DE202007016590U1 - Device for high-performance micro-machining of a body or a powder layer with a laser of high brilliance - Google Patents

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Abstract

Einrichtung zur Hochleistungs-Mikrobearbeitung eines Körpers oder einer Pulverschicht mit einem Laser hoher Brillanz, dadurch gekennzeichnet, dass im Strahlengang nach dem Laser (1) ein Strahlschalter (2), ein Galvoscanner (3), ein Zeilenscanner und eine Fokussieroptik angeordnet sind, so dass eine Oberfläche des Körpers (5) oder der Pulverschicht (6) mit den durch den Zeilenscanner abgelenkten fokussierten Laserstrahlen zeilenweise beaufschlagt wird und mittels des Galvoscanners (3) ein Zeilenwechsel erfolgt.Facility for high-performance micromachining of a body or a powder layer with a laser of high brilliance, characterized in that Beam path after the laser (1) a beam switch (2), a Galvoscanner (3), a line scanner and a focusing optics are arranged, leaving a surface of the body (5) or the powder layer (6) with the deflected by the line scanner Focused laser beams are applied line by line and by means of the Galvoscanner (3) a line change takes place.

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Description

Die Erfindung betrifft Einrichtungen zur Hochleistungs-Mikrobearbeitung eines Körpers oder einer Pulverschicht mit einem Laser hoher Brillanz.The This invention relates to high performance micromachining equipment of a body or a powder layer with a high-brilliance laser.

Verfahren und Vorrichtungen zur Bearbeitung von Körpern oder Pulverschichten durch Laserstrahlen sind durch eine Vielzahl von Druckschriften bekannt. Ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung von Körpern aus schichtweise aufgebrachtem Pulver und einem selektiven Sintern der jeweilig aufgebrachten Schicht ist unter anderem aus der US 4,863,538 bekannt. Dabei wird durch energiereiche Strahlung das Pulver der jeweiligen Schicht partiell gesintert. Über das Auftreffen einer Strahlung auf die Pulverschicht wird dabei der Körper realisiert. Zur Erzeugung des jeweiligen Körpervolumens wird die energiereiche Strahlung gescannt. Zum Einsatz kommen CO2- oder Nd:YAG-Laser mit Scanner, mit einer Leistung von 50 W bis 200 W und einem Fokus von 100 μm bis 300 μm. Die Sinterzeit ist sehr lang, wobei diese bis zu 100 h beträgt.Methods and apparatus for processing of bodies or powder layers by laser beams are known by a variety of documents. A method and an apparatus for producing bodies of layered powder and a selective sintering of the respective applied layer is inter alia from US 4,863,538 known. In this case, the powder of the respective layer is partially sintered by high-energy radiation. About the impact of radiation on the powder layer while the body is realized. To generate the respective body volume, the high-energy radiation is scanned. CO 2 or Nd: YAG lasers with scanners are used, with a power of 50 W to 200 W and a focus of 100 μm to 300 μm. The sintering time is very long, which is up to 100 h.

Durch die DE 43 09 524 C2 (Verfahren zum Herstellen eines dreidimen-sionalen Objekts) ist ein Verfahren bekannt, wobei die Strahlungseinwirkung im Kernbereich eines Objektes zu einer minimalen Verformung und im Hüllbereich zu einer möglichst glatten und genauen Oberfläche führen. Die Ermittlung des Hüllbereichs erfolgt durch Subtraktion in dreidimensionaler Weise von Einzelbereichen des Kernbereichs von dem Gesamtkörper. Die Bestrahlung erfolgt in unterschiedlicher Art und Weise, je nachdem ob es sich um einen Einzelbereich im Kernbereich oder einen solchen im Hüllbereich handelt. Neben der Ermittlung der Hüllbereiche sind unterschiedliche Bestrahlungstechnologien zur Realisierung des Objektes notwendig. Durch die Druckschrift DE 199 53 000 C2 (Verfahren und Einrichtung zur schnellen Herstellung von Körpern) sind Verfahren und Vorrichtungen bekannt, wobei vorteilhafterweise Körper maßgenau, konturscharf schnell und mit hoher Dichte hergestellt werden können. Formkorrigierende Nachbehandlungen werden weitestgehend vermieden, so dass sehr ökonomisch derartige Körper herstellbar sind. Das wird durch die Verwendung zweier Strahlungsquellen beim Sintern oder Schweißen erreicht, wobei die Erste der Erzeugung der Kontur und die Zweite zur schnellen Realisierung des Innenraumes des zu erzeugenden Körpers dient. Der Nachteil liegt in der Verwendung von zwei Lasern zur Herstellung der Körper.By the DE 43 09 524 C2 (Method for producing a dreidimen-sionalen object), a method is known, wherein the radiation effect in the core region of an object to a minimum deformation and in the envelope region to a smooth and accurate surface as possible. The determination of the envelope region is effected by subtraction in three-dimensional fashion of individual regions of the core region from the overall body. The irradiation takes place in different ways, depending on whether it is a single area in the core area or one in the shell area. In addition to the determination of the envelope areas different irradiation technologies for the realization of the object are necessary. Through the publication DE 199 53 000 C2 (Method and device for the rapid production of bodies) methods and devices are known, wherein advantageously body can be made dimensionally accurate sharp and fast with high density. Shape-correcting aftertreatments are avoided as far as possible, so that such bodies can be produced very economically. This is achieved by the use of two radiation sources during sintering or welding, the first of the generation of the contour and the second used for rapid realization of the interior of the body to be generated. The disadvantage is the use of two lasers to make the body.

Der im Schutzanspruch 1 angegebenen Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Körper oder eine Pulverschicht durch eine Hochleistungs-Mikrobearbeitung einfach und schnell zu bearbeiten.Of the The protection claimed in claim 1 is based on the object a body or a powder layer by a high-performance micromachining easy and edit quickly.

