DE112015004118T5

DE112015004118T5 - Laserabtrag- und Bearbeitungsverfahren und -systeme

Info

Publication number: DE112015004118T5
Application number: DE112015004118.4T
Authority: DE
Inventors: Bartosz Andrzej Dajnowski
Original assignee: G C Laser Systems Inc; GC Laser Systems Inc
Current assignee: G C Laser Systems Inc; GC Laser Systems Inc
Priority date: 2014-09-09
Filing date: 2015-09-08
Publication date: 2017-06-14
Also published as: EP3191253B1; EP3191253A1; EP3191253A4; GB2544230A; WO2016040288A1; EP4372107A2; AU2019200676A1; GB2544230B; CA2951718C; AU2015315390B2; AU2019200676B2; GB201703250D0; CA2951718A1; US20180119238A1; US9914985B2; EP3970906C0; EP3970906B1; PL240054B1; PL422471A1; US20160067824A1

Abstract

Systeme und Verfahren zum Abtragen oder Bearbeiten einer Oberfläche unter Verwendung eines Laserstrahls werden bereitgestellt. Ein Verfahren umfasst das Richten eines Laserstrahls auf eine Oberfläche, um eine Kontaktfläche zu bilden. Das Verfahren umfasst auch das Bewegen der Kontaktfläche, um eine Kontaktkurve zu bilden. Das Verfahren umfasst das Abstimmen einer Wellenlänge und einer Leistung des Laserstrahls, um ein Material zu bearbeiten und/oder eine Beschichtung abzutragen. Die Wellenlänge und die Leistung können weiter abgestimmt werden, um die Oberfläche unterhalb der Beschichtung nicht zu beschädigen. Das Bewegen der Kontaktfläche kann das Bilden einer zweiten Kontaktkurve durch gleichzeitiges Überlagern der zweiten Kontaktkurve auf die Kontaktkurve umfassen. Ein System umfasst einen Laser und eine Richtanordnung, die dazu ausgelegt ist, einen Laserstrahl vom Laser auf eine Oberfläche zu richten, um eine Kontaktfläche zu bilden. Ein nichtflüchtiges prozessorlesbares Medium mit darauf gespeicherten Befehlen wird bereitgestellt.

Description

QUERVERWEIS AUF VERWANDTE ANMELDUNGEN
Diese Anmeldung beansprucht den Nutzen der vorläufigen US-Anmeldung lfd. Nr. 62/048 212, eingereicht am 9. September 2014, mit dem Titel "Methods and Systems for Creating Laser Circles and Ovals for Laser Ablation Cleaning and Material Processing", und der US-Anmeldung lfd. Nr. 14/582 987, eingereicht am 24. Dezember 2014, mit dem Titel "Laser Ablation and Processing Methods and Systems", die durch den Hinweis in ihrer Gesamtheit für alle Zwecke hierin aufgenommen werden.
TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf die Laserabtragreinigung und Materialbearbeitung unter Verwendung eines Lasers. Insbesondere stellt die vorliegende Technologie Verfahren und Systeme zum Abtragen, Reinigen, Wärmebehandeln, Entfernen von Verunreinigungen oder Beschichtungen oder Bearbeiten einer Oberfläche, beispielsweise einer Oberfläche eines Kunstwerks oder einer Konstruktion, um das Kunstwerk oder die Konstruktion zu reinigen und zu restaurieren, unter Verwendung eines Laserstrahls bereit.
HINTERGRUND
Gebäude, Außenskulpturen und andere Dinge entwickeln häufig einen Rückstand von Ruß, Asche oder anderem Fremdmaterialaufbau, einschließlich Oxidation. Der Fremdmaterialaufbau beeinträchtigt das Aussehen von Gebäuden und Kunst und fördert auch die Verschlechterung der Oberfläche des Gebäudes oder der Skulptur. Folglich ist es vorteilhaft, eine Gebäude- oder Skulpturoberfläche periodisch zu reinigen. Es ist jedoch wichtig, dass irgendeine Reinigung der Oberfläche des Gebäudes oder des Kunstwerks nicht schadet. Daher sind ein Verfahren und ein System zum Reinigen von Oberflächen ohne Beschädigung des Oberflächenmaterials erwünscht.
ZUSAMMENFASSUNG
Gemäß beispielhaften Ausführungsformen stellt die vorliegende Technologie Systeme und Verfahren zum Richten eines Laserstrahls auf eine Oberfläche, um eine Kontaktfläche zu bilden, und Bewegen der Kontaktfläche, um eine Kontaktkurve zu bilden, bereit.
In bestimmten Ausführungsformen trägt der Laserstrahl eine Beschichtung auf der Oberfläche an der Kontaktfläche ab. Das Verfahren kann das Abstimmen einer Wellenlänge und einer Leistung des Laserstrahls umfassen, um die Beschichtung abzutragen, wobei die Beschichtung eine von Korrosion, Fremdmaterial und Oxidation ist. Die Wellenlänge und die Leistung können weiter abgestimmt werden, um die Oberfläche nicht abzutragen.
Der Vorgang des Bewegens der Kontaktfläche kann das Bilden einer zweiten Kontaktkurve durch gleichzeitiges Überlagern der zweiten Kontaktkurve auf die Kontaktkurve umfassen. Die Kontaktkurve kann ein Kontaktkreis mit einem Durchmesser sein und die zweite Kontaktkurve ist ein zweiter Kontaktkreis mit einem zweiten Durchmesser. Der zweite Durchmesser kann geringer sein als der Durchmesser und der zweite Durchmesser kann gleich oder größer sein als eine Hälfte des Durchmessers. Der Vorgang des Bewegens der Kontaktfläche kann ferner das Bilden einer dritten Kontaktkurve durch gleichzeitiges Überlagern der dritten Kontaktkurve auf die zweite Kontaktkurve und die Kontaktkurve umfassen. Die Kontaktkurve kann ein Kontaktkreis mit einem Durchmesser sein, die zweite Kontaktkurve kann ein zweiter Kontaktkreis mit einem zweiten Durchmesser sein und die dritte Kontaktkurve kann ein dritter Kontaktkreis mit einem dritten Durchmesser sein. Der zweite und der dritte Durchmesser können geringer sein als der Durchmesser, der zweite Durchmesser kann gleich oder größer als eine Hälfte des Durchmessers sein und der dritte Durchmesser kann gleich oder größer als eine Hälfte des zweiten Durchmessers sein.
Die Kontaktfläche kann durch Reflektieren des Laserstrahls an einem Spiegel, der sich um eine Achse dreht, bewegt werden, wobei sich die Achse durch eine Ebene des Spiegels erstreckt, wobei die Achse in einem anderen Winkel als 90 Grad liegt, so dass der Einfallswinkel des Laserstrahls auf den Spiegel über eine einzelne Drehung des Spiegels variiert.
Die Kontaktfläche kann mit einer im Wesentlichen konstanten Rate bewegt werden, um heiße Punkte zu vermeiden und eine im Wesentlichen gleiche Fluenz von Photonen des Laserstrahls auf der Oberfläche vorzusehen.
Die Kontaktfläche kann durch den Laserstrahl, der auf die Oberfläche in einem Auftreffwinkel auftrifft, gebildet werden, und der Auftreffwinkel kann geringer als 90 Grad sein. Der Auftreffwinkel kann einstellbar sein, um eine Einwirkung auf unregelmäßige Teile der Oberfläche vorzusehen, wenn die Oberfläche lokale Bereiche aufweist, die zur Oberfläche nicht parallel sind. Die Kontaktkurve kann eine geschlossene Kurve sein und der Auftreffwinkel kann als Funktion der Zeit während einer einzelnen Drehung des Laserstrahls über die geschlossene Kurve variieren.
Die Kontaktfläche kann in einer ersten kreisförmigen Richtung bewegt werden, um die Kontaktkurve zu bilden. Die Kontaktfläche kann in einer zweiten kreisförmigen Richtung bewegt werden, die auf die erste kreisförmige Richtung überlagert wird, um die Kontaktkurve zu bilden. Die erste kreisförmige Richtung kann einen ersten Kreis definieren, die zweite kreisförmige Richtung kann einen zweiten Kreis definieren und der erste Kreis kann einen Radius aufweisen, der geringer als oder gleich einem Durchmesser des zweiten Kreises ist.
Gemäß verschiedenen beispielhaften Ausführungsformen wird ein System bereitgestellt. Das System kann einen Laser und eine Richtanordnung umfassen, die dazu ausgelegt ist, einen Laserstrahl vom Laser auf eine Oberfläche zu richten, um eine Kontaktfläche zu bilden. Die Richtanordnung ist ferner dazu ausgelegt, die Kontaktfläche zu bewegen, um eine Kontaktkurve zu bilden.
Gemäß noch einem weiteren Aspekt von Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung wird ein nichtflüchtiges prozessorlesbares Medium mit darauf gespeicherten Befehlen bereitgestellt. Die Befehle können, wenn sie durch einen oder mehrere Prozessoren ausgeführt werden, bewirken, dass der eine oder die mehreren Prozessoren ein Verfahren mit dem Richten eines Laserstrahls auf eine Oberfläche, um eine Kontaktfläche zu bilden, und Bewegen der Kontaktfläche, um eine Kontaktkurve zu bilden, implementieren.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 stellt versetzte und senkrechte Spiegelausführungsformen eines Laserabtragsystems dar.
