DE10317822A1

DE10317822A1 - Verfahren zum flächigen, schichtweisen Abtragen oder Aufschmelzen von Materialbereichen eines Werkstückes

Info

Publication number: DE10317822A1
Application number: DE2003117822
Authority: DE
Inventors: Frank Herzog; Thomas Heer
Original assignee: Concept Laser GmbH
Current assignee: Concept Laser GmbH
Priority date: 2003-04-16
Filing date: 2003-04-16
Publication date: 2004-12-16
Anticipated expiration: 2023-04-17
Also published as: DE10317822B4

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum flächigen, schichtweisen Abtragen oder Aufschmelzen von Materialbereichen eines Werkstücks durch die spurweise Einwirkung von Strahlungsenergie, insbesondere von Laserstrahlung, aus einem Material, das für die Wellenlänge der auftreffenden Strahlung absorptionsfähig ist, wobei eine abzutragende oder aufzuschmelzende Schicht in aneinander angrenzende, zwischen sich Bereichgrenzen bildende Einzelbereiche aufgeteilt wird, die nacheinander schichtweise oder mehrschichtig abgetragen oder aufgeschmolzen werden und wobei entweder das Werkstück und/oder ein die Strahlung leitendes Scansystem (Scankopf) bereichsweise seitlich versetzt werden, wobei die Bereichsgrenzen zumindest beim scannenden Abtragen der letzten Schicht oder Schichten vor Erreichen der Abtrag-Endtiefe definiert relativ zueinander verschoben oder bezüglich der Scanvektorenden überlappend und/oder verzahnt ausgebildet werden.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum flächigen, schichtweisen Abtragen von Materialbereichen eines Werkstückes durch die spurweise Einwirkung von Strahlungsenergie, insbesondere durch die Einwirkung von Laserstrahlung. Dieses Verfahren ist anwendbar an Werkstücken aus Materialien, die für die Wellenlänge der auftreffenden Strahlung absorptionsfähig sind, wodurch ein Materialabtrag ermöglicht wird. Insbesondere sind Metalle und Graphit für das Verfahren geeignet.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird die abzutragende Schicht in aneinander angrenzende, zwischen sich Bereichsgrenzen bildende Einzelbereiche aufgeteilt, die nacheinander entweder einzelschichtweise oder in Gruppen von mehreren Schichten abgetragen werden. Bei einem nachfolgenden Bereichswechsel wird entweder das Werkstück und/oder ein die Strahlung leitendes Scansystem seitlich versetzt. Zur Durchführung der in Frage stehenden Verfahren werden zur Erzeugung der abhaltenden Strahlung meist Laser, insbesondere Festkörperlaser verwendet. Als besonders geeignet haben sich ND:YAG-Laser mit einer Wellenlänge von 1064 nm im nahen Infrarotbereich erwiesen.
Um die erforderlichen hohen Abtraggeschwindigkeiten mit hoher Präzision zu ermöglichen, erfolgt die Ablenkung der Strahlung meist über sogenannte Scansysteme. Der Strahl trifft in einem Scankopfgehäuse auf zwei Spiegel, die so angeordnet sind, daß der eine Spiegel den Strahl in x- und der andere in y-Richtung auslenkt. Die Fokussierung des Strahls geschieht mit Hilfe von F-Theta- Linsen oder telezentrischen Objektiven, die im Ausgangsbereich des Scankopfgehäuses angeordnet sind. Ablenkspiegel und Fokussierungsobjektiv bilden zusammen den Scankopf.
