DE2001313A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Werkstoffbearbeitung unter Verwendung von Laserstrahlen - Google Patents

Description

THE UNIVERSITY OP BIRMINGHAM, Birmingham 15 und SP/RCATRON LIMITED, Tuffley Crescent, Gloucester, G-ro3britc.nnien

Verfahren unl Vorrichtung aur Works toffbearbeitung unter Verwendung von Laserstrahlen

Die Erfindung betrifft Verfahren und Vorrichtungen zum Be^rboiten von V/erk:;tof:.'en unter Verwendung von Lasersti· hlcn.

zur .Tiafiohincllen Bearbeitung von V/erkstof L'en unter Verwendung von i>..^rjern (Verstärkung einer Liclitstruhluii'; iuroh erzwungene wtr^hlungsemission) finden in der letz ton Zeit oine zunehmende Ver.venclung und sind beisonders vorteilhaft; in den Killen, in welchen duö herkömmliche Bohren uchwierigkeiben macht. Ein Beispiel dafür iat dna Bilden sehr kleiner Löcher in keramischen Triigermatarialien für milcroelektroni3che Komponenten in integrierten ,Schaltungen. Meri ist jedoch nur eines der vielen An- ?/endungi3.'-ebiete der La.nar bei Y/erkzeugraaaohinen.

Bei Verwendung von ijaoern nlu Kriorgiequelle zur Material-

bCirbfjitung iat erj notwendig, eine mögliche Verletzung

der J',edienung.'iper.jon oder jeder Perrjon, die oinh in der

N::he don IJyatema aufhält, zu vermelden. Die vom Laoer

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als elektromagnetische Strahlung erzeugten Strahlen sichtbaren und manchmal unsichtbaren Lichts können äußerst hohe Leistungsabgaben haben und ernsthafte Schäden an den Augen und/oder der Haut hervorrufen. Wird die Ausgangsenergieleistung weiter konzentriert, wie z.B. durch ein optisches System, so steigt die Leistungsintensität (Leistung pro Flächeneinheit) wieter und erhöht somit das potentielle Risiko für den Menschen.

Obwohl verschiedene Vorschläge veröffentlicht worden sind, die gewisse gefahrlose Energisdichte- und Impulswerte empfehlen, ist zu berücksichtigen, daß bei allen Systemen zur Werkstoffbearbeitung unter Verwendung von Lasern die Ausgangsleistung die empfohlenen Sicherheitswerte übersteigt. Pies bedeutet, daß die Bedienungsperson und jede andere Person vorn potentiell gefährlichen Strahlenbündel abgeschirmt werden muß. Ein Mittel zur Erreichung dieses Zieles ist in der vorliegenden Anmeldung beschrieben.

In der vorliegenden Beschreibung wird zweckmäßigerweise der das optische Lasersystem verlassende un>i auf das Werkstück au.ffcre (Tende Strahl als Priraärstrahl und der vom Werkstück auf einen anderen Gegenstand zurückgeworfene Strahl als Sekundäratruhl bezeichnet,

'te wird ein Mittel, beschrieben, das die Vereinfachung der I''oku;.;i oranor Inungen im Laseraystem ermöglicht. Um berechnete Krgebnisno bei der MateriaLbe.irbei.tung unter Verwendung eines Lasersystems zu erhalten, Ist es notwendig, die beistungsintensität (Leistung pro PLächeneiüheit) der auf dau Werkstück einfaLLenden Ausgangsleistung zu kennen. Ks ist gewöhnlich erforderlich, den Auagungontrahl auf die Oberfläche des Werk3tücke3 oder sehr nahe an diese Oberfläche zu fokussieren. Dies bedeutet, daß

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das optische Lasersystem für verschiedene · Werkstückdicken nachfokussiert oder das Werkstück in Bezug auf die Brennpunktebene "bewegt werden muß.

