DE19920813A1 - Vorrichtung zum Materialabtragen bei Werkstücken mittels Laserstrahl - Google Patents
Vorrichtung zum Materialabtragen bei Werkstücken mittels LaserstrahlInfo
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Abstract
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Abtragen von Material bei einem Werkstück mittels eines Laserstrahles, insbesondere eine Laserbohrvorrichtung, umfassend eine Laseranordnung zur Erzeugung eines Laserstrahles, der aus wenigstens einem Laserpuls besteht, der durch Parameterwerte wie z. B. Pulsdauer, Pulsabstand, Laserwellenlänge, Laserintensität charakterisiert ist. DOLLAR A Um eine derartige Vorrichtung hinsichtlich Abtragungsfortschritt und Abtragungspräzision zu verbessern, wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, die Laseranordnung so auszugestalten, daß sie wenigstens zwei Typen von Laserpulsen erzeugt, die sich hinsichtlich mindestens eines Parameterwertes unterscheiden.
Description
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Abtragen von
Material bei einem Werkstück mittels eines Laserstrahles mit
den Merkmalen des Oberbegriffes des Anspruches 1.
Eine derartige Vorrichtung umfaßt üblicherweise eine
Laseranordnung zur Erzeugung eines Laserstrahles aus
wenigstens einem Laserpuls, der Parameterwerte zumindest für
Laserwellenlänge, Pulsdauer, Pulsabstand und Laserintensität
aufweist.
Vorrichtungen dieser Art werden insbesondere dazu verwendet,
in einem Werkstück Bohrungen mit höchster Präzision
auszubilden. Obwohl die Erfindung im folgenden mit Bezug auf
eine Laserbohrvorrichtung beschrieben ist, ist klar, daß die
erfindungsgemäßen Maßnahmen auch bei anderen Vorrichtungen
anwendbar sind, die mittels Laserstrahl bei einem Werkstück
eine präzise Materialabtragung bewirken, unabhängig davon,
ob diese Materialabtragung nach Art eines Bohr-, Fräs- oder
Schneidvorganges od. dgl. erfolgt.
Beim Ausbilden einer Laserbohrung wird an der Auftreffstelle
des Laserstrahls das Material durch Verflüssigung und
Verdampfung abgetragen bzw. ausgetrieben. Die Präzision
einer derartigen Laserbohrung wird durch unvollständig
ausgetriebenes Material, das sich vor allem als Schmelze im
Bohrloch ablagert, erheblich beeinträchtigt. Um den
Materialaustrieb zu verbessern, kann die Laserintensität
gesteigert werden. Dadurch erhöht sich der durch den
Laserstrahl erzeugte Dampfdruck und damit auch der
Materialaustrieb. Ein erhöhter Dampfdruck bewirkt jedoch
gleichzeitig eine verstärkte Abschirmung des Laserstrahls,
wodurch sich die Bohrgeschwindigkeit sowie die maximal
erreichbare Bohrtiefe reduzieren.
Dieser Zusammenhang wird damit begründet, daß sich beim
Laserbohren im Bohrloch Plasma bildet, das die
Laserstrahlung teilweise absorbiert und somit abschwächt, so
daß sich die Bohrgeschwindigkeit und die maximal erreichbare
Bohrtiefe verringern. Gleichzeitig wird das Plasma durch das
teilweise Absorbieren des Laserstrahls erwärmt, wodurch sich
im Plasma der Druck erhöht, was dazu führt, daß sich der
Materialaustrieb und somit die Bohrpräzision verbessert.
