DE4209933A1 - Verfahren zur partiellen Veränderung von Oberflächen metallischer oder nichtmetallischer Körper mit einem Nd:YAG-Laser - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur partiellen Ver­ änderung von Oberflächen metallischer oder nichtmetallischer Körper mit einem gütegeschalteten kontinuierlich angeregten Nd:YAG-Laser entsprechend dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Vorrichtungen, die mit ähnlichen Verfahren arbeiten kön­ nen, sind beispielsweise durch die DE-OS 39 39 866 bekanntge­ worden.

Die bekannten Nd:YAG-Laser werden vornehmlich für Laser­ gravur- bzw. Laserbeschriftungsverfahren, jedenfalls für sol­ che Verfahren zur partiellen Veränderung von Oberflächen ver­ wandt, mit denen nur Einbrenntiefen von maximal 20 µm erzielt werden. Die Begrenzung dieser Einbrenn- bzw. Eindringtiefe ist im Zusammenhang mit metallenen Werkstücken möglicherweise dadurch zu erklären, daß bei der Laserstrahl-Bearbeitung ent­ standene Oxydschichten eine tiefer reichende thermische Ein­ wirkung des Laserstrahls auf den darunter befindlichen Werk­ stoffbereich verhindern. Versuche mit aus thermoplastischen Kunststoffen bestehenden Werkstücken ergaben bei Anwendung des bekannten Verfahrens - zumal bei längerer Wirkungsdauer - nur ein ungezieltes Aufschmelzen bzw. Durchbrennen des Kunst­ stoffes.

Die Führung des Laserstrahls mittels eines einen elek­ tronischen Rechner beinhaltenden zum Beispiel digitalen Ab­ lenkungssystems geschieht bei bekannten Verfahren häufig so, daß der Laserstrahl "gewobbelt", d. h. in kleinen fortlaufen­ den, einander überlappenden kreisenden Bewegungen geführt wird.

Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe besteht darin, das bekannte Verfahren entsprechend dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 so zu verändern, daß nicht nur die vor­ beschriebenen geringen Eindringtiefen zur Herstellung von Be­ schriftungen, sondern darüber hinaus wesentlich höhere Ein­ dringtiefen erzielt werden können, welche eine im weitesten Sinne tiefe, etwa reliefartige, Abtragung der Werkstückober­ fläche gestatten.

Entsprechend der Erfindung ist diese Aufgabe dadurch ge­ löst worden, daß der Laserstrahl innerhalb eines den zu ver­ ändernden Oberflächenteil eingrenzenden Umrisses entlang Ra­ sterlinien eines Rasterfeldes bildender Bezugslinien geführt wird, worauf anschließend das gesamte Rasterfeld un­ ter Beibehaltung der Relativlage des Umrisses mindestens ein­ mal um einen bestimmten Betrag versetzt und der Oberflächen­ teil entlang den Rasterlinien des Rasterfeldes erneut insge­ samt mit dem Laserstrahl abgefahren wird, wobei bei jedem Ab­ fahren die Einwirkdauer und die Höhe des Energieinhalts der die Körper-Oberfläche einschußartig beaufschlagenden Laser­ pulse derart begrenzt werden, daß unter Minimierung einer Plasmabildung eine Verdampfung des Werkstoffes bewirkt wird.

Entsprechend der Erfindung wird der Laserstrahl inner­ halb eines Umrisses geführt, welcher den zu verändernden Oberflächenteil eingrenzt. Hierbei wird der Laserstrahl so geführt, daß er den gesamten Oberflächenteil entlang der Ra­ sterlinien eines Rasterfeldes gleichförmig bearbeitet. Sobald der Laserstrahl die Rasterlinien des Rasterfeldes insgesamt abgefahren hat, wird das die Führung des Laserstrahls bestim­ mende, durch eine Rechnersteuerung erzeugte Rasterfeld um einen bestimmten Betrag versetzt. Hier wird allerdings der Umriß, welcher den zu verändernden Oberflächenteil bestimmt, in seiner örtlichen Relativlage beibehalten.