Diese Aufgabe wird mit den im Schutzanspruch 1 aufgeführten Merkmalen gelöst.These Task is solved with the features listed in the protection claim 1.

Die Einrichtungen zur Hochleistungs-Mikrobearbeitung eines Körpers oder einer Pulverschicht mit einem Laser hoher Brillanz zeichnen sich insbesondere dadurch aus, dass der Körper oder die Pulverschicht sehr schnell bearbeitbar ist. Dazu wird über im Strahlengang nach dem Laser mit einer mittleren Leistung gleich oder größer 1 kW angeordnetem Strahlschalter, Galvoscanner, Zeilenscanner und Fokussieroptik eine Oberfläche des Körpers oder der Pulverschicht mit den durch den Zeilenscanner abgelenkten fokussierten Laserstrahlen zeilenweise beaufschlagt. Die Zeilenwechsel erfolgen mittels des Galvoscanners. Der fokussierte Laserstrahl besitzt auf der Oberfläche eine Geschwindigkeit größer 50 m/s. Der Fokus zur Mikrostrukturierung ist im Durchmesser definitionsgemäß kleiner oder gleich 100 μm. Die Einwirkzeit der Laserstrahlung auf der Oberfläche beträgt maximal 1 μs. Dazu sind der Strahlschalter, der Galvoscanner, der Zeilenscanner und die Fokussieroptik vorzugsweise in dieser Reihenfolge im Strahlengang nach dem Laser angeordnet. Natürlich können diese auch in einer anderen Reihenfolge angeordnet sein. Die für die Mikrobearbeitung bekannten eingesetzten gütegeschalteten Laser weisen eine durchschnittliche Leistung von kleiner 100 W auf. Die Einrichtungen zur Hochleistungs-Mikrobearbeitung eines Körpers oder einer Pulverschicht mit einem Laser hoher Brillanz und schneller Strahlablenkung zeichnen sich vorteilhafterweise dadurch aus, dass eine um mindestens eine Größenordnung höhere Bearbeitungsgeschwindigkeit erreicht wird. Dadurch eignen sich vorteilhafterweise die Einrichtungen auch für eine Bearbeitung größerer Flächen. Weiterhin können auch Bearbeitungen als schneller Durchlaufprozess erfolgen.The Facilities for high performance micromachining of a body or a powder layer with a laser of high brilliance are distinguished in particular characterized in that the body or the powder layer is very quickly editable. This is done in the beam path after the Laser with an average power equal to or greater than 1 kW arranged beam switch, Galvoscanner, line scanner and focusing optics a surface of the body or the powder layer with the deflected by the line scanner Focused laser beams applied line by line. The line breaks done by means of Galvoscanners. The focused laser beam owns on the surface a speed greater than 50 m / s. The focus on microstructuring is smaller in diameter by definition or equal to 100 μm. The Exposure time of the laser radiation on the surface is a maximum of 1 μs. These are the beam switch, the galvoscanner, the line scanner and the Focusing optics preferably in this order in the beam path arranged after the laser. Of course, these can also be arranged in a different order. The for the micromachining known used Q-switched Lasers have an average power of less than 100W. The equipment for high performance micromachining a body or a powder layer with a laser of high brilliance and faster Beam deflection are characterized advantageously by the fact that a by at least an order of magnitude higher processing speed is reached. As a result, the devices are advantageously suitable also for a processing of larger areas. You can also continue Edits are made as a fast pass process.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Schutzansprüchen 2 bis 15 angegeben.advantageous Embodiments of the invention are in the protection claims 2 to 15 indicated.

Im Strahlengang ist nach der Weiterbildung des Schutzanspruchs 2 nach dem Laser ein Strahlschalter mit einer Anstiegszeit kleiner 500 ns angeordnet. Durch schnelles definiertes Ein- und Ausschalten des kontinuierlich strahlenden Laser hoher Brillanz werden vorteilhafterweise partiell bestrahlte konturierte Schichten des Körpers oder aus der Pulverschicht erzeugt. Dadurch können auch bei hohen Scangeschwindigkeiten Konturen erzeugt werden.in the Beam path is after the development of the protection claim 2 after The laser is a beam switch with a rise time less than 500 arranged. By fast defined switching on and off the continuously radiating laser of high brilliance are advantageously partially irradiated contoured layers of the body or from the powder layer generated. Thereby can Even at high scanning speeds contours are generated.

Zum schnellen Schalten der Laserstrahlen sind nach der Weiterbildung des Schutzanspruchs 3 im Strahlengang des Lasers optische Modulatoren in Reihenschaltung oder Pockelszellen in Parallelschaltung angeordnet. Durch die Reihenschaltung der optischen Modulatoren wird vorteilhafterweise die schaltbare Leistung erhöht und die Schaltzeit verringert. Alternativ werden zwei Pockelszellen für vorteilhafte Schaltzeiten kleiner 50 ns eingesetzt. Dabei wird der zufällig polarisierte Laserstrahl in zwei senkrecht zueinander polarisierte Laserstrahlen aufgeteilt, welche in den beiden Pockelszellen parallel geschalten und danach wieder zusammengeführt werden.For fast switching of the laser beams optical modulators in series connection or Pockels cells are arranged in parallel circuit according to the embodiment of the protection claim 3 in the beam path of the laser. The series connection of the optical modulators advantageously increases the switchable power and reduces the switching time. Alternatively, two Pockels cells for advantage Short switching times of less than 50 ns are used. In this case, the randomly polarized laser beam is split into two perpendicularly polarized laser beams, which are connected in parallel in the two Pockels cells and then brought together again.