Außerdem bewirkt das Plasma eine Glättung und Aufweitung der
Bohrungswandung.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung, insbesondere wenn sie als
Laserbohrvorrichtung ausgebildet ist, hat demgegenüber den
Vorteil, daß die Laseranlage mit wenigstens zwei Typen von
Laserpulsen arbeitet, wobei der eine Laserpulstyp durch eine
geeignete Wahl seiner Parameterwerte, z. B. beim Bohren,
hinsichtlich einer maximalen Bohrtiefe und
Bohrgeschwindigkeit ausgelegt ist, während der andere
Laserpulstyp durch eine entsprechende Auswahl seiner
Parameterwerte, z. B. beim Bohren hinsichtlich eines
maximalen Materialaustriebes optimiert ist. Die wenigstens
zwei Laserpulstypen können dabei so aufeinander abgestimmt
werden, daß sich beispielsweise bei einer
Laserbohrvorrichtung optimale Werte für die maximal
erreichbare Bohrtiefe, für die Bohrgeschwindigkeit und für
die Präzision der Bohrung ergeben.
Die Erfindung beruht dabei auf der Erkenntnis, daß z. B. beim
Laserbohren die Werte für Bohrtiefe, Bohrfortschrift und
Bohrqualität von bestimmten Parameterwerten des Laserpulses
besonders stark abhängen. Die insoweit wichtigen
Parameterwerte sind z. B. Laserintensität, Laserwellenlänge,
Pulsdauer und Pulsabstand, wobei letzterer den zeitlichen
Abstand zwischen aufeinanderfolgenden Laserpulsen wiedergibt
und mit der Pulsfrequenz des Laserstrahles korreliert.
Beispielsweise nimmt eine Wechselwirkung elektromagnetischer
Strahlung mit einem im Bohrloch vorhandenen Plasma mit der
Laserwellenlänge zu; die Wechselwirkung nimmt dabei
proportional zum Quadrat der Laserwellenlänge zu. Das
bedeutet, daß eine größere Laserwellenlänge eine stärkere
Wechselwirkung mit dem Plasma aufweist und somit eine
stärkere Plasmabildung sowie eine größere Druckerhöhung im
Plasma bewirkt, während eine kürzere Laserwellenlänge
weniger Plasma bildet und außerdem relativ ungehindert durch
das Plasma hindurchtritt. Somit bewirkt eine kürzere
Laserwellenlänge eine höhere Bohrgeschwindigkeit sowie eine
größere maximale Bohrtiefe, während eine größere
Laserwellenlänge die Bohrqualität verbessert. Ein ähnlicher
Zusammenhang ergibt sich durch die Auswahl der Pulsdauer,
insbesondere in Verbindung mit einer damit abgestimmten
Laserintensität. Während eine längere Pulsdauer selbst bei
geringerer Laserintensität einen schnelleren Bohrfortschritt
bewirkt und dabei weniger Plasma bildet, sorgt eine kürzere
Pulsdauer, insbesondere bei höherer Laserintensität, für
eine stärkere Plasmabildung, die Ablagerungen auf der
Bohrungswand verhindert bzw. beseitigt, wodurch sich die
Bohrpräzision erhöht.
Entsprechend einer vorteilhaften Ausführungsform kann die
Laseranordnung so ausgestaltet sein, daß sie einen
Laserstrahl erzeugt, bei dem mindestens ein Laserpuls des
einen Typs auf wenigstens einen Laserpuls des anderen Typs
folgt. Auf diese Weise können z. B. beim Laserbohren
Bohrphasen mit hoher Bohrgeschwindigkeit und Bohrphasen mit
starkem Materialaustrieb mit Hilfe eines einzigen
Laserstrahls erzeugt werden.
Bei einer Variante kann die Laseranordnung so ausgestaltet
sein, daß sie zwei koaxiale Laserstrahlen erzeugt, von denen
der eine aus wenigstens einem Laserpuls des einen Typs und
der andere aus wenigstens einem Laserpuls des anderen Typs
besteht. Auf diese Weise bewirkt der eine Laserstrahl eine
hohe Bohrgeschwindigkeit und der andere Laserstrahl eine
hohe Bohrqualität.