Nachdem der Versatz um einen bestimmten Betrag erfolgt ist, fährt der Laserstrahl die Rasterlinien des Rasterfeldes wieder insgesamt ab, wodurch die Bearbeitungsdichte auf dem zu verändernden Oberflächenteil vergrößert wird. Falls erfor­ derlich, kann ein Versatz, gegebenenfalls mit demselben be­ stimmten Betrag, noch einmal oder mehrmals nacheinander er­ folgen, jedenfalls so lange, bis ein genügender Werkstoffab­ trag erreicht ist.

Durch den erfindungsgemäßen Versatz wird erreicht, daß möglichst wenige Stellen des zu verändernden Oberflächenflä­ chenteils mehrfach durch den Laserstrahl beaufschlagt werden, insbesondere wird eine Überlagerung von Kreuzungsstellen ver­ mieden. Beim Abfahren des Rasterfeldes mit dem Laserstrahl muß darauf geachtet werden, daß die Einwirkdauer und die Höhe des Energieinhalts der die Körper-Oberfläche einschußartig beaufschlagenden Laserpulse derart begrenzt werden, daß bei Minimierung einer Plasmabildung im wesentlichen nur eine Ver­ dampfung des Werkstoffes eintritt.

Mit den erfindungsgemäßen Maßnahmen ist es insgesamt möglich geworden, beispielsweise bei einem Stahl des Typs 1.2311 eine Abtragstiefe in der Größenordnung von Millimetern zu erzielen. Diese bislang nicht erzielte vorteilhafte große Abtragstiefe läßt sich wohl nur durch die eigenartige erfin­ dungsgemäße Führung des Laserstrahls sowie dadurch erklären, daß praktisch bei Vermeidung einer Plasmabildung nach Mög­ lichkeit nur eine Verdampfung des Werkstoffes erfolgt. Da­ durch, daß der Werkstoff unter Einwirkung des Laserstrahls unmittelbar verdampft und abgesaugt wird, kann bei Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens eine die Eindringtiefe des Laserstrahls behindernde Oxydbildung offenbar weitestgehend vermieden werden.

Auch erscheint es wichtig, durch Begrenzung des Energie­ inhalts des nach Art von einzelnen Einschüssen pulsförmig auf den Werkstoff aufprallenden Laserstrahls eine Plasmabildung weitestgehend minimieren zu können, um auf diese Weise eine die Eindringtiefe des Laserstrahls ansonsten verringernde Ab­ sorption zu vermeiden.

Bei Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird der Laserstrahl mit Hilfe eines akustooptischen Modulators zweck­ mäßig mit einer Frequenz von ca. 10 kHz gesteuert. Das erfin­ dungsgemäße Rasterfeld ist demnach aus Rasterlinien-Längen zusammengesetzt, welche jeweils aus 10 000 pro Sekunde aufeinanderfolgenden, linienartig hintereinander angeordneten, Laser-Einschüssen bestehen. Die mittlere Strahlungsleistung des Lasers beträgt hierbei etwa 50 W.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung wird der Versatz des Rasterfeldes dadurch erzeugt, daß dieses um einen be­ stimmten Umfangswinkel, dem Drehwinkel, versetzt wird.

Entsprechend anderen Erfindungsmerkmalen wird das Ra­ sterfeld um eine bestimmte Strecke, gegebenenfalls zusätzlich zu einer Drehung, translatorisch versetzt.

Als günstig hat sich in weiterer Ausgestaltung der Er­ findung herausgestellt, daß das Rasterfeld eine netzartige Linienstruktur aufweist.

Auch ist es entsprechend anderen Erfindungsmerkmalen möglich, die Rasterlinien parallel zueinander verlaufen zu lassen, um hierdurch insgesamt ein Rasterfeld zu bilden. Zweckmäßig sind die Rasterlinien gerade.

