DE19841168A1 - Verfahren zur Oberflächenbehandlung - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Oberflächenbehandlung von Materialien (10) mittels eines Laserstrahls, wobei bedingt durch eine direkte oder indirekte Strahleinwirkung Material von der Oberfläche (12) entfernt/verändert wird. Die Größe des Einwirkungspunktes (18) des Strahls (16) auf das Material (10) läßt sich wirksam begrenzen, wenn die zu behandelnde Oberfläche (12) und/oder eine andere Oberfläche (22) des Materials (20), durch welche der Laserstrahl (16) in das Material (20) einfällt, mit einem Fluid (24) benetzt wird.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Oberflä­ chenbehandlung von Materialien mittels eines oder mehrerer La­ serstrahlen, wobei, bedingt durch eine direkte oder indirekte Strahleinwirkung, Material von der Oberfläche entfernt und/oder verändert und/oder Material aufgebracht wird. Das Verfahren be­ trifft auch eine Oberflächenbehandlung von optisch zumindest überwiegend durchlässigen Materialien.

Die Laserbearbeitung von Materialien wie z. B. Metallen, Kunst­ stoffen oder Holz ist hinlänglich bekannt, wobei der tragende Effekt der Materialbearbeitung dadurch zustande kommt, daß durch den Laserstrahl ein relativ kleiner lokaler Punkt mit ei­ ner ausgesprochen hohen Energie beaufschlagt wird. Die mate­ rialabtragende Reaktion ist daher zumeist thermischer, d. h. physikalischer Natur. Es können jedoch auch chemische Reaktio­ nen an der zu behandelnden Oberfläche eine Rolle spielen. Ein gravierender Nachteil bei der Materialbearbeitung mittels La­ serstrahlen besteht darin, daß der Materialbereich um den Ein­ wirkungspunkt des Laserstrahls zumeist ebenfalls stark erhitzt wird bzw. ebenfalls mehr oder weniger physikalisch oder che­ misch reagiert. Das erhaltene Bearbeitungsergebnis ist daher hinsichtlich der gewünschten Exaktheit noch nicht völlig zu­ friedenstellend.

Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren bereitzustellen, bei welchem der lokale Bereich um den Laserstrahl, in welchem das Material verändert wird, stark eingeschränkt und weitestge­ hend auf den Punkt reduziert wird, an welchem der Strahl auf das Material auftrifft.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren gemäß den Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfin­ dung sind Gegenstand der untergeordneten Ansprüche.

In einer Alternative der Erfindung wird die zu behandelnde Oberfläche mit einem Fluid benetzt. Dies kann auf unterschied­ liche Weise, z. B. durch Eintauchen in das Fluid oder durch Auf­ bringen des Fluids auf die Oberfläche geschehen. Die Fluid­ schicht braucht nicht ausgesprochen dick zu sein. Es reicht in der Regel ein dünner Film aus. Wenn eine Kühlwirkung gewünscht ist, wird jedoch eine etwas stärkere Schicht vorzuziehen sein. Dadurch, daß die zu behandelnde Oberfläche mit dem Fluid in Kontakt steht, wird im Umgebungsbereich des Einwirkungspunktes des Laserstrahls die eingebrachte Energie durch das Fluid mit aufgenommen und somit stärker auf den tatsächlichen Einwir­ kungspunkt begrenzt. Weiterhin finden allein im unmittelbaren Bereich des Einwirkungspunktes des Strahls bzw. zwischen dem Strahleintritt in das Fluid und dem Auftreffpunkt auf das Mate­ rial physikalische Vorgänge, wie z. B. Mikroexplosionen statt, die dazu führen, daß bei der Bearbeitung des Materials auftre­ tende Bearbeitungsrückstände weggesprengt werden bzw. die Bear­ beitung des Materials erfolgt durch diese kleine Mikroexplosio­ nen, ohne daß die Strahleinwirkung selbst wesentlich zur Mate­ rialbearbeitung beiträgt.

In jedem Fall wird erreicht, daß die Wirkung des Laserstrahls fast ausschließlich auf den direkten Strahleinwirkungsbereich begrenzt wird. Die Bearbeitung kann somit sehr viel präziser erfolgen, als es bislang möglich war, wobei sich als vorteil­ hafter Nebeneffekt eine manuelle Nachbearbeitung zur Beseiti­ gung der Bearbeitungsrückstände erübrigt.