2A–2B sind Diagramme, die beispielhafte Ausführungsformen eines Laserabtragsystems darstellen.
3A–3C stellen Kontaktflächenmuster für verschiedene Laserabtragsysteme dar.
4 ist ein Ablaufplan, der ein Beispielverfahren gemäß der vorliegenden Technologie darstellt.
5 ist ein Diagramm eines Computersystems gemäß einer beispielhaften Ausführungsform.
6 stellt Auftreffwinkel für verschiedene Laserabtragsysteme gemäß der vorliegenden Technologie dar.
7A–7B sind Diagramme, die beispielhafte Ausführungsformen einer Kontaktfläche eines beispielhaften Laserabtragsystems darstellen.
8A–8C sind Diagramme, die beispielhafte Ausführungsformen von Kontaktflächen für mehrere Abtaster eines beispielhaften Laserabtragsystems darstellen.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG VON BEISPIELHAFTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Obwohl diese Technologie für eine Ausführungsform in vielen verschiedenen Formen empfänglich ist, sind mehrere spezielle Ausführungsformen in den Zeichnungen gezeigt und werden hierin im einzelnen beschrieben mit dem Verständnis, dass die vorliegende Offenbarung als Veranschaulichung der Prinzipien der Technologie betrachtet werden soll und die Technologie nicht auf die dargestellten Ausführungsformen begrenzen soll.
In diesem Dokument werden die Begriffe "ein" oder "eine" verwendet, wie es in Patentdokumenten üblich ist, um eines oder mehrere als eines einzuschließen. In diesem Dokument wird der Begriff "oder" verwendet, um sich auf ein nicht ausschließliches "oder" zu beziehen, so dass "A oder B" "A, aber nicht B", "B, aber nicht A" und "A und B" umfasst, wenn nicht anders angegeben.
Die folgende ausführliche Beschreibung umfasst Bezugnahmen auf die zugehörigen Zeichnungen, die einen Teil der ausführlichen Beschreibung bilden. Die Zeichnungen zeigen Darstellungen gemäß Beispielausführungsformen. Diese Beispielausführungsformen, die hierin auch als "Beispiele" bezeichnet werden, werden in genügend Detail beschrieben, um Fachleuten auf dem Gebiet zu ermöglichen, den vorliegenden Gegenstand auszuführen. Die Ausführungsformen können kombiniert werden, andere Ausführungsformen können verwendet werden oder strukturelle, logische und elektrische Änderungen können durchgeführt werden, ohne vom Schutzbereich dessen, was beansprucht ist, abzuweichen. Die folgende ausführliche Beschreibung soll daher nicht in einer begrenzenden Hinsicht aufgefasst werden und der Schutzbereich ist durch die beigefügten Ansprüche und ihre Äquivalente definiert.
Die vorliegende Technologie schafft ein Verfahren und ein System zum Reinigen einer Oberfläche unter Verwendung von Laserabtragung. Laserabtragung oder eine andere Oberflächenbearbeitung unter Verwendung eines Lasers kann durch Abstimmen von Laserparametern, wie z. B. Wellenlänge, Fluenz, Laserleistung, Impulsfrequenz, Strahlprofil, Fleckgröße, Impulsdauer oder Dauerstrich- oder modulierter Dauerstrichbetrieb eines Lasers, erreicht werden. Die Laserparameter können abgestimmt werden, um auf eine Oberflächenbeschichtung oder Verunreinigung auf einer Oberfläche durch Abtragen einzuwirken oder die Oberfläche unter gewünschten Parametern zu bearbeiten. Die Laserparameter können abgestimmt werden, um selektiv in eine Verunreinigungsschicht zu absorbieren und das darunterliegende Substrat nicht zu beschädigen, das Laserlicht mit denselben Strahlparametern nicht absorbiert. Ein Laser kann beispielsweise eingestellt werden, um Oberflächenmaterial anzuregen und folglich zu verdampfen, während er an der Basisoberfläche selbst ohne Beschädigen der Oberfläche reflektiert wird.
Der Materialaufbau auf der Oberfläche des Gebäudes, der Skulptur oder der anderen Struktur kann dunkel oder sogar schwarz sein. Die Oberfläche selbst kann heller sein, wie z. B. weißer Granit oder Marmor. Der Laser kann abgestimmt werden, so dass er durch die schwarze oder dunkle Oberfläche absorbiert wird und nicht in die hellere Oberfläche absorbiert und an dieser reflektiert wird. Die Laserparameter können optimiert werden, um den Unterschied der Lichtabsorptionseigenschaften von verschiedenen Materialien auszunutzen und daher eine Unterscheidung zwischen Materialschichten, die entfernt werden sollen, zu ermöglichen. Die Laserabtragung und Laserbearbeitung können zu einer Vielfalt von gewünschten photomechanischen, photothermischen und photochemischen Effekten auf einer Oberfläche führen. Der Laser kann verwendet werden, um eine Abtragung oder sekundäre Spallation einer Beschichtung oder Verunreinigung zu bewirken. Die Beschichtung oder Verunreinigung kann beispielsweise Korrosion und/oder Oxidation, Farbe auf einer Oberfläche, eine Verschmutzung, eine Rauchbeschädigung, Atmosphärenschadstoffe, organische Rückstände, Fett oder irgendeine andere Substanz sein, die absichtlich oder unabsichtlich auf eine Oberfläche aufgebracht werden kann. Zusätzlich zum Reinigen durch Laserabtragung können Laserparameter auch ausgewählt werden, damit ein Laser eine Oberfläche behandelt. Die Laserparameter können beispielsweise festgelegt werden, um eine Oberfläche vorzubereiten, zu texturieren, zu ätzen, auszuheilen, Oxidschichten zu erzeugen, wärmezubehandeln, zu dekontaminieren, zu sterilisieren, zu schweißen und/oder zu bearbeiten. Diese Technik kann verwendet werden, um organisches und anorganisches Material zu reinigen oder zu bearbeiten, beispielsweise Reinigen von Stein, Autos, Papier, Textilien, Haut usw., und wurde verwendet, um den 3500 Jahre alten Obelisken im Central Park in New York zu reinigen und eine Verschmutzung von diesem zu entfernen. Sie wurde auch verwendet, um eine alte Beschichtung und Korrosion vom General Wayne Monument in Fort Wayne Indiana zu entfernen. Außerdem wurde diese Technik verwendet, um Rost von historischen Eisenkunstgegenständen zu entfernen.
Ein Verfahren gemäß der vorliegenden Technologie kann das Richten des Lasers auf die Oberfläche, um eine Abtragfläche (auch als Kontaktfläche bezeichnet) zu bilden, und das Bewegen der Abtragfläche, um eine Abtragkurve (auch als Kontaktkurve, Kontaktkreis, Kontaktoval, Abtragkreis oder Abtragoval bezeichnet) zu bilden, umfassen. Die Abtragfläche kann durch irgendeines von mehreren Verfahren bewegt werden, einschließlich durch Drehen von einem oder mehreren abgewinkelten Spiegeln. Das Bewegen des Abtragkreises kann das Drehen eines flachen Spiegels um eine Achse, die den flachen Spiegel in einem anderen Winkel als 90 Grad schneidet, umfassen, der auch als Versatzspiegel bezeichnet wird.
Die vorliegende Technologie verwendet Kreise und Ovale für die Laserabtragreinigung und Lasermaterialbearbeitung. Die Verwendung einer Kreis- oder Ovalabtastung schafft ungeachtet dessen, wie sie erzeugt wird, mehrere Vorteile im Vergleich zu einer typischen Linienabtastung, die sich hin und her bewegt. Insbesondere vermeiden die hierin offenbarten Verfahren zur Verwendung von geschlossenen Kurvenmustern, beispielsweise Kreisen und Ovalen, heiße Punkte und erhöhen die Effizienz und Rate der Reinigung und/oder Bearbeitung. Das Vermeiden von heißen Punkten erzeugt eine konsistentere und gleichmäßigere Abtragung und erleichtert die Arbeit einer Bedienperson durch Ermöglichen eines gleichmäßigen und konsistenten Bearbeitungsmusters.
Verfahren zum Erzeugen von Laserkreisen für die Laserabtragung und Materialbearbeitung umfassen einen versetzten Drehspiegel, ein Drehprisma, eine keil- oder prismenförmige Drehlaserlinse, wie z. B., jedoch nicht begrenzt auf ein versetztes Prisma, Rhomboidprisma oder Risley-Prisma, und speziell programmierte Galvanoabtastköpfe oder irgendeine Kombination der vorher erwähnten Verfahren. Beispielhafte Ausführungsformen der vorliegenden Technologie verwenden einen oder mehrere versetzte Drehspiegel, um einfache kreisförmige/ovale und komplexe Abtastmuster für Laserabtrag- und Materialbearbeitungsanwendungen mit hoher Leistung zu erzeugen. Ein versetzter Drehspiegel erzeugt einen Kreis. Das Erhöhen des Versatzwinkels vergrößert den Durchmesser des Laserkreises.