Pig. 1 der beigefügten Zeichnungen zeigt eine gewöhnlich verwendete Anordnung für ein Lasersystem zur Werkstoffbearbeitung. Das V/erkstück 1 befindet sich hier zwischen dem im allgemeinen mit 2 bezeichneten optischen Lasersystem und einem Tisch 3· Die Schwierigkeiten beim Um- ^ manteln des Primär- und des Sekundärstrahlenbündels und ™ beim genauen Einstellen des Werkstückes in Bezug auf die Mittelachse des Strahlenbündels sind überwunden, indem z.B. das Werkstück umhüllt und eine Fernbedienung vorgesehen ist.

Der Laserstrahl muß an einem bekannten Punkt in Bezug auf den Punkt seines Eintritts zum Werkstück fokussiert werden, wobei ein Nachteil der herkömmlichen Systeme in der Notwendigkeit besteht, das optische Lasersystem nachfokussieren zu müssen, nachdem ein neues Werkstück an Stelle eines vorherigen Werkstückes mit unterschiedlicher Dicke verv/endet wurde. Auch die genaue Einstellung des Werk- I

Stückes in Bezug auf die Mittelachse des Laserstrahlenbündels hat sich als schwierig erwiesen, insbesondere wenn es sich um eine Reihe aufeinanderfolgender unterschiedlich geformter Werkstücke handelt, da die Bedienungsperson den Arbeitsbereich nicht sehen kann, bevor der Laser gezündet 7/ird. Derartige Schwierigkeiten bei den herkömmlichen Systemen können bis zu einem gewissen Maß durch Verwendung kostspieliger und komplizierter Pernbetrachtun^sgerüte überwunden werden.

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Allgemein gesprochen schafft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Bearbeiten von Werkstoffen unter Verwendung eines Laserstrahls, wobei das Werkstück auf eine Stütze gelegt und der Laserstrahl von unten nach oben durch ein Loch in der Stütze gegen die Unterseite des Werkstückes gerichtet und in der Höhe des oberen Endes des Loches in der Stütze fokussiert wird.

Dieser Vorgang hat den Vorteil, daß^da die Höhe des oberen Endes des Loches in der Stütze genau bestimmbar ist, ein in dieser Höhe voreingestellter Laserstrahl für über das Loch in der Stütze gelegte Werkstücke unterschiedlicher Dicke richtig fokussiert v/erden kann. Ein ebenso wichtiger praktischer Vorteil besteht darin, daß die Stütze zum Umhüllen des Laserstrahls zum Vermeiden von Streuemission verwendet werden kann.

Darüber hinaus wird in Verbindung mit anderen nachfolgend beschriebenen Mitteln eine Vorrichtung geschaffen, die in ihrem Arbeitszustand wenig oder keine Gefahr für die das Verfahren überwachenden Personen darstellt.

Eine erfindungs^emäße Vorrichtung zur Werkstoffbearbeitung unter Verwendung von Laserstrahlen weist eine Stütze in Form eines Werktisches mit einer Öffnung auf, wobei unterhalb des Werktisches und von diesem Werktisch zumindest teilweise umhüllt ein Laserstrahlsender und ein optisches System vorgesehen sind, durch welche der Primärstrahl nnch oben durch die besagte Öffnung gerichtet und im wesentlichen in der Höhe des Oberteils der Öffnung im Werktisch so fokussiert werden kann, daß er auf der Unterseite eities am Werktisch über seiner Öffnung liegenden Werkstücken unbeachtet seiner Dicke richtig fokussiert wird,

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Gemäß einem weiteren bevorzugten Merkmal der Erfindung zum Zentrieren des Werkstückes, ist oberhalb des Werktisches eine Tastsonde angeordnet, die entlang der Achse des Laserstrahles bewegbar ist und auf das Werkstück gesenkt werden kann, um auf seiner oberen Seite die Stellung der Achse anzuzeigen.

Diese Sonde ist vorzugsweise so angeordnet, dsiß beim weiteren Tiefersenken der Sonde in Abwesenheit eines Werk- j Stückes die Sonde die besagte Öffnung schließt und als weitere Sicherung bei zufälliger Emission des Laserstrahles fungiert.