Zur schnellen Strahlablenkung ist der Zeilenscanner nach der Weiterbildung des Schutzanspruchs 4 vorzugsweise ein Polygonscanner oder Galvo-Resonanzscanner.to fast beam deflection is the line scanner after the training of protection claim 4, preferably a polygon scanner or galvo resonance scanner.

Nach der Weiterbildung des Schutzanspruchs 5 ist die Drehgeschwindigkeit des Polygonscanners oder die Scanfrequenz des Galvo-Resonanzscanners so groß, dass die Ablenkgeschwindigkeit der Laserstrahlen auf der Oberfläche des Körpers oder der Pulverschicht größer 50 m/s ist.To the development of the protection claim 5 is the rotational speed of the polygon scanner or the scanning frequency of the galvo resonance scanner so big that the deflection speed of the laser beams on the surface of the body or the powder layer greater than 50 m / s is.

Der Laser ist nach der Weiterbildung des Schutzanspruchs 6 vorteilhafterweise ein Monomode-Faserlaser oder ein Monomode-Scheibenlaser mit einer Leistung größer 1 kW.Of the Laser is according to the embodiment of the protection claim 6 advantageously a single mode fiber laser or a single mode disk laser with a Power greater than 1 kW.

Der Monomode-Faserlaser oder der Monomode-Scheibenlaser ist nach der Weiterbildung des Schutzanspruchs 7 ein hochrepetierender Ultrakurzpulslaser. Damit kann der Laser vorteilhafterweise zur schnellen Bearbeitung von Oberflächen, zum schnellen Abtragen von Schichten oder zur schnellen indirekten Bearbeitung mit einem Laserplasma eingesetzt werden.Of the Monomode fiber laser or the single-mode disk laser is after Development of the protection claim 7 a hochrepetierender ultrashort pulse laser. Thus, the laser can advantageously for fast processing of surfaces, for quick removal of layers or for quick indirect Processing be used with a laser plasma.

Die mit den abgelenkten Laserstrahlen beaufschlagte Oberfläche der Pulverschicht ist nach der Weiterbildung des Schutzanspruchs 8 die Oberfläche einer mit einer sich drehenden Rakel aufgebrachten Pulverschicht, so dass wenigstens Partikel der Pulverschicht sintern und/oder schmelzen.The with the deflected laser beams acted surface of Powder layer is according to the embodiment of the protection claim 8 the surface a powder layer applied with a rotating doctor blade, so that at least particles of the powder layer sinter and / or melt.

Die Drehgeschwindigkeit der Rakel ist nach der Weiterbildung des Schutzanspruchs 9 zur Durchführung des Hochleistungsverfahrens größer 100 U/min.The The rotational speed of the doctor blade is according to the development of the protection claim 9 for implementation of the high-performance process greater than 100 rpm.

Die mit den abgelenkten Laserstrahlen beaufschlagte Oberfläche der Pulverschicht ist nach der Weiterbildung des Schutzanspruchs 10 die Oberfläche einer mit einer Breitstrahldüse aufgebrachten Pulverschicht, so dass die Schicht über ein selektives Pulverauftragsschweißen mit einem Körper verbunden wird.The with the deflected laser beams acted surface of Powder layer is according to the embodiment of the protection claim 10 the surface one with a broad jet nozzle applied powder layer, so that the layer over a selective powder build-up welding with a body is connected.

Die mit den abgelenkten Laserstrahlen beaufschlagte Oberfläche des Körpers ist nach der Weiterbildung des Schutzanspruchs 11 wenigstens ein Bereich einer abzutragenden Schicht zur zwei- oder dreidimensionalen Lasermikrostrukturierung des Körpers.The with the deflected laser beams acted upon surface of the body is according to the embodiment of the protection claim 11 at least one area a layer to be removed for two- or three-dimensional laser microstructuring of the body.

Die mit den abgelenkten Laserstrahlen beaufschlagte Oberfläche des Körpers ist nach der Weiterbildung des Schutzanspruchs 12 die Oberfläche eines Körpers für eine indirekte Bearbeitung mit Laserplasma zur spannungsarmen Mikrostrukturierung von Körpern.The with the deflected laser beams acted upon surface of the body is according to the embodiment of the protection claim 12, the surface of a body for one Indirect laser plasma processing for low stress microstructuring of Bodies.

Die mit den abgelenkten Laserstrahlen beaufschlagte Oberfläche des Körpers ist nach der Weiterbildung des Schutzanspruchs 13 die Oberfläche eines Targets in einer physikalischen Dampfabscheideeinrichtung, wobei eine Beschichtung von gegenüber stehenden Substraten mit einer hohen Schichtabscheiderate erfolgt.The with the deflected laser beams acted upon surface of the body is after the development of the protection claim 13, the surface of a Targets in a physical vapor deposition device, wherein a coating of opposite standing substrates with a high Schichtabscheiderate done.

Die bestrahlte Oberfläche des Körpers ist nach der Weiterbildung des Schutzanspruchs 14 entweder die Oberfläche des Körpers, wobei diese gereinigt, modifiziert, gehärtet, nanostrukturiert, geschmolzen, geglättet, indirekt gesputtert oder direkt abgetragen wird, oder eine Pulveroberfläche auf dem Körper, wobei diese gesintert oder geschmolzen wird.The irradiated surface of the body is after the development of the protection claim 14, either the surface of body, being cleaned, modified, hardened, nanostructured, melted, smoothed indirectly sputtered or directly removed, or a powder surface the body, being sintered or melted.