Die Verwendung einer Fokallinse mit einer längeren Fokustiefe erhöht die Größe des Kreises, wenn der Strahl weiter entlang des Lichtkegels in den Brennpunkt gelangt. In beispielhaften Ausführungsformen tritt der Strahl durch eine Linse wie z. B. eine F-Theta-Linse oder eine telezentrische Linse hindurch, um ihn auf eine gewünschte Fokustiefe und Fleckgröße zu fokussieren. Alternativ kann keine Linse verwendet werden.
Systeme mit zwei Drehspiegeln erzeugen einen Kreis innerhalb eines Kreises, was mehr Oberflächenbereich abdeckt. Andere beispielhafte Ausführungsformen umfassen Systeme mit einem oder mehreren Drehspiegeln, bei denen ein Drehspiegel eine Abtastung erzeugt, die ein Kreisumriss ist, und zwei oder mehr andere Spiegel abtasten, um den ersten Kreis auszufüllen. Da die Bewegung der Spiegel flüssig und kontinuierlich ist, was kein Stoppen und/oder Ändern der Richtung beinhaltet, besteht weniger Abnutzung an dem Mechanismus, der die Bewegung antreibt, und führt zu einer gleichmäßigeren Verteilung der Energie.
In beispielhaften Ausführungsformen wird ein gepulster oder Dauerstrich-(CW) Laserstrahl mit hoher Leistung auf einen Spiegel gezielt. Typischerweise wird dies in einem Einfallswinkel von 45 Grad auf den Spiegel durchgeführt. Wenn der Spiegel an einem Motor wie z. B. einem bürstenlosen Motor mit hohen Umdrehungen pro Minute (RPM) montiert ist, kann veranlasst werden, dass der Motor den Spiegel dreht. 1 stellt die Verwendung eines solchen Systems in beispielhaften Ausführungsformen der vorliegenden Technologie dar.
In 1 ist ein System 100 in einer Seitenansicht 110 und Draufsicht 115 gezeigt. Im System 100 dreht ein Motor 120 eine Spindel 125, an der ein Spiegel 135 montiert ist. Der Spiegel 135 ist derart montiert, dass die Ebene des Spiegels 135 zur Drehachse senkrecht ist, wie durch die Spindel 125 dargestellt. Der Strahl 145 wird auf den Spiegel 135 im System 100 von 1 projiziert. Der reflektierte Strahl 150 bleibt stabil, selbst wenn der Spiegel 135 sich in 1 dreht, wie in der Draufsicht 115 gezeigt.
Das System 105 stellt den Effekt der Montage des Drehspiegels 140 (auch als Rotationsspiegel 140 bezeichnet) geringfügig außeraxial in Bezug auf die Drehachse des Motors 120 dar. Im System 105 ist der Drehspiegel 140, der auch planar ist, an einer Spindel 130 des Motors 120 montiert. Im Gegensatz zum System 100 ist im System 105 die Ebene des Drehspiegels 140 zur Drehachse nicht senkrecht, wie durch die Spindel 130 dargestellt, sondern ist stattdessen in einem Winkel montiert, der auch als Versatz bezeichnet wird. Das System 105 lenkt den Strahl 155 des Lasers in einer kontinuierlich variablen Weise ab. Wenn sich der Drehspiegel 140 dreht, wechselt er von aufwärts, seitwärts, abwärts, seitwärts abgewinkelt usw. ab, was bewirkt, dass der Strahl 155 in einem gekrümmten Strahl 160 (auch als Strahlkegel 160 bezeichnet) abgelenkt wird. Das Einstellen des Winkels des Drehspiegels 140 und des Reflexionspunkts des Strahls 155 bewirkt Änderungen der Größe und Form des gekrümmten Strahls 160. Auf diese Weise kann der gekrümmte Strahl 160 abgestimmt werden, um Kreise und/oder Ovale mit veränderlichen Größen zu erzeugen.
In 1 können die Seitenansicht 110 und die Draufsicht 115 in den Diagrammen für das System 100 und das System 105 ohne irgendeine Änderung der Funktionsweise des Systems oder der Erläuterung davon ausgetauscht werden.
2A stellt schematisch ein System 200 mit einem Drehspiegel 140 und einem festen Spiegel 210 zum Richten des Laserstrahls 155 durch eine Linse 220 in den Strahlkegel 160 dar. In einer alternativen Anordnung kann der feste Spiegel 210 beseitigt werden und der Laserstrahl kann direkt auf den Drehspiegel 140 gerichtet werden. Auf diese Weise kann der Laser selbst senkrecht zum Strahlkegel 160 positioniert werden, was eine leichter gehandhabte Vorrichtung bereitstellen kann. Noch weitere Alternativen stellen einen oder mehrere feste Spiegel bereit, um die Positionierung des Lasers in irgendeiner geeigneten Position zu ermöglichen, während der Laserstrahl 155 auf den Drehspiegel 140 gerichtet wird.
In noch weiteren Alternativen können die Positionen des Drehspiegels 140 und des festen Spiegels 210 in 2A vertauscht werden, so dass der Laserstrahl 155 auf den Drehspiegel 140 zuerst auftrifft, der den Strahlkegel 160 auf den festen Spiegel 210 richtet. Auf diese Weise wird der Strahlkegel 160 durch Ausdehnen desselben innerhalb des Gehäuses des Laserstrahls verlängert, so dass, wenn der Strahlkegel 160 aus der Linse austritt, er bereits ein breiterer Kegel ist, was einen größeren Kreis erzeugt. Dies ermöglicht, dass ein größeres kreisförmiges Muster 230 näher an der Linse 220 erzeugt wird. Außerdem kann der Versatz der Spindel 130 des Drehspiegels 140 verringert werden, um das gleich große oder sogar ein größeres kreisförmiges Muster 230 zu erzeugen. Auf diese Weise kann die durch den Motor 120 erfahrene Vibration verringert werden, wodurch der Verschleiß des Motors 120 verringert wird und höhere Drehzahlen für den Motor 120 ermöglicht werden. Zusätzliche Spiegel können verwendet werden, um den Strahl vom Drehspiegel 140 auf die optische Linse 120 oder direkt auf das Ziel, wenn keine Linse verwendet wird, zu richten.
Der Strahlkegel 160 kann ein kreisförmiges Muster 230 auf einer Oberfläche bilden, wenn der Laserstrahl des Strahlkegels 160 auf eine Oberfläche auftrifft oder diese kontaktiert. Der Rotationsspiegel 140 ist am Motor 120 durch die Spindel 130 montiert. Die Spindel 130 kann sich mit einer hohen Drehzahlrate, beispielsweise 30000, 60000, 100000 oder mehr RPM, drehen und kann daher eine Drehachse des Drehspiegels 140 darstellen. Die Spindel 130 kann mechanisch mit dem Drehspiegel 140 auf irgendeine geeignete Weise koppeln. Die Spindel 130 kann mit dem Drehspiegel 140 in einem anderen Winkel als 90 Grad koppeln, um dem Drehspiegel 140 einen Versatzwinkel zu verleihen. Die Befestigung zwischen der Spindel 130 und dem Drehspiegel 140 kann einstellbar sein, so dass der Versatzwinkel durch eine Bedienperson ausgewählt werden kann. Die Einstellung des Versatzwinkels kann während der Einrichtung des Systems 200 durchgeführt werden oder kann während der Verwendung durch eine Bedienperson eingestellt werden. Auf diese Weise wird das kreisförmige Muster 230 oder alternativ eine andere geschlossene Kurve, beispielsweise ein Oval, durch den Laserstrahl erzeugt. Eine Bedienperson kann dann das System 200 bewegen, um das kreisförmige Muster 230 über eine Oberfläche abzutasten, um eine Abtragung oder andere Materialbearbeitung durchzuführen.
2A stellt die Auswirkung der Verwendung eines versetzten Drehspiegels dar. Mehrere versetzte Drehspiegel erzeugen Lastabtastmuster von Kreisen innerhalb Kreisen und schaffen mehrere zusätzliche Vorteile. Kreise mit oder überlagert auf andere Kreise (oder alternativ Ovale oder andere geschlossene Kurven) können auch unter Verwendung von mehreren versetzten Drehspiegeln und/oder mehreren Drehkeillinsen in der Linie eines Laserstrahls gebildet werden, wie in 2B gezeigt. Durch Erzeugen von Kreisen innerhalb Kreisen werden volle Scheiben einer Laserabtragabdeckung erhalten. Die 7A und 7B stellen dies vollständiger dar und werden nachstehend erläutert.
2B stellt schematisch ein System mit zwei Drehspiegeln zum Richten eines Lasers durch eine Linse in einem kreisförmigen Muster mit einem darauf überlagerten zweiten kreisförmigen Muster dar. Die zwei Drehspiegel sind an Motoren (obwohl alternativ ein Motor verwendet werden kann, um beide Spiegel zu drehen) mit Versätzen montiert, um den Einfallswinkel während einer einzelnen Drehung jedes Spiegels zu ändern. Auf diese Weise wird ein Kreis oder eine andere geschlossene Kurve, wobei ein zweiter Kreis oder eine andere geschlossene Kurve darauf überlagert ist, durch den Laserstrahl erzeugt. Das System von überlagerten Kreisen kann zusätzliche Vorteile für eine Bedienperson aufweisen, einschließlich einer größeren Abtragfläche ohne heiße Punkte und mit einem hohen Grad an Kontrolle, wodurch die Effizienz und die Rate der Reinigung und/oder Bearbeitung erhöht werden.