Ein Verschluß kann vorgesehen sein, der normalerweise die Öffnung im Werktisch verschließt, jedoch mit der Sonde mechanisch oder elektrisch verbunden ist und selbsttätig entfernt wird, wenn die Sonde gesenkt und mit dem Werkstück in Anlage gebracht wird.

In Verbindung mit der Sondenbetätigung kann ein Sicherheitsschalter zum Verhindern der Laserstrahlenemission — es sei denn, daß die Sonde gesenkt und mit einem Werk- ™ stück in Kontakt gebracht worden ist — oder zum Verschliessen der besagten Öffnung vorgesehen sein.

In der Praxis ist eine Arbeitsschablone oberhalb des Werk.stückes angeordnet, die eine Anzeigeeinrichtung aufweist, durch welche sie mit der Sonde leicht und richtig ausgerichtet werden kann.

Bei einer weiteren Alternativanordnung befindet sich das V/erkfJtück zwischen einer Schablone und einer Stutzplatte, die e-iria Vielzahl von Löchern hat, die mit jenen der Schablone fluchten. Nachdem die Stützplatte auf den Werk-

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ti.;: α: -legt wird, wird das optische Lasersystem eingec , i.ini den Strahl in der Höhe der oberen Stirnfläche fc:. platte zu fokussieren.

. c.■-.v ohiedene erfindungsgemäße Ausführungsformen sind in den Fig. 2 bis 5 der beigefügten Zeichnungen Schenktisch dargestellt; darin zeigen:

Fig. 2 die Relrtivstc-llungen eines Lasersenders, eines optischen Las er sy st ein s, eines Werktisches und eines Werkstückes nach einem erfindungsgemä.3en Arbeitsver feihren;

Fig. 3 ein ab^andeltes Arbeitsverfahren, nach welchem da3 Werkstück zwischen einer Schablone und einer Stützplatte liegt, wie auch in der perspektivischen Ansicht der Fig. 4 dargestellt; und

Fig. 5 eine Suchsonde, die bei der Vorrichtung nach Fig. 2 oder 3 verwendet werden kann.

Bezugnehmend zunächst auf Fig. 2, stellt 10 ein Werkstück, z.B. eine keramische Unterlage Tür mikroelektronische Komponenten, dar, die bei Verwendung eine3 Laserstrahles ein durchgehendes Loch aufweisen mu'3.

KrrindungagemfiM ist der Iiiisersender und sein optisches System, das im allgemeinen mit Λ) bezeichnet ist, unterhalb eines Werktisches 30 angeordnet, wobei das optische System 20 so angeordnet ist, da!3 es den Strahl durch ein im Werktisch 30 vorgesehenen hoch 31 richten kann·

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Der Werktisch 30 ummantelt teilweise den Strahl, wobei die Ummantelung durch die Schutzwände 32 fortgesetzt wird, die den Strahlensender und das optische System 20 seitlich umschliessen.

Liegt — wie in JFig· 2 gezeigt — das Werkstück 10 unmittelbar am Werktisch 30, so kann das optische System eingestellt werden, damit der Laserstrahl in der Höhe des oberen Endes des Loches 31, d.h. in der Höhe der oberen Stirnfläche des Werktisches 30, in Voreinstellung fokus- d siert wird. Der Strahl wird dann für am Werktisch 30 über dem Loch 31 liegende Werkstücke verschiedener Dicke richtig fokussiert.