Die Fokussieroptik ist nach der Weiterbildung des Schutzanspruchs 15 eine mindestens eindimensionale f-Theta-Optik oder eine Fokussieroptik mit einem Element zur vertikalen Fokusnachführung auf der Oberfläche des Körpers. Damit ist gewährleistet, dass der Fokus auf der Oberfläche des Körpers unabhängig vom Auslenkwinkel des Galvoscanners immer den gleichen Durchmesser und die gleiche vertikale Lage besitzt.The Focusing optics is after the development of the protection claim 15th an at least one-dimensional f-theta optics or a focusing optics with a vertical focus tracking element on the surface of the Body. This ensures that that the focus is on the surface of the body independently from the deflection angle of the Galvoscanner always the same diameter and has the same vertical position.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen jeweils prinzipiell dargestellt und werden im Folgenden näher beschrieben.embodiments The invention are illustrated in principle in the drawings and will be closer in the following described.

Es zeigen:It demonstrate:

1 eine Einrichtung zur Hochleistungs-Mikrobearbeitung eines Körpers oder einer Pulverschicht mit einem Laser hoher Brillanz, 1 a device for high-performance micro-machining of a body or a powder layer with a laser of high brilliance,

2 eine Einrichtung zum Lasermikrosintern, 2 a device for laser micro-sintering,

3 eine Einrichtung zur zwei- oder dreidimensionalen Mikrostrukturierung, 3 a device for two- or three-dimensional microstructuring,

4 eine Einrichtung zum Pulverauftragsschweißen und 4 a device for powder deposition welding and

5 eine Einrichtung für ein PLD (Pulsed Laser Deposition)-Verfahren. 5 a device for a PLD (Pulsed Laser Deposition) method.

Die Einrichtungen zur Hochleistungs-Mikrobearbeitung eines Körpers mit einem Laser 1 hoher Brillanz der folgenden Ausführungsbeispiele bestehen dabei im Wesentlichen aus einem Strahlschalter 2, einem Galvoscanner 3, einem Zeilenscanner in Form vorzugsweise eines Polygonscanners 4 und einer Fokussieroptik in Form einer mindestens eindimensionalen f-Theta-Optik, die im Strahlengang nach dem Laser angeordnet sind.The devices for high-power micromachining of a body with a laser 1 high brilliance of the following embodiments consist essentially of a beam switch 2 , a galvoscanner 3 , a line scanner in the form of preferably a polygon scanner 4 and a focusing optics in the form of an at least one-dimensional f-theta optics, which are arranged in the beam path after the laser.

Die 1 zeigt eine Einrichtung zur Hochleistungs-Mikrobearbeitung eines Körpers oder einer Pulverschicht mit einem Laser hoher Brillanz in einer prinzipiellen Darstellung.The 1 shows a device for high-performance micromachining a body or a powder layer with a high brilliance laser in a schematic representation.

Dabei wird eine Oberfläche des Körpers 5 oder der Pulverschicht mit den durch den Polygonscanner 4 abgelenkten fokussierten Laserstrahlen zeilenweise beaufschlagt. Ein Zeilenwechsel erfolgt mittels des Galvoscanners 3. Bei einer Ablenkgeschwindigkeit von 200 m/s und einer Scanlänge von 100 mm beträgt die Drehgeschwindigkeit des Polygonscanners 4 beispielsweise 10.000 U/min. Die Scanfrequenz beträgt dabei 2 kHz. Alternativ kann ein Galvo-Resonanzscanner mit einer Scanfrequenz von 2 kHz zum Einsatz gelangen.It becomes a surface of the body 5 or the powder layer with those through the polygon scanner 4 deflected focused laser beams applied line by line. A line change takes place by means of the galvoscanner 3 , At a deflection speed of 200 m / s and a scan length of 100 mm, the rotational speed of the polygon scanner is 4 for example, 10,000 rpm. The scanning frequency is 2 kHz. Alternatively, a galvo resonance scanner with a scan frequency of 2 kHz can be used.

Zur Erhaltung der Fokusposition beim Zeilenwechsel mit dem Galvoscanner 3 wird die f-Theta-Optik eingesetzt. Diese ist in der 1 nicht gezeigt.To maintain the focus position when changing lines with the Galvoscanner 3 the f-theta optic is used. This is in the 1 Not shown.

In einem ersten Ausführungsbeispiel wird eine Einrichtung zum Lasermikrosintern genutzt.In a first embodiment a device for laser microsintern is used.

Die 2 zeigt eine Einrichtung zum Lasermikrosintern in einer prinzipiellen Darstellung.The 2 shows a device for Lasermikrosintern in a schematic representation.

Dazu wird ein kontinuierlich strahlender Monomode-Faserlaser mit einer Leistung von 2,5 kW als Laser 1 eingesetzt. Monomode bedeutet in diesem und den folgenden Ausführungsbeispielen M2 < 1,3. Der Laserstrahl wird auf einen Durchmesser von 60 μm fokussiert. Die Intensität im Fokus beträgt notwendige 0,88·108 W/cm2. Bei einer Scangeschwindigkeit von 200 m/s ergibt sich eine durchschnittliche Einwirkzeit im Fokus von 300 ns. Auf die Oberfläche eines Körpers 5 werden nacheinander Pulverschichten 6 aufgetragen, die jeweils nach dem Aufbringen mit den Laserstrahlen des Lasers 1 beaufschlagt werden. Zum Auftrag wird eine schnell drehende Ringrakel 7 genutzt, deren Drehzahl vorzugsweise 250 U/min beträgt.For this purpose, a continuously radiating monomode fiber laser with a power of 2.5 kW as a laser 1 used. Monomode means in this and the following embodiments M 2 <1.3. The laser beam is focused to a diameter of 60 μm. The intensity in focus is necessary 0.88 · 10 8 W / cm 2 . At a scanning speed of 200 m / s, the average exposure time in focus is 300 ns. On the surface of a body 5 are successively powder layers 6 applied, respectively, after application with the laser beams of the laser 1 be charged. The order is a fast rotating squeegee 7 used, whose speed is preferably 250 U / min.

