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Die vorliegende Erfindung betrifft
ein Verfahren zur Regelung eines Laserabtragprozesses nach dem Oberbegriff
des Patentanspruches 1 und eine entsprechende Vorrichtung nach dem
Oberbegriff des Patentanspruches 10.
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Beim Laserbohren als Laserabtragsprozess wird
mittels eines fokussierten Laserstrahls Energie in ein Werkstück eingebracht.
Durch geeignete Einstellung der Eigenschaften des Laserfokus kann
hierbei innerhalb des Werkstücks
ein Materialabtrag hervorgerufen werden, wobei vorzugsweise metallisches
Material aufgeschmolzen und/oder verdampft wird. Der Abtransport
des Materials wird durch Prozessgas beschleunigt. Dieser Prozess
ist mit einem Prozessleuchten verbunden. Die Intensität und die spektrale
Ausprägung
dieses Prozessleuchtens wird durch eine Vielzahl von Parametern
beeinflusst, zum Beispiel durch die Energie des Laserpulses, durch dreidimensionale
Eigenschaften des Laserfokus, wie dessen Form, seine Intensität oder seine
Polarität. Dabei
ist insbesondere zu berücksichtigen,
dass ein Laserfokus, insbesondere dessen räumliche Intensität nicht
ideal homogen sind. Weitere einflussnehmende Parameter ergeben sich
aus der Beschaffenheit des abgetragenen Materials, aus der Art bzw. dem
Druck des Prozessgases oder dem zeitlichen Ablauf des Prozesses.
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Diese Parameter beeinflussen ebenfalls
die entstehende Bohrlochgeometrie. Man versucht die Parameter deshalb
möglichst
konstant zu halten. Doch aufgrund des komplexen Abtragprozesses streuen
die entstehenden Bohrlochgeometrien selbst bei konstanten Prozessparametern
in einem bestimmten Bereich.
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Je nach Anforderung sind verschiedene
Laserbohrverfahren bekannt: (a) Hochgeschwindigkeitsbohren, (b)
Perkussieren, (c) Trepanieren, (d) Wendelbohren.
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Dabei entsteht das Bohrloch entweder
durch einen Laserpuls (a), durch viele Laserpulse (b), oder durch
viele Laserpulse bei sich bewegendem Laser (c, d). In der angegebenen
Reihenfolge erhöht
sich zwar die erreichbare Präzision
eines Bohrergebnisses, allerdings ist auch mit einer Verlängerung
der Bohrzeit zu rechnen. Ein Bohrprozess kann in eine Durchbohrphase
und in eine Nachbohrphase unterteilt werden. In der Nachbohrphase
werden die Bohrlochränder
und -wände
nachgeformt. Diese Phase ist starken Streuungen unterworfen, dies
spiegelt sich insbesondere in der Ausprägung des Prozessleuchtens wieder.
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Momentan werden Laserbohrverfahren
so geführt,
dass der Laserfokus an der Bearbeitungsstelle permanent auf abzutragendes
Material trifft oder in der Nachbohrphase an den Bohrlochwänden streift.
Man versucht somit die maximal mögliche
Abtragrate zu erreichen. Aufgrund der nichtlinearen Eigenschaften
des Bohrprozesses und Inhomogenitäten des Laserfokus, wie beispielsweise
kleinen Schwingungen des Laserfokus gegenüber dem Bohrloch treten insbesondere
in der Endphase des Bohrprozesses Schwankungen auf.
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Momentan ist man darum bemüht, durch Überwachung
des Prozessleuchtens die Beschaffenheit der Bohrlochgeometrie nachzuvollziehen,
um somit unter anderem die Ergebnisse der Nachbohrphase zu stabilisieren.
Doch aufgrund der vielen Einflüsse
auf das Prozessleuchten und dem statistischen Verhalten des Prozesses
in der Nachbohrphase ist eine zuverlässige Auswertung des Prozessleuchtens nicht
möglich.
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Die Erfindung soll daher ermöglichen,
den Durchbruch innerhalb eines Bohrloches während des Laserbohrprozesses
sicher zu erkennen. Des weiteren soll die Beschaffenheit der dreidimensionalen Bohrlochgeometrie
sicher überprüft werden
können. Außerdem soll
durch geeignete Verfahrensvarianten der Bohrprozess zuverlässig geregelt
werden können.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, die Streuung der
entstehenden Bohrlochgeometrien durch zeitliche Reduzierung der
statistisch stärker
streuenden Nachbohrphase zugunsten einer schnelleren und definierteren
Durchbohrphase zu verringern, um somit auch die Bohrzeit zu verringern. Die
Erfindung soll auch für
andere Arten des Laserabtragens geeignet sein.
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Dieses Ziel wird erreicht mit einem
Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruches 1 sowie einer Vorrichtung
mit den Merkmalen des Patentanspruches 10.
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Vorteile der
Erfindung
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Bei einem Laserabtragprozess wird
ein Bereich eines Werkstücks
durch relative Bewegung eines Laserfokus mit Laserenergie beaufschlagt.
Dies geht mit einem Materialabtrag innerhalb des beaufschlagten
Bereiches der Abtragstelle einher, was zur Entstehung einer Abtraggeometrie
führt.