Anstelle eines Fluids zur Erzeugung eines physikalischen Effek­ tes können auch Fluide verwendet werden, bei denen die Einwir­ kung des Laserstrahls zu gewissen chemischen Reaktionen entwe­ der mit dem Laserstrahl, mit dem zu behandelnden Material oder mit beiden führt. Auch hier lassen sich die gewünschten Mate­ rialabtragungen bzw. Veränderungen auf nahezu auf den tat­ sächlichen Einwirkungsbereich des Laserstrahles begrenzen. Der lokale Wirkungsbereich ist zumindest gegenüber herkömmlicher Laserbearbeitung stark verringert. Das Fluid kann so z. B. einen Farbstoff oder Farbpigmente aufweisen, der/die im unmittelbaren Strahleinwirkungsbereich gebildet, freigesetzt und/oder auf dem Material abgeschieden werden. Die Farbpigmente werden durch den Laserstrahl chemisch oder physikalisch, z. B. thermisch oder op­ tisch aktiviert oder erzeugt.

Falls die Bearbeitung des Materials aus Materialgründen oder energetischen Gründen mit einer gewissen Wellenlänge erfolgen soll, die mit einer gegebenen Laservorrichtung entweder schwer oder gar nicht zu erzeugen ist, kann durch Verwendung eines wellenlängenbeeinflussenden Fluids die Wellenlänge der vorhan­ denen Laservorrichtung in Richtung auf die gewünschte Wellen­ länge verändert bzw. auf die gewünschte Wellenlänge eingestellt werden. Auf diese Weise erhält man eine an das Material oder an die gewünschte Behandlung energetisch optimierte Materialbear­ beitung, wobei nicht für jede Wellenlänge eine separate Laser­ vorrichtung vorgesehen werden muß. Vielmehr reicht das Vorsehen einer Laservorrichtung und verschiedener wellenlängenbeeinflus­ sender Fluide, mit denen sich die Wellenlänge, gegebenenfalls unter Berücksichtigung der Fluidschichtdicke auf einen ge­ wünschten Wellenlängenbereich einstellen läßt.

Selbstverständlich kann das Fluid während der Materialbearbei­ tung gekühlt werden, so daß man auch hierdurch die Strahlener­ gie im Umgebungsbereich des Laserstrahls wirksam ableiten und damit den Wirkungsbereich präzisieren bzw. verfeinern und damit die Auflösung (Genauigkeit und Feinheit) der Bearbeitung erhö­ hen kann. Als geeignete Fluide eignen sich in diesem Sinne bei­ spielsweise Wasser oder Öl.

Wenn ein absorbierendes oder zumindest teilweise absorbierendes Fluid verwendet wird, läßt sich erreichen, daß die Energie des Laserstrahls nicht in das Material eingeführt wird, sondern in das Fluid, wo es zu physikalischen oder chemischen Reaktionen, z. B. Mikroexplosionen führen kann, die dann ihrerseits die Ma­ terialbearbeitung bewirken. Dieses Verhalten läßt sich bei teilabsorbierenden Fluiden auch mit der direkten Materialbear­ beitung durch Strahleinwirkung kombinieren. Ein teilabsorbie­ rendes Fluid kann überdies dazu verwendet werden, den Laser­ strahl einer gegebenen Laservorrichtung auf eine gewünschte Stärke zu reduzieren, um eine materialoptimierte Strahlenergie am Bearbeitungspunkt zu erhalten. Dies läßt sich vor allem auch durch die Dicke der Fluidschicht steuern.

Als Fluid eignen sich Wasser, Öle, Lösungsmittel, Farbstoffge­ mische, organische Verbindungen oder anorganische Lösungen, Emulsionen oder Dispersionen.

Die aufgebrachte Fluidschicht kann überdies dazu verwendet wer­ den, die Bearbeitungsstelle von der Umgebungsatmosphäre zu iso­ lieren, um Oxidationen oder Verbrennungen aufgrund des Luftsau­ erstoffs oder eine Wechselwirkung des Materials mit anderen Gaskomponenten der Umgebungsatmosphäre zu verhindern. Das Fluid ist dann beispielsweise gasfrei und besitzt kein Gasaufnahme­ vermögen (z. B. Öle).

