberflächenrauheit dreidimensionaler Mikrostrukturen zu reduzieren. So kann das Verfahren im Anschluss an ein kontinuierliches Umschmelzen größerer Rauheitsstrukturen angewendet werden.
Eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens weist eine Aufspannung und eine UKP-Laserstrahlquelle samt Laserstrahlablenkeinheit und Optiksystem auf und ist dadurch gekennzeichnet, dass die Laserstrahlquelle dazu eingerichtet ist, eine Substratoberfläche eines in der einen Aufspannung eingespannten Werkstücks sowohl zu strukturieren als auch zu Polieren und zu Glätten. Das Werkstück kann sowohl für die Strukturierung als auch für das Polieren und Glätten in ein und derselben Aufspannung verbleiben, ein Umspannen kann unterbleiben. In Verbindung mit einem vorangehenden Laserstrukturierungsprozess können durch Verwendung derselben UKP-Laserstrahlquelle sowohl für den Strukturierungs- als auch den Laserpolierprozess Zeit- und Kostenersparnisse in der Gesamtprozesskette erzielt werden. Aufgrund der Bauteilbearbeitung in ein und derselben Aufspannung kann eine große Positionsgenauigkeit erzielt werden. Großformatige Werkzeuge mit Freiformgeometrie sind aus prozesstechnischer Sicht ohne weiteres bearbeitbar.
Darüber hinaus muss keine Vorsorge getroffen werden, dass keine Umgebungsatmosphäre, insbesondere Sauerstoff, an den Prozessort gelangt, wie es beispielsweise durch eine gasdichte Prozesskammer realisiert werden könnte, da der Einsatz einer Schutzgasatmosphäre nicht notwendig ist.
Weitere Vorteile, Besonderheiten und zweckmäßige Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und der nachfolgenden Darstellung bevorzugter Ausführungsbeispiele anhand der Abbildungen.
Es zeigen

1 das Prinzip von Pulsbursts gegenüber Einzelpulsen,
2 den Zusammenhang zwischen Schwellfluenzen und umgesetzten Energieanteilen beispielhaft anhand eines Gaußstrahlprofils,
3 eine schematische Darstellung des zeitlichen Prozesstemperaturverlaufs an der Werkstückoberfläche,
4 den Einfluss einer großer Einpulsspitzenfluenz F₀ und einer kleinen Anzahl von Pulsen pro Burst PpB auf den zeitlichen Prozesstemperaturverlauf,
5 den Einfluss einer kleinen Einpulsspitzenfluenz F₀ und einer großen Anzahl von Pulsen pro Burst PpB auf den zeitlichen Prozesstemperaturverlauf,
6 das arithmetische Mittel der Oberflächenrauheit S_a in Abhängigkeit der Ortswellenlänge λ einer UKP-polierten Oberfläche im Vergleich zum Ausgangszustand.

1 zeigt das Prinzip von Pulsbursts gegenüber Einzelpulsen. Hochleistungslaserstrahlquellen mit Pulsdauern im UKP-Regime, wie sie für die Strukturierung von Substratoberflächen eingesetzt werden, sind in der Regel nach dem MOPA-Prinzip (Master Oscillator Power Amplifier) aufgebaut. Dabei generiert ein Seedoszillator einen kontinuierlichen Zug niedrig energetischer Laserpulse mit einer hohen Pulswiederholrate ƒ_seed von typischerweise mehreren 10 MHz, wie in der linken Seite der 1 unter dem Buchstaben a gezeigt. In der konventionellen Einzelpuls-UKP-Bearbeitung werden aus diesem Pulszug anschließend mittels elektrooptischen Modulatoren (EOM) oder akustooptischen Modulatoren (AOM), den sogenannten Pulspickern, einzelne Pulse ausgekoppelt, wobei dieser Prozess in 1 mit dem Buchstaben c gekennzeichnet ist und wie in der rechten Seite oben der 1 unter dem Buchstaben b gezeigt. Der resultierende zeitliche Pulsabstand folgt aus der Repetitionsrate ƒ_rep. In einem nachgeschalteten Verstärker wird schließlich die Energie der Einzelpulse um mehrere Größenordnungen hochskaliert, wobei der Verstärkungsgrad variabel einstellbar ist.