Der Materialabtrag ist von Prozessleuchten begleitet. Zur Regelung
des Laserabtragprozesses wird erfindungsgemäß durch einen Sensor wenigstens
ein Parameter des Prozessleuchtens gemessen. Unter Berücksichtigung
der Bewegung des Laserfokus und/oder Eigenschaften des Laserfokus
wird dieser Parameter ausgewertet und hieraus die Abtraggeometrie
ermittelt und/oder der Laserfokus gesteuert. Auf diese Weise wird
eine sichere Prüfung
der dreidimensionalen Abtraggeometrie durch das Prozessleuchten
ermöglicht.
Durch Automatisierung des erfindungsgemäßen Verfahrens lässt sich
die Reproduzierbarkeit dreidimensionaler Abtraggeometrien erhöhen. Desweiteren
lässt sich
der Laserabtragprozess dadurch optimieren, dass man aufgrund der
gewonnenen Kenntnisse über
den Zustand der Abtraggeometrie die Bewegung und/oder die Eigenschaften
des Laserfokus steuert.
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In einer bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung ist vorgesehen, einen zeitlichen und/oder absoluten
Verlauf eines Messsignals eines Parameters des Prozessleuchtens
zu verwenden. In weiterer Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen
sein, den Parameter des Prozessleuchtens innerhalb eines begrenzten
spektralen Bereiches der Prozessemission zu messen oder auszuwerten.
Hierbei bringt die Beschränkung
auf nur eine einzige Spektrallinie, z.B. die 406nm-Linie, entscheidende
Vorteile. Bei Berücksichtigung
des zeitlichen Ablaufs des Messsignals, kann man beurteilen, wann
es zu einer Änderung
des Prozessverlaufs kommt. Dies ist insbesondere unter Bezugnahme
auf die aktuelle Bewegung des Laserfokus relativ zum Werkstück von Vorteil. Bei
Berücksichtigung
des absoluten Verlaufs des Messsignals, insbesondere der Intensität, lässt sich, sobald
diese den Wert 0 erreicht, darauf schließen, dass kein Materialabtrag
erfolgt und demnach innerhalb des Werkstücks ein Durchbruch vorhanden
ist. Indem man sich nur auf einen engen Spektralbereich oder Idealerweise
nur auf eine Spektrallinie konzentriert, werden andere störende Emissionen,
die möglicherweise
für die
Beurteilung des Zustandes eines Laserabtragprozesses wenig aufschlussreich
sind, herausgefiltert.
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Den Laserabtragprozess und somit
auch das Verfahren zur Regelung des Laserabtragprozesses beeinflussende
Eigenschaften des Laserfokus sind die Energie eines Laserpulses
und/oder die Länge
eines Laserpulses und/oder die Intensität eines Laserpulses und/oder
die Polarisation der Strahlung eines Laserpulses und/oder die dreidimensionale
Geometrie eines Laserfokus. Dabei kann die Polarisation der Strahlung
eine lineare oder zirkulare Polarisation umfassen. Aus unterschiedlich
eingestellten Parametern erfolgt ein unterschiedlich starker Materialabtrag,
der sich wiederum auf das Prozessleuchten auswirkt. Mittels der
erfindungsgemäßen Regelung kann
eine vorteilhafte, vorzugsweise automatisierte Steuerung dieser
Parameter realisiert werden. Genaue Kenntnisse über diese Eigenschaften des
Laserfokus sind von Vorteil, da hieraus die unmittelbare, auch räumliche
Auswirkung des Laserfokus auf das Material des Werkstücks nachvollziehbar
wird. Somit wird ein schneller und reproduzierbarer gleichmäßiger Abtrag
durch den Laserfokus ermöglicht.
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Die Bewegung des Laserfokus kann
erfindungsgemäß eine Rotation
um eine Achse parallel zur Laserfokusachse und/oder eine Rotation
um die eigene Laserfokusachse umfassen. Durch erstgenannte Rotation
wird beispielsweise das Trepanieren ermöglicht. Dies wird durch geeignete
Drehung des Laserstrahls durch die Laseroptik während des Materialabtrags durch
den Laser realisiert. Der Radius dieser ersten Rotationsbewegung
des Laserfokus wird erfindungsgemäß so groß gewählt, dass während der Regelung des erfindungsgemäßen Laserabtragprozesses
oder während
der Prüfung
der Abtraggeometrie die Intensität
des Messsignals zyklisch auf den Wert 0 zurückgeht. Zudem ist die Rotation
des Laserfokus um seine eigene Laserfokusachse von besonderem Vorteil.
Ist beispielsweise die Intensität der
Energie des Laserfokus räumlich
inhomogen verteilt, ist er also nicht ideal punktförmig oder
rund, lässt sich
durch Drehen des Laserfokus eine derartige Inhomogenität ausgleichen.
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Desweiteren ist bevorzugt vorgesehen,
dass der Laserfokus auch bei Rotation einen geringeren Durchmesser
als die Abtragstelle aufweist. Durch diese Ausgestaltung lässt sich
die Prüfung
auf vollständige
Durchbohrung der Abtragstelle oder minimalen Durchmesser der Abtragstelle
auf besonders einfache Weise realisieren. Dazu muss der Laserfokus
lediglich so positioniert werden, dass er die Abtragfläche nicht
streift, eine eindeutige Aussage darüber, ob innerhalb des überprüften Bereiches
der Abtragstelle ein Durchbruch vorhanden ist, kann aufgrund des
Vorhandenseins von Prozessleuchten oder dessen Nichtvorhandenseins
getätigt
werden.
