DE10258934A1

DE10258934A1 - Verfahren und Vorrichtung zum selektiven Verbinden von Körpern mit Trägern mit Laserstrahlen und Verwendung eines Ultrakurzpulslasers zum selektiven Verbinden von Körpern mit Trägern

Info

Publication number: DE10258934A1
Application number: DE10258934A
Authority: DE
Inventors: Robby Dipl.-Phys. Ebert; Horst Prof. Dr.-Ing. Exner
Original assignee: LASERINSTITUT MITTELSACHSEN E; LASERINSTITUT MITTELSACHSEN EV
Current assignee: Lim Laserinstitut Mittelsachsen 09648 Mi De GmbH
Priority date: 2002-12-13
Filing date: 2002-12-13
Publication date: 2004-07-22
Anticipated expiration: 2022-12-14
Also published as: DE10258934B4

Abstract

Die Erfindung betrifft Verfahren und Vorrichtungen zum selektiven Verbinden von Körpern mit Trägern mit Laserstrahlen und die Verwendung von Ultrakurzpulslasern zum selektiven Verbinden von Körpern mit Trägern. DOLLAR A Diese zeichnen sich insbesondere dadurch aus, dass entweder ein Formkörper oder eine feste Verbindung entsteht. Dazu wird zum Ersten der oder die Körper auf die Oberfläche des Trägers aufgebracht. Zum Zweiten erfolgt über das Bestrahlen des Körpers oder der Körper mit gepulsten Laserstrahlen hoher Intensität eines Lasers in einem Vakuum oder unter Schutzgas bis zu einer Temperatur kleiner als die Schmelztemperatur des Körpers oder der Körper die Bildung des Formkörpers oder die Ausbildung der festen Verbindung. Vorteilhafterweise wird durch die Laserstrahlung selbst gleichzeitig ein zusätzlicher Druck auf den oder die Körper ausgeübt. Dabei erfolgt eine feste Verbindung. DOLLAR A Dazu wird vorteilhafterweise ein gepulster Ultrakurzpulslaser eingesetzt.