Bei einer Fläche des Bauraumes 8 von 10 cm2 und einem Spurabstand von 30 μm ergibt sich eine Scanzeit von 165 ms für eine Pulverschicht 6. Bei einer Schichtdicke von 5 μm können mit diesem Hochleistungsverfahren pro Stunde 72 cm3 generiert werden. Die Auflösung liegt im Bereich von kleiner 100 μm. Dafür sind Schaltzeiten des Strahlschalters 2 von kleiner 500 ns erforderlich. Der Körper befindet sich dabei vorteilhafterweise auf einem Träger 9, der in der Höhe verfahrbar ist. Es können mikrostrukturierte Werkzeuge oder integrierte Mikrogeräte, zum Beispiel eine Turbine in einem Gehäuse oder ein funktionales Mikrochirurgiewerkzeug, effektiv hergestellt werden. Das Sintern von superharten Materialien wie WC, TaC, TiC oder HfC ist möglich. Als Binder können hochschmelzende Metalle wie Wolfram und Tantal eingesetzt werden.For an area of installation space 8th of 10 cm 2 and a track pitch of 30 microns results in a scan time of 165 ms for a powder layer 6 , With a layer thickness of 5 μm, this high-performance process can be used every hour 72 cm 3 are generated. The resolution is in the range of less than 100 microns. For switching times of the beam switch 2 required by less than 500 ns. The body is advantageously located on a support 9 which is movable in height. Microstructured tools or integrated microdevices, for example a turbine in a housing or a functional microsurgical tool, can be effectively manufactured. The sintering of superhard materials like WC, TaC, TiC or HfC is possible. As a binder, refractory metals such as tungsten and tantalum can be used.

In einem zweiten Ausführungsbeispiel wird eine Einrichtung zur Lasermikrostrukturierung in Form einer zweidimensionalen Mikrostrukturierung eingesetzt.In a second embodiment is a device for laser microstructuring in the form of a used two-dimensional microstructuring.

Die 3 zeigt eine Einrichtung zur zwei- oder dreidimensionalen Mikrostrukturierung in einer prinzipiellen Darstellung.The 3 shows a device for two- or three-dimensional microstructuring in a schematic representation.

Die Leistung des kontinuierlich strahlenden Monomode-Scheibenlasers als Laser 1 beträgt 2,5 kW. Der Fokusdurchmesser ist 40 μm und die Intensität im Fokus beträgt 2·108 W/cm2. Die Scangeschwindigkeit ist dabei 400 m/s, wodurch eine durchschnittliche Einwirkzeit im Fokus von 100 ns vorhanden ist. Die Auflösung liegt im Bereich von kleiner 50 μm. Dafür sind Schaltzeiten des Strahlschalters von kleiner 125 ns und eine Scanfrequenz von 4 kHz erforderlich. Bei einem Spurabstand von 25 μm wird eine Flächenabtragsrate von 100 cm2/s erzielt.The power of the continuously radiating single-mode disk laser as a laser 1 is 2.5 kW. The focus diameter is 40 μm and the intensity in focus is 2 × 10 8 W / cm 2 . The scanning speed is 400 m / s, resulting in an average exposure time of 100 ns. The resolution is in the range of less than 50 microns. For switching times of the beam switch of less than 125 ns and a scan frequency of 4 kHz are required. At a track pitch of 25 μm, an area removal rate of 100 cm 2 / s is achieved.

Dabei erfolgt ein strukturiertes Abtragen von Schichten bis zu einer maximalen Dicke von 5μm. Die Einrichtungen sind für extrem schnelle Durchlaufprozesse oder eine Hochleistungsmikrostrukturierung von Oberflächenschichten, zum Beispiel für die Solartechnik, geeignet. Zur Realisierung einer Einrichtung zur Bearbeitung großer Flächen sind weitere Achsen zur Bewegung des Körpers oder zur Bewegung der Einrichtung zur Hochleistungs-Mikrobearbeitung angebracht.there there is a structured removal of layers up to a maximum Thickness of 5μm. The Facilities are for extremely fast throughput processes or high performance microstructuring of surface layers, for example for the solar technology, suitable. For the realization of a device for Processing large surfaces are other axes to move the body or to move the Device for high performance micromachining attached.

In einem dritten Ausführungsbeispiel wird eine Einrichtung zur dreidimensionalen Mikrostrukturierung genutzt. Die Leistung des kontinuierlich strahlenden Monomode-Faser- oder Monomode-Scheibenlasers als Laser 1 beträgt 2,5 kW, der Fokusdurchmesser ist 20 μm. Die Intensität im Fokus beträgt 8·108 W/cm2. Die Scangeschwindigkeit ist dabei 400 m/s, wodurch sich eine durchschnittliche Einwirkzeit im Fokus von 50 ns ergibt. Die Auflösung liegt im Bereich von kleiner 25 μm. Dafür sind Schaltzeiten des Strahlschalters von kleiner 62,5 ns und eine Scanfrequenz von 4 kHz erforderlich. Bei einem Spurabstand von 25 μm und einer Abtragtiefe von 10 μm wird mit der Einrichtung eine Volumenrate von 6 cm3/min erzielt. Dabei werden insbesondere Mikrokavitäten für Werkzeuge in harte oder superharte Materialien oder dreidimensional strukturierte Oberflächen in Keramik, zum Beispiel für die Dentaltechnik, hergestellt. Die 3 zeigt dazu eine Einrichtung zur zwei- oder dreidimensionalen Mikrostrukturierung in einer prinzipiellen Darstellung.In a third embodiment, a device for three-dimensional microstructuring is used. The power of the continuously radiating single-mode fiber or single-mode disk laser as a laser 1 is 2.5 kW, the focus diameter is 20 μm. The intensity in focus is 8 · 10 8 W / cm 2 . The scan speed is 400 m / s, resulting in an average exposure time of 50 ns. The resolution is in the range of less than 25 microns. For switching times of the beam switch of less than 62.5 ns and a scan frequency of 4 kHz are required. With a track spacing of 25 μm and a removal depth of 10 μm, the device achieves a volume rate of 6 cm 3 / min. In particular, microcavities for tools in hard or superhard materials or three-dimensionally structured surfaces in ceramics, for example for dental technology, are produced. The 3 shows a device for two- or three-dimensional microstructuring in a basic representation.

