DE4230496A1 - Verfahren zum Feinabtrag mit gepulster Laserstrahlung - Google Patents
Verfahren zum Feinabtrag mit gepulster LaserstrahlungInfo
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Description
Es ist bekannt, daß mit fokussierter Laserstrahlung ein Materialabtrag vorgenommen
werden kann. Hierzu ist eine Mindestleistungsdichte im Brennfleck von
typischerweise 108 W/cm2 erforderlich. Für die Fläche, die gleichzeitig abgetragen
wird, sind Rohstrahldurchmesser, Intensitätsverteilung über den
Rohstrahlquerschnitt, Divergenz der erzeugten Laserstrahlung sowie Brennweiten
der fokussierenden Elemente von Bedeutung. Je feiner der Brennfleckdurchmesser,
desto präziser kann eine abtragende Bearbeitung vorgenommen werden. Für die
thermische Schädigung des nicht abgetragenen Werkstoffs ist die
Wechselwirkungszeit, in der die Wärme in das Substrat abgeleitet werden kann, von
entscheidender Bedeutung. In der vorliegenden Patentanmeldung wird ein Verfahren
zur schnellen, abtragenden Feinbearbeitung von Werkstoffen vorgeschlagen.
Abtragende Bearbeitung mit Hilfe von Laserstrahlung ist nach DIN 8580 zu den
Abtragsverfahren zu zählen. In DIN 8590 sind die thermischen Abtragsverfahren
beschrieben. Mit Hilfe von Laserstrahlung ist es möglich, zu Bohren, zu Schneiden,
zu Markieren und zu Strukturieren. Das Schneiden und Bohren kann mit
Unterstützung eines Brenngases erfolgen. Beim Schmelzschneiden wird das
aufgeschmolzene Werkstoffvolumen durch ein inertes Gas ausgetrieben. Beim
Sublimationsschneiden erfolgt der Austrieb des dampf- und schmelzförmigen
Fugenwerkstoffs über den Dampfdruck des erzeugten Dampfes in der Schnittfuge
bzw. dem Bohrloch.
Technisch im großen Maßstab wird dabei das Schneiden und Bohren mit Nd:YAG-
Lasern (Langpuls: Pulsdauer ca. 1 msec.) betrieben. Die hohe Pulsenergie,
typischerweise mehrere Joule pro Puls und die lange Pulsdauer (typischerweise
mehrere msec.) führen bei der Bearbeitung mit Nd:YAG-Lasern nicht nur zu einer
starken Aufheizung des Fugenwerkstoffes, sondern auch dazu, daß über
Wärmeleitung das nicht belichtete Werkstoffvolumen erwärmt wird, wobei
Wärmeeinflußzonen von 10 µm, (typischerweise < 30 µm) erhalten werden.
Dem Patentantrag liegt die Aufgabe zugrunde, einen Werkstoff, z. B. ein Metall, mit
möglichst hoher Geschwindigkeit abtragend zu bearbeiten, wobei eine möglichst
geringe thermische Schädigung des unbelichteten Substratwerkstoffes erreicht
werden soll. Gleichzeitig ist eine hohe Präzisision bei der Bearbeitung (geringe
Schnittfugenbreite, geringe Bohrlochdurchmesser, geringe Rauhigkeit der
Schnittfugen, geringe Rauhigkeit des Bohrlochs) gefordert.
Erfindungsgemäß wird dies dadurch gelöst, in dem bei festem Strahldurchmesser
und gegebener Brennweite der fokussierenden Linse der niederdivergente Anteil des
Laserlichts eines bei 6,5 kHz gepulsten Kupferdampflasers verwendet wird, der z. B.
mit Hilfe einer in den Strahlengang eingebrachten Blende teilweise vom
höherdivergenten Anteil separiert werden kann, siehe Abb. 1, wobei die
unterschiedlich divergenten Strahlanteile durch einen außermittig plazierten
instabilen Resonatoraufbau erzeugt werden.
Unerwarteterweise stellt sich heraus, daß der niederdivergente Anteil des im
Oszillator erzeugten Laserstrahls dadurch bevorzugt verstärkt werden kann, daß in
einer oder mehreren nachfolgenden Verstärkerstufen die Anregung der einzelnen
Laser in der Laserkette zeitlich so synchronisiert wird, daß zum Zeitpunkt des
Eintreffens des niederdivergenten Anteils aus dem Oszillator die maximale
Verstärkung in den einzelnen Lasern der nachfolgenden Laserkette vorliegt. Die
Anordnung der Laserkette ist in Abb. 2 dargestellt.
Bei erfindungsgemäßen Handeln erfolgt die Abstimmung der Synchronisation derart,
daß der den letzten Verstärker verlassende Strahl einen Anteil von 30%,
vorzugsweise 50% an niederdivergenter Strahlung von < 1 mrad, vorzugsweise
< 200 µrad, aufweist.