Der vorbestimmte Versatz, wie Drehwinkel oder translato­ rischer Versatz, wird in weiterer Ausgestaltung der Erfindung in Abhängigkeit von dem zu bearbeitenden Werkstoff ausge­ wählt. Das gilt auch für den Parallelabstand der Rasterlinien voneinander.

Bei der Bearbeitung des vorerwähnten Stahls des Typs 1.2311 kann beispielsweise der Drehwinkel 15° betragen, wäh­ rend der Parallelabstand der Rasterlinien voneinander ca. 50 µm beträgt.

Das erfindungsgemäße Verfahren wird nun anhand beigefüg­ ter Zeichnungen erläutert, hierbei zeigt

Fig. 1 in mehr schematischer Weise den Aufbau einer zur Ausübung des erfindungsgemäßen Verfahrens verwendeten Laser­ vorrichtung,

Fig. 2 die Draufsicht auf ein Werkstück sowie schließ­ lich die

Fig. 3-5 Detailvergrößerungen im wesentlichen entspre­ chend der mit III, IV und V bezeichneten Einkreisung in Fig. 2.

Das Herzstück der Laservorrichtung 10 in Fig. 1 besteht aus einem Nd:YAG-Stab 11.

Parallel zum Nd:YAG-Stab 11 ist eine mit Gleichstrom be­ triebene Krypton-Bogenlampe angeordnet, deren Emissionsspek­ trum zur Anregung der optischen Zustände im Nd:YAG-Stab ge­ eignet ist.

Das von der Krypton-Bogenlampe erzeugte Licht gelangt in den Nd:YAG-Stab. Dort wird gemeinsam mit dem optischen Reso­ nator, bestehend aus Endspiegel 13 und Auskoppelspiegel 14, der Laserstrahl L erzeugt.

Zwischen dem Nd:YAG-Stab 12 und dem Auskoppelspiegel 14 ist ein akustooptischer Modulator 15 eingebaut, der etwa wie folgt Positioniert:

In einem Glasblock wird durch ein Piezoelement eine Ultraschallwelle eingekoppelt, die in dem Glasblock ein opti­ sches Gitter erzeugt. Das Ein- und Ausschalten des Gitters wird von einem insgesamt mit 17 bezeichneten Steuerteil ver­ anlaßt, von welchem elektrische Steuerleitungen 16 zum aku­ stooptischen Modulator 15 führen.

Das Ein- und Ausschalten des optischen Gitters des aku­ stooptischen Modulators 15 hat das Ein- und Ausschalten des Laserstrahls L zur Folge. Durch dieses Ein- und Ausschalten, im vorliegenden Fall mit einer Schaltfrequenz von etwa 5 kHz, entstehen in Verbindung mit dem Nd:YAG Stab Energiespitzen besonders großer Leistung, was insgesamt mit dem Begriff "Technik der Güteschaltung", umschrieben werden kann.

Mittels einer Streulinse 18 und einer Sammellinse 19 er­ folgt sodann eine Aufweitung des Laserstrahls L. Der aufge­ weitete Laserstrahl L wird auf einen ersten Drehspiegel 20 gegeben und von diesem auf einen zweiten Drehspiegel 21 re­ flektiert. Die Drehachsen x, y der beiden Drehspiegel 20, 21 verlaufen orthogonal zueinander. Die Drehachse y des Dreh­ spiegels 20 verläuft z. B. lotrecht und die Drehachse x des Drehspiegels 21 horizontal.

Beide Drehspiegel 20, 21, werden durch je einen soge­ nannten Galvanometerscanner 22, 23 entsprechend den Dreh-Dop­ pelpfeilen v, z angetrieben. Die Galvanometerscanner 22, 23 sind über elektrische Steuerleitungen 24, 25 mit dem Steuer­ teil 17 verbunden. Die Galvanometerscanner gestatten es, Dre­ hungen mit definierten Drehwinkeln zu erzeugen. Typische Werte hierbei sind beispielsweise +/-8 Winkelgrad.

