DE2554367C2 - Verfahren und Vorrichtung zum Herstellen von Bohrungen in Materialien durch induzierte Stoßwellen - Google Patents

Description

wird, daß das Loch vollständig ausgebrannt wird. Solche Anwendungen von Lasern, hier z. B. ein CC>2-Laser bei 10,6 μηι Wellenlänge zeigt, daß man hier das Verbrennen oder Verdampfen des Materials selbst benutzt

Die dem Stand der Technik eigenen Wachteile, d. h. die Notwendigkeit Strahlen hoher Leistung zu benutzen, um die Bohrungen oder die Schnitte durch örtliche Erhitzung nur mit hoher Leistung zu erzielen, oder aber das in allgemeinen langsame und mühselige mechanische Lochen oder Bohren hat gezeigt daß tatsächlich Bedarf für ein wirkungsvolleres, jedoch zuverlässigeres Verfahren und eine entsprechende Vorrichtung zum Herstellen einer großen Anzahl von Bohrungen in einem Werkstück besteht

In der Elektronikindustrie werden im allgemeinen für is die Herstellung von Schaltkarten ungebrannte keramisch Materialien in Form von Folien benutzt, die aus Tonerdepulver, Glas und einem Kunststoff-Bindemittel bestehen. Eine solche ungebrannte und/oder noch nicht ausgehärtete keramische Schicht wird allgemein als grüne keramische Folie bezeichnet. Diese Folien oder Schichten sind, obgleich das Material selbst spröde ist, immer noch relativ biegsam, da das Material dünn ist, das keramische Material noch nicht gebrannt und die Folie ein Kunststoff-Bindemittel enthält. Weiterhin werden diese Folien oder Schichten in den verschiedensten Mustern gebohrt, um dadurch eine elektrische Verbindung zwischen Punkten oberhalb und unterhalb der Folie zu ermöglichen und diese durchgehenden Bohrungen sind allgemein üblich und bekannt. Im allgemeinen werden gedruckte Schaltungskarten dadurch hergestellt, daß man diese ungebrannten Folien schichtenweise übereinanderlegt und dann in einem Ofen sintert oder brennt, um so ein einstückiges keramisches Material zu erhalten.

Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe besteht darin, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung von durchgehenden Bohrungen in grünen, d. h. ungebrannten, keramischen Folien anzugeben, die mit einer wesentlich geringeren Leistung des verwendeten Lasers auskommt.

Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des kennzeichnenden Teiles des Anspruchs t gelöst. Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind den weiteren Ansprüchen zu entnehmer.

Durch das sehr genau arbeitende Verfahren nach der Erfindung wird man nunmehr in die Lage versetzt, die Geschwindigkeit und die Genauigkeit von durch Datenverarbeitungsanlagen gesteuerten Ze'chentischen zur Einstellung eines Lasers über einem Werkstück an dem Ort zu verwenden, an dem eine durchgehende Bohrung erforderlich ist. Es wird dabei eine rasterartige Abtastung benutzt, die den Laser nacheinander auf verschiedene Punkte des sich bewegenden Werkstuckes einstellt. Die Leistung des Laserstrahls kann um Größenordnungen kleiner sein, als im Stande der Technik. Die bei dem erfindungsgemäßen Verfahren anfallenden Abfallstoffe weiden durch die Wirkung des Gases und ein Vakuumsystem entfernt. Während der Herstellung der Bohrungen erfolgt so gut wie gar keine Erwärmung des Werkstückes.

Die Erfindung wird nunmehr anhand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den Zeichnungen im einzelnen beschrieben. In den Zeichnungen zeigt

Fig. 1 schematisch eine Funktionsdarstellung einer ersten Ausführungsform einer Vorrichtung gemäß der Erfindung;

F i e. 2 schematisch eine Seitenansicht des Arbeitsbereichs in F i g. 1;

F i g. 3 bis 8 schematisch als Folge die Wirkung einer Stoßwelle beim Erstellen einer durch das Werkstück hindurchgehenden Bohrung;

F i g. 9 schematisch eine funktionale Darstellung einer zweiten Ausführungsform der Erfindung und

I- ig. 10 bis 13 die Darstellung eines Schneidvorgangs einer Stoßwelle gemäß der Arbeitsweise der in F i g. 9 gezeigten zweiten Ausführungsform der Erfindung.

In den F i g. 1 und 2 liegt eine grüne, d. h. ungebrannte Folie 10, in der Bohrungen 12 hergestellt werden sollen, auf einem gelochten, aus rostfreiem Stahl bestehenden Transportband 14. Eine Trägerschicht 16 kann beispielweise auf der grünen Folie auflaminiert sein und besteht beispielsweise aus einer 1,27 bis 2,54 · 10~² mm starken Schicht aus Polyäthylenterephthalat, Polystyrol oder einem ähnlichen handelsüblichen, warmhärtenden oder thermoplastischen Material. Die Trägerschicht dient der Verstärkung der grünen Folie und verstärkt in einer bevorzugten Ausführungsform die Stoßwelle, die in der grünen Folie eine Bohrung erzeugt. Die grüne Folie, die Trägerschicht und das Transportband sind mit einer Reihe von Transportlochungen 18, 20 versehen, die der Ausrichtung mit dem mit rundumlaufenden Nuten versehenen Antriebszylinder 22 dienen, der eine entsprechende Anzahl von Zähnen 24 aufweist. Der Antriebszylinder 22 wird durch eine Welle 26 mit der gewünschten Rotationsgeschwindigkeit angetrieben. Drei Leerlaufrollen 28, 30 und 32 geben dem Transportband 14 die nötige Vorspannung und werden mit Hilfe der entsprechenden Achsen 34, 36 und 38 eingestellt. Der Antriebszylinder 22 weist eine Reihe von konzentrischen Nuten 40 auf, die parallele Bahnen in der y-Richtung für den Ort der durchgehenden Bohrungen aufweisen und die außerdem als Kanäle für das Entfernen der Abfälle während der Herstellung der durchgehenden Bohrungen dienen. Das Transportband 14 weist eine Matrix von Bohrungen auf, die mit allen möglichen Positionen von durchgehenden Bohrungen auf der grünen, ungebrannten keramischen Folie zusammenfallen.