Das durch den Strahlfokus erreichbare maximale Belichtungsfeld auf der abzutragenden Oberfläche – das sogenannte Scanfeld – wird durch die Auswahl des Scankopfes von zwei Faktoren begrenzt. Zum einen ist der Winkel der Verkippung der Ablenkspiegel und damit der maximale Auslenkwinkel des Strahls dadurch begrenzt, daß die Projektionsfläche des Spiegels bei Verkippung gegenüber dem senkrecht zur Spiegelachse auftreffenden Strahl immer kleiner wird. Ab einem bestimmten Winkel wird in Abhängigkeit von der Größe des Ablenkspiegels und des Strahldurchmessers nicht mehr der komplette Laserstrahl reflektiert und der Strahldurchmesser somit randmäßig begrenzt, d. h. vignettiert. Da man eine hohe Dynamik der Ablenkspiegel anstrebt, die eine nahezu trägheitsfreie Ablenkung erlaubt, ist die Größe der Spiegel meist so begrenzt, daß ab einer Ablenkung von 20 Grad eine Vignettierung des Strahls auftritt und somit maximal 20 Grad Ablenkung realisiert werden können, was zu einer ersten Begrenzung des Scanfeldes führt.
Zum anderen fordert das Erreichen einer hohen Abtragrate eine sehr große Energiedichte von ca. 10⁸ W/cm². Diese hohe angestrebte Energiedichte ist nur durch eine Fokussierung des Laserstrahls auf kleine Fokusdurchmesser von ca. 100 μm zu erreichen.
Um mit herkömmlichen Mitteln und ohne zusätzlichen Aufwand die angestrebten hohen Energiedichten mit Standardstrahlungsgellen, insbesondere Festkörperlasern zu erreichen, wird mit typischen Abmessungen von 70/70 mm Scanfeldabmessungen gearbeitet. Sollen größere Flächen abgetragen werden, ist es daher erforderlich, entweder das Werkstück und/oder den Scankopf zu versetzen. Dabei entstehen Nahtstellen an den Bereichsgrenzen der Belichtungsfelder, die im Werkstück nachteilige, sichtbare Stoßkanten hinterlassen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruches 1 derart auszubilden, daß Stoßkanten auf Werkstücksoberflächen vermieden werden. Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruches 1 gelöst, vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen. Als Kern der Erfindung wird es angesehen, die Bereichsgrenzen beim scannenden Abtragen der letzten Schicht oder Schichten vor Erreichen der Abtrag-Endtiefe definiert relativ zueinander zu verschieben oder bezüglich der Scanvektorenden überlappend oder verzahnend auszubilden. Durch eine derartige „Verschmierung" der Bereichsgrenzen werden mit Sicherheit Stoßkanten vermieden. Im Prinzip sind zwei Arten einer Verschmierung der Bereichsgrenzen möglich, die entweder gesondert für sich oder miteinander kombiniert angewandt werden können, nämlich einerseits die Verschiebung der Bereichsgrenzen, insbesondere eine Parallelverschiebung gemäß Anspruch 2 und/oder eine Verzahnung oder Überlappung derart, daß aus unterschiedlichen Bereichen herkommende Scanvektoren mit ihren Endbereichen sich überlappen und dadurch eine Art Scanvektorverzahnung bilden.
Grundsätzlich ist es möglich, eine Verschiebung der Bereichsgrenzen beim Abtragen einer jeden Einzelschicht erfolgen zu lassen. Die Bereiche sind in der Regel quadratisch oder rechteckig ausgebildet, eine Verschiebung bedeutet, daß z. B. in Draufsicht horizontal verlaufende Bereichsgrenzen nach oben oder unten verschoben werden und in Draufsicht vertikal verlaufende Bereichsgrenzen nach links oder rechts. Für die Erfindung kann es vorteilhaft sein, wenn die Bereichsgrenzen beim Abtragen jeder Schicht oder nach dem Abtragen einer Mehrzahl von Schichten unterschiedlich angeordnet sind, wobei sogar eine stochastische Verschiebung der Bereichsgrenzen nach Art eines Zufallsprinzipes erfolgen kann.