Eine andere Möglichkeit der Materialbearbeitung bei überwiegend optisch durchlässigen Materialien besteht darin, daß man die zu behandelnde Oberfläche nicht durch Beschuß mit einem Laser­ strahl von außen behandelt, sondern von der Rückseite oder ei­ ner anderen Fläche des Materials aus. In diesem Fall wird vor­ zugsweise auf der Strahleintrittsfläche des Materials ein Fluidfilm aufgebracht, der dazu führt, daß der Strahl kohärent bleibt und nicht aufweitet, wie dies z. B. bei einer rauhen Eintrittsfläche geschehen kann. Die Fluidschicht auf der Ein­ trittsfläche des Materials kann ebenfalls dazu verwendet wer­ den, eine zu starke Brechung oder Ablenkung des Strahls am Ein­ treffpunkt des Strahls zu verhindern. Das Fluid hat dann vor­ zugsweise einen Brechungsindex, der dem Brechungsindex des zu behandelnden Materials weitgehend angepaßt ist. Durch diese Maßnahme wird außerdem verhindert, daß die Energie des Laser­ strahls bereits am Auftreffpunkt in der Eintrittsfläche freige­ setzt wird und dort bereits zu Materialveränderungen führt. Der Strahl dringt dann durch das Material von innen her an die zu behandelnde Oberfläche, wo er im Bereich der Oberfläche absor­ biert wird, z. B. durch einen starken Sprung des Brechungsindex zur Umgebungsatmosphäre oder durch Aufbringen einer absor­ bierenden Schicht oder eines strahlabsorbierenden Fluids an der Bearbeitungsstelle. Die Strahlenergie wird somit an der zu be­ arbeitenden Oberfläche freigesetzt. Durch das definiertere Ein­ dringen des Laserstrahls über die Fluidschicht in die Strahl­ eintrittsfläche des Materials wird die Strahlgeometrie des La­ serstrahls weitgehend unverändert gelassen, wodurch der Wir­ kungsbereich des Strahles bereits dann präziser gehalten, d. h. verringert wird, wenn die Fluidschicht nur auf die Strahlein­ fallseite des Materials aufgebracht wird. Durch das Benetzen der zu behandelnden Oberfläche kann in diesem Fall alternativ oder zusätzlich eine weitere Eingrenzung des Wirkungsbereichs des Strahles erzielt werden, wobei hier die gleichen Aussagen gelten, wie sie oben im Zusammenhang mit der Strahlzuführung von außen auf die zu behandelnde Oberfläche gemacht wurden.

Die Erfindung wird nachfolgend beispielsweise anhand eines Aus­ führungsbeispiels im Zusammenhang mit der schematischen Zeich­ nung beschrieben. In dieser zeigen:

Fig. 1 einen Querschnitt durch ein zu behandelndes Material mit aufgebrachter Fluidschicht und dargestelltem Strah­ lengang des Lasers, und

Fig. 2 einen Querschnitt durch ein zu behandelndes optisch transparentes Material, bei welchem der Laserstrahl über die Rückseite des Materials zugeführt wird.

Fig. 1 zeigt ein Materialstück 10, das eine zu behandelnde Oberfläche 12 aufweist, die mit einer ausschnittsweise gezeig­ ten Fluidschicht 14 überschichtet ist. Ein Laserstrahl 16 wird durch das Fluid 14 auf einen Bearbeitungspunkt 18 auf der zu behandelnden Oberfläche 12 des Materials 10 geführt, von wo aus er teilweise wieder wegreflektiert wird. Aufgrund der Materi­ aleinwirkung des Laserstrahls 16 am Auftreff- oder Einwirkungs­ punkt 18 und/oder aufgrund der physikalischen oder chemischen Wechselwirkungen des Fluids im Bereich des Auftreffpunkts 18 wird das Material 10 in gewünschter Weise bearbeitet, z. B. ab­ getragen. Die physikalischen Reaktionen können sich derart ab­ spielen, daß aufgrund der freiwerdenden Energie im Bereich des Auftreffpunktes 18 Mikroexplosionen stattfinden, die die ge­ wünschten Materialveränderungen wie z. B. Abtrag oder Verfärbung herbeiführen. Falls die physikalischen oder chemischen Reaktio­ nen der Fluidschicht 14 für die Materialbearbeitung genutzt werden soll, muß die Fluidschicht entsprechend dünn sein, so daß der Strahl nur eine äußerst kurze Strecke, z. B. im Bereich weniger Mikrometer innerhalb des Fluids zurücklegt. Auf diese Weise läßt sich der Wirkungsbereich des Laserstrahls 16 auch durch die Stärke der Fluidschicht festlegen, die dann lediglich als dünner Film mit einer Stärke von 20 bis 5000 µm auf die zu behandelnde Oberfläche 12 aufgebracht werden sollte.

Fig. 2 zeigt ein Ausführungsbeispiel mit einem zumindest über­ wiegend transparenten Material 20, bei welchem der Laserstrahl 16 von der rückseitigen Strahleinfallfläche 22 des Materials her einstrahlt und somit durch das Material 20 selbst zum Auf­ treff- oder Einwirkungspunkt 18 geführt wird, von wo aus ein Teil wieder reflektiert wird. In diesem Zusammenhang wird dar­ auf aufmerksam gemacht, daß zu Fig. 1 identische oder funkti­ onsgleiche Elemente mit den gleichen Bezugszeichen versehen sind.