In einem vierten Ausführungsbeispiel wird eine Einrichtung für ein Oberflächenverfahren genutzt. Es kommt ein fs-Monomode-Faserlaser als Laser 1 mit einer Leistung von 1 kW zum Einsatz. Die Repetitionsrate des Lasers 1 beträgt 100 MHz, die Pulszeit ist 300 fs und die Pulsenergie beträgt 10 μJ. Die Scangeschwindigkeit ist 400 m/s bei einem Spurabstand von 100 μm. Dabei kommen eine lange Brennweite von 1000 mm und ein relativ großer Fokusdurchmesser kleiner/gleich 100 μm zum Einsatz. Die maximale Intensität im Fokus beträgt 1·1011 W/cm2. Die durchschnittliche Einwirkzeit beträgt 250 ns. Die Auflösung der Einrichtung liegt im Bereich von kleiner 100 μm. Dafür sind Schaltzeiten des Strahlschalters 2 von kleiner 250 ns erforderlich. Bei einem Spurabstand von 100 μm wird mit der Einrichtung eine Flächenbearbeitungsrate von 400 cm2/s erzielt.In a fourth embodiment, a device for a surface method is used. It comes a fs monomode fiber laser as a laser 1 with a power of 1 kW used. The repetition rate of the laser 1 is 100 MHz, the pulse time is 300 fs and the pulse energy is 10 μJ. The scanning speed is 400 m / s with a track pitch of 100 μm. In this case, a long focal length of 1000 mm and a relatively large focus diameter less than or equal to 100 microns are used. The maximum intensity in the focus is 1 × 10 11 W / cm 2 . The average exposure time is 250 ns. The resolution of the device is in the range of less than 100 microns. For switching times of the beam switch 2 required by less than 250 ns. At a track pitch of 100 microns, a surface machining rate of 400 cm 2 / s is achieved with the device.

Dabei werden Oberflächen durch Erzeugen von Nanostrukturen, Mikromustern, definierten Rauheiten, Materialmodifikationen oder durch partielles Verdichten (Härten) sowie durch Reinigen in großer Geschwindigkeit funktionalisiert.there become surfaces by creating nanostructures, micro-patterns, defined roughnesses, Material modifications or by partial compaction (hardening) as well by cleaning at high speed functionalized.

In einem fünften Ausführungsbeispiel wird eine Einrichtung für ein Pulverauftragsschweißen genutzt.In a fifth embodiment will be a facility for a powder build-up welding used.

Die 4 zeigt eine Einrichtung zum Pulverauftragsschweißen in einer prinzipiellen Darstellung.The 4 shows a device for powder build-up welding in a schematic representation.

Die Leistung des kontinuierlich strahlenden Monomode-Faser- oder Monomode-Scheibenlasers als Laser 1 beträgt 2,5 kW. Der Laserstrahl wird auf einen Durchmesser von 60 μm fokussiert. Die Intensität im Fokus beträgt 0,88·108 W/cm2. Bei einer Scangeschwindigkeit von 200 m/s ergibt sich eine durchschnittliche Einwirkzeit im Fokus von 300 ns. Die Pulverzufuhr erfolgt mittels einer Breitstrahldüse. Dabei handelt es sich um ein selektives Pulverauftragsschweißen, wobei mit einem Spurabstand von 50 μm ungefähr 10 cm2/s mit einer Schichtdicke von 10 μm erzeugt werden können.The power of the continuously radiating single-mode fiber or single-mode disk laser as a laser 1 is 2.5 kW. The laser beam is focused to a diameter of 60 μm. The intensity in focus is 0.88 · 10 8 W / cm 2 . At a scanning speed of 200 m / s, the average exposure time in focus is 300 ns. The powder is supplied by means of a broad jet nozzle. It is a selective powder build-up welding, with a track pitch of 50 microns approximately 10 cm 2 / s can be produced with a layer thickness of 10 microns.

Derartige Schichten sind beispielsweise Leiterbahnen 10 aus der Pulverschicht 6 für die Solartechnik oder Mikroerhebungen auch auf großflächigen Werkzeugen als Körper 5. Darüber hinaus können auch Mikroteile mit begrenzter Hinterschneidung, beispielsweise beliebig geformte Röhrchen, hergestellt werden. Das Pulverauftragsschweißen von superharten Materialien wie WC, TaC, TiC oder HfC ist möglich. Als Binder können hochschmelzende Metalle wie Wolfram oder Tantal eingesetzt werden.Such layers are, for example, conductor tracks 10 from the powder layer 6 for solar technology or micro surveys also on large-scale tools as a body 5 , In addition, micro parts with limited undercut, for example, any shaped tubes can be produced. Powder coating welding of superhard materials such as WC, TaC, TiC or HfC is possible. As binder, refractory metals such as tungsten or tantalum can be used.

In einem sechsten Ausführungsbeispiel wird eine Einrichtung für eine Plasmabearbeitung genutzt.In a sixth embodiment will be a facility for used a plasma processing.

Die Leistung des kontinuierlich strahlenden Monomode-Faserlasers als Laser 1 beträgt 5 kW, der Fokusdurchmesser ist 10 μm. Die Intensität im Fokus beträgt 6,4·109 W/cm2.The power of the continuously radiating monomode fiber laser as a laser 1 is 5 kW, the focus diameter is 10 μm. The intensity in focus is 6.4 × 10 9 W / cm 2 .