Zwischen dem Transportband 14 und dem Antriebszylinder 22 sind in unmittelbarer Nachbarschaft zur Arbeitsfläche zwei mit Polytetrafluoräthylen beschichte Stützkeile 43 vorgesehen, die in der Nachbarschaft des Arbeitsbereiches einen geschlossenen Bereich bilden, in dem die Abfälle, die beim Herstellen der Bohrungen anfallen, abgelagert v/erden können. Dieses Material wird anschließend in üblicher Weise durch Rohrkupplungen mittels Vakuum abgesaugt.

Der Arbeitsbereich wird durch eine unter Druck stehende Kammer 45 gebildet, die aus einem an ihrer Oberseite gelegenen Fenster 46, aus an den Seiten angeordnete elastische, aus Polyurethan bestehende Rollen 48,50 auf Achsen 49,51, aus Seitenwänden 52,54 sowie aus der Trägerschicht 16 besteht. Die Abdichtung durch die gleitende und rollende Kontaktberührung der Rollen 48 und 50 mit dem obenliegenden Fenster 46, den Seitenwänden 52 und 54 und der Trägerschicht 16 erleichtert das Unter-Druck-setzen aes durch diese Begrenzungen bestimmten Bereichs, der sich, wie F i g. 1 zeigt, in seitlicher Richtung quer zu der grünen Folie erstreckt. Die Seitenwände 52,54 können beispielsweise aus einem Material mit kleinem Reibungskoeffizienten, wii. z. B. Polytetrafluoräthylen hergestellt sein mit vorgeformten, bogenförmigen Kanten, die über die obere Krümmung des Antriebszylinders 22 zwischen den Rollen 48 und 50 gesen die Trägerfolie 16 eine

gleitende Druckdichtung liefern. Über eine Rohrleitung 56 wird ein Gas unter Druck in die Kammer 45 eingeführt. Vorzugsweise verwendet man dabei ein nichtoxidierendes Gas, wie z. B. Stickstoff oder Argon. Der Druck in der Kammer 45 liegt vorzugsweise höher als 6,87 bar, wobei der Druck ständig abgefühlt und in üblicher Weise aufrechterhalten wird.

Zur Bildung der durchgehenden Bohrungen wird ein Laser 58 benutzt, dessen Strahl 60 durch einen rotierenden, vielflächigen Spiegel 62 abgelenkt wird. Der Spiegel 62 wird an einer Welle 64 durch einen Motor 66 gedreht, so daß der Laserstrahl, wie noch im einzelnen dargelegt wird, über die grüne Folie abgelenkt wird. Der Laser arbeitet vorzugsweise im sichtbaren Spektrum und kann in einer von zwei Betriebsarten betrieben werden. Ein Irnpulsbeirieb kann durch Güteschaltung (Q switching) des Lasers selbst erfolgen. Beispielsweise kann ein Yttrium-Aluminium-Granatlaser, aligemein als YAG-Laser bekannt, verwendet und bei Frequenzen oberhalb von 1 MHz durch Güteumschaltung ein- und ausgeschaltet werden. Bei CW-Betrieb (continuous wave) wird die Bahn des Laserstrahls, d. h. eines YAG oder anderen geeigneten Lasers abgelenkt. Wie in Fig. 2 gezeigt, wird die Bahn des Strahls 60 mittels einer üblichen optischen Einrichtung 61, Fi g. 1 nach der Bahn 65 ausgeienkt. Eine zwischen den Seitenwänden 52 und 54 angeordnete Sperre, wie z. B. ein Block 69 aus Wolfram liegt in der Bahn des abgelenkten Strahls 65. Die Funktionsweise der Sperre 69 in Fig. 2 liegt oberhalb des normalen Ortes des Brennpunktes, der in der Nähe der Trägerschicht liegt. Der Block aus Wolfram absorbiert und vernichtet damit die unfokussierte Energie des ausgelenkten ode^r abgelenkten Laserstrahls 65, ohne dabei beschädigt zu werden. In jedem Fall wird der Strahl 60 durch eine Linse 67 auf einen Punkt fokussiert, der etwa 2.54 · ΙΟ"² mm Durchmesser haben kann. Der Brennpunkt is; dabei nicht planar, sondern weist eine Einschnürung auf. Dieses eingeschnürte Feld kann dabei nicht nur die Oberfläche der Trägerschicht umfassen, sondern sich noch eine kurze Strecke bis oberhalb der Trägerschicht erstrecken.

Die in den F i g. 1 und 2 dargestellte bevorzugte Ausführungsform wird dabei wie folgt betrieben. Die grüne oder ungebrannte Folie 10 bewegt sich über das Transportband 14 in den und durch den Arbeitsbereich, während die optische Achse des Laserstrahls mit Hilfe des rotierenden Vielfach-Spielgels 62 um einen Winkel 6OA, 60,60S über die grüne Folie in einer zur Bewegung des endlosen Transportbandes 14 senkrecht liegenden Ebene, abgelenkt wird. Die Linse 67 fokussiert den

Laserstrani loriscnreiienu am rui'mic m einer ι^ΊΠίδ aiii oder über der Trägerschicht 16. wenn der Strahl den Winkel 60Λ. 60, 60S durchläuft. Die Kombination der erschiedenen Bewegungen des Laserstrahls in der ^-Richtung und des Transportbandes in K-Richtung liefert ein rasterartiges Abtastmuster der optischen Achse auf der grünen Folie. Es sei dabei darauf verwiesen, daß der Laser selbst körperlich nicht bewegt wird, sondern daß durch die Abienktechnik die Ausrichtung erhaben bleibt und dadurch auch die Arbeitsgeschwindigkeit erhöht wird. Eine nicht dargestellte Datenverarbeitungsanlage, die dieser Gesamtvorrichtung zugeordnet ist, hält die Koordinatendaten sowohl für die unter dem Laser befindliche grüne Folie als auch für das gewünschte Muster an Bohrungen gespeichert Wenn der Laser mit seiner Abtastung sich über die Trägerschicht bewegt, wird über die Datenverarbeitungsanlage entweder der normalerweise gesperrte Laser eingeschaltet oder im kontinuierlichen Betrieb wird der Brennpunkt nach der Position abgelenkt oder verschoben, an der eine Bohrung angefertigt werden soll.