Alternativ zur Generierung von Einzelpulsen können mit entsprechenden Pulspickern auch Gruppen von Laserpulsen, sogenannte Bursts, ausgekoppelt werden, wobei dieser Prozess in 1 mit dem Buchstaben d gekennzeichnet ist und wie in der rechten Seite unten der 1 unter dem Buchstaben b gezeigt. Diese enthalten eine definierte Anzahl an Pulsen pro Burst PpB. Innerhalb der Bursts folgen die Pulse der Seedlaserfrequenz ƒ_eed, während der zeitliche Abstand zwischen den Bursts durch die Repetitionsrate ƒ_rep gegeben ist.
2 zeigt den Zusammenhang zwischen Schwellfluenzen und umgesetzten Energieanteilen E_A, E_S, E_EW beispielhaft anhand eines Gaußstrahlprofils. Für die Ausbildung einer schmelzflüssigen Phase mittels UKP-Laserstrahlung muss die applizierte Energie E so eingestellt werden, dass die Verdampfungsschwelle F_thr,v,, d.h. die Schwellfluenz für Verdampfung, nicht überschritten wird und somit kein Materialabtrag stattfindet. Bezüglich der Schmelzgrenze existiert ein Schwellwert F_thr,m von niedrigerer Energie, sodass der Energieanteil Es zwischen Schmelzschwelle F_thr,m und Verdampfungsschwelle F_thr,v in Schmelzebildung umgesetzt wird, während der darunter liegende Energieanteil E_EW zur Werkstückerwärmung beiträgt. Beispielhaft für ein Gaußstrahlprofil werden in 2 die beschriebenen Energieanteile E_A, E_S, E_EW und Energieschwellen F_thr,v, F_thr,m in Form der absorbierten Fluenz F über dem Laserstrahlradius w dargestellt. Dabei ist die Einzelpulsspitzenfluenz F₀ über die Beziehung $F_{0} \frac{2 E_{P}}{π w_{0}^{2}}$
mit der Pulsenergie Ep verbunden. Der Faktor 1/e² ist dabei die Definition des Laserstrahldurchmessers im Fokus 2w₀. Dieser liegt an der Stelle vor, an der die Fluenz auf den 1/e²-ten Anteil der Spitzenfluenz F₀ abgefallen ist.
Bei der Anwendung von UKP-Einzelpulsen ist der zeitliche Abstand zum nachfolgenden Puls so groß (Δt_B = 1/ƒ_rep), dass die im Werkstück deponierte Energie über Wärmeleitung aus der lokalen Bearbeitungszone abgeführt werden kann und somit kein signifikantes Schmelzvolumen ausgebildet wird. Im Burstmodus hingegen wird infolge der sehr großen Pulsrepetitionsrate innerhalb eines Bursts (Δt_P = 1/ƒ_seed) eine Wärmeakkumulation am Bearbeitungsort induziert. Die Laserpulse treffen auf ein bereits vorgewärmtes Werkstück, sodass die lokale Prozesstemperatur sukzessive ansteigt. Dadurch wird bei Überschreiten der Schmelztemperatur T_m die Ausbildung eines für den Umschmelzprozess benötigten signifikanten Schmelzfilms ermöglicht. Bei der Prozessführung ist darauf zu achten, dass die Verdampfungstemperatur T_v nicht überschritten wird.
3 zeigt eine Schematische Darstellung des zeitlichen Prozesstemperaturverlaufs an der Werkstückoberfläche. Über die Prozessparameter Pulsenergie Ep, Anzahl Pulse pro Burst PpB, Scangeschwindigkeit v_s, den zeitlichen Pulsabstand Δt_P = 1/ƒ_seed sowie den zeitlichen Burstabstand Δt_B = 1/ƒ_rep sind der zeitliche und räumliche Energieeintrag flexibel einstellbar. Zur Vermeidung von Mikrostrukturen, die aus der kontinuierlichen Aufrechterhaltung des Schmelzbades resultieren, wenn sich also die Prozesstemperatur kontinuierliche oberhalb der Schmelztemperatur T_m befindet, wird eine periodische Wiedererstarrung des Schmelzbades angestrebt. Dies wird durch den Einsatz von Bursts erreicht, wobei die Schmelze zwischen aufeinanderfolgenden Bursts wieder erstarrt, wobei die Prozesstemperatur phasenweise unterhalb die Schmelztemperatur T_m fällt. Die ausschlaggebenden Prozessgrößen stellen die Schmelzbadlebensdauer τ_m einerseits und die Pausenzeit Δt_Pause zwischen aufeinanderfolgenden Bursts andererseits dar. Mithilfe der ersten Bursts wird ein Temperaturanstieg hervorgerufen, bis sich ein konstanter Prozesstemperaturbereich ΔT als Differenz des oberen Prozesstemperaturniveaus T_o und des unteren Prozesstemperaturniveaus T_u einstellt, innerhalb dessen ein periodischer Temperaturverlauf vorliegt. Dabei ist das untere Prozesstemperaturniveau T_u niedriger als die werkstoffspezifische Schmelztemperatur T_m, die wiederum niedriger als das obere Prozesstemperaturniveau T_o ist, das niedriger als die werkstoffspezifische Verdampfungstemperatur T_v ist, d.h. also T_u < T_m < T_o < T_v.