Zu ergänzen ist noch, daß auch die Krypton-Bogenlampe 12, die sogenannte "Pumplampe", über zwei elektrische Leitun­ gen 26, 27 durch das Steuergerät 17 versorgt wird.

Bevor der durchgehend mit L bezeichnete Laserstrahl auf das Werkstück W gelangt, mit dem er wechselwirken soll, wird er durch ein Fokussierobjektiv hindurchgeleitet, welches ein Planfeldobjektiv 28 ist, um auf dem Werkstück W eine hohe En­ ergiedichte erzeugen zu können.

Das in Fig. 2 gezeigte Werkstück W bietet dem Betrachter seine Gravurfläche G dar. Die Gravurfläche G soll zu dem zen­ tralen Bestandteil eines Werkzeugeinsatzes gehören, welcher bei der artikelbildenden Formgebung innerhalb einer Werkzeug­ form zur Herstellung von Kunststoffspritzgußartikeln verwandt wird. Die Gravurfläche G enthält einen veränderten bzw. abge­ tragenen Bereich A und einen erhabenen Bereich B. Die Kontur des erhabenen Bereichs B besitzt Pfeilform.

Aus Fig. 2 ist ein netzartiges Rasterfeld N zu erkennen, welches - jeweils anders orientiert - auch in vergrößerten Detaildarstellungen entsprechend den Fig. 3-5 teilweise zu ersehen ist.

Das Rasterfeld N, welches gewissermaßen auf die Gravur­ fläche G projiziert ist, soll verdeutlichen, wie der Laser­ strahl L geführt wird, um den abgetragenen Bereich A zu er­ zeugen.

Der abgetragene Bereich A ist innen von einer Umrißlinie U1, die der Kontur des Pfeiles entspricht und außen von einer Umrißlinie U2 begrenzt.

Die Umrißlinien U1 und U2 stellen praktisch eine Innen­ begrenzung und eine Außenbegrenzung dar, die der Laserstrahl auf dem Werkstück W nicht überschreitet. Die Umrißlinien U1 und U2 des Rasterfeldes N sind Ergebnis der Laserstrahl-Steu­ erung, für welche ein im Steuergerät 17 enthaltener pro­ grammierbarer Rechner bestimmend ist.

Das Rasterfeld N setzt sich aus geraden Rasterlinien R1, R2 und R3 zusammen. Eine Anzahl von Rasterlinien R1, eine weitere Anzahl von Rasterlinien R2 und eine weitere Anzahl von Rasterlinien R3 verlaufen jeweils parallel mit einem Par­ allelabstand p zueinander.

Die Rasterlinien R1 und R2 schließen - ebenso wie die Rasterlinien R2 und R3 - jeweils einen Winkel von 60° ein, so daß sich, wie aus Fig. 3 zu ersehen, kleine gleichseitige Dreiecke aus den Rasterlinien R1, R2 und R3 ergeben.

In einer ersten Phase (Fig. 3) wird nun der Laserstrahl durch die vom Rechner des Steuergerätes 17 initiierte Bewe­ gung der Drehspiegel 20, 21 so umgelenkt und unter Beachtung der Umrisse U1 und U2 so geführt, daß eine Bearbeitung der Oberfläche des Werkstückes W entlang den Linien des Raster­ feldes N erfolgt.

Sobald das sich über die gesamte Fläche A erstreckende Rasterfeld N entsprechend der in Fig. 3 dargestellten örtli­ chen Lage abgearbeitet ist, wird das Rasterfeld N mit einem Drehwinkel von 150 nach links gedreht und zugleich um einen gewissen Betrag translatorisch verschoben, um zu vermeiden, daß die Rasterlinien-Kreuzungspunkte K gemäß Fig. 3 mit denen gemäß Fig. 4 zusammenfallen.