Description

Die Erfindung betrifft Verfahren und Vorrichtungen zum selektiven Verbinden von Körpern mit Trägern mit Laserstrahlen und die Verwendung von Ultrakurzpulslasern zum selektiven Verbinden von Körpern mit Trägern.
Verfahren und Vorrichtungen zum Verbinden von Körpern mit Laserstrahlen sind unter anderem durch die DE 197 01 483 A1 (Verfahren zum Aufbringen erhabener Strukturen auf Sinterbauteilen) bekannt. Das Bauteil befindet sich auf einem Manipulator der gegenüber einem Laserstrahl bewegt wird. Die Erwärmung erfolgt bis das aufgebrachte Material aufgeschmolzen wird und sich mit dem Sinterbauteil verbindet. Dabei handelt es sich um ein Auftragsschmelzen. Die DE 295 13 026 U1 (Vorrichtung zur schichtweisen Herstellung eines Objektes mittels Lasersintern) beinhaltet im Wesentlichen eine Fokussiervorrichtung, wobei ein Schutzgasstrahl den Strahl einer elektromagnetischen Strahlung aufnimmt und beide zusammen auf die Oberfläche der Arbeitsebene gelangen. Pulverförmiges Material für den herzustellenden Sinterkörper kann durch den Schutzgasstrahl weggeblasen werden. Bei zu geringem Druck des Schutzgases gelangt dieses nicht mehr hinreichend zur Oberfläche des Sinterkörpers. In der DE 199 09 882 A1 (Material zur schichtweisen Herstellung von Werkzeugen, Formen oder Bauteilen durch das Lasersinterverfahren) wird ein Verfahren beschrieben, wobei durch bahnweises in mehreren Schichten aufgetragenes Material und durch einen Laserstrahl ein Sinterkörper hergestellt wird. Mittels einer aufgeschmolzenen Bindemittelzusammensetzung werden auftretende Poren im Sinterkörper verfüllt, wobei eine schmelzende als selbstfließende Legierung ausgebildete Bindemittelkomponente infiltriert. Dabei handelt es sich ein kombiniertes Verfahren Sintern/Schmelzen. Die DE 198 46 478 A1 (Laser-Sintermaschine) beinhaltet insbesondere eine Kunststoff Laser-Sintermaschine. Hauptaugenmerk gilt einem Wechselbehälter mit einer Werkstückplattform als Behälterboden und einer Trägervorrichtung dafür.
Der in den Patentansprüchen 1, 8 und 11 angegebenen Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, selektiv Körper und Träger so mit Laserstrahlen eines Lasers zu bearbeiten, dass bei geringer thermischer Belastung und hoher geometrischer Auflösung ein aus entweder dem Körper oder den Körpern und dem Träger gebildeter Formkörper oder eine feste Verbindung zwischen einem Körper und dem Träger entsteht und vorhanden ist.
Diese Aufgabe wird mit den in den Patentansprüchen 1, 8 und 11 aufgeführten Merkmalen gelöst.
Die Verfahren und Vorrichtungen zum selektiven Verbinden von Körpern mit Laserstrahlen und die Verwendung von Ultrakurzpulslasern zum selektiven Verbinden von Körpern mit Trägern zeichnen sich insbesondere dadurch aus, dass entweder ein Formkörper gebildet aus Körpern und einem Träger oder eine feste Verbindung zwischen einem Körper und dem Träger entsteht und damit vorhanden ist. Dazu wird zum Ersten der oder die Körper auf die Oberfläche des Trägers aufgebracht. Zum Zweiten erfolgt vorteilhafterweise über das Bestrahlen des Körpers oder der Körper mit gepulsten Laserstrahlen hoher Intensität eines Lasers in einem Vakuum oder unter Schutzgas bis zu einer Temperatur kleiner als die Schmelztemperatur des Körpers oder der Körper die Bildung des Formkörpers oder die Ausbildung der festen Verbindung. Bei der Einwirkung der Laserstrahlen werden der oder die Körper erwärmt, wobei durch die Laserstrahlung selbst vorteilhafterweise gleichzeitig ein zusätzlicher Druck auf den oder die Körper ausgeübt wird. Dabei erfolgt eine feste Verbindung des wenigstens eines Körpers und des Trägers.
Dazu wird vorteilhafterweise ein gepulster Ultrakurzpulslaser eingesetzt, der sich außerhalb oder innerhalb einer evakuierbaren Bearbeitungskammer mit dem Träger und dem Körper oder den Körpern befindet. Damit ergibt sich ein einfacher Aufbau der Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens zum selektiven Verbinden von Körpern mit Laserstrahlen.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Patentansprüchen 2 bis 7, 9 und 10 angegeben.
Ein vorteilhaftes Verfahren zum selektiven Verbinden von Körpern mit einem Träger mit Laserstrahlen ist nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 2 das selektive Lasersintern von Mikrostrukturen auf dem Träger. Dazu wird wenigstens bereichsweise eine Schicht aus Körpern als Pulverschicht auf die Oberfläche des Trägers aufgebracht. Durch das selektive Bestrahlen der Pulverschicht mit gepulsten Laserstrahlen hoher Intensität in einem Vakuum oder unter Schutzgas bis zu einer Temperatur kleiner als die Schmelztemperatur des Pulvers unter gleichzeitiger Einwirkung des Strahlungsdrucks der Laserstrahlen verbinden sich durch Sintern das Pulver und der Träger, so dass ein Formkörper entsteht.
Bei der Herstellung des Pulvers wird durch Energiezufuhr die Oberflächenspannung überwunden. Das Pulver ist somit gegenüber dem kompakten Zustand nicht im Gleichgewicht. Die Vereinigung mehrerer Pulverkörper erfolgt mit dem Abbau der bestehenden Spannungen durch Platzwechselvorgänge von sich berührenden Teilchen der Pulverkörper. Für das beschleunigte Entstehen fester Verbindungsstellen durch Diffusion von Teilchen wird das Pulver erwärmt und verdichtet. Das erfolgt vorteilhafterweise gleichzeitig mit dem Bestrahlen des Pulvers durch den gepulsten Laser, wobei ein fester Formkörper entsteht. Die Breite und Form der Struktur wird durch die Größe, Form und Pulsenergie des auf die Körper auftreffenden Laserpulses bestimmt, wobei breitere Strukturen durch mehrmaliges paralleles Führen des Laserstrahles erzeugt werden können.