2B stellt schematisch ein System 240 mit einem Drehspiegel 140 und einem zweiten Drehspiegel 260 (auch als zweiter Rotationsspiegel 260 bezeichnet) zum Richten eines Laserstrahls 245 durch die Linse 220 in den Kegel 270 dar. Der Kegel 270 kann ein kreisförmiges Muster 280 auf einer Oberfläche bilden, wenn der Laserstrahl des Kegels 270 auf eine Oberfläche auftrifft oder diese kontaktiert. Der Rotationsspiegel 140 ist am Motor 120 durch die Spindel 130 montiert. Die Details in Bezug auf den Rotationsspiegel 140, einschließlich Drehzahlraten und Befestigungsverfahren, sind im System 240 wie im System 200 gleich.
Im System 240 ist der zweite Rotationsspiegel 260 am Motor 250 durch eine Spindel 255 montiert. Die Spindel 255 kann sich mit einer hohen Drehzahlrate, beispielsweise 30000, 60000, 100000 oder mehr Drehungen pro Minute (RPM) drehen und kann daher eine Drehachse des zweiten Drehspiegels 260 darstellen. Die Spindel 255 kann mit dem zweiten Drehspiegel 260 auf irgendeine geeignete Weise koppeln. Die Spindel 255 kann mit dem zweiten Drehspiegel 260 in einem anderen Winkel als 90 Grad koppeln, um dem zweiten Drehspiegel 260 einen Versatzwinkel zu verleihen. Die Befestigung zwischen der Spindel 255 und dem zweiten Drehspiegel 260 kann einstellbar sein, so dass der Versatzwinkel durch eine Bedienperson ausgewählt werden kann. Die Einstellung des Versatzwinkels kann während der Einrichtung des Systems 240 durchgeführt werden oder kann während der Verwendung durch eine Bedienperson eingestellt werden. Auf diese Weise wird ein kreisförmiges Muster 280 oder alternativ eine andere geschlossene Kurve, beispielsweise ein Oval, durch den Laserstrahl erzeugt. Eine Bedienperson kann dann das System 240 bewegen, um das kreisförmige Muster 280 über eine Oberfläche abzutasten, um eine Abtragung oder andere Materialbearbeitung durchzuführen. In noch weiteren Alternativen können zusätzliche Reflexionen und Kreise (oder Ovale) erzeugt werden, um das kreisförmige Muster 280 in eine Form zu ändern, die nützlicher sein kann oder mit der eine Bedienperson eine Oberfläche einfacher abtasten kann.
Das System 240 mit zwei Drehspiegeln erzeugt ein komplexeres Muster als das System 100. Insbesondere können die Größe der Versatzwinkel, die Drehzahl und die Abstände zwischen den Spiegeln eingestellt werden, um die Größe des kreisförmigen Musters 280 zu bestimmen. Auf diese Weise kann ein internes Muster innerhalb des äußeren Umfangs des kreisförmigen Musters 280 erzeugt werden, so dass die Laserabtragung über der ganzen Fläche des kreisförmigen Musters 280 stattfindet. Außerdem kann die Drehrate des Drehspiegels 140 und des zweiten Drehspiegels 260 unterschiedlich sein, um die gleichmäßige Abdeckung der inneren Fläche des kreisförmigen Musters 280 sicherzustellen. Dagegen ist im System 200, das in 2A gezeigt ist, eine Laserabtragung nur an der Kante oder am Umriss des kreisförmigen Musters 230 vorgesehen. 7A und 7B stellen dies vollständiger dar und werden nachstehend erläutert. Auf diese Weise wird eine größere Fläche abgetragen und eine Bedienperson kann eine erhöhte Steuerung über den Abtragprozess haben.
3A–3C stellen Kontaktflächenmuster für verschiedene Laserabtragsysteme dar. 3A stellt ein herkömmliches Abtastmuster 310 für eine Hin- und Heroszillation in der Richtung des Doppelkopfpfeils 305, Kontaktflächenmuster für verschiedene Laserabtragsysteme dar. Da das herkömmliche Abtastmuster 310, wie z. B. ein Galvanometer, an beiden Enden des Abtastmusters stoppt und startet, entwickeln sich heiße Punkte 320 und 322 in diesen Positionen. Das Verringern der heißen Punkte wird nur durch einen signifikanten Aufwand erreicht, der auch typischerweise die Arbeit des Lasers durch Modulieren der Impulsstärke beeinträchtigt. Außerdem führt der Betrieb des Mechanismus, um die Hin- und Herbewegung zu erreichen, typischerweise zu einem hohen Verschleiß und kann Ausfälle im System verursachen, da ein Stoppen und Starten bestehen können, die dem Betrieb des Abtastmechanismus innewohnen.
3B stellt zwei lineare Abtastmuster dar, die an der Oberfläche 330 verwendet werden, die senkrecht zur Linie der Abtastmuster bewegt wird. Insbesondere wird die Oberfläche 330 in der Richtung 335 bewegt, obwohl alternativ die Oberfläche 330 stationär sein kann und das Laserabtragsystem sich in der entgegengesetzten Richtung bewegen kann, um denselben Effekt zu erzeugen. Das Einweg-Abtastmuster 340, das in einer Linie in einer Richtung abtastet, wobei die Vollendung einer Linie unmittelbar dem Beginn der nächsten Linie vorangeht, wie es durch ein hierin beschriebenes polygonales Spiegelsystem erzeugt werden kann. Das Einweg-Abtastmuster 340 weist den Nachteil auf, dass jede Abtastlinie teilweise mit der vorherigen und der anschließenden Abtastlinie überlappen muss, um sicherzustellen, dass die ganze Oberfläche behandelt wird, und die Geschwindigkeit, mit der dies stattfinden kann, begrenzt, wie schnell die Oberfläche gereinigt oder bearbeitet werden kann.
3B stellt auch ein herkömmliches Abtastmuster 310 dar, das in einem Hin- und Hermuster abtastet, wie in 3A gezeigt. Das herkömmliche Abtastmuster 310 weist auch den Nachteil auf, dass jede Abtastlinie teilweise mit der vorherigen und der anschließenden Abtastlinie überlappen muss, um sicherzustellen, dass die ganze Oberfläche behandelt wird, und die Geschwindigkeit, mit der dies stattfinden kann, begrenzt, wie schnell die Oberfläche gereinigt oder bearbeitet werden kann. Außerdem weist das herkömmliche Abtastmuster 310 den Nachteil von heißen Punkten am Endpunkt auf, wie im Hinblick auf 3A erörtert.
3C stellt ein kreisförmiges Kontaktflächenmuster 360 (auch als kreisförmiger Kontaktflächenbereich 360 bezeichnet) für ein beispielhaftes Laserabtragsystem gemäß der vorliegenden Technologie dar. Das beispielhafte Laserabtragsystem ist in 3C gezeigt, das an einer Oberfläche 330 arbeitet, die sich in der Richtung 335 bewegt, obwohl die Oberfläche 330 alternativ stationär sein kann und das beispielhafte Laserabtragsystem sich in der entgegengesetzten Richtung bewegen kann, um denselben Effekt zu erzeugen. Die kreisförmige Kontaktfläche 360 kann einen Durchmesser 370 aufweisen, der senkrecht zur Richtung 335 orientiert ist, und kann eine Vorderkante 380, die vor dem Durchmesser 370 angeordnet ist, und eine Hinterkante 390, die hinter dem Durchmesser 370 angeordnet ist, aufweisen. Angesichts der Möglichkeit, dass die Oberfläche 330 stationär ist und die Bedienperson das Laserabtragsystem bewegt, kann die Vorderkante 380 stattdessen hinter dem Durchmesser 370 liegen und die Hinterkante 390 kann dem Durchmesser 370 voreilen. 3C stellt einen signifikanten Vorteil der vorliegenden Technologie dar, da jede Position der Oberfläche 330 zwei Durchläufen des Lasers ausgesetzt wird. Wenn der Laser die Oberfläche 330 abtastet, wird irgendein gegebener Punkt auf der Oberfläche 330 zuerst der Vorderkante 380 ausgesetzt und wird dann ein zweites Mal durch die Hinterkante 390 belichtet. Eine physikalische Bewegung des Laserabtasters führt zu zwei Einwirkungen auf die Oberfläche durch die Laserstrahlung, wohingegen lineare Abtastverfahren zu nur einer Einwirkung auf die Oberfläche durch die Laserstrahlung pro einer physikalischen Bewegung des Laserabtasters führen, und hinsichtlich dessen, wie schnell sie über eine Oberfläche senkrecht zur Abtastrichtung bewegt werden können, durch die Frequenz des Abtasters begrenzt sind. Eine hohe RPM-Rate für das beispielhafte Laserabtragsystem, um ein kreisförmiges Kontaktmuster 360 zu erzeugen, unterstützt beim Sicherstellen, dass alle Punkte auf der Oberfläche 330 dem Laserstrahl ausgesetzt werden. Außerdem führen eine hohe RPM-Rate und/oder ein großer Kreis oder ein großes Oval zu einer schnelleren Abtastgeschwindigkeit. Schnellere Abtastgeschwindigkeiten ermöglichen die Verwendung von Lasern mit hoher Leistung, die typischerweise nicht bei der Laserabtragung verwendet werden. Laser, die beim Schweißen verwendet werden, beispielsweise CW-Laser, können beispielsweise verwendet werden, wenn sehr hohe Abtastgeschwindigkeiten bereitgestellt werden. Auf diese Weise kann die Verwendung von solchen Lasern mit hoher Leistung auch ermöglichen, dass größere Flächen mit einem Laser in kürzeren Zeitdauern mit geringerem Aufwand bearbeitet oder abgetragen werden. In noch weiteren Alternativen kann die kreisförmige Kontaktfläche 360 ein Oval oder eine andere geschlossene gekrümmte Form sein.