Um der Datenverarbeitungsanlage die K-Koordinatendaten für die Trägerschicht zu liefern, ist eine Lichtquelle 70 vorgesehen, die einen dünnen Lichtstrahl auf eine verspiegelte Codierscheibe 71 richtet, die an einem Ende des rotierenden Zylinders 22 vorgesehen ist. Die Codierscheibe weist mehrere nichtreflektierende Codiermarken 72 auf, von denen nur vier gezeigt sind. Die Codiermarken sind mit jeder querverlaufenden Perforationszeile mit Bohrungen 42 in dem Transportband 14 ausgerichtet, wenn dieses Transportband unter dem eine Abtastbewegung durchführenden Strahl den Ablenkbereich oder Winkel 6OA, 60, 60ß durchläuft. Dabei ist eine sehr präzise Ausrichtung zwischen den Codiermarken 72 und den Zeilen von Bohrungen 42 durch den Antriebszylinder 22 mit seinen Zähnen 24 und den Transportlochungen 18 in dem Transportband 14 vorgesehen, während die Transportiochungen 18 in der Trägerschicht 16 und in der grünen Folie 10 in gleicher Weise für eine Ausrichtung der grünen Folie sorgen. Ein eine Photozelle enthaltender Signalgenerator fühlt das reflektierte bzw. nicht reflektierte Licht von der Lichtquelle 70 und der Spiegeloberfläche entsprechend den nichtreflektierenden Codiermarken 72 auf der Scheibe 71 ab. Über Leitungen 74 werden die codierten Signale von der Photozelle 73 nach der Datenverarbeitungsanlage übertragen und liefern damit für diese Anlage die V-Koordinaten für die Folie.

Zur Lieferung der Λ'-Koordinaten Daten für die Folie wird von einer Lichtquelle 75 ein dünner Lichtstrahl auf eine spiegelnde Oberfläche einer Codierscheibe 76 gerichtet, die an dem Ende des rotierenden Vielfach-Spiegels 62 angeordnet ist. Die Codierscheibe weist mehrere nichtreflektierende Marken 77 auf, von denen nur acht gezeigt sind. Die Marken sind in Gruppen angeordnet, wobei die Anzahl der Gruppen der Anzahl der Flächen des rotierenden vielflächigen Spiegels 62 entsprechen. Die Anzahl der Marken in jeder der Gruppen von Marken entspricht der Anzahl der sich in Längsrichtung erstreckenden Spalten von Bohrungen 42 in dem Transportband 14. Der Abstand zwischen den einzelnen Marken in jeder Gruppe von Marken enthält eine der Winkeltangente entsprechende Kompensation, wobei die Marken mit einem Signalgenerator 77 mit einer Photozelle jedesmal ausgerichtet ist, wenn die optische Abtastachse des Laserstrahls 60 den Winkel 6OA, 60, 60ß durchläuft und mit einer Längsspalte von "ohrunger. 42 in dem Transportband 14 ausgerichtet ist. Die Photozelle 77 und die Leitungen 78 liefern die AT-Koordinaten-Daten an die Datenverarbeitungsanlage in gleicher Weise wie die Photozelle 73 die Daten für die V-Koordinaten liefert

Als ein reproduzierbarer Bezugspunkt oder Ausgangspunkt für das Herstellen der Bohrungen mit Hilfe eines Laserstrahls kann man beispielsweise einen der Zähne vom Umfang des Antriebszylinders 22 und auch die entsprechenden Löcher in dem Transportband 14, der auflaminierten Trägerschicht 16 und der grünen Folie 10 weglassen. Der Ort dieser Auslassungen ist in F i g. 1 durch einen Punkt 79 angedeutet, der mit einer Codiermarke 81 von dreifacher Breite ausgerichtet ist, weiche im übrigen in allen sonstigen Punkten gleich der Codiermarke 72 ist Der Längsabstand längs des Transportbandes 14 zwischen einzelnen fehlenden

Transportlochungen entspricht vorzugsweise einem ganzzahligen Vielfachen einer Länge eines aus grüner, ungebrannter Folie bestehenden Werkstückes einschließlich unbearbeiteten Endabschnitten, die zwischen den Muster von durchgehenden Bohrungen aufweisenden Bereichen aufeinanderfolgender Werkstücke angeordnet sind. Außerdem sind die fehlenden Transportlochungen vorzugsweise mit einer Mittellinie zwischen zwei solchen Abschnitten als Bezugspunkte ausgerichtet.