Dreidimensionale Strukturen können durch mehrmaligen Ablauf des Vorganges bei sich schichtweise ändernder oder gleichbleibender selektiver Bestrahlung ebenfalls leicht erzeugt werden.
Günstige Bedingungen zur Erzeugung von Mikrostrukturen durch Lasersintern sind nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 3 eine Pulverschicht der Dicke kleiner/gleich 5 μm mit einem Pulver mit einem Pulverkornquerschnitt kleiner/gleich 1 μm.
Der Einsatz eines Lasers mit einem Laserstrahl mit einem negativ gekrümmten Strahlprofil nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 4 verhindert vorteilhafterweise ein Wegspritzen von Pulverkörpern beim Auftreffen der Laserstrahlen.
Ein Strahlungsdruck von gleichgrößer 100 bar nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 5 führt zu einer ausreichenden Verdichtung des Pulvers.
Ein weiteres vorteilhaftes Verfahren zum selektiven Verbinden von Körpern mit Laserstrahlen ist nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 6 das selektive Laserbonden zur Befestigung von insbesondere Folien als Körper auf dem Träger oder untereinander, wobei eine der Folien der Träger ist. Das Bonden ist ein Pressschweißverfahren.
Mit dem Verfahren können nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 7 vorteilhafterweise Folien als Körper mit einer Dicke kleiner/gleich 10 μm befestigt oder miteinander verbunden werden.
Günstige Parameter für den Ultrakurzpulslaser sind nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 9 eine Pulszeit kleiner/gleich 1 ns.
Die Fokussier- oder Abbildungsoptik erzeugt nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 10 eine Intensität von größer/gleich 3 * 10¹⁵ W/m², wodurch die Ausbildung eines Strahlungsdruckes von größer/gleich 100 bar gewährleistet ist.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im folgenden näher beschrieben. Es zeigt die
Fig. eine Intensitätsverteilung in der Fokusebene für einen Laserstrahl mit einem negativ gekrümmten Strahlprofil auf der Pulveroberfläche.
Ein Verfahren und eine Vorrichtung zum selektiven Verbinden von Körpern mit Laserstrahlen werden im folgenden Ausführungsbeispiel zusammen näher erläutert.
In einer ersten Ausführungsform des Ausführungsbeispiels befindet sich der Träger in einer evakuierbaren Bearbeitungskammer und wird in der Bearbeitungskammer mit einer Pulverschicht oder ist mit einer Pulverschicht versehen. Die Pulverschicht besitzt eine Dicke kleiner/gleich 5 μm und der Pulverkornquerschnitt ist kleiner/gleich 1 μm. Nach der Evakuierung der Bearbeitungskammer wird die Pulverschicht mit gepulsten Laserstrahlen hoher Intensität bis zu einer Temperatur kleiner als die Schmelztemperatur des Pulvers unter gleichzeitiger Einwirkung des Strahlungsdrucks der Laserstrahlen bestrahlt, wobei das Pulver und der Träger selektiv durch Sintern verbunden werden und ein Träger mit damit verbundenen Mikrostrukturen aus der Pulverschicht vorhanden ist.
Der Laser befindet sich entweder in der Bearbeitungskammer oder die Laserstrahlen des Lasers gelangen über ein Fenster in die Bearbeitungskammer. Zur Erzeugung der Mikrostruktur aus dem Pulver auf dem Träger wird der Träger und/oder der Laser über einen bekannten Bewegungsmechanismus verfahren. Der Laser ist ein Ultrakurzpulslaser z.B. ein Femto-Sekunden-Laser. Ein derartiger Laser mit einer Pulsenergie von 2 μJ erzeugt bei einer Pulszeit von 150 fs und einem Fokusdurchmesser von 10 μm einen Strahlungsdruck von ungefähr 8000 bar an absorbierenden Schichten und von ungefähr 16000 bar an reflektierenden Schichten. Durch eine Repetitionsrate von 250 kHz erzeugt der Laser eine mittlere Leistung von 500 mW, die zum Erwärmen der Pulverschicht geeignet ist. Der Strahlungsdruck führt zum Verdichten und zur zusätzlichen Erwärmung der Pulverschicht vorzugsweise unterhalb der Oberfläche. Während der Einwirkung des Pulses wird die Oberfläche bis zu einer Temperatur kleiner als die Schmelztemperatur erwärmt, wobei durch die zusätzlich entstehende Umformungsenergie in den Schichten unterhalb der Oberfläche auch ein Schmelzphasenanteil entstehen kann.
In einer Ausführungsvariante kann der Laserstrahl vorteilhafterweise ein negativ gekrümmtes Strahlprofil auf der Pulveroberfläche besitzen, wobei eine Intensitätsverteilung in der Fokusebene entsprechend der Darstellung in der Fig. mit I für die Intensität und r für den Radius des Laserstrahls vorhanden ist.
In einer zweiten Ausführungsform des Ausführungsbeispiels befindet sich der Träger in einer evakuierbaren Bearbeitungskammer und wird in der Bearbeitungskammer oder ist mit wenigstens einer Folie als Körper an deren Verbindungsstelle versehen. Nach der Evakuierung der Bearbeitungskammer wird die Verbindungsstelle mit gepulsten Laserstrahlen hoher Intensität bis zu einer Temperatur kleiner als die Schmelztemperatur der Folie unter gleichzeitiger Einwirkung des Strahlungsdrucks der Laserstrahlen bestrahlt. Dabei entsteht eine Pressschweißverbindung.
Der Laser befindet sich entweder in der Bearbeitungskammer oder die Laserstrahlen des Lasers gelangen über ein Fenster in die Bearbeitungskammer. Zur Vergrößerung der Befestigungsfläche wird der Träger und/oder der Laser über einen bekannten Bewegungsmechanismus verfahren. Der Laser ist ein Femto-Sekunden-Laser entsprechend der ersten Ausführungsform.
In einer weiteren Ausführungsform der Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens zum selektiven Verbinden von Körpern mit Trägern mit Laserstrahlen ist der Ultrakurzpulslaser mit entweder einer Fokussier- oder Abbildungsoptik versehen.