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Desweiteren kann vorgesehen sein,
das Werkstück
und/oder den Laserfokus in allen drei Raumrichtungen relativ zueinander
zu bewegen. Somit lassen sich unterschiedlichste Abtraggeometrien ausgestalten.
Doch insbesondere kann durch gezielte Bewegung des Laserfokus relativ
zur Abtragstelle, vorzugsweise innerhalb der Abtragstelle, die Abtragstelle insbesondere
zu einem Prüfzweck
auf besonders einfache Weise gescannt werden. Dies kann z. B. durch
Verkleinerung des Trepaniergrades nach Beendigung des Abtragprozesses
erreicht werden. Die Bewegung des Laserfokus relativ zum Werkstück erfolgt
in allen drei Raumrichtungen, insbesondere in einer Fläche parallel
zur Oberfläche
des Werkstücks, des
weiteren wird hiermit auch eine Bewegung senkrecht zur Oberfläche des
Werkstücks
umfasst. Somit ergibt sich in vorteilhafter Weise, dass die Abtragsgeometrie
dreidimensional überwacht
und geregelt werden kann. Insbesondere durch eine Bewegung senkrecht
zur Oberfläche,
können
durch das erfindungsgemäße Verfahren
konische Abtraggeometrien, wie z. B. konische Bohrlöcher berücksichtigt
werden.
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Bei einer bevorzugten Ausgestaltung
des erfindungsgemäßen Verfahrens
kann vorgesehen sein, zur Beurteilung des Abtragprozesses und/oder
der Abtraggeometrie den zeitlichen Verlauf des Messsignals des Prozessleuchtens
zu messen. Eine Berücksichtigung
oder Auswertung des zeitlichen Verlaufs des Messsignals erfolgt
in Korrelation mit der Bewegung des Laserfokus relativ zum Werkstück und/oder einer
Abtragfläche
und/oder Eigenschaften des Laserfokus. Somit erhält man aussagekräftige Informationen
darüber,
was an welchem Ort des Werkstücks zu
welchem Zeitpunkt durch Beaufschlagung durch den Laserfokus geschieht.
Es lässt
sich z. B. nachvollziehen, wo noch Materialabtrag erfolgt oder nicht. Durch
gezielte Bewegung des Laserfokus kann man auch die Struktur einer
Abtragfläche
ausmessen.
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In weiterer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens
kann zur Beurteilung des Abtragprozesses und/oder der Abtraggeometrie
vorgesehen sein, den absoluten Verlauf, z. B. die Intensität des Messsignals
zu berücksichtigen.
Dies kann auch in Korrelation mit der Bewegung und/oder Position des
Laserfokus erfolgen. Hiermit kann man beurteilen, ob ein Durchbruch
vorhanden ist. Durch Vergleich des absoluten Wertes des Messsignals
mit einem Schwellwert können
Aussagen über
die Beschaffenheit einer Abtragstelle getätigt werden. Eine geeignete
Steuerung der Intensität
des Laserfokus, insbesondere ob dieser an- oder abzuschalten ist, kann
somit erfolgen.
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In besonders vorteilhafter Ausgestaltung
der Erfindung ist vorgesehen, dass der Laserfokus im Bereich einer
Abtragstelle geführt
wird. Je nach örtlichem
und zeitlichen Vorhandensein des Messsignals eines gemessenen Parameters
des Prozessleuchtens wird der Laserfokus so weitergeführt und/oder werden
die Eigenschaften des Laserfokus so verändert, dass in Folge dessen
ein Materialabtrag gezielt hervorgerufen werden kann, oder dass
ein Materialabtrag gezielt vermieden werden kann, um auf diese Weise
eine vorgegebene Abtraggeometrie zu erzielen. Durch diese erfindungsgemäße Ausgestaltung
einer geeigneten Prozessführung
kann das Verfahren nicht nur zur Prüfung der Abtraggeometrie (Post-Prozess)
genutzt werden, sondern es wird dadurch in besonders vorteilhafter
Weise ermöglicht, den
Abtragprozess während
des Abtragprozesses (In-Prozess) zu regeln. Auf diese Weise können geregelte
Abtragprozesse mit kleineren geometrischen Streuungen der Abtragsgeometrie
realisiert werden. Mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens können durch
Abtasten bereits abgetragene Bereiche besonders einfach erfasst
werden. Insbesondere kann durch das erfindungsgemäße Verfahren
die Bearbeitung als auch die Prüfung
des Laserabtragprozesses so abgeändert
werden, dass der Laserfokus so weit von einer Abtragfläche entfernt
wird, dass kein Prozessleuchten mehr entsteht und somit kein Materialabtrag
mehr erfolgt. Dies kann entweder zur Prüfung nach der Bearbeitung oder
bereits zyklisch während
der Bearbeitung erfolgen. Durch besonders starke Fokussierung des
Laserstrahls wird der Material abtragende Bereich des Laserfokus
in seiner Ausdehnung reduziert, so dass sich Bereiche des Abtrags,
begleitet von Prozessleuchten, von Bereichen des Nicht-Abtrags ohne
Prozessleuchten gut voneinander unterscheiden lassen. Durch diese Maßnahme kann
insbesondere eine Eindringtiefe des Laserfokus in eine Werkstückoberfläche gut
anhand des Porzessleuchtens reguliert werden. Somit kann erfindungsgemäß unter
gezielter Vermeidung von Durchbrüchen
innerhalb einer Werkstückoberfläche insbesondere
auch eine ebene Oberflächenstruktur
erzeugt werden.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Regelung
eines Laserabtragprozesses, bei dem ein mittels eines Lasers erzeugter