4 ist ein Ablaufplan, die ein Beispielverfahren 400 der vorliegenden Technologie darstellt. In einem optionalen Schritt 410 stimmt eine Bedienperson oder ein automatisiertes Computersystem eine Wellenlänge und Leistung eines Laserstrahls einer Vorrichtung gemäß der vorliegenden Technologie ab. Die Laserwellenlänge wird abgestimmt, um eine Oberflächenbeschichtung auf einer Oberfläche abzutragen. Die Leistung des Laserstrahls kann auch auf einen geeigneten Pegel für den gewünschten Zweck abgestimmt werden. Die Oberflächenbeschichtung ist Korrosion, Fremdmaterial und/oder Oxidation. Von Schritt 410 geht das Verfahren zu Schritt 420 weiter.
In Schritt 420 des Verfahrens 400 richtet eine Bedienperson oder ein computergesteuerter Roboter einen Laserstrahl auf die Oberfläche, um eine Kontaktfläche zu bilden. Die Kontaktfläche kann ein fokussierter oder unfokussierter Laserstrahl sein. Von Schritt 420 geht das Verfahren zu Schritt 430 weiter. In Schritt 430 des Verfahrens 400 bewegt das System die Kontaktfläche in einer ersten gekrümmten Richtung, um eine erste Kontaktkurve zu bilden. Die erste Kontaktkurve kann ein Kreis, ein Oval oder eine andere geschlossene Kurve sein. Von Schritt 430 geht das Verfahren zu einem optionalen Schritt 440 weiter.
Im optionalen Schritt 440 des Verfahrens 400 bewegt das System die Kontaktfläche in einer zweiten gekrümmten Richtung, die auf die erste gekrümmte Richtung überlagert wird. Die erste gekrümmte Richtung definiert eine erste kreisförmige Form und die zweite gekrümmte Richtung definiert eine zweite kreisförmige Form. Die erste gekrümmte Form weist einen Radius auf, der geringer als oder gleich einem Durchmesser der zweiten kreisförmigen Form ist. Die erste kreisförmige Form kann beispielsweise ein erstes Oval oder eine andere geschlossene Kurve sein und die zweite kreisförmige Form kann ein zweiter Kreis, ein zweites Oval oder eine andere geschlossene Kurve sein, die auf den ersten Kreis, das erste Oval oder die andere geschlossene Kurve überlagert wird. Außerdem kann ein dritter oder weiterer Kreis, ein drittes oder weiteres Oval oder eine andere geschlossene Kurve auf die ersten und zweiten Kreise, Ovale oder anderen geschlossenen Kurven überlagert werden.
Andere Verfahren zum Erzeugen von Kreisen umfassen eine Drehkeillinse im Weg des Strahls und einen programmierten XY-Galvoabtaster. Andere beispielhafte Ausführungsformen verwenden ein Laserreinigungssystem mit abstimmbarer/programmierbarer Impulsdauer mit einer Hauptoszillator-Leistungsverstärker-(MOPA)Faserlaserquelle für die Laserabtragreinigung. Die vorliegende Technologie kann mit Lasern mit verschiedenen Wellenlängen und verschiedenen Impulsdauern, insbesondere Lasern mit hoher Leistung, wie z. B. Dauerstrich-, modulierten Dauerstrich- und gepulsten Lasern wie z. B. MOPA-Lasern, gütegeschalteten und anderen gepulsten Lasern, verwendet werden. Die vorliegende Technologie kann beispielsweise Laserwellenlängen verwenden, wie z. B., jedoch nicht begrenzt auf 2000 nm, 1500 nm, 1064 nm, 532 nm, 355 nm, 266 nm und andere Wellenlängen, die durch verschiedene Laserquellen erzeugt werden können. Die vorliegende Technologie kann irgendeine Laserimpulsdauer, wie z. B., jedoch nicht begrenzt auf Laser mit Impulsen, die in Femtosekunden, Pikosekunden, Nanosekunden, Mikrosekunden gemessen werden können, modulierte Dauerstrich- und Dauerstrichlaser verwenden. Die vorliegende Technologie kann eine beliebige geeignete Linse verwenden oder kann ohne Linse implementiert werden, wenn ein kollimierter Laserstrahl mit ausreichend Leistung für die gewünschte Verwendung verwendet wird.
Mehrere Drehspiegel können für komplexere Abtastungen verwendet werden, einschließlich des Konzepts des Erzeugens einer Abtastung eines Kreises innerhalb eines Kreises. Die Laserabtrag- und Materialbearbeitungsverfahren und -systeme der vorliegenden Technologie sind anwendbar für: Laserabtragreinigung; Materialbearbeitung; Dekontaminierung von Oberflächen; Beschichtungsentfernung; Oberflächentexturierung; Farbentfernung; Laserausheilen; Laserhärten; Laserschweißen; Tattooentfernung; Laserhautbehandlungen; Hochgeschwindigkeits-Laserabtastung, und/oder irgendeine Anwendung, bei der ein Laser gleichmäßig über eine Oberfläche abgetastet wird.
Die Drehprismatechnik kann verwendet werden, um Kreise und andere Muster herzustellen. Die Anzahl von Umdrehungen pro Minute des einen oder der mehreren versetzten Spiegel wirkt sich auf die Rate der Bewegung des Laserstrahls auf der Oberfläche (Auftrefffläche oder Abtragfläche genannt) aus. In beispielhaften Ausführungsformen der vorliegenden Technologie sind 60000 RPM (oder über 100000 RPM) unter Verwendung des Drehspiegelkonzepts erreichbar. Ebenso kann ein sich langsam drehender Kreis erwünscht sein, in welchem Fall ein Drehspiegel mit niedriger RPM verwendet werden kann.
Der Laser kann so programmiert werden, dass er spezielle Einstellungen aufweist, wie z. B. Energiepegel, Impulsdauer und Impulsfrequenz. Der Auslöser am Handstück kann manuell aktiviert werden und die Steuerung der RPM der Abtastgeschwindigkeit kann manuell mit einem Potentiometer oder digital durch eine Steuerschnittstelle eingestellt werden. Der Laser kann mit irgendeiner geeigneten Linse arbeiten, einschließlich einer F-Theta-Linse, einer Flachfeldlinse, einer telezentrischen Linse, einer Kugellinse usw. Die F-Theta-Linse gibt einen geringfügigen Auftreffwinkel, der von der Geometrie des Laser-"Kegels" vom Abtaster abhängt, wenn er einen Kreis herstellt. Die telezentrische Linse ist größer und stellt sicher, dass immer ein Auftreffwinkel von 90 Grad für den Strahl besteht.
Der Laserstrahl kann durch ein analoges oder digitales System gesteuert werden, beispielsweise eine Steuerplatine mit Wählscheiben oder Tasten, die irgendeinen geeigneten Laserparameter steuern, beispielsweise die Laserleistung, Fleckgröße, RPMs, Laserimpulsfrequenz und Impulsdauer.
Die Techniken der hierin offenbarten Ausführungsformen können unter Verwendung einer Vielfalt von Technologien implementiert werden. Die hierin beschriebenen Verfahren können beispielsweise in einer Software, die auf einem Computersystem ausgeführt wird, oder in Hardware unter Verwendung entweder einer Kombination von Mikroprozessoren oder anderen speziell entworfenen anwendungsspezifischen integrierten Schaltungen (ASICs), programmierbaren Logikvorrichtungen oder verschiedenen Kombinationen davon implementiert werden. Insbesondere können die hierin beschriebenen Verfahren durch eine Reihe von computerausführbaren Befehlen, die sich auf einem Speichermedium wie z. B. einem Plattenlaufwerk oder computerlesbaren Medium befinden, implementiert werden. Es sollte beachtet werden, dass die hierin offenbarten Verfahren durch einen Computer (z. B. einen Desktop-Computer, Tablet-Computer, Laptop-Computer), eine Spielekonsole, eine in der Hand gehaltene Spielvorrichtung, ein Mobiltelefon, ein Smartphone, ein intelligentes Fernsehsystem und so weiter implementiert werden können.