Gemäß Anspruch 5 kann mit Vorteil vorgesehen werden, daß die Verschiebung der Bereichsgrenzen ausgehend von einer ersten Bereichsgrenze einer ersten Schicht der nachfolgenden Schichten oder Gruppen von Schichten alternierend in beide Richtungen erfolgt. Mit Vorteil wird das Maß der Verschiebung der Bereichsgrenzen größer als der Durchmesser des Fokus der abtragenden Strahlung gewählt, da dann eine wirklich seitliche Beabstandung von Schicht zu Schicht sichergestellt ist. Das Maß der Verschiebung der Bereichsgrenzen kann in mathematischen Tabellen in einem Steuerungsrechner einer Abtragvorrichtung abgelegt werden, und zwar nach vorgegebenen abgespeicherten mathematischen Algorithmen. Eine Parallelverschiebung der Bereichsgrenzen ist zwar vorteilhaft, jedoch läßt sich das erfindungsgemäße Verfahren auch bei einer „schrägen" Verschiebung der Bereichsgrenzen mit dem angestrebten Erfolg durchführen.
Um eine Verzahnung der Bereichsgrenzen zu erzielen, ist vorgesehen, daß sich die Enden von Scanvektoren nebeneinanderliegender Bereiche an den Bereichsgrenzen einzeln oder gruppenweise überlappen, um die bereits erwähnte „Verschmierung" der Bereichsgrenzen zu erzielen. Die Scanvektoren nebeneinanderliegender Bereiche sollen dabei abschnittsweise einen Abstand aufweisen, der größer als der mindestens zweifache Fokus der abtragenden Strahlung ist. Mit Vorteil kann auch vorgesehen werden, daß sich entlang der Bereichsgrenzen Abschnitte mit sich überlappenden Scanvektorenden und Abschnitte mit voneinander beabstandeten Scanvektorenden abwechseln, wobei die Abschnitte sich überlappender Scanvektorenden zu grabenartigen Vertiefungen führen und Abschnitte voneinander beabstandeter Scanvektorenden zu raupenartigen Erhöhungen und sodann schichtweise mit Vertiefungen versehene Abschnitte und mit Erhöhungen versehene Abschnitte sich überlappen, wodurch dieser Erhöhungs- und Vertiefungseffekt wieder kompensiert wird.
Die Erfindung ist anhand von Ausführungsbeispielen in den Zeichnungsfiguren näher erläutert. Diese zeigen:
1 Drei Draufsichten (1a, 1b, 1c) auf Bereichsgrenzen beim Abtragen einer ersten, einer zweiten und einer dritten Schicht eines Materialbereiches eines Werkstückes
2 Eine Draufsicht auf sich überlappende Scanvektorenden an Bereichsgrenzen
3 Eine Draufsicht auf Scanvektorenden, die an Bereichsgrenzen gruppenweise verzahnt sind
4 Eine Draufsicht auf Scanvektorenden, die an einer Bereichsgrenze gruppenweise überlappend und gruppenweise beabstandet sind.
5 Eine Draufsicht auf Scanvektorenden, die an einer Bereichsgrenze beabstandet sind (5b) sowie einen Schnitt durch das sich ergebende Oberflächenprofil (5a)
6 Eine Draufsicht auf sich an einer Bereichsgrenze überlappende Scanvektorenden (6b) sowie einen Schnitt durch das sich ergebende Oberflächenprofil (6a)
7 Eine Draufsicht auf sich abwechselnd überlappende und beabstandete Scanvektorenden (7b) sowie schematische Schnitte durch die sich ergebenden Oberflächenprofile (7a).