Claims

Verfahren zum selektiven Verbinden von Körpern mit Trägern mit Laserstrahlen mit den folgenden Schritten: – Aufbringen eines Körpers oder mehrerer Körper auf die Oberfläche eines Trägers und – Bestrahlen des Körpers oder der Körper mit gepulsten Laserstrahlen hoher Intensität eines Lasers in einem Vakuum oder unter Schutzgas bis zu einer Temperatur kleiner als die Schmelztemperatur des Körpers oder der Körper, wobei gleichzeitig ein gepulster Strahlungsdruck der Laserstrahlen auf den oder die Körper wirkt.
Verfahren nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens bereichsweise eine Schicht aus Körpern als Pulverschicht auf die Oberfläche des Trägers aufgebracht wird und dass durch Bestrahlen der Pulverschicht mit gepulsten Laserstrahlen hoher Intensität in einem Vakuum oder unter Schutzgas bis zu einer Temperatur kleiner als die Schmelztemperatur des Pulvers unter gleichzeitiger Einwirkung des Strahlungsdrucks der Laserstrahlen das Pulver und der Träger selektiv durch Sintern verbunden werden, wobei ein Träger mit damit verbundenen Mikrostrukturen entsteht.
Verfahren nach Patentanspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine Pulverschicht der Dicke kleiner/gleich 5 μm mit einem Pulver mit einem Pulverkornquerschnitt kleiner/gleich 1 μm auf wenigstens einen Bereich auf die Oberfläche des Trägers aufgebracht wird.
Verfahren nach Patentanspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Pulverschicht mit einem Laserstrahl mit einem in der Bearbeitungsebene negativ gekrümmten Strahlprofil bestrahlt wird.
Verfahren nach Patentanspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Strahlungsdruck gleichgrößer 100 bar ist.
Verfahren nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Körper als Folie mindestens bereichsweise auf die Oberfläche des Trägers aufgebracht wird und dass der Körper mit gepulsten Laserstrahlen hoher Intensität in einem Vakuum oder unter Schutzgas bis zu einer Temperatur kleiner als die Schmelztemperatur des Körpers bestrahlt wird, wobei gleichzeitig der Strahlungsdruck der Laserstrahlen auf die Folie wirkt und eine Bondverbindung zwischen Körper und Träger entsteht.
Verfahren nach Patentanspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Folie eine Dicke kleiner/gleich 10 μm aufweist.
Vorrichtung zum selektiven Verbinden von Körpern mit Trägern mit Laserstrahlen zur Durchführung des Verfahrens nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sowohl der Träger als auch entweder der oder die Körper in einer evakuierbaren Bearbeitungskammer verfahrbar oder fest positioniert und dass ein fest positionierter oder fest platzierter und gepulster Ultrakurzpulslaser als Laser zur Erzeugung einer hohen Intensität innerhalb oder außerhalb der Bearbeitungskammer mit oder ohne entweder einer Fokussier- oder Abbildungsoptik so angeordnet sind, dass diese Strahlung entweder direkt oder über ein Fenster in der Bearbeitungskammer auf den oder die Körper so fällt, dass der oder die Körper bis zu einer Temperatur kleiner als die Schmelztemperatur des Körpers oder der Körper erwärmt und gleichzeitig ein gepulster Strahlungsdruck der Laserstrahlen auf den oder die Körper wirkt.
Vorrichtung nach Patentanspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Ultrakurzpulslaser eine Pulszeit kleiner/gleich 1 ns besitzt.
Vorrichtung nach Patentanspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Fokussier- oder Abbildungsoptik eine Intensität von größer/gleich 3 * 10¹⁵ W/m² erzeugt.
Verwendung eines Ultrakurzpulslasers, dadurch gekennzeichnet, dass die gepulsten Laserstrahlen hoher Intensität des Ultrakurzpulslasers nach Ausbringen eines Körpers oder mehrerer Körper auf die Oberfläche eines Trägers in einem Vakuum oder unter Schutzgas zur Erwärmung des Körpers oder der Körper bis zu einer Temperatur kleiner als die Schmelztemperatur des Körpers oder der Körper und gleichzeitig der auf den oder die Körper wirkende gepulste Strahlungsdruck der Laserstrahlen zum selektiven Verbinden des Körpers oder der Körper mit dem Träger verwendet werden.