5 stellt ein Beispielrechensystem 500 dar, das verwendet werden kann, um eine Ausführungsform der vorliegenden Technologie zu implementieren. Das System 200 und das System 240 können beispielsweise durch eine oder mehrere der Komponenten des Rechensystems 500 implementiert werden. Zusätzlich oder alternativ kann das Rechensystem 500 verwendet werden, um das Verfahren 400 von 4 zu implementieren. Das Rechensystem 500 von 5 umfasst einen oder mehrere Prozessoren 510 und einen Speicher 520. Der Speicher 520 speichert teilweise Befehle und Daten für die Ausführung durch den einen oder die mehreren Prozessoren 510. Der Speicher 520 kann den ausführbaren Code speichern, wenn das Rechensystem 500 in Betrieb ist. Das Rechensystem 500 von 5 kann ferner einen Massenspeicher 530, einen tragbaren Speicher 540, Ausgabevorrichtungen 550, Eingabevorrichtungen 560, eine Graphikanzeige 570 und (ein) andere(s) Peripheriegerät(e) 580 umfassen.
Die in 5 gezeigten Komponenten sind als über einen einzelnen Bus 590 verbunden dargestellt. Die Komponenten können durch ein oder mehrere Datentransportmittel verbunden sein. Der eine oder die mehreren Prozessoren 510 und der Speicher 520 können über einen lokalen Mikroprozessorbus verbunden sein und der Massenspeicher 530, das (die) Peripheriegerät(e) 580, der tragbare Speicher 540 und die Graphikanzeige 570 können über einen oder mehrere Eingabe/Ausgabe-(E/A)Busse verbunden sein.
Der Massenspeicher 530, der mit einem Magnetplattenlaufwerk oder einem optischen Plattenlaufwerk implementiert werden kann, ist eine nichtflüchtige Speichervorrichtung zum Speichern von Daten und Befehlen zur Verwendung durch einen oder mehrere Prozessoren 510. Der Massenspeicher 530 kann die Systemsoftware zum Implementieren von Ausführungsformen der vorliegenden Technologie für Zwecke des Ladens dieser Software in den Speicher 520 speichern.
Der tragbare Speicher 540 arbeitet in Verbindung mit einem tragbaren nichtflüchtigen Speichermedium wie z. B. einer Diskette, Kompaktdisk oder digitalen Videoplatte, um Daten und einen Code in das und aus dem Rechensystem 500 von 5 einzugeben und auszugeben. Die Systemsoftware zum Implementieren von Ausführungsformen der vorliegenden Technologie kann auf einem solchen tragbaren Medium gespeichert werden und in das Rechensystem 500 über den tragbaren Speicher 540 eingegeben werden.
Die Eingabevorrichtungen 560 stellen einen Teil einer Benutzerschnittstelle bereit. Die Eingabevorrichtungen 560 können ein alphanumerisches Tastenfeld wie z. B. eine Tastatur zum Eingeben von alphanumerischen oder anderen Informationen oder eine Zeigevorrichtung wie z. B. eine Maus, eine Rollkugel, einen Stift oder Cursorrichtungstaten umfassen. Außerdem umfasst das Rechensystem 500, wie in 5 gezeigt, Ausgabevorrichtungen 550. Geeignete Ausgabevorrichtungen umfassen Lautsprecher, Drucker, Netzwerkschnittstellen und Monitore.
Die Graphikanzeige 570 kann eine Flüssigkristallanzeige (LCD) oder eine andere geeignete Anzeigevorrichtung umfassen. Die Graphikanzeige 570 empfängt Text- und graphische Informationen und verarbeitet die Informationen zur Ausgabe an die Anzeigevorrichtung.
Das (die) Peripheriegerät(e) 580 können irgendeinen Typ von Computerunterstützungsvorrichtung umfassen, um eine zusätzliche Funktionalität zum Rechensystem 500 hinzuzufügen. Das (die) Peripheriegerät(e) 580 können ein Modem oder einen Router umfassen.
Die im Rechensystem 500 von 5 enthaltenen Komponenten sind jene, die typischerweise in Rechensystemen gefunden werden, die zur Verwendung bei Ausführungsformen der vorliegenden Technologie geeignet sein können und eine breite Kategorie von solchen Computerkomponenten darstellen sollen, die auf dem Fachgebiet gut bekannt sind. Folglich kann das Rechensystem 500 von 5 ein Personalcomputer, ein in der Hand gehaltenes Rechensystem, ein Telefon, ein mobiles Rechensystem, ein Arbeitsplatzrechner, ein Server, ein Minicomputer, ein Großrechner oder irgendein anderes Rechensystem sein. Der Computer kann auch verschiedene Buskonfigurationen, vernetzte Plattformen, Plattformen mit mehreren Prozessoren usw. umfassen. Verschiedene Betriebssysteme können verwendet werden, einschließlich UNIX, Linux, Windows, Macintosh OS, Palm OS, und andere geeignete Betriebssysteme.
6 stellt Auftreffwinkel für verschiedene Laserabtragsysteme gemäß der vorliegenden Technologie dar. Die Diagramme von 6 verwenden eine Richtung 610, alle Erläuterungen sind jedoch gleichermaßen für irgendeine andere Richtung geeignet. Der breite Strahlkegel 620 erzeugt ein kreisförmiges Muster 626, das alternativ oval oder eine andere geschlossene gekrümmte Form sein kann. Der schmale Strahlkegel 630 erzeugt ein kreisförmiges Muster 636, das auch alternativ eine ovale oder andere geschlossene gekrümmte Form sein kann. Das kreisförmige Muster 626 kann dieselbe Größe wie das kreisförmige Muster 636 aufweisen, was den Abstand von einer Vorrichtung, die den breiten Strahlkegel 620 projiziert, geringer macht als den Abstand von einer anderen Vorrichtung, die den schmalen Strahlkegel 630 projiziert. Alternativ kann das kreisförmige Muster 626 größer sein als das kreisförmige Muster 636 und der Abstand von der Vorrichtung, die den breiten Strahlkegel 620 projiziert, kann derselbe wie von der anderen Vorrichtung, die den schmalen Strahlkegel 630 projiziert, sein. Andere Variationen sind auch für die Größe des kreisförmigen Musters 626 und des kreisförmigen Musters 636 und den Abstand von ihren jeweiligen Projektionsvorrichtungen zu einer behandelten Oberfläche möglich. Der Abstand von den jeweiligen Projektionsvorrichtungen zur behandelten Oberfläche kann durch Einstellen der Brennweite irgendeiner Linse, durch die der Laserstrahl projiziert wird, eingestellt werden.
Der breite Strahlkegel 620 kann eine verbesserte Abdeckung von stark texturierten Oberflächen aufgrund des variierenden Einfallswinkels des Laserstrahls in Bezug auf die Ebene der behandelten Oberfläche vorsehen. Die Vorderkante 622 des breiten Strahlkegels 620 trifft auf die texturierte Oberfläche 652 im Diagramm 650 auf. Die Vorderkante 622 des breiten Strahlkegels 620 umfasst Lichtstrahlen 654, die alternativ als Photonen betrachtet werden können. Aufgrund des geringeren Einfallswinkels auf die texturierte Oberfläche 652 empfangen lokalisierte Bereiche auf der texturierten Oberfläche 652, die zur Gesamtebene der texturierten Oberfläche 652 fast senkrecht sind und der entgegengesetzten Richtung 610 zugewandt sind, Lichtstrahlen 654 in einem ungefähr senkrechten Winkel. Daher können diese Bereiche auch mit einer gleichmäßigen Fluenz von Laserlicht versehen werden und werden daher zusammen mit den im Allgemeinen glatten Teilen der texturierten Oberfläche 652 bearbeitet oder abgetragen.
Ebenso trifft die Hinterkante 624 des breiten Strahlkegels 620 auf die texturierte Oberfläche 642 im Diagramm 640 auf. Die Hinterkante 624 des breiten Strahlkegels 620 umfasst Lichtstrahlen 644, die alternativ als Photonen betrachtet werden können. Aufgrund des geringeren Einfallswinkels auf die texturierte Oberfläche 642 empfangen lokalisierte Bereiche auf der texturierten Oberfläche 642, die fast senkrecht zur Gesamtebene der texturierten Oberfläche 642 sind und in die Richtung 610 gewandt sind, Lichtstrahlen 644 in einem ungefähr senkrechten Winkel. Daher werden diese Bereiche auch mit einer gleichmäßigen Fluenz von Laserlicht versehen und werden daher zusammen mit den im Allgemeinen glatten Teilen der texturierten Oberfläche 642 bearbeitet oder abgetragen. Auf diese Weise kann der breite Strahlkegel 620 eine verbesserte Bearbeitung oder Abtragung für stark texturierte Oberflächen bereitstellen. Wie im Diagramm 660 gezeigt ist, wird irgendein Punkt entlang der Oberfläche mehreren Winkeln des Vorderkanten-Lichtstrahls 664 und Hinterkanten-Lichtstrahls 666 mit einer Bewegung des Laserkreises ausgesetzt.
Der schmale Strahlkegel 630 mit der Vorderkante 632 und Hinterkante 634 kann eine ausreichende Abdeckung für glatte Oberflächen bereitstellen, beispielsweise die Oberfläche 662 im Diagramm 660. Daher kann der Einfallswinkel des Vorderkanten-Lichtstrahls 664 und des Hinterkanten-Lichtstrahls 666 näher zu senkrecht zur Oberfläche 662 sein, ohne die Abdeckung zu gefährden, und mit potentiell erhöhter Effizienz.