Entlang dem versetzten Rasterfeld N gemäß Fig. 4 wird sodann die gesamte Fläche A, begrenzt von den Umrissen U1 und U2, erneut insgesamt abgearbeitet, was anschließend nach ei­ ner weiteren Drehung nach links um 150 und einer weiteren analogen translatorischen Verschiebung zusätzlich noch ein weiteres Mal erfolgt, wie in Fig. 5 dargestellt.

Jede Rasterlinie R1, R2 und R3 setzt sich aus einer Vielzahl von kleinen pulsartigen Laserstrahl-Einschüssen zu­ sammen, von denen 10 000/s erfolgen. Hierbei wird der Werk­ stoff, im vorliegenden Fall Stahl des Typs 1.2311, verdampft und abgesaugt, so daß insgesamt die abgetragene Fläche A ent­ steht, die gegenüber der erhabenen Fläche B ein Höhendiffe­ renz in der Größenordnung von Millimetern aufweist.

Während des Versatzes (Drehung und translatorische Ver­ schiebung) des Rasterfeldes N gemäß den Darstellungen von Fig. 3 nach Fig. 4 und von Fig. 4 nach Fig. 5 bleibt die ört­ liche Lage der Umrisse U1 und U2 unverändert.

Claims (10)

1. Verfahren zur partiellen Veränderung von Oberflächen metallischer oder nichtmetallischer Körper mit einem gütege­ schalteten kontinuierlich angeregten Nd:YAG-Laser, mit gege­ benenfalls in den Strahlengang eingegliederter Strahlaufwei­ tung, mit einer mittels eines Rechners gesteuerten, drehbar angetriebene Ablenkspiegel aufweisenden Strahlablenkung und mit einem Planfeldobjektiv zur Fokussierung des Laserstrahls, welcher entlang mindestens einer durch den Rechner vorgegebe­ nen Bezugslinie über die zu verändernde Oberfläche hinweg ge­ führt wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Laserstrahl (L) innerhalb eines den zu verändernden Oberflächenteil (A) ein­ grenzenden Umrisses (U1, U2) entlang Rasterlinien (R1, R2, R3) eines Rasterfeldes (N) bildender Bezugslinien geführt wird, worauf anschließend das gesamte Rasterfeld (N) unter Beibehaltung der Relativlage des Umrisses (U1, U2) mindestens einmal um einen bestimmten Betrag versetzt und der Oberflä­ chenteil (A) entlang den Rasterlinien (R1, R2, R3) des Ra­ sterfeldes (N) erneut insgesamt mit dem Laserstrahl (L) abge­ fahren wird, wobei bei jedem Abfahren die Einwirkdauer und die Höhe des Energieinhalts der die Körper-Oberfläche ein­ schußartig beaufschlagenden Laserpulse derart begrenzt wer­ den, daß unter Minimierung einer Plasmabildung eine Verdamp­ fung des Werkstoffes bewirkt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Rasterfeld (N) um einen bestimmten Umfangswinkel, dem Drehwinkel, versetzt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Rasterfeld (N) um eine bestimmte Strecke, gegebenenfalls zusätzlich zu einer Drehung, transla­ torisch versetzt wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Rasterfeld (N) eine netzartige Struk­ tur aufweist.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß Rasterlinien (R1, R2, R3) parallel zuein­ ander verlaufen.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Rasterlinien (R1, R2, R3) gerade sind.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der vorbestimmte Versatz, wie Drehwinkel oder translatorischer Versatz, in Abhängigkeit von dem zu be­ arbeitenden Werkstoff ausgewählt wird.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Parallelabstand (p) der Rasterlinien (R1, R2, R3) voneinander in Abhängigkeit von dem zu behan­ delnden Werkstoff ausgewählt wird.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Drehwinkel bei der Bearbeitung von Stahl des Typs 1.2311 ca. 15° beträgt.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß bei der Bearbeitung von Stahl des Typs 1.2311 der Parallelabstand (p) der Rasterlinien (R1, R2, R3) ca. 50 µm beträgt.