Zunächst wird auf Zeichnungsfigur 1 Bezug genommen. Der Materialbereich 1 eines nicht weiter dargestellten Werkstückes ist beim Abtragen einer ersten Schicht in vier Quadranten 2–5 aufgeteilt, wobei der erste Quadrant eine Kantenlänge von 50 mm hat, der zweite Quadrant Kantenlängen von 30 und 50 mm, der dritte Quadrant Kantenlängen von 50 und 30 mm und der vierte Quadrant Kantenlängen von jeweils 30 mm. Nachdem diese erste Schicht abgetragen ist, wobei nachfolgend zunächst der erste Quadrant, dann der zweite Quadrant, sodann der dritte und sodann der vierte Quadrant abgetragen wird, so daß die erste Schicht vollständig abgetragen ist, wird die Laserstrahlung auf die zweite Schicht fokussiert, wobei die Bereichsgrenzen 6, 7 zwischen den Quadranten 2–5 verschoben werden. Die Bereichsgrenze 6 verläuft dabei in 1 vertikal, die Bereichsgrenze 7 horizontal. Bei dem in 1b dargestellten Ausführungsbeispiel haben die Quadranten 2–5 durch Parallelverschiebung der Bereichsgrenzen 6, 7 jeweils Abmessungen von 40/40 mm. Nun erfolgt der Abtrag der zweiten Schicht, beispielsweise ebenfalls dadurch, daß die Quadranten 2–5 der Reihe nach abgearbeitet werden. Es sei hier bereits angemerkt, daß innerhalb der Quadranten nicht notwendigerweise die Spuren von Strahlungsenergie, die in 1a und 1b mit Bezugszeichen 8 angedeutet sind, den ganzen Quadranten durchlaufen müssen, sondern daß auch eine, gegebenenfalls auch stochastisch verteilte Anordnung von Spuren von Strahlenenergie möglich ist, wie dies in 1c angedeutet ist, um thermische Spannungen innerhalb des Werkstückes zu vermeiden. Auch ist es nicht erfindungswesentlich, daß die Quadranten 2–5 immer in derselben Reihenfolge 2-3-4-5 abgearbeitet werden, vielmehr kann es vorteilhaft sein, auch hier ein gewisses „Zufallsprinzip" anzuwenden.
Bei dem in 1c dargestellten Ausführungsbeispiel ist nun die Bereichsgrenze 7 nochmals weiter nach oben verschoben und die Bereichsgrenze 6 nochmals weiter nach links, so daß sich die in 1c dargestellte Quadrantenaufteilung der Quadranten 2–5 ergibt.
Nachfolgend wird auf die 2–7 Bezug genommen.
In 2 sind nebeneinanderliegende Spuren 8a bzw. 8b derart längsversetzt angeordnet, daß sich an den Bereichsgrenzen 6 eine Verzahnung hinsichtlich der Scanvektorenden 10 ergibt.
In 3 sind Vierergruppen von Spuren 18a, 18b, 18c derart längsversetzt angeordnet, daß sich gruppenweise eine Verzahnung an den Bereichsgrenzen 6 ergibt.
In 4 sind die Scanvektorenden 10 von Scanvektorgruppen 28a, 28b und 28c derart angeordnet, daß sich gruppenweise entweder eine Überlappung ergibt (Gruppen 28a und 28c) oder eine Beabstandung (28b) an einer Bereichsgrenze 6.
5 entspricht der Darstellung der Gruppe 28b in 4, allerdings ist in 5a zusätzlich das sich ergebende Oberflächenprofil 30 dargestellt, welches an der Bereichsgrenze 6 eine raupenartige Erhöhung 31 ergibt.
6b entspricht der Darstellung nach den Gruppen 28a oder 28c in 4, in 6a ist das Oberflächenprofil 32 dargestellt, wobei sich an der Bereichsgrenze eine rinnenartige Vertiefung 33 ergibt.
7 zeigt spurweise abwechselnd sich überlappende und beabstandete Scanvektorenden 10a, 10b, wobei sich bei Überlappung wieder eine Erhöhung und bei Beabstandung eine Vertiefung 33 ergibt, wobei sich Erhöhungen 31 und Vertiefungen 33 entsprechend der Lage der Spuren abwechseln, so daß sich eine Art Perlenstruktur entlang der Bereichsgrenze 6 ergibt.