7A–7B sind Diagramme, die Beispielausführungsformen einer Kontaktfläche eines beispielhaften Laserabtragsystems darstellen. In 7A stellt das Abtastmuster 700 den Kreis innerhalb eines Kreisabtastmusters und insbesondere die Überlagerung des äußeren Kreises 705 und des zentralen Kreises 715 dar. Im Abtastmuster 700 haben der äußere Kreis 705 und der zentrale Kreis 715 ungefähr dieselbe Größe, in alternativen beispielhaften Ausführungsformen kann jedoch der eine oder der andere des äußeren Kreises 705 und des zentralen Kreises 715 größer sein als der andere. Außerdem ist im Abtastmuster 700 der zentrale Kreis 715 zentriert gezeigt, während der äußere Kreis 705 außermittig gezeigt ist. Die entgegengesetzte Positionierung kann jedoch auch in Betracht gezogen werden und ist in der Überlagerung ununterscheidbar. Der äußere Kreis 705 und der zentrale Kreis 715 können jeweils einen durch einen Rotationsspiegel erzeugten Kreis darstellen.
Das Überlagern des äußeren Kreises 705 und des zentralen Kreises 715 verursacht, dass der äußere Kreis 705 als kreisförmiges Abtastmuster erzeugt wird, das sich um den Außendurchmesser des zentralen Kreises 715 dreht. Auf diese Weise wird der äußere Umfang 710 durch die Überlagerung gebildet und weist einen Durchmesser gleich einem Durchmesser des äußeren Kreises 705 plus den Durchmesser des zentralen Kreises 715 auf. Auf diese Weise wird ein größeres Abtastmuster erzeugt als mit einem einzelnen kreisförmigen Abtastmuster.
Wie im Abtastmuster 725 gezeigt, erzeugt ein fortgesetzter Betrieb des Laserabtrag- oder Materialbearbeitungssystems mit einem überlagerten Muster von zwei Kreisen eine Anzahl von Kreismustern innerhalb des äußeren Umfangs 710. Der fortgesetzte Betrieb der Laserabtragvorrichtung erzeugt schließlich ein Abtastmuster 730, in dem die ganze Fläche innerhalb des äußeren Umfangs 710 ausgefüllt wird, was darstellt, dass die ganze Fläche innerhalb des äußeren Umfangs 710 dem Laserstrahl ausgesetzt wurde und daher abgetragen oder bearbeitet wurde, wie gewünscht.
In 7B stellt das Abtastmuster 740 den Kreis innerhalb eines Kreisabtastmusters dar, wenn die zwei erzeugten Kreise ungefähr denselben Durchmesser aufweisen, aber nicht denselben Durchmesser aufweisen. Das Abtastmuster 740 weist einen äußeren Umfang 710 mit einem Durchmesser gleich der Summe der zwei Durchmesser der zwei Kreise auf, die verwendet werden, um es zu erzeugen. Das Abtastmuster 740 weist einen inneren zentralen Überlappungskreis 750 auf, der ein heißer Punkt aufgrund von erhöhter Fluenz in diesem Bereich sein kann.
Das Abtastmuster 760 in 7B stellt den Kreis innerhalb eines Kreisabtastmusters dar, wenn die zwei erzeugten Kreise deutlich unterschiedliche Durchmesser aufweisen, und die Drehrate für den größeren Kreis viel geringer ist als für den kleineren Kreis. In dieser Situation bildet sich ein inneres kreisförmiges Loch 770, das nicht durch den Laserstrahl abgetastet wird, und daher nicht abgetragen wird.
Das Abtastmuster 780 in 7B stellt den Kreis innerhalb eines Kreisabtastmusters dar, wenn die zwei erzeugten Kreise deutlich unterschiedliche Durchmesser aufweisen. In beiden dieser Fälle wird das Abtastmuster 780 gebildet, einschließlich des größeren inneren Abtragkreises 790, der eine höhere Fluenz aufweist als der äußere Ring des Abtastmusters 780.
Wie durch 7A und 7B dargestellt, können die Abtastmuster und die resultierende Energieverteilung auf der Basis der relativen Durchmesser der Kreise beeinflusst werden. im Allgemeinen wird in einem Szenario mit zwei versetzten Drehspiegeln, solange sich ein Spiegel signifikant schneller dreht als der andere Spiegel, ein definierter Kreis oder ein definiertes Oval nachgezogen, das sich innerhalb eines zweiten Kreises oder Ovals bewegt. Variierende relative Drehzahlen und Drehrichtung, wie z. B. im Uhrzeigersinn gegenüber gegen den Uhrzeigersinn, der zwei oder mehr versetzten Spiegel können beispielsweise zu komplexeren und dynamischeren anderen Abtastmustern und geometrischen Formen als Kreisen führen, wie z. B. Sternen oder Dreiecken. Ein Spiegel kann eingestellt werden, um sich im Uhrzeigersinn zu drehen, und ein anderer gegen den Uhrzeigersinn, oder beide könnten sich im Uhrzeigersinn drehen. In beispielhaften Ausführungsformen unter Verwendung von versetzten Rotationsspiegeln, um die Kreise zu erzeugen, werden die relativen Drehzahlen durch Bestimmen der Drehrate der versetzten Spiegel eingestellt. Auf diese Weise hat eine Bedienperson mehrere Steuerparameter zum Ändern der Eigenschaften des resultierenden Abtastmusters, wenn ein Muster eines Kreises innerhalb eines Kreises verwendet wird, einschließlich der Durchmesser der Kreise (auf der Basis des Einfallswinkels) und der Drehrate (die bestimmt, wie schnell sich die zwei versetzten Spiegel drehen). In weiteren beispielhaften Ausführungsformen kann der Winkel des Versatzes für einen oder beide (oder mehr) Spiegel während der Installation nach Bedarf eingestellt oder durch eine Bedienperson in der Praxis gesteuert werden und daher kann das Abtastmuster eine zusätzliche Einstellung aufweisen. Außerdem kann der Einfallswinkel des Lasers auf den Spiegel beispielsweise irgendwo von parallel zur Drehachse des Spiegels bis stark versetzt von der Drehachse eingestellt werden. Durch Erhöhen der RPM oder des Durchmessers des Kreises nimmt ferner die Abtastgeschwindigkeit zu.
8A–8C sind Diagramme, die Beispielausführungsformen von Kontaktflächen für mehrere Abtaster eines beispielhaften Laserabtragsystems darstellen. Mehrere Abtaster können verwendet werden, die sich alle eine einzelne leistungsstarke Laserquelle teilen, oder mit ihren eigenen unabhängigen Laserquellen, wobei jeder Abtaster einen Kreis, ein Oval oder eine andere geschlossene Kurve mit möglicherweise zusätzlichen überlagerten Kreisen, Ovalen oder geschlossenen Kurven projiziert. Die mehreren Abtaster können nebeneinander montiert sein, um eine Konfiguration von Kreisen zu erzeugen, um noch mehr Fläche pro Durchlauf mit einem Abtastfeld von Kreisen abzudecken. Mehrere optische Abtaster können zusammen in einem größeren Abgabekopf montiert sein, um mehrere Kreisabtastungen nebeneinander oder einander überlappend zu erzeugen.
In 8A stellt das Abtastmuster 800 ein Muster von drei Abtastkreisen dar, die in der Abtastrichtung 820 bewegt werden können. Jeder Abtastkreis 810 in 8A, 8B und 8C kann ein einzelnes kreisförmiges Abtastmuster oder der äußere Umfang eines Kreises innerhalb eines Kreisabtastmusters sein. Im Abtastmuster 800 sind drei Abtastkreise vorgesehen, die geringfügig überlappen, wenn sie in der Abtastrichtung 820 bewegt werden. In 8B stellt das Abtastmuster 830 ein Muster von drei Abtastkreisen dar, die in einer Linie senkrecht zur Richtung der Abtastrichtung 820 angeordnet sind, und die in der Abtastrichtung 820 bewegt werden können. In 8C stellt ein Abtastmuster 840 ein Muster von fünf Abtastkreisen dar, die in einem überlappenden Muster angeordnet sind, die in der Abtastrichtung 820 bewegt werden können. Zusätzliche überlagerte Kreise sind auch möglich und die Abtastkreise können variierende und unterschiedliche Größen aufweisen. Ebenso können die Abtastkreise Ovale, Kreise oder andere geschlossene Kurven sein. Ferner kann die Abtastrichtung 820 in irgendeine andere Richtung geändert werden und kann konstant oder variabel sein. Der zum Erzeugen der Abtastmuster verwendete Abtaster kann automatisiert sein, beispielsweise eine Robotersteuereinheit, oder kann manuell gesteuert werden. Die Abtastmuster können auch während einer einzelnen Abtastung oder auf der Basis von Benutzerauswahl mit der Zeit variieren.