Um die Achse des Laserstrahls anzuzeigen und somit dem Werkstück 10 zu einer richtigen Einstellung zu verhelfen, ist eine zum Loch 31 und weg von ihm entlang der Achse des Strahles bewegbare Sonde 40 vorgesehen. In Verbindung mit der Sonde kann eine Schablone 50 vorgesehen sein, die an ihrer Unterseite das Yferkstück trägt. Das Werkstück 10 kann dann in Stellung gebracht werden, indem die Sonde 40 mit einem Loch 51 in der Schablone 50 fluchtrecht gemacht |

Wie in den Fig. 3 und 4 gezeigt, kann das Werkstück 10 wahlweise zwischen etie Schablone 50 und eine Stützplatte 60 eingeklemmt v/erden, wobei die letztere ein oder mehrere Löcher 61 hat, die mit dem Loch 31 im Werktisch 30 fluchtrecht gemacht werden können. Wie gezeigt, hat die Grundplatte 60 drei solche Löcher, wobei durch Herstellung dreier entsprechender Locher in der Schablone 50 die Sonde verwendet v/erden kann, um das Werkstück 3O auszurichten, daß in ihm drei akkurate Löcher gebildet werden können, indem d^r; '/«erkntück zun&mmen mit der Schablone 50 und der

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Grundplatte 60 entsprechend über dem Loch 31 wiedereingestellt wird. Die Schablone 50 und die Grundplatte 60 weisen entsprechende Verkeilungsmittel an Stellen auf, die mit 62 bezeichnet sind.

Wie in den Fig. 2 und 3 gezeigt, kann die Sonde eine einfache Stange mit einem spitzen oder kegelstumpfförmigen unteren Ende sein, das mit den Schablonelöchern fluchtrecht gemacht werden kann. Wie in Pig· 5 gezeigt, kann die Sonde 40 wahlweise eine Bohrung aufweisen, durch welche ein Bohrer oder eine Reibahle heruntergeschoben werden kann, um ein durch den Laserstrahl gebildetes Loch auszuweiten.

Die Sonde 40 bildet insofern eine brauchbare Sicherheitsvorrichtung, als sie in ihrer Stellung, in welcher sie in das Loch in der Schablone 50 eingreift, eine Streuemission des Laserstrahles sogar dann verhindert, wenn der Strahl in das Werkstück eingedrungen ist. Demgemäß sind vorzugsweise Mittel vorgesehen, durch welche der Lasersender daran gehindert wird, zu arbeiten, ausgenommen die Fälle, in welchen die Sonde entweder in d;.;s Loch 51 oder in das Loch 31 eingreift. Diese Mittel bestehen aus einfachen mechanischen oder elektrischen Sperrteilen, die in der Technik auf dem Gebiet des Werkzeugmaschinenbaues allgemein bekennt sind.

Solche einfache mechanische oder elektrische Verriegelungen können auch zum steuern eines Verschlusses 70 verwendet werden, der in Fig. 3 gezeigt und angeordnet ist, das Loch 31 im Werktisch H) abzudecken. Der Verschluß 70 ist so angeordnet, ά;·Λ\ ur d.-.-s Loch 31 nur dann freigibt, wenn die Sonde bei itror Abwärtsbewegung einem Widerstand begegnet,

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Die folgenden Ziele können also erfindungsgemäß errreicht werden:

1. Unter Bezugnahme auf die Pig. 2 und 3 ist ersichtlich, daß der Primär- und der Sekundärstrahl ungeachtet der Materialdicke vollständig umfaßt enthalten sind. Die Sonde und der Verschluß können mit einfachen mechanischen und/oder elektrischen Verriegelungen versehen sein, um den laser zu isolieren, falls das System nicht durch das Werkstück und die richtig in Stellung gebrachte Sonde verschlossen ist.

2. Die Arbeitsebene verbleibt konstant und zwar ungeachtet der Materialdicke, wodurch die Notwendigkeit einer Nachstellung der Brennpunktebene bei der Bearbeitung von Werkstoffen unterschiedlicher Dicke entfällt.

3. Die Notwendigkeit einer Fernbetrachtung, -beleuchtung und -fokussierung entfällt.

4. Die Sonde bildet ein Mittel zur genauen Einstellung des V/erkstückea in Bezug auf die Mittelachse des Laserstrahlbündels. Einfache Arbeitsmethoden können zur Erzielung spezifizierter Materialbearbeitungsnrueter verwendet werden. Ein Beispiel dafür ist in Fig. 'i gezeigt.