Laserfokus einen Bereich eines Werkstücks durch relative Bewegung
beaufschlagt, wobei durch Materialabtrag eine Abtragstelle mit einer
Abtraggeometrie entsteht, und der Materialabtrag von Prozessleuchten
begleitet ist, zeichnet sich dadurch aus, dass ein Sensor zur Messung
wenigstens eines Parameters des Prozessleuchtens und eine Auswerte-
und/oder Steuereinheit vorgesehen ist, die unter Berücksichtigung
der Bewegung des Laserfokus und/oder von Eigenschaften des Laserfokus
die Abtraggeometrie ermittelt und/oder den Laserfokus steuert.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung, mit welcher
insbesondere das erfindungsgemäße Verfahren zur
Regelung eines Laserabtragprozesses durchführbar ist, zeichnet sich dadurch
aus, dass wenigstens ein Parameter des Prozessleuchtens durch einen
Sensor messbar und unter Berücksichtigung
der Bewegung des Laserfokus und/oder von Eigenschaften des Laserfokus
auswertbar ist, so dass die Abtraggeometrie ermittelbar und/oder
der Laserfokus steuerbar ist. Mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung
kann insbesondere eine automatisierte Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens
realisiert werden.
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Ein Sensor kann beispielsweise so
oberhalb eines beaufschlagten Bereichs eines Werkstücks angeordnet
sein, dass durch ihn das Prozessleuchten axial durch eine Laserbearbeitungsoptik,
also von oben, beobachtbar ist. Dadurch ist eine genaue Beobachtung
des Ortes, an dem sich der Laserfokus aufhält und somit eine unmittelbare
Beobachtung von Prozessleuchten in besonders einfacher Weise realisierbar.
Desweiteren hat diese Ausgestaltung zum Vorteil, dass keine zusätzlichen
Komponenten in Prozessnähe
erforderlich sind.
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Eine erfindungsgemäße Vorrichtung
kann Einrichtungen zum relativen Bewegen und/oder Drehen des Laserfokus
und/oder Einrichtungen zum relativen Bewegen und/oder Drehen des
Werkstücks aufweisen.
Somit kann eine geeignete Abtraggeometrie erzeugt werden.
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In besonders vorteilhafter Ausgestaltung weist
die erfindungsgemäße Vorrichtung
Einrichtungen zur zeitlichen Korrelation einer relativen Bewegung
und/oder Drehung eines Laserfokus bzw. eines Werkstücks mit
einem vorzugsweise zeitlichem Verlauf eines Messsignals des Prozessleuchtens
auf. Dies kann z. B. automatisiert oder rechnergestützt durch
geeignete Verschaltung von Messeinrichtungen zur Erfassung eines
Messsignals des Prozessleuchtens mit der Steuerung des Laserfokus,
z. B. dessen Bewegung relativ zum Werkstück bzw. einer Abtragfläche erfolgen.
Durch wechselseitige Beeinflussung von Messung und Steuerung ist
der zeitliche und/oder räumliche
Ablauf des Laserabtragprozesses, ob nun zum Zwecke der Bestimmung
der Abtraggeometrie oder einer gezielten Beeinflussung des Materialabtrags,
beherrschbar.
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Die vorliegende Erfindung wird nun
anhand der beigefügten
Zeichnungen weiter erläutert.
In dieser zeigt:
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1 eine
schematische Anordnung lasergebohrter Löcher,
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2 bis 6 Diagramme mit aufgetragenen Messsignalen
aus Voruntersuchungen,
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7 eine
bevorzugte Ausführungsvariante einer
erfindungsgemäßen Vorrichtung,
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8 eine
schematischer Darstellung einer Ausführungsvariante einer erfindungsgemäßen Prozessführung, und
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9 bis 13 Diagramme mit aufgetragenen Messsignalen
aus bevorzugten Ausführungsvarianten
des erfindungsgemäßen Verfahrens
sowie nach dem erfindungsgemäßen Verfahren
lasergebohrte Bohrlöcher.
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In den 1 bis 6 sind beispielhaft firmeninterne
Voruntersuchungen zu der eigentlichen Erfindung dargestellt. Im
Vergleich wird verdeutlicht, dass die in den nachfolgenden 7 bis 13 exemplarisch dargestellte Erfindung
gegenüber
den Voruntersuchungen eine mit deutlichen Vorteilen verbundene Weiterentwicklung
eines Verfahrens zur Regelung eines Laserabtragprozesses, insbesondere
eines Laserbohrverfahrens darstellt.
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In 1 ist
schematisch eine Anordnung von lasergebohrten Löchern dargestellt. Diese achtundvierzig
Löcher
sind auf vier konzentrisch zueinander angeordneten Kreislinien schematisch
abgebildet: Loch eins 1 bis vier auf der innersten Kreislinie, Loch fünf 5 bis
vierzehn auf der zweiten Kreislinie, Loch fünfzehn 15 bis neunundzwanzig
auf der dritten Kreislinie, die Löcher dreißig 30 bis achtundvierzig sind
auf der äußersten
Kreislinie angeordnet. Wie die nachfolgenden Figuren zeigen, wurden
die äußeren Löcher dreißig 30 bis
achtundvierzig so gebohrt, dass sie im Vergleich zu den anderen
Löchern
eins 1 bis neunundzwanzig eine größere Bohrtiefe aufweisen.