Alternativ kann ein fs-Monomode-Faserlaser mit einer Leistung von 1 kW zum Einsatz gelangen. Die Repetitionsrate des Lasers 1 beträgt 100 MHz, die Pulszeit ist 300 fs und die Pulsenergie beträgt 10 μJ. Der Fokusdurchmesser ist 10 μm und die Intensität beträgt im Fokus 1·1013 W/cm2.Alternatively, a fs monomode fiber laser with a power of 1 kW can be used. The repetition rate of the laser 1 is 100 MHz, the pulse time is 300 fs and the pulse energy is 10 μJ. The focus diameter is 10 μm and the intensity in focus is 1 × 10 13 W / cm 2 .

Die Scangeschwindigkeit beträgt dabei jeweils 400 m/s, wodurch sich eine durchschnittliche Einwirkzeit im Fokus von 25 ns ergibt. Die benötigte Scanfrequenz beträgt 4 kHz. Die Auflösung liegt im Bereich von kleiner 20 μm. Dafür sind Schaltzeiten des Strahlschalters 2 von kleiner 50 ns erforderlich. Bei einem Spurabstand von 10 μm wird eine Flächenabtragsrate von 40 cm2/s erzielt.The scan speed is 400 m / s, which results in an average exposure time of 25 ns. The required scanning frequency is 4 kHz. The resolution is in the range of less than 20 microns. For switching times of the beam switch 2 less than 50 ns required. At a track pitch of 10 μm, an area removal rate of 40 cm 2 / s is achieved.

Der Laserfokus liegt über der zu bearbeitenden Oberfläche. Dabei erfolgt eine indirekte Bearbeitung mit dem entstehenden Laserplasma, ähnlich dem Sputtern. Besonders vorteilhaft können damit Silizium, Glas oder Keramik spannungsarm mikrostrukturiert werden.Of the Laser focus is over the surface to be processed. In this case, an indirect processing with the resulting laser plasma, similar to the Sputtering. Particularly advantageous can thus be silicon, glass or Ceramics are low-stress microstructured.

In einem siebten Ausführungsbeispiel wird eine Einrichtung für ein PLD (Pulsed Laser Deposition)-Verfahren genutzt.In a seventh embodiment will be a facility for used a PLD (Pulsed Laser Deposition) method.

Die 5 zeigt eine Einrichtung für ein PLD-Verfahren in einer prinzipiellen Darstellung.The 5 shows a device for a PLD method in a schematic representation.

Die Leistung des Lasers 1 beträgt 2,5 kW, der Fokusdurchmesser ist 10 μm. Die Intensität im Fokus beträgt 3,2·109 W/cm2. Die Scangeschwindigkeit ist 400 m/s, wodurch sich eine durchschnittliche Einwirkzeit im Fokus von 25 ns ergibt. Die notwendige Auflösung liegt im Bereich von kleiner 200 μm. Dafür sind Schaltzeiten des Strahlschalters 2 von kleiner 500 ns erforderlich. Die Scanfrequenz beträgt 8 kHz bei einer Länge der Scanlinie von 50 mm. Bei einem Spurabstand von 25 μm wird mit der Einrichtung auf dem Target 11 als Körper 5 eine Flächenabtragsrate von 100 cm2/s erzielt. Dadurch können hohe Schichtabscheideraten auf einem Substrat erreicht werden. Das Substrat ist in der 5 nicht gezeigt.The power of the laser 1 is 2.5 kW, the focus diameter is 10 μm. The intensity in focus is 3.2 x 10 9 W / cm 2 . The scan speed is 400 m / s, resulting in an average exposure time of 25 ns. The necessary resolution is in the range of less than 200 μm. For switching times of the beam switch 2 required by less than 500 ns. The scanning frequency is 8 kHz with a scan line length of 50 mm. At a track pitch of 25 μm, with the device on the target 11 as a body 5 achieved an area removal rate of 100 cm 2 / s. As a result, high Schichtabscheideraten can be achieved on a substrate. The substrate is in the 5 Not shown.

Claims (15)