Die in 2–7 dargestellten Verzahnungsmöglichkeiten können untereinander kombiniert werden, ohne die Erfindung zu verlassen. Ebenso ist es möglich, die Verzahnungen, die in 2–7 dargestellt sind, auf sich parallel oder schräg verschiebende Bereichsgrenzen anzuwenden, um das Ergebnis der Vermeidung von sichtbaren Stoßkanten beim Abtrag von Schichten zu optimieren.

1: Materialbereicht
2: Quadrant
3: Quadrant
4: Quadrant
5: Quadrant
6: Bereichsgrenze
7: Bereichsgrenze
8: Spuren
10: Scanvektoren
18: Spuren
28: Scanvektorengruppen
30: Oberflächenprofil
31: Erhöhung
32: Oberflächenprofil
33: Vertiefung

Claims

Verfahren zum flächigen, schichtweisen Abtragen oder Aufschmelzen von Materialbereichen eines Werkstücks durch die spurweise Einwirkung von Strahlungsenergie, insbesondere von Laserstrahlung, aus einem Material, das für die Wellenlänge der auftreffenden Strahlung absorptionsfähig ist, wobei eine abzutragende oder aufzuschmelzende Schicht in aneinander angrenzende, zwischen sich Bereichsgrenzen bildende Einzelbereiche aufgeteilt wird, die nacheinander schichtweise oder mehrschichtig abgetragen oder aufgeschmolzen werden und wobei entweder das Werkstück und/oder ein die Strahlung leitendes Scansystem (Scankopf) bereichsweise seitlich versetzt werden, dadurch gekennzeichnet, daß die Bereichsgrenzen zumindest beim scannenden Abtragen der letzten Schicht oder Schichten vor Erreichen der Abtrag-Endtiefe definiert relativ zueinander verschoben oder bezüglich der Scanvektorenden überlappend und/oder verzahnt ausgebildet werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Bereichsgrenzen parallel zu sich verschoben werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Verschiebung der Bereichsgrenzen beim Abtragen jeder Einzelschicht erfolgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Bereichsgrenzen beim Abtragen jeder Schicht oder nach dem Abtragen einer Mehrzahl von Schichten unterschiedlich angeordnet sind.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 2–4, dadurch gekennzeichnet, daß die Parallelverschiebung ausgehend von einer ersten Bereichsgrenze einer ersten Schicht oder Gruppe von Schichten für nachfolgende Schichten oder Gruppen von Schichten alternierend in beide Richtungen erfolgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Verschiebung der Bereichsgrenzen stochastisch erfolgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Maß der Verschiebung der Bereichsgrenzen größer als der Durchmesser des Fokus der abtragenden Strahlung ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Überdeckung von Bereichsgrenzen vermieden wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Maß der Verschiebung der Bereichsgrenzen in mathematischen Tabellen in einem Steuerungsrechner einer Abtragvorrichtung abgelegt ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Verschiebung der Bereichsgrenzen vorgegebenen, abgespeicherten mathematischen Algorithmen folgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Enden von Scanvektoren nebeneinanderliegender Bereiche an den Bereichsgrenzen einzeln oder gruppenweise überlappen.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Enden von Scanvektoren nebeneinander liegender Bereiche abschnittsweise einen Abstand aufweisen, der größer als der mindestens zweifache Fokus der abtragenden Strahlung ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sich entlang der Bereichsgrenzen Abschnitte mit sich überlappenden Scanvektorenden mit Abschnitten voneinander beabstandeter Scanvektorenden abwechseln.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß Abschnitte sich überlappender Scanvektorenden zu grabenartigen Vertiefungen führen.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß Abschnitte voneinander beabstandeter Scanvektorenden zu raupenartigen Erhöhungen führen.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, daß sich mit Vertiefungen versehene Abschnitte und mit Erhöhungen versehene Abschnitte überlappen.