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In den 2 bis 6 wird anhand von Diagrammen
gezeigt, wie ein Bohrprozess bei der Voruntersuchung abläuft. Die
Diagramme zeigen hierbei die während
der Bohrung der achtundvierzig Löcher durch
einen Sensor aufgenommenen Messsignale des durch den Laserfokus
während
des Bohrprozesses durch Materialabtrag hervorgerufenen Prozessleuchtens.
Dabei ist jeweils die Intensität
I über
der Zeit t aufgetragen.
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In dem in 2 dargestellten Diagramm wurde als Messsignal
des Prozessleuchtens die Spektrallinie mit 500 nm aufgenommen. Der
Bohrprozess eines jeden der achtundvierzig Löcher ist durch einen peak dargestellt.
Die Linie 21 auf ungefähr
halber Höhe
der Intensitätsskala
parallel zur Zeitachse t stellt einen Schwellwert dar. Die steilen Abfälle in der
Intensität
des Messsignals einer jeden einzelnen Bohrung ergeben sich aus dem
manuellen Abschalten des Lasers. Ansonsten würde sich das Messsignal noch
längere
Zeit auf unterschiedlichen Höhen
halten, was einen weiteren Materialabtrag zur Folge hätte. Andererseits
wäre ein
automatisches Abschalten des Laserfokus über dem eingezeichneten Schwellwert
nicht sinnvoll, weil dadurch einige Prozesse zu früh beendet
würden.
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Das in 3 dargestellte
Diagramm zeigt ein Detail des in 2 dargestellten
Diagramms in gedehnter Darstellung. Diese Darstellung verdeutlicht die
Unterschiedlichkeit in der Dauer der Intensität des Messsignals, zwischen
der Bohrung des Loches neunundzwanzig 29 und der Bohrung
des Loches dreißig 30.
Hierbei ist zu erkennen, dass Loch dreißig 30 einer längeren Beaufschlagung
durch den Laserfokus als Loch neunundzwanzig 29 unterworfen
war. Dies geht mit einem größeren Materialabtrag
einher, Bohrloch dreißig 30 weist
eine größere Bohrtiefe
als Bohrloch neunundzwanzig 29 auf.
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Analog zu dem Diagramm aus 2 zeigt das Diagramm aus 4 Messsignale aus derselben
Voruntersuchung mit achtundvierzig Löchern. In dieser alternativen
Darstellung wurde die Intensität der
500 nm Spektrallinie im Vergleich mit dem Mittelwert über dem
Spektralbereich von 490 nm bis 510 nm durch Bildung der Differenz
D über
der Zeitachse t aufgetragen.
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Im Diagramm aus 5 ist in gedehnter Darstellung das Diagramm
aus 4 für die Bohrlöcher fünfundzwanzig
25 bis dreißig
30 gezeigt.
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Im Diagramm aus 6 zu selbiger Messreihe ist zusätzlich zu
der Differenz D noch die erste Ableitung A eingezeichnet und über der
Zeit t aufgetragen. Die Darstellung zeigt, dass die Auswertung der Linienausprägung im
Spektrum zwar eine weitere, aber noch keine hinreichende Verbesserung
der auswertbaren Dynamik des Messsignals bringt. Insbesondere zeigt 6, dass man durch die Auswertung der
Ableitung des Vergleichsignals einen richtigen Abschaltpunkt, zu
dem die Nachbohrphase (Nachbohrzeit jeweils 2 Sekunden) beginnt,
gut finden kann. Diese beginnt dann, wenn die negative Steigung
des Vergleichsignals auf einen kleineren Wert abfällt. Durch
die Auswertung der Intensität
des Messsignals, insbesondere im Vergleich zu einem Schwellwert,
z. B. einem Intensitätswert
0 ist ein Durchbruch nachweisbar, so dass ein, bei der Detektion
oder Beobachtung der Intensität
des Messsignals des Prozessleuchtens zum Einsatz kommender Sensor
als Durchbruchsensor genutzt werden kann.
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Die 2 bis 6 zeigen, welch großer Aufwand
betrieben werden muss, um den Durchbruch eines Bohrloches sicher
erkennen zu können.
Zur Beseitigung dieses Nachteils wird das Prüf- und/oder Bohrverfahren durch
die Erfindung so abgeändert, dass
die nicht sicher auswertbare Nachbohrphase, während der der Laserfokus an
den Bohrlochwänden streift,
zumindest zeitweise vermieden wird.
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Die eigentliche Erfindung wird nun
anhand der 7 bis 13 exemplarisch dargestellt.