Damit findet zwischen den Bursts ein Temperaturabfall unter die werkstoffspezifische Schmelztemperatur T_m statt. Es sind nur sehr kleine Pulsenergien Ep zur Überschreitung der Schmelzgrenze, d.h. der werkstoffspezifischen Schmelztemperatur T_m ausreichend, sodass lediglich eine geringe Thermik pro Puls ausgebildet wird und dynamische Schmelzbadbewegungen ausbleiben.
4 zeigt den Einfluss einer großen Einpulsspitzenfluenz F₀ und einer kleinen Anzahl von Pulsen pro Burst PpB auf den zeitlichen Prozesstemperaturverlauf. Der Temperaturverlauf weist große Temperaturspitzen und -gradienten auf, während die Schmelzbadlebensdauer τ_m relativ klein ist. Um einen kleineren Prozesstemperaturbereich ΔT nahe T_m zu erzeugen, sind kleine Einzelpulspitzenfluenzen F₀ erforderlich, wobei die Schmelzbadlebensdauer τ_m mittels der Anzahl an PpB effektiv verlängert werden kann, während das obere Prozesstemperaturniveau T_o relativ konstant bleibt, wie in 5 gezeigt ist.
6 zeigt das arithmetische Mittel der Oberflächenrauheit S_a in Abhängigkeit der Ortswellenlänge λ einer UKP-polierten Oberfläche im Vergleich zum Ausgangszustand. Dabei stellt die gepunktete Linie, die mit dem Buchstaben e gekennzeichnet ist, den Verlauf des arithmetischen Mittels der Oberflächenrauheit S_a über der Ortswellenlänge λ im Ausgangszustand dar, während die mit dem Buchstaben f gekennzeichnete durchgezogene Linie den Verlauf des arithmetischen Mittels der Oberflächenrauheit S_a über der Ortswellenlänge A der UKP-polieren Probe darstellt. Aufgrund der vorliegenden Schmelzbadlebensdauern im ns-µs-Bereich resultieren Umschmelztiefen von weniger als 5 µm. Außerdem findet eine Glättung von Strukturen mit überwiegend kleiner Ortswellenlänge λ statt, sodass der Glanzgrad der Oberfläche erhöht wird.
Die hier gezeigten Ausführungsformen stellen nur Beispiele für die vorliegende Erfindung dar und dürfen daher nicht einschränkend verstanden werden. Alternative durch den Fachmann in Erwägung gezogene Ausführungsformen sind gleichermaßen vom Schutzbereich der vorliegenden Erfindung umfasst.