Der zum Antrieb des Vielfach-Spiegels 62 dienende Motor 66 kann ebenfalls über ein Untersetzungsverhältnis zum Antrieb für den Antriebszylinder 22 benutzt werden. Dabei wird das Untersetzungsverhältnis des Untersetzungsgetriebes in Kombination mit dem Durchmesser des Antriebszylinders so gewählt, daß sich damit eine Längsbewegung der Trägerschicht 16, der grünen Folie 10 und des Transportbandes 14 in der Weise ergibt, daß aufeinanderfolgende, in seitlicher Richtung erfolgende Abtastbewegungen der optischen Achse des Laserstrahls mit aufeinanderfolgenden Zeilen von Bohrungen 42 in dem Transportband 14 zusammenfallen. Zur Kompensation der Längsbewegung ist die Ebene des von der Laserabtastung überstrichenen Winkels 6OA, 60, 6OB in bezug auf die Richtung der Achse des Antriebszylinders 22 um einen kleinen Vorlaufwinkel Φ (nicht gezeigt) verdreht. Dieser Vorlaufwinkel Φ kann als der Winkel bezeichnet werden, dessen Tangente sich aus dem Verhältnis der Geschwindigkeit der Längsbewegung, dividiert durch jü die durchschnittliche Geschwindigkeit der seitlichen Abtastungen der Trägerschicht 16, der grünen Folie 10 und des Transportbandes 14 durch die optische Achse des Lasers ergibt. Ein Maschinenrahmen oder Chassis (nicht gezeigt) trägt die zuvor beschriebenen mechanisehen, optischen und elektrischen Bauelemente und hält diese in ihrer in F i g. 1 und 2 gezeigten gegenseitigen Anordnung. Der Maschinenrahmen enthält reibungsarme Lager für die rotierenden Wellen 26, 34, 36, 38, 49 und 51. Die Lager der Welle 36 für die Leerlauf rolle 30 sind in senkrechter Richtung einstellbar und dienen zum Spannen des Transportbandes 14. Die Druckkammer mit den Seitenwänden 52 und 54 ist in senkrechter Richtung verstellbar, so daß sich eine sehr dichte, jedoch nicht fest verbindende Passung zwischen den Seitenwänden und der Trägerschicht 16 ergibt. Die Lichtquelle 70 und die Photozelle 73 sind zusammen auf einer Platte befestigt, die um die Achse der Welle 26 drehbar ist, so daß eine Signalausrichtung mit den seitlichen Reihen von Bohrungen 42 im Transportband 14 möglich ist. Die so Lichtquelle 75 und die Photozelle 77 sind ebenfalls auf einer Platte befestigt die um die Achse der Welle 64 für eine Signalausrichtung mit den Längsreihen der Bohrungen 42 im Transportband 14 drehbar ist Der Laser und die optischen Bauelemente der Vorrichtung sind alle mit entsprechenden Einstelleinrichtungen für eine ursprüngliche Ausrichtung versehen.

Die zuvor beschriebenen Photozellen 73 und 77 liefern kontinuierlich Daten an die Datenverarbeitungsanlage. Diese Anlage ist so programmiert, daß sie diese Daten in X/K-Koordinaten umsetzt, die sich mit den Werkstücken bewegen. Ein Bezugspunkt oder Ausgangspunkt für die V-Koordinate wird dabei durch das wiederholte Weglassen einer Transportlochung in der sich bewegenden Trägerschicht 16, der grünen Folie 10 und dem Transportband 14 dargestellt, wobei diese ausgelassene Transportlochung mit dem Punkt 79 bezeichnet ist. Da ein entsprechender Zahn auch am Umfang des Antriebszylinders 22 fehlt, tritt dieser Bezugspunkt oder Ausgangspunkt für jedes Werkstück und das Transportband für jede Umdrehung des Antriebszylinders 22 einmal auf. Die Messung der V-Koordinaten ergibt sich aus der numerischen Zählung der Anzahl seitlicher Reihen von Bohrungen 42 im Transportband 14. Andererseits kann sich die Zählung für die K-Koordinate als ein ganzzahliger Teil einer Zählung wiederholen, die einer ganzzahligen Anzahl von Werkstücken entspricht, die zwischen weggelassenen Transportlochungen in der Trägerschicht 16 und der grünen Folie 10 auftreten. Der Bezugspunkt oder Ausgangspunkt für die λ'-Koordinaten ist die erste Längszeile von Bohrungen 42 in der Transportbahn 14 in der Nachbarschaft des mit 79 bezeichneten Punktes auf der Trägerschicht 16 der grünen Folie 10 und dem Transportband 14. Zur Messung der X-Koordinaten dient die numerische Zählung der Anzahl von Längsreihen von Bohrungen in dem Transportband 14, beginnend mit der ersten Reihe. Die Zählung der A"-Koordinate beginnt für jede Abtastung der optischen Achse des Laserstrahls über den Winkel 60/4, 60, 60S über das Werkstück und das Transportband 14 von neuem bei null. Somit ist also die Datenverarbeitungsanlage so programmiert, daß sie fortlaufend Werte für die X- und K-Koordinaten für die augenblicklichen X- und y-Koordinatenschnittpunkte der optischen Achse des Lasers mit der sich bewegenden Trägerschicht 16, der grünen Folie 10 und des Transportbandes 14 liefert.

Die Herstellung der einzelnen Bohrungen wird nunmehr anhand der F i g. 3 bis 8 erläutert. Wenn in einem mit Laser arbeitenden optischen System ein im Güteschaltbetrieb umschaltbarer oder ein impulsmodulierter Laserstrahl genau fokussiert ist und die am Brennpunkt auftretende Energie des Laserstrahls ausreichend hoch ist, um das am Brennpunkt befindliche Gas zu ionisieren, dann ist das Ergebnis dieser sehr rasch ablaufenden Ionisation tatsächlich eine Art kleiner Explosion und es können dabei innerhalb der Einhüllenden 83 der Stoßwelle Explosionsdrucke in der Größenordnung zwischen 68,7 und 206,3 bar erzeugt werden. Die anfängliche Größe der Einhüllenden und der Anfangsdruck innerhalb der Einhüllenden 83 der Stoßwelle kann dadurch verändert oder verformt werden, daß der Durchmesser des fokussierten Laserstrahls, die zeitliche Dauer des über Laserstrahl aufgebrachten Leistungsimpulses, die Leistung des Lasers und/oder der Druck des umgebenden komprimierten Gases entsprechend verändert oder geformt wird.

Der Druck der Ionisationsexplosion innerhalb der Einschnürung des Brennpunktes des Laserstrahls wird durch die Anwesenheit eines unter Druck stehenden Gases innerhalb des Volumens des eingeschnürten Brennpunktes vor der Ionisation noch erhöht. Wenn das Gas unter Druck steht, so erhöht dies auch die Dichte des Gases innerhalb des Brennpunktes, so daß dort eine größere Dichte entsteht und eine größere Zahl von Gasatomen und/oder Molekülen innerhalb des eingeschnürten Brennpunktes vorhanden ist, die durch Übertragung von Energie aus dem fokussierten Laserstrahl ionisiert werden können. Der Druck innerhalb der ursprünglichen Einhüllenden der Stoßwelle nimmt nichtlinear mit der Anzahl der ionisierten Gasatome und/oder Moleküle innerhalb des eingeschnürten Brennpunktes zu. Vorzugsweise sollte der hier durch Pfeile 68 angedeutete Gasdruck für eine Unterstützung der beginnenden Explosion und für eine

Beschränkung der ursprünglichen Ausdehnung auf einen Durchmesser von 7,62 · 10~²mm etwa 6,87 bis 34,3 bar betragen.