Bei einer anderen Ausführungsform kann die Laseranordnung
zwei Lasergeneratoren oder Laser aufweisen, von denen der
eine einen Laserstrahl mit mindestens einem Laserpuls des
einen Typs und der andere einen Laserstrahl mit mindestens
einem Laserpuls des anderen Typs erzeugt, wobei die
Laseranordnung dann auch eine Optikanordnung aufweist, die
die Laser zusammenschaltet und deren Laserstrahlen koaxial
ausrichtet. Durch diese Maßnahmen können bestehende
Laseranordnungen, die z. B. entweder zur Erzielung einer
hohen Bohrgeschwindigkeit oder zur Erzielung einer hohen
Bohrpräzision optimiert sind, zur erfindungsgemäßen
Vorrichtung zusammengesetzt werden, die die Vorteile beider
Laser nutzt.
Bei einer besonderen Ausführungsform kann die Pulsdauer
wenigstens eines der Laserpulstypen etwa so groß sein wie
die Zeitdauer, die zur Durchführung eines
Materialabtragungsvorganges, insbesondere einer Bohrung,
erforderlich ist.
Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der erfindungsgemäßen
Vorrichtung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus den
Zeichnungen und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung
anhand der Zeichnungen.
Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind
in den Zeichnungen dargestellt und werden im folgenden näher
erläutert. Es zeigen, jeweils schematisch,
Fig. 1 eine schaltplanartige Prinzipdarstellung einer
Vorrichtung nach der Erfindung in einer ersten
Ausführungsform und
Fig. 2 eine schaltplanartige Prinzipdarstellung der
Vorrichtung nach der Erfindung in einer zweiten
Ausführungsform.
Entsprechend Fig. 1 weist bei einer als Laserbohrvorrichtung
ausgebildeten Vorrichtung nach der Erfindung eine
Laseranordnung 1 in einer ersten Ausführungsform
entsprechend Fig. 1 einen zum Bohren geeigneten gepulsten
Laser 2 auf, der insbesondere ein gütegeschalteter
Festkörperlaser sein kann. Dieser Laser 2 generiert einen
Laserstrahl 3, der durch eine durchgezogene Linie
symbolisiert ist. Dieser Laserstrahl 3 ist aus Laserpulsen
aufgebaut, die eine bestimmte Laserwellenlänge aufweisen.
Beispielsweise beträgt diese Laserwellenlänge bei einem
Nd:YAG-Laser 1064 nm, das ist die Grundwellenlänge dieses
Laser-Typs.
Der Laserstrahl 3 wird einem Frequenzvervielfacher 4
zugeleitet, in dem durch Frequenzvervielfachung Laserpulse
mit einer kürzeren Laserwellenlänge erzeugt werden. Ein
Frequenzvervielfacher 4 besteht üblicherweise aus einem
Kristall oder aus Kristallen, die aus einer Grundwellenlänge
wenigstens eine zugehörige harmonische Wellenlänge erzeugen.
Die kürzere Laserwellenlänge ist somit vorzugsweise eine
harmonische Wellenlänge zur Grundwellenlänge des jeweiligen
Laser-Typs; bei einem Nd:YAG-Laser betragen die harmonischen
Wellenlängen z. B. 532 nm, 355 nm, 266 nm. Anstelle der
Grundwellenlänge als längere Laserwellenlänge und einer
harmonischen Wellenlänge als kürzere Laserwellenlänge können
auch eine harmonische Wellenlänge als längere
Laserwellenlänge und eine der darauf folgenden harmonische
Wellenlänge als kürzere Laserwellenlänge verwendet werden.
Aus dem Frequenzvervielfacher 4 tritt somit ein mit
durchgezogener Linie dargestellter erster Laserstrahl 5 aus,
dessen Laserpulse eine größere Laserwellenlänge aufweisen,
sowie ein mit unterbrochener Linie dargestellter zweiter
Laserstrahl 6, dessen Laserpulse eine kürzere
Laserwellenlänge aufweisen.