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7 zeigt
eine schematische Darstellung eines beispielhaften Aufbaus einer
Vorrichtung zur Durchführung
des erfindungsgemäßen Verfahrens. Ein
durch einen Laser 71 erzeugter Laserstrahl 72 durchquert
eine bewegliche Trepanieroptik 73. Durch einen Spiegel 74 wird
der Laserstrahl 72 in seiner Richtung umgelenkt, nach Passieren
einer Laserbearbeitungsoptik 75 wird der Laserfokus des
Laserstrahls 72 auf ein Werkstück 76 gerichtet. Die Beaufschlagung
des Werkstücks 76 durch
den Laserstrahl 72 bzw. den Laserfokus verursacht innerhalb
des Werkstücks 76 einen
Materialabtrag, welcher von Prozessleuchten begleitet wird. Dieses
Prozessleuchten wird durch einen einfachen, zumindest örtlich integral
messenden Sensor 77 detektiert. Dieser Sensor 77 ist
unmittelbar oberhalb des durch den Laserfokus beaufschlagten Werkstückbereichs
angeordnet, die Beobachtung des Prozessleuchtens durch den Sensor
erfolgt direkt durch die Laseroptik (halbdurchlässiger Spiegel 74 und
Laserbearbeitungsoptik 75). Durch diese einfache Anordnung
des Sensors 77 kann ein am Auftreffpunkt des Laserfokus
entstehende Prozessleuchten gut beobachtet werden, ohne dass das
Laserbohrverfahren durch den Sensor 77 gestört wird.
Mit einer Auswerte- und/oder Steuereinheit 78 wird das
vom Sensor 77 gemessene Prozessleuchten ausgewertet. Dabei
ermittelt die Auswerte- und/oder Steuereinheit 78 unter Berücksichtigung
der Bewegung des Laserfokus die Bohrlochgeometrie. Durch Verschaltung
zwischen der Auswerte- und/oder Steuereinheit 78 und dem Laser 71 sowie
der Trepanieroptik 73 erfolgt eine Steuerung des Laserfokus.
Mit dieser Anordnung wird ein Laserbohrverfahren nach dem sogenannten Woppeltrepanieren
realisiert. Dabei wird trepanierend gebohrt (Drehung des Laserstrahls 72 durch
die Trepanieroptik 73) und gleichzeitig das Werkstück 76 in
einem kleinen Radius gedreht. Bei geeigneter Parametereinstellung
läuft das
Verfahren so ab, als ob ein rotierender „Laser-Fräser" (Trepanieren) mit einer Schneide in
einem Kreis (Bauteilrotation) durch das Werkstück 76 bewegt wird.
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Anhand von 8 wird dargestellt, wie sich eine Prozessführung auf
ein Werkstück 81 auswirkt. Ein
Laserfokus 82 beaufschlagt ein Werkstück 81, welches hier
in Draufsicht dargestellt ist. In dem hier dargestellten Zustand
ist ein Bohrloch 83 bereits vollständig ausgebildet. Das Bohrloch 83 ist
nach außen hin
durch eine Bohrlochwandung 83a abgegrenzt, in der Mitte
ist noch ein Bohrkern 84 vorhanden, sein Vorhandensein
resultiert aus einer Prozessführung durch
Woppeltrepanieren. Dies resultiert gewissermaßen aus einer Überlagerung
von zwei Rotationsbewegungen des Laserfokus 82 relativ
zur Oberfläche
des Werkstücks 81.
Hervorgerufen durch die Trepanieroptik führt der Laserfokus 82 eine
Rotation um eine Achse parallel zur Laserfokusachse aus. Dabei bewegt
sich der Laserfokus 82 auf einer kleinen, gestrichelt dargestellten
Kreisbahn 86 mit dem Trepanierradius RT.
Der Gesamtradius eines abgetragenen Bereiches hängt somit von dem Trepanierradius
RT und dem Durchmesser des Laserfokus 82 ab.
Zusätzlich
wird das Werkstück
in Rotation versetzt, die Rotationsachse um die das Werkstück gedreht
wird, geht durch den Mittelpunkt des durch den Laserbohrprozess
erzeugten Bohrloches 83. Der endgültige Radius eines Bohrloches
wird durch geeignete Wahl eines Abstands zwischen Bohrlochmittelpunkt
und dem durch Rotation vergrößerten Auftreffpunkt
des Laserfokus 82 beeinflusst. In dem in 8 dargestellten Beispiel entspricht der
insgesamt abgetragene Bereich der dem zwischen Bohrlochkern 84 und restlichem
Werkstück 81 getrenntem
weißen,
kreisförmigen
Abschnitt zwischen äußerer Umrandung des
Bohrlochkerns 84 und innerer Bohrlochwandung 83.
Der Mittelpunkt des sich trepaniert drehenden Laserfokus 82 bewegt
sich dabei auf der gestrichelten Kreislinie 85 In den in
den 9 bis 13 dargestellten Diagrammen
ist die Intensität
I eines durch einen Sensor detektierten Messsignals des Prozessleuchtens über der
Zeit t aufgetragen. In den zeitlichen Verläufen wurde jeweils die 406
nm Spektrallinie des Prozessleuchtens gemessen. Es ist erkennbar,
dass das Messsignal des optischen Sensor schon am Anfang des Bohrprozesses
synchron mit der Trepanierfrequenz des Laserfokus moduliert ist. Wenn
der Laserfokus aufgrund erfolgten Materialabtrages eine Stelle an
der Unterseite des Werkstückes erreicht
hat, sobald also ein Durchbruch erfolgt ist, beginnt die Intensität des Messsignals
kurze Zeit ganz auf Null zu gehen. Ist dies der Fall, erfolgt innerhalb
dieses Bereiches keinerlei Materialabtrag. Auf diese Weise kann
eine vollständige
Durchbohrung sehr sicher erkannt werden. Darüber hinaus kann aus dem Verlauf
des Messsignals auch die Geometrie des Bohrlochs berechnet werden.