Das Gasvolumen innerhalb der Einhüllenden 83 der Stoßwelle (Fig.4) dehnt sich nach der Bildung der Einhüllenden der Stoßwelle sehr rasch aus (Fig. 5), während gleichzeitig der innerhalb der Einhüllenden herrschenden hohe Druck sich durch diese Ausdehnung rasch abbaut. Für stärkere Trägerfolien und grüne, stärkere ungebrannte keramische Folien 10 kann es erwünscht sein, die zeitliche Dauer des Laser-Energieimpulses 60 in F i g. 5 zu erhöhen. Die erhöhte Impulsdauer kann dazu verwendet werden, dem Gas innerhalb der sich ausdehnenden Einhüllenden der Stoßwelle 83 (F i g. 5) weitere Laserenergie zuzuführen, wodurch der Gasdruck innerhalb der Einhüllenden bei Ausdehung der Einhüllenden weniger rasch verringert wird.

Wie schon beschrieben, hat der Druck der örtlich auftretenden Stoßwelle die Aufgabe, die Trägerschicht 16 und das Material der grünen (ungebrannten) Folie 10 aufzureißen. Der Druck der Stoßwelle kann zusammen mit der Energie des fokussieren Laserstrahls auch dazu dienen, die molekulare Struktur oder den Zusammenhang des Materials der Trägerschicht und des Bindemittels der grünen Folie zu zerstören, so daß damit deren Reißfestigkeit abnimmt. Ferner kann der Druck der Stoßwelle auch eine Beschleunigung des aufgerissenen, nicht mehr zusammenhängenden Materials der Trägerschicht oder der grünen Folie nach und/oder durch die Bohrung 42 im Transportband 14 bewirken.

Wenn der Druck innerhalb der Einhüllenden der Stoßweile durch Expansion und Verlust von Wärmeenergie bis auf den Druck des unter Druck stehenden Gases verringert ist, dann hört die effektive Zunahme des Gasdruckes innerhalb der Einhüllenden auf und es setzt ein umgekehrter Vorgang über die augenblickliche Gleichgewichtsgrenze 83' in Fig. 6 ein. Der Druck des Gases 68 kann nunmehr größer sein als der örtlich wirksame Druck innerhalb der Grenze 83' ubd kann damit das Aufreißen der Trägerschicht 16 und der grünen Folie unterstützen und kann die herausgerissenen Teile weiter in Richtung auf und/oder durch die Bohrung 42 im Transportband 14 beschleunigen. Diese zusätzlichen Wirkungen des unter Druck stehenden Gases 68 sind von großer Bedeutung, da die durch Laserionisation hervorgerufene Stoßwelle hohen Drukkes von außerordentlich kurzer Dauer ist. Tatsächlich kann das unter Druck stehende Gas 68 den größten Teil der tatsächlich erforderlichen Arbeit zur Herstellung der durchgehenden Bohrungen verrichten.

Das dazwischenliegende Transportband i4 stützt die Trägerschicht 16 und die grüne Folie 10 bei der Verformung und Zerreißen durch den Gasdruck 68 und den Druck der Stoßwelle ab, wenn die Trägerschicht 16 und die grüne Folie 10 über die umlaufenden Nuten 40 des rotierenden Antriebszylinders 22 laufen. Das dazwischenliegende stützende Transportband 14 liefert diese LInterstützung mit Ausnahme der Bohrungen 42 in dem Transportband 14, die tatsächlich die Bruchzonen definieren, die dann dadurch genau definierte durchgehende Bohrungen bestimmen, die dann durch laserinduzierte Stoßwellen und den Gasdruck 68 gebildet v/erden. Durch Aufreißen und Zerstören der Trägerschicht 16 auf der Oberfläche der grünen Folie 10 und der Bohrung 42 im Transportband 14 auf der Unterseite der grünen Folie wird eine gerade verlaufende Bruchzone zwischen den oben- und untenliegenden Öffnungen und eine brauchbare durchgehende Bohrung 12 mit dem erforderlichen Durchmesser in der grünen Folie definiert. Die kontinuierliche Wirkung des unter Druck stehenden Gases in Verbindung mit dem an die Nut 40 angelegten Vakuum dient zum Absaugen und Herausblasen des herausgerissenen Materials durch die Bohrung 42 in der TransportDahn 14 (Fig. 6). Dieses Material wird in üblicher Weise abgesaugt. Das

ίο Ausblasen mit unter Druck stehendem Gas wird fortgesetzt, während der Brennpunkt des Laserstrahls nach den Koordinaten der nächsten Bohrung weiterläuft, wie in F i g. 8 gezeigt.

Wie bereits beschrieben und dargestellt, hat das unter Druck stehende Gas vier grundsätzliche Funktionen: Es erhöht zunächst den Gesamtdruck der Explosion, begrenzt die Explosion, "liefert einen Beitrag zum Aufreißen der Folien und unterstützt das Ausstoßen des bei der Explosion herausgerissenen Materials. Ohne dieses Gas unter Druck wäre der Bereich der Stoßwelle größer, so daß man größere, weniger genau bestimmte, durchgehende Bohrungen erhalten würde.

Die genaue Bestimmung der durchgehenden Bohrungen wird auch durch die Trägerschicht 16 erleichtert. Da die grüne Folie örtlich spröde ist, würde eine unmittelbar angelegte Stoßwelle das Material zur Bildung eines Loches aufreißen, würde jedoch außerdem auch das Material in der Nachbarschaft des Loches zerreißen. Man würde auf diese Weise also abgeschrägte Kanten nach Art eines Trichters erhalten und keine senkrechten Wände der Bohrung. Ist das Trägermaterial viel härter, dann ist diese Wirkung geringer, und man erhält eine genauere Definition der Bohrung, wenn die Stoßwelle die grüne Folie durchdringt. Andererseits läßt sich auch ein Material, das durch die durch den Laserstrahl hervorgerufene Wärme unmittelbar in die Dampfphase übergeht, ebenfalls als Trägerschicht 16 verwenden. Bei Verwendung eines solchen Materials wird zur gleichen Zeit, in der der Laserstrahl das oberhalb der Trägerschicht befindliche Gas ionisiert, auch der engbegrenzte Bereich der Trägerschicht 16 selbst verdampft. Man kann auch weiterhin dadurch einen Druck erzeugen, daß das verdampfte Material durch den Laserstrahl dissoziiert und ionisiert wird.