Nach dem Frequenzvervielfacher 4 treffen die Laserstrahlen 5
und 6 auf einen ersten Teilerspiegel 7, der beispielsweise
aus einer dielektrisch beschichteten Glasplatte besteht und
eine hohe Transmission für die längere Laserwellenlänge und
eine hohe Reflexion für die kürzere Laserwellenlänge
aufweist. In den durch den Teilerspiegel 7 getrennten
Strahlwegen der beiden Laserstrahlen 5 und 6 ist jeweils ein
Strahlunterbrecher 8 bzw. 9 angeordnet, die beispielsweise
durch einen mechanischen Unterbrecher, einen sogenannten
"Chopper"' oder aus einem elektrisch ansteuerbaren
Strahlschalter, z. B. Pockelszelle, gebildet sind. Nach den
Strahlunterbrechern 8 und 9 werden die beiden Laserstrahlen
5 und 6 über einen zweiten Teilerspiegel 10 wieder
zusammengeführt und koaxial zueinander ausgerichtet. Auch
der zweite Teilerspiegel 10 besteht vorzugsweise aus einer
dielektrisch beschichteten Glasplatte mit hoher Transmission
für die größere Laserwellenlänge und hoher Reflexion für die
kleinere Laserwellenlänge.
Durch eine entsprechende Betätigung der Strahlunterbrecher 8
und 9 können beispielsweise Laserpulse des einen Typs (z. B.
mit größerer Laserwellenlänge) mit Laserpulsen des anderen
Typs (z. B. mit kürzerer Laserwellenlänge) einander
abwechseln. Ebenso ist es möglich, eine Serie von
Laserpulsen des einen Typs mit einer Serie von Laserpulsen
des anderen Typs abzuwechseln. Für eine bestimmte Anwendung
kann es auch zweckmäßig sein, die beiden Laserstrahlen 5 und
6 bzw. deren Laserpulse gleichzeitig am jeweiligen Werkstück
auftreffen zu lassen.
Entsprechend Fig. 2 ist eine Laseranordnung 11 bei einer
ebenfalls als Laserbohrvorrichtung ausgebildeten Vorrichtung
nach der Erfindung mit einem zum Bohren geeigneten gepulsten
Laser 12, vorzugsweise mit einem Festkörperlaser,
ausgestattet, der einen Resonator 13 aufweist, in dem ein
Laserkristall 19 angeordnet ist, das beispielsweise als Rod-
Kristall oder Slab-Kristall ausgebildet ist. In einem
Resonator 13 der Laseranordnung sind beiderseits des Lasers
12 ein erstes Brewsterfenster 14 sowie ein zweites
Brewsterfenster 15 angeordnet, mit deren Hilfe eine lineare
Polarisation des vom Laser 12 erzeugten Laserstrahles
durchgeführt wird. Im Resonator 13 ist außerdem eine
Pockelszelle 16 angeordnet, die für Laserpulse mit einer
vorgegebenen längeren Pulsdauer freilaufend geschaltet ist
und für Laserpulse mit einer vorbestimmter kürzeren
Pulsdauer als Güteschalter arbeitet. Die lange Pulsdauer
kann beispielsweise 150 µs betragen, während die kurze
Pulsdauer beispielsweise 10 ns beträgt.
Des weiteren sind im Resonator 13 ein Endspiegel 17 sowie
ein Auskoppelspiegel 18 angeordnet.
Bei einer Ausführung mit einem Slab-Kristall sind die
Brewsterfenster 14 und 15 nicht erforderlich. Anstelle einer
Pockelszelle 16 kann auch ein anderer geeigneter
Güteschalter verwendet werden. Außerdem ist es möglich, die
Vorrichtung 11 mit unterschiedlichen Laserwellenlängen
aufzubauen, um die Einkopplung für verschiebene Materialien
anzupassen. Bei der Vorrichtung 11 gemäß Fig. 2 kann die
Laseranregung sowohl mit Blitzlampen als auch mit Dioden
erfolgen.
Zur Durchführung einer Laserbohrung kann die Laseranordnung
11 dann so betrieben werden, daß sich Laserpulse mit langer
Pulsdauer und Laserpulse mit kurzer Pulsdauer abwechseln.