Ableitbar ist dies anhand folgender Merkmale des Messsignals: a)
dem Zeitanteil, während
dessen die Intensität
des Messsignals Null ist, b) der Korrelation des Messsignals mit
dem Trepaniersignal (hierdurch lässt
sich beurteilen, wie groß der
Eingriff des Laserfokus ist), c) aus der mittleren Höhe der Intensität des Messsignals.
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Aus diesen Merkmalen lässt sich
der Ort der Bohrlochwandung und daraus die Form bzw. Rundheit und
der Durchmesser des Bohrloches bestimmen.
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Zusätzlich zu den Diagrammen mit
dem zeitlichen Verlauf der Intensität I des Messsignales über der
Zeit t ist innerhalb der Diagramme in den 9 bis 11 sowie
der 13 jeweils das zum
jeweiligen Messsignal gehörige
Bohrloch mit abgebildet. Bei allen nachfolgenden Figuren wurde lediglich
die 406 nm Spektrallinie des Prozessleuchtens gemessen bzw. innerhalb
des Diagramms aufgetragen.
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Das Bohrloch 90 aus 9 wurde mit einer Trepanierfrequenz
von 100 Umdrehungen pro Minute gebohrt. (Mit dieser Frequenz drehte
sich der Laserfokus 82 entlang der kleinen Kreislinie 86 aus 8). Die Rotationsgeschwindigkeit
des Werkstücks
entspricht 0,5 Umdrehungen pro Minute. (Verweis auf 8: der sich trepaniert drehende Laserfokus 82 bewegte
sich, bedingt durch die Rotation des Werkstückes 81, demnach in
einem Zeitraum von zwei Minuten einmal entlang der großen gestrichelten
Kreislinie 85). Innerhalb des Diagramms aus 9 lässt sich die trepanierende
Bewegung des Laserfokus anhand der Sinusförmigkeit der Intensität des Messsignals
in Bezug auf einen Mittelwert der Intensität des Messsignales ablesen.
Aus der Überlagerung
beider rotatorischer Bewegungen des Laserfokus resultiert eine zyklische
Hin- und Herbewegung des Laserfokus relativ zu einer Bohrlochwandung.
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Innerhalb der Bohrlochwandung des
Bohrloches 90 ist oben, abweichend von der Kreisförmigkeit des
Bohrloches 90, eine Ausbauchung 91 erkennbar. Diese
Ausbauchung 91 resultiert aus einer Inhomogenität der dreidimensionalen
Intensitätsverteilung des
Laserfokus, hervorgerufen durch die Polarisation der Laserstrahlung.
Im Bereich der Ausbauchung 91 erfolgte ein besonders aggressiver
Abtrag. Dies lässt sich
anhand der Intensität
des Messsignales gut erkennen. Diese Intensität weist bei ungefähr 20 Sekunden
einen auffälligen
peak 92 auf. Zu ungefähr diesem
Zeitpunkt hält
sich der Laserfokus während der
Bohrphase im Bereich der Ausbauchung 91 des Bohrloches 90 auf.
Nach 120 Sekunden hat der Laserfokus das Bohrloch 90 genau
einmal kreisförmig durchlaufen.
Jenseits der 120 Sekunden geht die Intensität des Messsignales merklich
zurück
und erreicht annähernd
den Wert 0. Nach einer vollständigen
Umdrehung (94) beaufschlagt der Laserfokus das Werkstück ein zweites
Mal. Da während
des ersten Durchlaufs bereits Material abgetragen wurde, bewegt
sich der Laserfokus beim zweiten Durchlauf innerhalb von Bereichen
des Werkstückes
bzw. des Bohrlochs 90, in denen bereits weitgehend Durchbrüche vorhanden
sind. Deshalb kommt es in diesen Bereichen kaum mehr zu Materialabtrag.
Entsprechend gering ist das Prozessleuchten, und die Intensität des Messsignals
geht zeitweise auf 0 zurück.
Nach ungefähr
140 Sekunden weist die Intensität
des Messsignals abermals einen auffälligen peak 93 auf.
Zu diesem Zeitpunkt hat der Laserfokus während seinem zweiten Durchlauf
nochmal die Ausbauchung 91 des Bohrlochs 90 passiert.
Dabei erfolgte erneut Materialabtrag in diesem Bereich, weshalb
die Intensität des
Messsignals bei 93 nochmals ansteigt.
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Analog zu 9 ist in 10 die
Intensität des
Messsignales bei einer anderen Bohrung über der Zeitachse t aufgetragen.
Das zugehörigen
Bohrloch 100 ist ebenfalls im Diagramm abgebildet. Die Trepanierfrequenz
betrug 100 Umdrehungen pro Minute, die Rotationsgeschwindigkeit
des Werkstücks 0,25
Umdrehungen pro Minute. Ähnlich
wie in 9 weist das Bohrloch 100 in
seinem oberen Bereich eine Ausbauchung 101 auf. Dies zeigt
sich auch am Verlauf der Intensität des Messsignals innerhalb
des Diagramms. Nach ungefähr
40 Sekunden weist die Intensität
einen peak 102 auf, Dies spiegelt eindeutig den zeitlichen
Durchlauf durch den Bereich der Ausbauchung 101 des Bohrlochs 100 wider.