Dieses Verfahren benutzt das unter Druck stehende Gas für den größten Teil der zum Aufreißen und Abführen des Materials aus der durchgehenden Bohrung erforderlichen Arbeit. Der Laserstrahl wird nur zur Erzeugung einer stark örtlichen begrenzten Bruchzone in der grünen Folie benötigt und die für dieses Verfahren erforderliche Energie beträgt nur etwa V₁₀ bis Vioo der normalerweise bei Verfahren gemäß dem Stande der Technik verwendeter¹. Energie vor. Laserstrahlen, wo mit hoher Leistung ein Durchbrennen oder eine andere Durchdringung erzielt wird.

Eine zweite Ausführungsform der Erfindung ist schematisch in Fig.9 gezeigt Die im Zusammenhang mit den F i g. 1 und 2 beschriebenen Bauelemente der bevorzugten Ausführungsvorrichtung lassen sich auch im Zusammenhang mit den Fig.9 bis 13 verwenden. Wenn sich diese Elemente im wesentlichen in gleicher Weise sowohl in der bevorzugten als auch in der zweiten Ausführungsform verhalten, werden die Elemente mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet und ihre Beschreibung wird sehr kurz sein oder ganz entfallen können.

Die grüne Folie 10 und die Trägerschicht 16 sind für eine Bewegung in V-Richtung eingelegt und liegen auf

den den Arbeitsbereich definierenden Schienen 80 und 82 auf. Die Oberflächen der Schienen 80 und 82 sind vorzugsweise mit einer Schicht aus Polytetrafluorethylen überzogen und bilden zwischen sich einen Kanal oder Schlitz 81, der etwa 15,6· 10-²mm breit und 139,7 mm lang ist und unter einer linearen Düse 86 liegt. Diese Düse ist 22,86 · 10~² mm breit und 152,4 mm lang und wird durch die Seitenwände 88 und 90 einer Druckkammer 91 gebildet. Die Druckkammer ist nach oben durch ein Fenster 92 abgeschlossen, das in den Seitenwänden durch Halteleisten 94 und Schrauben 96 festgehalten wird. Nicht dargestellte Seitenwände vervollständigen die Druckkammer. Ein Paar V-förmig geformter Leitbleche 98 liegen zwischen der Düse und der grünen Folie mit einem Abstand von der grünen Folie von etwa 0.05 mm und einem Abstand zwischen den beiden Leitblechen von 0,1178 mm. Flansche 100 verbinden die Leitbleche 98 wirkungsmäßig im Sinne einer Versteifung mit der Düse 88. Bohrungen 101 in den Flanschen 100 gestatten das Austreten von Gas mit niederem Druck aus der Zone unterhalb der Düse 88 und 90.

In gleicher Weise wie bei der in Fig. 1 gezeigten Ausführungsform wird die Druckkammer 91 mit einem nichtoxidierenden Gas beaufschlagt und der Laserstrahl wird fokussiert und in X-Richtung abgelenkt, während die Trägerschicht 16 und die grüne Folie 10 sich in V-Richtung bewegen. Anstelle der Trommel und Walzen in F i g. 1 gleitet hierbei die grüne Folie einfach in der Weise über den Arbeitsbereich, daß die grüne Folie über eine mit Transportzähnen versehene Rolle 111 und eine diese berührende elastische Rolle 112 geführt wird. Die Rollen 111 und 112 werden vom Spiegelantriebsmotor 66 über ein Untersetzungsgetriebe mit festem Untersetzungsverhältnis angetrieben, wodurch die Ablenkung der optischen Achse 60 des fokussierten Laserstrahls in der X-Richtung zusammen mit der Bewegung in K-Richtung eine rasterförmige Abtastung liefern. Codiermarken 72 (nicht gezeigt) und eine Photozelle 73 (nicht gezeigt), die am Ende der Rolle Ul angeordnet sind, erzeugen ein Datensignal für die K-Koordinate für die angeschlossene Datenverarbeitungsanlage, wie dies im Zusammenhang mit der bevorzugten Ausführungsform beschrieben wurde. In der Datenverarbeitungsanlage liegen daher die Daten für die XY- Koordinate des augenblicklichen Auftreffpunktes der optischen Achse des Lasers auf die sich bewegende Trägerschicht 16 und die grüne Folie 10. Die im Speicher der Datenverarbeitungsanlage liegenden Daten für die Orte der einzelnen, herstellenden durchgehenden Bohrungen liefern zusammen mit einer Koinzidenzschaltung den Schaltimpuls zum einschalten des Lasers dann, wenn die A"-Koordinate der abtastenden optischen Achse des Lasers und die V-Koordinaten der sich bewegenden Trägerschicht 16 und der grünen Folie 10 mit den ΑΎ-Koordinaten der geforderten durchgehenden Bohrungen zusammenfallen.

In der Ausführungsform gemäß F i g. 9 definieren die Grenzen der durch einen Laser induzierten Stoßwelle einen linearen Strom eines komprimierten Gases, das durch die Düse 86 (F i g. 10) in Richtung auf die grüne Folie beschleunigt wird. Die sich verengenden Grenzen 102 (Fig. 10) der Stoßwelle der linearen Strömung erstrecken sich zu beiden Seiten des von der linearen Düse ausgehenden Strahls bis auf die sich bewegende Trägerschicht Der Gasdruck innerhalb der konvergierenden Grenzen der Stoßwelle des Strahls ist im wesentlichen gleich dem Gasdruck innerhalb der Kammer 91. Da sich somit die konvergierenden Grenzen nach unten bis auf die Trägerschicht erstrecken, kann der Gasdruck der Kammer auf einem sehr schmalen Bereich zur Einwirkung gebracht werden, der sich quer zur Trägerschicht erstreckt. Die Querabtastung der optischen Achse des Lasers ist mit dieser querverlaufenden Ausdehnung des unter Druck stehenden Bereiches dei Trägerschicht ausgerichtet. Wird nun der Laser eingeschaltet, dann liegt der

ίο verengte Brennpunkt des Lasers vollständig innerhalb der konvergierenden Grenzen 102 der Stoßwelle des unter Druck stehenden Gases innerhalb des Strahls. Die durch Laserstrahl induzierte Ionisation und Explosion (Fig. 12) tritt innerhalb des unter Druck stehenden Gases an und oberhalb der Oberfläche der Trägerschicht 16 auf und erz;eugt örtlich eine Bruchzone in der Trägerschicht und in der grünen Folie i0, wie dies im Zusammenhang mit den Fig. 1 bis 6 der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung beschrieben wurde.