Ebenso kann eine Serie von Laserpulsen des einen Typs (z. B.
mit langer Pulsdauer) auf eine Serie von Laserpulsen des
anderen Typs (z. B. mit kurzer Pulsdauer) folgen. Auf diese
Weise ist es insbesondere möglich, während einer ersten
Bohrphase mit Laserpulsen mit der längeren Pulsdauer in
einem Werkstück die darin einzubringende Bohrung rasch bis
zu einer gewünschten Bohrtiefe voranzutreiben und während
einer zweiten Bohrphase mit Laserpulsen mit der kurzen
Pulsdauer diese Bohrung zu säubern bzw. zu präzisieren.
Im Unterschied zu den gezeigten Ausführungsbeispielen, in
denen die Laserstrahlen mit sich in ihren Parameterwerten
unterscheidenden Laserpulsen innerhalb eines Lasersystems
erzeugt werden, sind auch andere Ausführungsformen möglich,
bei der die jeweilige Laseranordnung wenigstens zwei
Lasersysteme aufweist, die jeweils einen Laserstrahl mit
einem Laserpulstyp erzeugen, wobei sich die Parameterwerte
der Laserpulse bei den Lasersystemen unterscheiden. Eine
solche Laseranordnung weist dann eine entsprechende
Optikanordnung auf, um die unterschiedlichen Laserstrahlen
koaxial zueinander auszurichten.
Claims (9)
1. Vorrichtung zum Abtragen von Material bei einem Werkstück
mittels eines Laserstrahles (5, 6), insbesondere
Laserbohrvorrichtung, umfassend eine Laseranordnung (1; 11)
zur Erzeugung des Laserstrahles (5, 6) aus wenigstens einem
Laserpuls, der Parameterwerte zumindest für Pulsdauer,
Pulsabstand, Laserwellenlänge, Laserintensität aufweist,
dadurch gekennzeichnet, daß die Laseranordnung (1; 11)
wenigstens zwei Typen von Laserpulsen erzeugt, die sich
hinsichtlich mindestens eines Parameterwertes unterscheiden.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
sich die Laserpulstypen hinsichtlich Laserwellenlänge
und/oder Pulsdauer und/oder Laserintensität und/oder
Pulsabstand unterscheiden.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch
gekennzeichnet, daß die Laseranordnung (1; 11) einen
Laserstrahl erzeugt, bei dem mindestens ein Laserpuls des
einen Typs auf wenigstens einen Laserpuls des anderen Typs
folgt.
4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch
gekennzeichnet, daß die Laseranordnung (1; 11) zwei koaxiale
Laserstrahlen (5, 6) erzeugt, von denen der eine aus
Laserpulsen des einen Typs und der andere aus Laserpulsen
des anderen Typs besteht.
5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch
gekennzeichnet, daß die Laseranordnung (1; 11) zwei Laser
aufweist, von denen der eine einen Laserstrahl mit
mindestens einem Laserpuls des einen Typs und der andere
einen Laserstrahl mit mindestens einem Laserpuls des anderen
Typs erzeugt, wobei die Laseranordnung eine Optikanordnung
aufweist, die die Laser zusammenschaltet und deren
Laserstrahlen koaxial ausrichtet.
6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch
gekennzeichnet, daß die Pulsdauer des einen Laserpulstyps
wenigsten um einen Faktor 103 größer oder kleiner als die
Pulsdauer des anderen Laserpulstyps ist.
7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch
gekennzeichnet, daß die Laserwellenlängen der Laserpulstypen
zueinander harmonisch sind.
8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch
gekennzeichnet, daß der Laserpulstyp mit der kürzeren
Pulsdauer eine höhere Laserintensität aufweist als der
Laserpulstyp mit der längeren Pulsdauer.
9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch
gekennzeichnet, daß die Pulsdauer wenigstens eines der
Laserpulstypen etwa so groß ist wie die zur Durchführung
eines Materialabtragungsvorganges, insbesondere einer
Bohrung, erforderliche Zeitdauer.
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