Einrichtung zur Hochleistungs-Mikrobearbeitung eines Körpers oder einer Pulverschicht mit einem Laser hoher Brillanz, dadurch gekennzeichnet, dass im Strahlengang nach dem Laser (1) ein Strahlschalter (2), ein Galvoscanner (3), ein Zeilenscanner und eine Fokussieroptik angeordnet sind, so dass eine Oberfläche des Körpers (5) oder der Pulverschicht (6) mit den durch den Zeilenscanner abgelenkten fokussierten Laserstrahlen zeilenweise beaufschlagt wird und mittels des Galvoscanners (3) ein Zeilenwechsel erfolgt.Device for high-performance micro-machining of a body or a powder layer with a laser of high brilliance, characterized in that in the beam path after the laser ( 1 ) a beam switch ( 2 ), a Galvoscanner ( 3 ), a line scanner and a focusing optics are arranged so that a surface of the body ( 5 ) or the powder layer ( 6 ) is applied line by line with the focused laser beams deflected by the line scanner and by means of the Galvoscanners ( 3 ) a line change takes place. Einrichtung nach Schutzanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Strahlschalter (2) eine Anstiegszeit kleiner 500ns aufweist, so dass dadurch partiell bestrahlte konturierte Schichten des Körpers (5) oder aus der Pulverschicht (6) erzeugt werden.Device according to protection claim 1, characterized in that the beam switch ( 2 ) has a rise time of less than 500ns, thereby partially irradiating contoured layers of the body ( 5 ) or from the powder layer ( 6 ) be generated. Einrichtung nach Schutzanspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass entweder optische Modulatoren in Reihenschaltung oder Pockelszellen in Parallelschaltung der Strahlschalter (2) ist.Device according to protection claim 2, characterized in that either optical modulators in series connection or Pockels cells in parallel connection of the beam switch ( 2 ). Einrichtung nach Schutzanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Zeilenscanner vorzugsweise ein Polygonscanner (4) oder Galvo-Resonanzscanner ist.Device according to protection Claim 1, characterized in that the line scanner is preferably a polygon scanner ( 4 ) or galvo resonance scanner is. Einrichtung nach Schutzanspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Drehgeschwindigkeit des Polygonscanners (4) oder die Scanfrequenz des Galvo-Resonanzscanners so groß ist, dass die Ablenkgeschwindigkeit der Laserstrahlen auf der Oberfläche des Körpers (5) oder der Pulverschicht (6) größer 50 m/s ist.Device according to protection claim 4, characterized in that the rotational speed of the polygon scanner ( 4 ) or the scanning frequency of the galvo resonance scanner is so great that the deflection speed of the laser beams on the surface of the body ( 5 ) or the powder layer ( 6 ) is greater than 50 m / s. Einrichtung nach Schutzanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Laser (1) ein Monomode-Faserlaser oder ein Monomode-Scheibenlaser mit einer mittleren Leistung gleich oder größer 1 kW ist.Device according to protection claim 1, characterized in that the laser ( 1 ) is a single-mode fiber laser or a single-mode disk laser with an average power equal to or greater than 1 kW. Einrichtung nach Schutzanspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Monomode-Faserlaser oder der Monomode-Scheibenlaser ein hochrepetierender Ultrakurzpulslaser ist.Device according to protection claim 6, characterized that the single-mode fiber laser or the single-mode disk laser hochrepetierender ultrashort pulse laser is. Einrichtung nach Schutzanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die mit den abgelenkten Laserstrahlen beaufschlagte Oberfläche der Pulverschicht (6) die Oberfläche einer mit einer sich drehenden Ringrakel (7) aufgebrachten Pulverschicht (6) ist, so dass wenigstens Partikel der Pulverschicht (6) sintern und/oder schmelzen.Device according to protection claim 1, characterized in that the surface acted upon by the deflected laser beams of the powder layer ( 6 ) the surface of a with a rotating ring doctor blade ( 7 ) applied powder layer ( 6 ), so that at least particles of the powder layer ( 6 ) sinter and / or melt. Einrichtung nach Schutzanspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Drehgeschwindigkeit der Ringrakel (7) größer 100 U/min ist.Device according to protection Claim 8, characterized in that the rotational speed of the annular blade ( 7 ) is greater than 100 rpm. Einrichtung nach Schutzanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die mit den abgelenkten Laserstrahlen beaufschlagte Oberfläche der Pulverschicht (6) die Oberfläche einer mit einer Breitstrahldüse aufgebrachten Pulverschicht (6) ist, so dass die Pulverschicht (6) über ein selektives Pulverauftragsschweißen mit einem Körper verbunden wird.Device according to protection claim 1, characterized in that the surface acted upon by the deflected laser beams of the powder layer ( 6 ) the surface of a powder layer applied with a broad-jet nozzle ( 6 ), so that the powder layer ( 6 ) is connected to a body via selective powder build-up welding. Einrichtung nach Schutzanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die mit den abgelenkten Laserstrahlen beaufschlagte Oberfläche des Körpers (5) wenigstens ein Bereich einer abzutragenden Schicht zur zwei- oder dreidimensionalen Lasermikrostrukturierung des Körpers (5) ist.Device for protection claim 1, characterized in that the surface acted upon by the deflected laser beams of the body ( 5 ) at least a portion of a layer to be ablated for two- or three-dimensional laser microstructuring of the body ( 5 ). Einrichtung nach Schutzanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die mit den abgelenkten Laserstrahlen beaufschlagte Oberfläche des Körpers (5) die Oberfläche eines Körpers (5) für eine indirekte Bearbeitung mit Laserplasma zur spannungsarmen Mikrostrukturierung von Körpern ist.Device for protection claim 1, characterized in that the surface acted upon by the deflected laser beams of the body ( 5 ) the surface of a body ( 5 ) for indirect processing with laser plasma for stress-relieved microstructuring of bodies. Einrichtung nach Schutzanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die mit den abgelenkten Laserstrahlen beaufschlagte Oberfläche des Körpers (5) die Oberfläche eines Targets (11) in einer physikalischen Dampfabscheideeinrichtung ist, wobei eine Beschichtung von gegenüber stehenden Substraten mit einer hohen Schichtabscheiderate erfolgt.Device for protection claim 1, characterized in that the surface acted upon by the deflected laser beams of the body ( 5 ) the surface of a target ( 11 ) is in a physical vapor deposition device, wherein a coating of opposing substrates is carried out with a high Schichtabscheiderate. Einrichtung nach Schutzanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die bestrahlte Oberfläche entweder die Oberfläche des Körpers (5), wobei diese gereinigt, modifiziert, gehärtet, nanostrukturiert, geschmolzen, geglättet, indirekt gesputtert oder direkt abgetragen werden, oder eine Pulveroberfläche auf dem Körper (5), wobei diese gesintert oder geschmolzen werden, ist.Device according to protection claim 1, characterized in that the irradiated surface either the surface of the body ( 5 ), which are cleaned, modified, hardened, nanostructured, melted, smoothed, indirectly sputtered or directly removed, or a powder surface on the body ( 5 ), which are sintered or melted. Einrichtung nach Schutzanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Fokussieroptik eine mindestens eindimensionale f-Theta-Optik oder eine Fokussieroptik mit einem Element zur vertikalen Fokusnachführung auf der Oberfläche des Körpers (5) ist.Device according to protection Claim 1, characterized in that the focusing optics have an at least one-dimensional f-theta optic or a focusing optic with a vertical focus tracking element on the surface of the body ( 5 ).
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