Nach Aufreißen der Trägerschicht treibt das unter Druck stehende Gas (Fig. 13) das herausgerissene Material der Trägerschicht und der grünen Folie nach unten durch die örtliche Bruchzone hindurch und bildet somit eine durchgehende Bohrung.

Wie bereits erläutert, ist innerhalb der konvergierenden Grenzen 102 der Stoßwelle der Gasdruck des Strahls im wesentlichen der gleiche wie der Gasdruck in der Druckkummer 91 oberhalb der Düse 86. Ein Teil des Gases fließt ständig von dem Strahl mit Schallgeschwindigkeit über die Grenzen der Stoßwelle nach außen nach einer Zone von Atinosphärendruck außerhalb der Grenzen der Stoßwelle ab. Während das Gas nunmehr unter Atmosphärendruck nach außen abströmt, behält es doch seine hohe, durch den Strahl nach unten gerichtete Geschwindigkeit bei. Würde sich dieser nach unten gerichteten Geschwindigkeit ein fester Gegenstand entgegenstellen, dann würde ein Teil der kinetischen Energie des sich mit hoher Geschwindigkeit bewegenden Gases an der Oberfläche des Gegenstandes in einen statischen Gasdruck umgesetzt werden. Die Leitbleche 98 sind zwischen der derartig nach unten gerichteten Geschwindigkeit des Gases und der Trägerschicht 16 angeordnet und verhindern damit, daß der statische Gasdruck auf die Trägerschicht einwirkt.

Dadurch wird die für eine Bewegung der grünen Folie 10 über die mit Polytetrafluoräthylenüberzug versehenen Bauelemente erforderliche Kraft verringert. Obgleich die grüne Folie eine relativ geringe Reißfestigkeit aufweist, so reicht ihre Festigkeit doch aus, daß sie unter dem durch den schmalen Strahl innerhalb der konvergierenden Grenzen der Stoßwelle ausgeübten Druck entlanggleiten kann, könnte jedoch zerreißen, wenn sie ohne die Leitbieche 98 den ausgedehten Bereichen statischen Druckes ausgesetzt sein würde.

Die Leitbleche 98 dienen außerdem zur Formung oder Fokussierung der Stoßwelle auf die grüne Folie. Wie aus Fig. 12 und 13 zu erkennen, ist die Arbeitsweise dabei die gleiche, wie im Zusammenhang mit dem Schlitz 84 bei der Entfernung des Abfallmaterials beschrieben. Die Datenverarbeitungsanlage bestimmt dann den nächster. Ort für eine durchgehende Bohrung, und wenn die Abtastung diesen Punkt erreicht, wird der Laserstrahl erneut eingeschaltet oder von der Sperre 69 weg (F i g. 2) abgelenkt

In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung läßt sich die Funktion der Trägerschicht 16 sowohl in der bevorzugten ah; auch in der zweiten Ausführung*;-form durch eine Erhöhung des prozentualen Anteil"; an

flüssigem Bindemittel ersetzen, das beim Mischen und Vergießen des die grüne Folie bildenden Materials benutzt wird. In einem dieser Gießverfahren wird das Bindemittel mit pulverförmiger Tonerde und einem kleinen Prozentsatz pulverisierter Glasfritte zur Bildung einer gießfähigen Trübe gemischt. Diese Trübe wird auf eine flache Folie aus Polyethylenterephthalat ausgegossen und unter einer Rakel oder einem Streichmesser auf die gewünschte gleichförmige Dicke gebracht Die auf dieser Folie befindliche Trübe wird dann über Nacht stehengelassen, während dieser Zeit setzt sich das feste Material auf der Rolle ab, wobei eine kleine Menge des Bindemittels sich oberhalb der festen Bestandteile

absetzt Das als Trübe gegossene Material wird anschließend unter einer Infrarotlampe zur Polymerisation des Bindemittels und zur Bildung einer Folie eines stabilen grünen Rohmaterials polymerisiert, so daß anschließend die Folie abgezogen werden kann. Wenn man den prozentualen Anteil an Bindemittel in der Mischung der Trübe erhöht dann kann man erreichen, daß eine dickere Schicht aus Bindemittel oberhalb der festen Bestandteile schwebt. Nach Aushärten durch

ίο Infrarotstrahlung kann man die dickere Schicht aus polymerisiertem Bindemittel im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung in gleicher Weise benutzen wie die Trägerschicht 16.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims (6)

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Herstellen von Bohrungen in einer Materialbahn mit Hilfe eines auf die Materialbahn gerichteten und auf oder über der Materia!- bahn und dem Ort der herzustellenden Bohrung fokussierten, impulsweise betriebenen Laserstrahls, gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte: Einbringen der aus ungebrannter keramischer Folie bestehenden Materialbahn zusammen mit einer Trägerschicht, die auf der dem Laserstrahl zugewandten Seite der Materialbahn angeordnet ist, in einen geschlossenen Raum mit einem unter Druck stehenden inerten Gas; impulsweises Ionisieren des unter Druck stehenden Gases im Bereich des Ortes der herzustellenden Bohrung durch den dorthin abgelenkten und dort fokussierten Laserstrahl und dadurch Bilden einer Stoßwelle, deren Energie infolge der durch die Raumwände gegebenen seitlichen Begrenzung und Führung im wesentlichen in die Trägerschicht und die Materialbahn hineingerichtet ist, zur Herstellung einer durchgehenden Bohrung, und Entfernen der Materialabfälle durch eine jeweils entsprechend positionierte Öffnung in der die Materialbahn und die Trägerschicht tragende Unterlage.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Material der Trägerschicht weniger brüchig ist, als die mit Bohrungen zu versehende Materialbahn, daß die Trägerschicht der Erosionswirkung der Stoßwelle einen solchen Widerstand entgegensetzt, daß durch den fokussierten Laserstrahl zunächst das Material der Trägerschicht am Ort der herzustellenden Bohrung verdampft wird, wodurch sich der Druck des bereits unter Druck stehenden Gases erhöht und die Kraft der Stoßwelle erhöht wird.