Ein perfekter Kreis bietet eine gleichmäßige Energieverteilung entlang des Weges des Kreises. In Abhängigkeit davon, wie der Abtastmechanismus über eine Oberfläche bewegt wird, könnte jedoch ein Oval bevorzugt sein, da es die Weise ändert, auf die Energie entlang des gekrümmten Weges verteilt wird, mit weniger Energie pro Einheitslänge auf den längeren Seiten des Ovals und höherer Energie pro Einheitslänge auf den kürzeren Seiten des Ovals. Je langgestreckter das Oval wird, desto geringer ist die Energiedichte der Laserabscheidung entlang der langgestreckten Achse. Es gibt Anwendungen, bei denen es vorteilhaft ist, das Oval zu verwenden. Das Laserkreismuster führt zu zwei Durchläufen über einer Oberfläche mit jeder Bewegung des Abtasters. Wenn man die Menge an Zeit zwischen dem ersten und dem zweiten Durchlauf des Lasers erhöhen oder verringern wollen würde, könnte dies durch Dehnen oder Zusammenziehen des Kreises zu einem Oval durchgeführt werden. Im nachstehenden Bild hätte, wenn sich das Abtastmuster mit einer gegebenen Geschwindigkeit nach rechts bewegen würde, dann das ovale Abtastmuster einen größeren Zeitabstand, bevor die Hinterkante der Kugel auf denselben Fleck auftrifft, auf den die Vorderkante aufgetroffen ist.
Die obige Beschreibung ist erläuternd und nicht einschränkend. Viele Variationen der Technologie werden für Fachleute auf dem Gebiet bei der Durchsicht dieser Offenbarung ersichtlich. Der Schutzbereich der Technologie sollte daher nicht mit Bezug auf die obige Beschreibung bestimmt werden, sondern sollte stattdessen mit Bezug auf die beigefügten Ansprüche zusammen mit ihrem vollen Umfang von Äquivalenten bestimmt werden.

Claims

Verfahren zur Materialbearbeitung, wobei das Verfahren umfasst: Auswählen von Abstimmparametern für einen Laser, so dass der Laser eine Ausgabe erzeugt, die dazu ausgelegt ist, ein Material zu bearbeiten; Richten der Ausgabe des abgestimmten Lasers auf einen oder mehrere Rotationspiegel, um ein oder mehrere im Wesentlichen kreisförmige Abtastmuster mit der Ausgabe zu erzeugen; und Bewegen des Materials oder des Lasers mit einer im Wesentlichen kontinuierlichen Rate, um das Material zu bearbeiten, wobei das im Wesentlichen kreisförmige Abtastmuster sowohl eine Vorderkante als auch eine Hinterkante umfasst, so dass das Material zwei Durchläufen der Ausgabe ausgesetzt wird.
Verfahren zum Abtragen einer Beschichtung auf einem Substrat, wobei das Verfahren umfasst: Auswählen von Abstimmparametern für einen Laser, so dass der Laser eine Ausgabe erzeugt, die dazu ausgelegt ist, die Beschichtung abzutragen, ohne eine Oberfläche des Substrats unterhalb der Beschichtung zu beschädigen; Richten der Ausgabe des abgestimmten Lasers auf einen oder mehrere Rotationsspiegel, um ein oder mehrere im Wesentlichen kreisförmige Abtastmuster mit der Ausgabe zu erzeugen; und Bewegen der Ausgabe mit einer im Wesentlichen kontinuierlichen Rate entlang der Beschichtung, um die Beschichtung abzutragen.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei das eine oder die mehreren im Wesentlichen kreisförmigen Abtastmuster ein erstes kreisförmiges oder ellipsenförmiges Abtastmuster mit einem ersten Durchmesser, das einem zweiten kreisförmigen oder ellipsenförmigen Abtastmuster mit einem zweiten Durchmesser überlagert ist, der hinsichtlich der Größe relativ zum ersten Durchmesser verschieden ist, umfassen.
Verfahren nach Anspruch 3, wobei ein erster des einen oder der mehreren Rotationsspiegel, der das erste kreisförmige oder ellipsenförmige Abtastmuster erzeugt, sich mit einer ersten Drehrate dreht und ein zweiter des einen oder der mehreren Rotationsspiegel, der das zweite kreisförmige oder ellipsenförmige Abtastmuster erzeugt, sich mit einer zweiten Drehrate dreht, wobei die erste Drehrate und die zweite Drehrate voneinander verschieden sind.
Verfahren nach Anspruch 4, wobei der erste des einen oder der mehreren Rotationsspiegel und ein zweiter des einen oder der mehreren Rotationsspiegel sich jeweils im Uhrzeigersinn, gegen den Uhrzeigersinn oder in irgendeiner Kombination davon drehen.
Verfahren nach Anspruch 2, das ferner das selektive Einstellen eines Versatzwinkels für den einen oder die mehreren Rotationsspiegel umfasst, um einen Durchmesser des einen oder der mehreren im Wesentlichen kreisförmigen Abtastmuster zu steuern.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei die Abstimmparameter ausgewählt werden, um zu ermöglichen, dass die Ausgabe die Beschichtung anregt, während sie zumindest teilweise in das Substrat absorbiert.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei das eine oder die mehreren im Wesentlichen kreisförmigen Abtastmuster durch den einen oder die mehreren Rotationsspiegel erzeugt werden, die die Ausgabe auf eine Kontaktkurve reflektieren.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei die Ausgabe in Richtung der Beschichtung mit einem Auftreffwinkel gerichtet wird, der von einer Drehachse des einen oder der mehreren Rotationsspiegel versetzt ist, um zu bewirken, dass die Ausgabe unregelmäßige Teile der Oberfläche des Substrats, die auch die Beschichtung tragen, abträgt.
System zum Abtragen einer Beschichtung auf einem Substrat, wobei das System umfasst: einen abstimmbaren Laser, der eine Ausgabe erzeugt, die dazu ausgelegt ist, die Beschichtung abzutragen, ohne eine Oberfläche des Substrats unterhalb der Beschichtung zu beschädigen, wobei die Ausgabe in einem Einfallswinkel relativ zu einem Spiegel gerichtet wird; einen Motor mit dem Spiegel, wobei der Spiegel am Motor auf eine solche Weise montiert ist, dass der Spiegel von einer Drehachse des Motors versetzt ist, was ermöglicht, dass die Ausgabe verschiedene Teile des Spiegels kontaktiert, wenn er sich dreht, um eine Kontaktfläche mit einem im Wesentlichen kreisförmigen Abtastmuster zu erzeugen; und wobei das System verschiebbar ist, um die Kontaktfläche am Substrat herum zu bewegen.
System nach Anspruch 10, das ferner einen zweiten Motor mit einem zweiten Spiegel umfasst, der in einem Einfallswinkel relativ zum Spiegel angeordnet ist, wobei der zweite Spiegel von einer Drehachse des zweiten Motors versetzt ist, wobei der Versatz des zweiten Spiegels relativ zum zweiten Motor anders ist als der Versatz des Spiegels relativ zum Motor.
System nach Anspruch 11, wobei der zweite Spiegel ein zweites im Wesentlichen kreisförmiges Abtastmuster mit der Ausgabe erzeugt, das sich innerhalb des im Wesentlichen kreisförmigen Abtastmusters befindet.
System nach Anspruch 11, wobei das im Wesentlichen kreisförmige Abtastmuster ein erstes kreisförmiges oder ellipsenförmiges Abtastmuster mit einem ersten Durchmesser umfasst, das einem zweiten kreisförmigen oder ellipsenförmigen Abtastmuster mit einem zweiten Durchmesser überlagert ist, der hinsichtlich der Größe relativ zum ersten Durchmesser verschieden ist, wobei das zweite kreisförmige oder ellipsenförmige Abtastmuster durch den zweiten Spiegel erzeugt wird.
System nach Anspruch 13, wobei der Spiegel, der das erste kreisförmige oder ellipsenförmige Abtastmuster erzeugt, sich mit einer ersten Drehrate dreht und der zweite Spiegel sich mit einer zweiten Drehrate dreht, wobei die erste Drehrate und die zweite Drehrate voneinander verschieden sind.
System nach Anspruch 10, wobei das im Wesentlichen kreisförmige Abtastmuster sowohl eine Vorderkante als auch eine Hinterkante umfasst, so dass die Beschichtung zwei Durchläufen der Ausgabe ausgesetzt wird, wobei die Vorderkante und die Hinterkante jeweils einen spezifischen Einfallswinkel aufweisen.
System nach Anspruch 10, das ferner eine Linse umfasst, die die Ausgabe vom Spiegel empfängt.
System nach Anspruch 16, wobei die Linse eine Fokallinse mit einer Fokustiefe ist, die geändert werden kann, um das im Wesentlichen kreisförmige Abtastmuster zu modifizieren.
System nach Anspruch 16, wobei der Spiegel von der Drehachse des Motors in einem Versatzwinkel versetzt ist, der größer oder kleiner als ein Winkel zwischen einer Spiegelebene und der Drehachse des Motors ist, die im Wesentlichen zueinander orthogonal sind, so dass der Einfallswinkel der Ausgabe auf den Spiegel über eine einzelne Drehung des Spiegels variiert.
System nach Anspruch 9, wobei Abstimmparameter so ausgewählt werden, dass ermöglicht wird, dass die Ausgabe die Beschichtung anregt, während zumindest ein Teil der Oberfläche des Substrats entfernt wird.
System nach Anspruch 10, wobei die Beschichtung irgendeine von Korrosion, Farbe, Verunreinigungen oder Kombinationen davon umfasst.