5. /auf den Laserstrahlvorg^ng folgende Arbeitsgänge können erfolgen, indem beispielsweine eine Bohr- oder R^:lumnr;/Jel durch die Sonde hindurch und in dna Werkstück ohne Wiedereinstellung dec Werkstückes geführt wird.

Patentanoprüehe 0 0 9 ", I 1/1 Π B 7

Claims (1)

1. ?001313 - 10 -

   Patentansprüche

   ι,J ν erfahren zur Werks, toffbearbeitung unter Verwendung eines Laserstrahles, dadurch gekennzeichnet, daß das Werkstück auf eine Stütze gelegt und der Laserstrahl von unten nach oben durch ein Loch in der Stütze gegen die Unterseite des Werkstückes gerichtet und in der Höhe des oberen Endes des Loches in der Stütze fokussiert wird.

   ^ 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Werkstück unterhalb einer Schablone angeordnet und eine Anzeigeeinrichtung verwendet wird, die oberhalb des Werktisches angeordnet i3t, um die Schablone in die gewünschte Stellung in Bezug auf die optische Achse des Laserstrahles einzustellen.

   3. Vorrichtung zur Werkstoffbearbeitung unter Verwendung eines Laserstrahles, gekennzeichnet durch eine Stütze (30) mit einer durchgehenden Öffnung (31), die an der oberen Stirnfläche der Stütze (30) endet, ein optisches System (:·Ό) mit einem Laserstrahl sy stem unterhalb der ™ Stütze (30) zum Projizieren eines Laserstrahles nach oben durch d;,s Loch (31) und zum Fokussieren dieses Stri.hl.es in der Höhe des Endes der öffnung (31) an der oberen Stirnfläche der Stütze (30).

   A, Vorrichtung nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch eine Sonde (40), die oberhalb der Stütze (30) nngeordnrt um! entlang der optischen Achse der> Lnsers Lrahlen bev.e.;b,:j· ist, wobei die Sonde (40) an ihrem unteren Knde mit Mit te Ln zum Anzeigen der Stellung der optischen Achse versehen ist.

   5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Sonde (40) eine Stange mit einer axialen durchgehenden Bohrung ist.

   6. Vorrichtung nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch Mittel zur Vorbeugung einer Emission des Lasers, ausgenommen wenn sich die Sonde in einer vorbestimmten Stellung befindet.

   7. Vorrichtung nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch einen Λ Verschluß (70) zum Überdecken der Unterseite des Loches

   (31) in der Stütze (30).

   8. Vorrichtung nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch Schutzwände (32), die den Lasersender und das optische System (20) umgeben und mit der Stütze (30) eine Ummantelung zur Vorbeugung einer Streuemission aus dem Laserstrahl bilden.

   9. Vorrichtung zur Y/erkstoffbearbeitung unter Verwendung eines Laserstrahles, gekennzeichnet durch einen Werktisch (30) mit einer im allgemeinen horizontalen oberen λ Stirnfläche, eine sich durch den Werktisch (30) im wesentlichen senkrecht erstreckende Öffnung, die an der oberen Gtirnflache des Y/erktisches (30) endet, einen Laserstrahlsender und ein optisches System (20) unterhalb des Y/erktisches (30) zum Richten eines l^Jrimärlaserstrahles nach oben durch die Öffnung (31), eine am Werktisch (30) liegende Stützplatte (60), eine an der :;t't^]'] ? tte (6u) befestigte Schablone \5uj, die senkrecht in Abstand von der ::tntzplr?tte (60) liegt, ein V/erkr'tück (K)) zwischen der Htützpl? tte (fiO) und der "cha-Ij] one (SO) und durch mine!estern; f,ⁱine durchgehende öffnung (01) in der Iltützplatte (Go), voboi din Öffnung

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   ?001313

   (61) mit einer durchgehenden Öffnung (51) in der Schablone (50) und mit der Öffnung (31) im Werktisch (50) fluchtet.

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