Die rückseitige Strahleinfallfläche 22 des Materials 20 kann rauh und uneben sein, weshalb üblicherweise an der rauhen Grenzfläche eine Auffächerung bzw. Aufweitung des Strahls auf­ treten würde, die dazu führen kann, daß die Strahlintensität zum einen geschwächt wird und der Strahleinwirkungspunkt 18 entsprechend vergrößert als auch das Material am Strahlein­ trittspunkt verändert wird. Diese rauhe Strahleinfallfläche 22 des Materials 20 wird nun mit einer ersten Fluidschicht 24 überschichtet, deren Brechungsindex dem Brechungsindex des op­ tisch transparenten Materials 20 weitgehend angepaßt ist. Der Austritt der Strahlerzeugungsvorrichtung kann entweder direkt in das Fluid 24 ragen oder es kann eine weitere Grenzfläche zwischen dem Fluid 24 und der Umgebungsatmosphäre vorgesehen sein. In beiden Fällen wird jedoch aufgrund der glatten Grenz­ fläche oder Grenzflächen und der geringen Brechung des Laser­ strahls 16 zwischen Fluid 24 und Material 20 an der rückseiti­ gen Strahleinfallfläche 22 des Materials der Strahl so gut wie gar nicht aufgeweitet oder aufgrund der Brechung an der Grenz­ fläche in seiner Geometrie verändert. Somit wird durch die Fluidschicht an der rückseitigen Strahleinfallsfläche der Wir­ kungsbereich 18 des Laserstrahls 16 an der zu behandelnden Oberfläche 12 stark eingegrenzt. Die zu behandelnde Oberfläche 12 des Materials 20 kann zusätzlich oder alternativ mit einer zweiten Fluidschicht 26 versehen sein, die den gleichen Zweck hat wie die Fluidschicht 14 im Ausführungsbeispiel der Fig. 1. Diese zweite Fluidschicht 26 kann z. B. den im Strahleinwir­ kungspunkt 18 einfallenden Laserstrahl zumindest teilweise ab­ sorbieren und somit die Energie des die Grenzfläche 12 passie­ renden Strahlenteils im Bereich des Einwirkungspunktes 18 frei­ setzen, z. B. in Form von Mikroexplosionen. In diesem Sinne kann das Fluid entsprechend physikalisch oder chemisch reaktiv ge­ wählt werden. Das Fluid der zweiten Fluidschicht 26 kann wei­ terhin einen gewünschten Brechungsindex aufweisen, um ein ge­ wünschtes Absorptionsverhalten des Laserstrahls am Strahlein­ wirkungspunkt 18 zu bewirken. Das Fluid kann darüber hinaus zur Kühlung des Strahleinwirkungspunktes 18 vorgesehen sein.

Durch beide Fluidschichten 24 und 26 wird somit separat als auch in Kombination eine lokale Begrenzung des Strahleinwir­ kungspunktes 18 im Bereich der zu behandelnden Oberfläche 12 der Materialien 10, 20 herbeigeführt.

Claims (12)

1. Verfahren zur Oberflächenbehandlung von Materialien mittels eines Laserstrahls, wobei mittels der direkten oder indirekten Strahleinwirkung Material von der Oberfläche entfernt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die zu behandelnde Oberfläche (12) und/oder im Falle eines optisch zumindest überwiegend durchlässigen Materials eine an­ dere Oberfläche (22) des Materials (10, 20), durch welche der Laserstrahl (16) in das Material (20) einfällt, mit einem Fluid (14, 24, 26) benetzt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein absorbierendes oder teilabsor­ bierendes Fluid (14, 24, 26) verwendet wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Fluid (14, 24, 26) Wasser oder Öl verwendet wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 oder 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein Fluid (14, 24, 26) verwendet wird, dessen Brechungsindex sich vom Brechungsindex des Materi- als (10, 20) deutlich unterscheidet.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein Fluid (14, 24, 26) verwendet wird, das die Lichtwellenlänge des Laserstrahls (16) verändert.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein Fluid (14, 24, 26) verwendet wird, das unter Lasereinstrahlung chemisch oder mecha­ nisch/physikalisch reaktiv ist.

7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Fluid (14, 24, 26) zumindest wäh­ rend der Laserbearbeitung das Materials gekühlt wird.

8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein Fluid (14, 24, 26) verwendet wird, welches kein Gasaufnahmevermögen hat und gasfrei ist.

9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Fluid (14, 26) als dünne Schicht oder dünner Film auf die zu behandelnde Oberfläche (12) oder Strahleinfallfläche (22) aufgebracht wird.

10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Schicht (14, 24, 26) in einer Stärke von 1 bis 5000 µm, insbesondere 10 bis 500 µm, aufge­ bracht wird.

11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Fluid (14, 24, 26) Metall-, Deck- oder Farbpigmente enthält.

12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Pigmente unter Einwirkung des Laserstrahls (16) bilden, freigesetzt werden und/oder sich auf dem Material abscheiden.