Bezugszeichenliste

a: Laserpulse aus einem Seedoszillator
b: ausgekoppelte Pulsfolge
c: Pulspickerprozess zur Auskopplung einzelner Pulse
d: Pulspickerprozess zur Auskopplung von Pulsgruppen
e: Ausgangszustand
f: diskontinuierlich UKP-poliert
ƒseed: Repetitionsrate der Pulse im Burst, Pulswiederholrate des Seedoszillators, Seedlaserfrequenz
fPuls: Repetitionsrate eines Einzelpulses
frep: Burstrepetitionsrate
t: Zeit
ΔtB: zeitlicher Burstabstand
ΔtP: zeitlicher Abstand zwischen aufeinanderfolgenden Pulsen innerhalb eines Bursts
E: Applizierte Energie
EA: in Abtrag umgesetzte Energie
EEW: in Werkstückerwärmung umgesetzte Energie
Ep: Pulsenergie
Es: in Schmelzebildung umgesetzte Energie
F: Fluenz
F0: Einpulsspitzenfluenz
Fthr,v: Verdampfungsschwellfluenz
Fthr,m: Schmelzschwellfluenz
Sa: arithmetisches Mittel der Oberflächenrauheit einer Probe
T: Temperatur
Tm: Schmelztemperatur
To: oberes Prozesstemperaturniveau
Tu: unteres Prozesstemperaturniveau
Tv: Verdampfungstemperatur
ΔT: Prozesstemperaturbereich
vs: Scangeschwindigkeit
w: Laserstrahlradius
wo: Laserstrahlradius im Fokus
λ: Ortswellenlänge
τm: Schmelzbadlebensdauer
τP: Pulsdauer

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 10228743 B4 [0006]
DE 102019103960 [0008]

Claims

Verfahren zum Laserpolieren einer Oberfläche eines Werkstücks mittels ultrakurz gepulster Laserstrahlung durch Umschmelzen einer Randschicht, wobei die Bestrahlung der Oberfläche mit einer Mehrzahl von Bursts geschieht, und wobei die Werkstückoberfläche eine werkstoffspezifische Schmelztemperatur T_m aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Schmelztemperatur T_m an der Oberfläche des Substrats zwischen aufeinanderfolgenden Bursts unterschritten wird.
Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zunächst mit einem ersten Burst oder mehreren ersten Bursts ein derartiger Temperaturanstieg auf der Oberfläche des Substrats erreicht wird, dass sich ein konstanter Prozesstemperaturbereich ΔT als Differenz eines oberen Prozesstemperaturniveaus T_o und eines unteren Prozesstemperaturniveaus T_u einstellt, wobei innerhalb des Prozesstemperaturbereichs ΔT ein periodischer Temperaturverlauf vorliegt und wobei das untere Prozesstemperaturniveau T_u kleiner als die werkstoffspezifische Schmelztemperatur T_m, die ihrerseits kleiner als das obere Prozesstemperaturniveau T_o, das seinerseits kleiner als eine werkstoffspezifische Verdampfungstemperatur T_v ist.
Verfahren gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Burstrepetitionsrate ƒ_rep mindestens 100 kHz ist.
Verfahren gemäß einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Burst mindestens 20 Pulse enthält.
Verfahren gemäß einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das die Repetitionsrate der Pulse im Burst f_seed mehr als 8 MHz beträgt.
Verfahren gemäß einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Substratoberfläche mit einer Scangeschwindigkeit v_s größer 10 mm/s, bevorzugt mit einer Scangeschwindigkeit v_s größer 2 m/s, besonders bevorzugt mit einer Scangeschwindigkeit v_s größer 4 m/s gescannt wird.
Verfahren gemäß einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren in Umgebungsatmosphäre ausgeführt wird.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurchgekennzeichnet, dass das Verfahren unter Schutzgasatmosphäre ausgeführt wird.
Verfahren gemäß einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche bis zu einer Umschmelztiefe von maximal 5 µm umgeschmolzen wird.
Verfahren gemäß einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Laserstrahl innerhalb einer Überfahrt des zu bearbeitenden Teils der Werkstückoberfläche in parallelen Bahnen erfolgt.
Verfahren gemäß Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der zeitliche Abstand Δt_P zwischen aufeinanderfolgenden Pulsen innerhalb eines Bursts, der zeitliche Abstand Δt_B zwischen aufeinanderfolgenden Bursts sowie der Spurabstand so gewählt werden, dass eine teilweise Überlappung der Pulse, Bursts und Bahnen vorliegt.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass der zu bearbeitende Teil der Werkstückoberfläche mehrfach gescannt wird, wobei die Bearbeitungsrichtung jeweils gegenüber der vorherigen Scanrichtung um einen Winkel zwischen 5° und 175°, vorzugsweise zwischen 40° und 140°, besonders bevorzugt von 80 bis 100°, insbesondere in einem Winkel von 90° gedreht wird.
Verfahren gemäß einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren im Anschluss an ein kontinuierliches Umschmelzen größerer Rauheitsstrukturen angewandt wird.
Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens gemäß einem der vorherigen Ansprüche, aufweisend eine Aufspannung und eine UKP-Laserstrahlquelle samt Laserstrahlablenkeinheit und Optiksystem, dadurch gekennzeichnet, dass die Laserstrahlquelle dazu eingerichtet ist, eine Substratoberfläche eines in einer Aufspannung eingespannten Werkstücks sowohl zu strukturieren als auch zu polieren.