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11 zeigt
den zeitlichen Verlauf der Intensität des Messsignals für das Prozessleuchten,
welches bei der Bohrung des Bohrloches 110 durch den Sensor
detektiert wurde. In diesem Fall beträgt die Trepanierfrequenz des
Laserfokus lediglich 50 Umdrehungen pro Minute. Aufgrund dessen
lässt sich erkennen,
dass die Wellenlänge
des sinusförmig
modulierten Messsignals doppelt so groß ist wie in den 9 bzw. 10. Ebenso weist das Bohrloch 110 eine Ausbauchung 111 auf,
bei der während
des Passierens des Laserfokus ein besonders aggressiver Materialabtrag
erfolgte. Dies zeigt sich beim Intensitätsverlauf des Messsignales
bei dem peak 112 nach ungefähr 20 Sekunden sowie bei dem
peak 113 nach ungefähr
140 Sekunden, wobei der peak 113 aus der zweiten Umdrehung
resultiert.
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Innerhalb des Diagramms von 12 ist die 406 nm Spektrallinie
der Intensität 122 des
Messsignals innerhalb des Zeitintervalls zwischen ungefähr 86 und
ungefähr
126 Sekunden gedehnt aufgetragen, der Mittelwert der Intensität ist durch
die Kurve 123 dargestellt. Desweiteren ist im oberen Bereich des
Diagramms eine periodische, rechteckförmige Kurve 121 aufgetragen.
Die Kurve 121 zeigt den zeitlichen Verlauf der trepanierten
Bewegung des Laserfokus, daraus ist ableitbar, wie sich der Laserfokus konkret
in Bezug auf eine Bohrlochwandung zyklisch hin- und herbewegt. Durch
Vergleich der periodischen Abläufe
der Kurve 121 und der Intensität 122 des Messsignals
ist nachvollziehbar, wie die Drehung des Laserfokus mit der Intensität des Prozessleuchtens 122 und
mit dem durch Beaufschlagung des Werkstücks durch den Laserfokus resultierenden Materialabtrag
korreliert ist. Durch geeignete Auswertung dieser beiden zueinander
korrelierten Kurven 121, 122 lassen sich Aussagen über die
Beschaffenheit der Bohrlochgeometrie bzw. der Bohrlochwandung treffen.
Befindet sich die rechteckige Kurve 121 während einer
halben Periode auf dem Wert I = 0,09 der Intensitätsskala,
befindet sich der Laserfokus näher
an einer Bohrlochwandung, das dazu korrelierte Messsignal der Intensität 122 steigt in
diesen Abschnitten jeweils an, das Prozessleuchten nimmt zu und
es kommt zu einem erhöhten
Materialabtrag. Während
der anderen Halbperioden der Rechteckkurve 121, bei denen
diese sich auf einem Wert I = 0,08 befindet, nimmt die Intensität ab, der Laserfokus
ist weiter von einer Bohrlochwandung entfernt, es kommt zu einem
geringeren Materialabtrag und demnach lässt das Prozessleuchten nach. Die
Wirkung des Laserfokus auf die Bohrlochwandung und den Materialabtrag
erfolgt demzufolge geringfügig
zeitverzögert.
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Insbesondere ist anhand des Verlaufs
der Intensität
des Messsignals erkennbar, dass ab ungefähr 120 Sekunden die Intensität 122 immer
deutlicher und zunehmend für
längere
Zeitintervalle auf den Wert 0 herunterfährt. Demnach setzt das Prozessleuchten
nach ungefähr
120 Sekunden zunehmend aus, es erfolgt also kein Materialabtrag
mehr. Ab diesem Zeitpunkt bewegt sich der Laserfokus ein zweites
Mal entlang der Bohrlochwandung, wo bedingt durch den ersten Durchlauf
bereits Durchbrüche
vorhanden sind. (Bereich 114 im Verlauf der Intensität des Messsignals
innerhalb des Diagramms aus 11).
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Das Diagramm aus 13 zeigt den Verlauf der Intensität des Messsignals
des detektieren Prozessleuchtens, welches bei der Bohrung des Bohrloches 130 detektiert
wurde. In diesem Fall beträgt
die Trepaniergeschwindigkeit 50 Umdrehungen pro Minute,
und die Rotationsgeschwindigkeit des Werkstücks 0,25 Umdrehungen
pro Minute. Interessant hieran ist, dass nach ungefähr 120 Sekunden
die Intensität
des Messsignalen nur noch gering ist, dies deutet darauf hin, dass
ab diesem Zeitpunkt 134 nur noch unwesentlich Materialabtrag
erfolgt. Es wird gewissermaßen
nur noch kontrolliert, ob innerhalb der abgefahrenen Bereiche Durchbrüche vorhanden sind.
Der Materialabtrag durch den Laserfokus ist aber vernachlässigbar.
Es bietet sich die Möglichkeit, innerhalb
eines solchen Bereichs des Intensitätsverlaufs unter Berücksichtigung
eines dazu korrelierten Signals der Trepanierfrequenz des Laserfokus
die Bohrlochgeometrie genauer auszumessen. Dabei tastet der Laserfokus
eine Bohrlochwandung gewissermaßen
zyklisch ab.