3. Vorrichtung zur Durchführung eines Verfahrens gemäß den Ansprüchen 1 oder 2 mit Mitteln zum genauen Ausrichten des Materials im Arbeitsbe- <"> reich, wobei das Material fortlaufend durch den Arbeitsbereich hindurch transportierbar ist, während der Laserstrahl in einer zur Transportrichtung etwa senkrecht verlaufenden Richtung ablenkbar und auf die einzelnen Orte der in dem Material herzustellenden Bohrungen einstellbar und dort fokussierbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß eine allseitig geschlossene Kammer (45) mit einem unter Druck stehenden Gas vorgesehen ist, welche an der Oberseite durch ein für den Laserstrahl durchlass!- ges Fenster (46) abgeschlossen ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Kammer (91) eine sich über die ganze Breite des Materials (16,10,14) erstreckende lineare Düse (86) aufweist, die durch die Seitenwände (88,90) der Kammer gebildet ist, die sich zunächst nach oben erweitern und dann in einen senkrechten Abschnitt übergehen und daß zwischen der Düse (86) und dem Mateiial ein aus über Flansche (100) mit der Außenseite der Seitenwände (88, 90) verbundenen Leitblechen (98) bestehender Kanal vorhanden ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Gasdruck in der Kammer (45) etwa 6,87 bar beträgt.

6. Vorrichtung mch Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß als Gas Stickstoff verwendet ist.

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Herstellen von Bohrungen in einer Materialbahn, mit Hilfe eines auf die Materialbahn gerichteten und auf oder über der Materialbahn und dem Ort der herzustellenden Bohrung fokussierten, impulsmäßig betätigten Laserstrahls.

Eine Vorrichtung dieser Art ist beispielsweise aus der US-PS 32 26 527 bekannt

Da sich Laserstrahlen nicht nur sehr gut bündeln lassen, sondern auch für die Erzeugung von Impulsen hoher Leistung geeignet sind, hat dies dazu geführt, daß man Laserstrahlen sogar für sehr komplizierte operative Eingriffe an Augen und sogar für Waffen in Betracht gezogen hat Die große Anzahl dieser Untersuchungen verwendet dabei ein örtliches Aufheizen, wodurch Material am Ort verbrannt wird, so daß der gewünschte Schnitt durchgeführt wird, wie dies in vielen Patentschriften, beispielsweise in der US-Patentschrift 36 29 546 beschrieben ist. Eine derartige Aufheizung kann in manchen Fällen von Vorteil sein, in anderen Fällen jedoch von Nachteil und erfordert in jedem FaIi einen Laserstrahl hoher Energie.

Ein weiteres Problem stellt das Entfernen der bei einem solchen Schneidvorgang anfallenden Abfallstoffe oder Abfälle dar. Man hat beispielsweise schon Druckluft benutzt, um derartige Abfälle zu entfernen, wie dies beispielsweise die US-Patentschrift 36 12 814 zeigt. Gemäß dieser Patentschrift wird ein Werstück durch einen Laserstrahl zerschnitten und dann wird ein Druckunterschied dazu verwendet, um die bei diesem Vorgang anfallenden Abfallstoffe hinwegzubewegen. In dem in dieser Patentschrift beschriebenen Beispiel soll das Werkstück ein Material wie z. B. Papier, Tuch und dergleichen sein, das mit Hilfe eines Laserstrahls leicht zerschnitten werden kann. Der Laserstrahl zerschneidet das Tuch und der Unterdruck in einer darunterliegenden Kammer bewirkt, daß Luft mit großer Geschwindigkeit durch den Schnitt hindurchströmt und die Abfälle mitreißt. Dieser Unterdruck wird mit Hilfe einer Pumpkimmer erzeugt.

In der US-Patentschrift 36 49 806 ist ein Verfahren zur Herstellung von Perforationen in einem Werkstück beschrieben, bei dem ein Strahl hoher Energie, wie z. B. ein Elektronenstrahl oder Laserstrahl und ein Gasdruck kombiniert werden, um das in der Perforierung verbliebene Material herauszublasen. Gemäß dieser Patentschrift wird der Strahl nur dazu benutzt, das Werkstück bis zur Verflüssigung oder Verdampfung an dem Punkt, an dem die Perforation hergestellt werden soll, aufzuheizen. Der Gasdruck wird dabei durch eine weitere Substanz erzeugt, die vorzugsweise auf der Rückseite des Werkstückes vorgesehen ist. Nach der ursprünglichen Perforation trifft der Strahl auf diese Hilfssubstanz auf und verdampft sie. Der aus dieser Verdampfung sich einstellende hohe Druck bläst die geschmolzenen Teilchen des Werkstücks weg.

Ein weiteres Beispiel einer Verwendung von Hochenergie-Laserstrahlen findet sich in der US-Patentschrift 37 42 182, wo eine aus rostfreiem Stahl oder einem ähnlichen Material bestehende Maske über einem zu perforierenden Blech oder eine zu perforierende Tafel gelegt ist, wobei der Laserstrahl eine Abtastbewegung durchführt und längs seiner Bahn entsprechend dem Muster der Bohrung in der Maske Löcher in das Werkstück brennt. Zum Entfernen der Abfallstoffe wird ein Laserstrahl benutzt. Dabei wird der Strahldurchmesser größer gewählt als der Durchmesser des zu bohrenden Loches, so daß sichergestellt