Bei einer Materialbearbeitung mit einem so erzeugten Laserstrahl treten
Leistungsdichten von bis zu < 1010 W/cm2 auf, der Austrieb erfolgt so rasch, daß
unerwarteterweise eine wärmebeeinflußte Zone des Grundwerkstoffes von < 1 µm
(typischerweise < 0,25 µm) beobachtet werden kann.
Bei erfindungsgemäßem Handeln kann hierbei genutzt werden, daß solche
Werkstoffe und Bauteile behandelt werden können, die keine thermische Schädigung
und/oder Verzug aufweisen dürfen, z. B. Metallfolien mit Dicken < 50 µm oder
umwandlungs- und rekristallisationsempfindliche metallische Werkstoffe, so wie
sprödbruchempfindliche Keramiken.
Durch die hohe Leistungsflußdichte des im Bohrloch und/oder in der Schnittfuge
auftreffenden Laserstrahls, wird das belichtete Werkstoffvolumen verdampft und in
den Plasmazustand überführt, womit Abtragsgeschwindigkeiten von < 10 km/s
erreichbar sind. Hieraus ergeben sich kurze Verweilzeiten des aufgeschmolzenen und
verdampften Materials im Bohrloch bzw. der Schnittfuge, so daß eine minimale
thermische Schädigung des nichtbelichteten Werkstoffs auftritt. Dies kann vorteilhaft
genutzt werden, um schlanke, tiefe Bohrlöcher in einem Werkstoff einzubringen. So
lassen sich beispielsweise Bohrlöcher von kleiner 10 µm Durchmesser in einem
korrosionsbeständigen Stahl von 3 mm Dicke in weniger als einer Sekunde bohren.
Erfolgt eine Relativbewegung des belichteten Werkstoffes zum Laserstrahl, so kann
die beschriebene Anordnung zum Laserstrahlschneiden von Blechwerkstoffen genutzt
werden. Es ergeben sich in einem Blech aus CuNi44 mit 0,25 mm Dicke bei einer
Leistung von 50 W Schnittgeschwindigkeiten von 5 mm/s, wobei die
Schnittfugenbreite 15-30 µm beträgt. Weiter Ausführungsbeispiele sind in den
Abb. 3-10 und in Tab. 1 aufgeführt.
Üblicherweise werden beim Bohren mit Laserstrahlung Fokussierlinsen mit niedriger
Brennweite eingesetzt. Dies geschieht, da mit kürzerer Brennweite höhere
Leistungsflußdichten erreichbar sind. Bei einer Variation der Brennweite einer
fokussierenden Linse und einer Ermittlung der Bohrgeschwindigkeit stellte sich
heraus, daß unerwarteterweise die kürzesten Bohrzeiten bei gleicher mittlerer
Ausgangsleistung und Blechdicke nicht bei der kürzesten Brennweite auftreten,
sondern sich ein Minimum bei ca. 300 mm Brennweite ergibt. Offensichtlich bewirkt
der komplexe Abtragsmechanismus im Bohrloch dieses Verhalten. Bei
erfindungsgemäßem Handeln kann daher eine Absenkung der Bohrzeit bis zu einem
Faktor 4 vorteilhaft genutzt werden (sh. Bild 5).
Mit der in Abb. 1 und 2 dargestellten Anordnung wurden Bohr- und
Schneidversuche an den in Tab. 1 genannten Werkstoffen durchgeführt. Dabei
gelang es unter Verwendung einer 300 mm Achromatlinse, Bohrungen und Schnitte
zu erzeugen, bei denen die WEZ unter einem Mikrometer lag. Die hierbei
erreichbaren Bearbeitungsgeschwindigkeiten sind den Abb. 3-10 zu entnehmen.
Claims (16)
1. Verfahren zum Feinabtrag mit gepulster Laserstrahlung, dadurch
gekennzeichnet, daß ein gepulster Laser mit einer Pulsfolgefrequenz von größer
oder gleich 1 kHz bis kleiner oder gleich 20 kHz, vorzugsweise von mehr als 5
kHz und weniger als 10 kHz verwendet wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei solchen
gepulsten Lasern für die Materialbearbeitung die Lichtpulse mit einer zeitlich
veränderlichen Divergenz emittiert werden, wobei der niederdivergente Anteil
der Strahlung durch zeitliche Synchronisation der Verstärkung in einem
nachgeschalteten Verstärker bevorzugt verstärkt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß mehr als 30%,
vorzugsweise 50% der Strahlung eine Divergenz von 200 µrad, vorzugsweise
100 µrad aufweist, wobei der Wirkungsgrad zur Erzeugung dieser Divergenz
besser als 0,2%, vorzugsweise besser als 0,5%, beträgt.
4. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die
Pulsdauer geringer als 1 µs, vorzugsweise geringer als 0,1 µs beträgt.
5. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch
gekennzeichnet, daß die Fokussierung der Laserstrahlung mit Linsen erfolgt,
die eine Brennweite von 150 bis 600 mm, vorzugsweise 200 bis 400 mm,
vorzugsweise 300 mm aufweisen.
6. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch
gekennzeichnet, daß das Schneiden von Blechwerkstoffen mit Blechdicken von
weniger als 0,125 mm mit Ausgangsleistungen von größer 10 W und kleiner 40 W
erfolgt. Das Schneiden von 0,25 mm dicken Blechen mit Leistungen größer
20 W kleiner 80 W erfolgt, das Schneiden von Blechen mit Dicken von 0,5 mm
mit Leistungen von größer 30 W kleiner 120 W erfolgt, sowie 1 mm dicke
Bleche mit Leistungen größer 40 W und kleiner 250 W geschnitten werden.
Der Rohstrahldurchmesser beträgt 42 mm bei einer Pulsfolgefrequenz von 6,5
kHz und einer achromatischen Fokussierlinse mit der Brennweite 300 mm
erfolgt.
7. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch
gekennzeichnet, daß ein Kupferdampflaser verwendet wird, bei dem eine
instabile Resonatoroptik verwendet wird, wobei der Auskoppelspiegel
asymmetrisch zum Strahlengang positioniert ist (Off-axes Unstable Cavity).
8. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7, dadurch
gekennzeichnet, daß der hochdivergente Anteil des Rohstrahls zum großen Teil
ausgeblendet wird, vgl. Bild 1, wobei die optische Achse der fokussierenden
Elemente mit der optischen Achse des niederdivergenten Anteils des Rohstrahls
zusammenfällt.
9. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 8, dadurch
gekennzeichnet, daß anstelle eines Kupferdampflasers ein TEA-CO2- oder ein
Excimer-Laser verwendet wird.
10. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 9, dadurch
gekennzeichnet, daß der niederdivergente Anteil in einem oder mehreren
Verstärkern bevorzugt verstärkt wird.
11. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 10, dadurch
gekennzeichnet, daß die Verstärkung des niederdivergenten Anteils dadurch
erreicht wird, daß durch die Synchronisation der Anregung hintereinander
geschalteter Laser bevorzugt der niederdivergente Anteil verstärkt wird.
12. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 11, dadurch
gekennzeichnet, daß eine Kette von Kupferdampflasern verwendet wird und der
aus dem Oszillator stammende niederdivergente Anteil in einem oder mehreren
nachfolgenden Verstärkern dadurch bevorzugt verstärkt wird, daß der
Zeitpunkt/die Zeitpunkte der Anregung dieses/dieser Verstärker/s so gewählt
werden, daß beim Eintreffen des niederdivergenten Strahlanteils maximale
Verstärkung in den nachfolgenden Lasern der Laserkette vorliegt, während
beim Eintreffen des zeitlich früher auftretenden höherdivergenten Anteiles noch
keine oder geringe Verstärkung in den nachgeschalteten Lasern der Laserkette
vorliegt (sh. Bild 11a-c).
13. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 12, dadurch
gekennzeichnet, daß beim Abtragen die Abtragsgeschwindigkeit, also beim
Bohren die maximale Bohrgeschwindigkeit, beim Schneiden die maximale
Schnittgeschwindigkeit, durch Veränderung des Anteils von nieder- und
höherdivergenten Anteilen der Laserstrahlung von Leistungsänderungen bis
50%, vorzugsweise 30%, leistungsunabhängig erfolgt.
14. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 13, dadurch
gekennzeichnet, daß die Schädigung (Veränderung) des unbelichteten
Werkstoffs < 1 µm, vorzugsweise < 0,25 µm erfolgt.
15. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 14, dadurch
gekennzeichnet, daß mit einer Leistungsflußdichte < 1010 W/cm2 gearbeitet
wird.
16. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 15, dadurch
gekennzeichnet, daß die Wahl der Pulsfolgefrequenz so erfolgt, daß die
Lebensdauer des pro Puls erzeugten Plasmas länger ist, als die Pause zwischen
zwei aufeinanderfolgender Pulse, womit ein quasi-kontinuierliches Plasma
erzeugt wird.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE4230496A DE4230496A1 (de) | 1992-09-11 | 1992-09-11 | Verfahren zum Feinabtrag mit gepulster Laserstrahlung |
Applications Claiming Priority (1)
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DE4230496A DE4230496A1 (de) | 1992-09-11 | 1992-09-11 | Verfahren zum Feinabtrag mit gepulster Laserstrahlung |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
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DE4230496A1 true DE4230496A1 (de) | 1994-03-17 |
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ID=6467774
Family Applications (1)
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DE4230496A Withdrawn DE4230496A1 (de) | 1992-09-11 | 1992-09-11 | Verfahren zum Feinabtrag mit gepulster Laserstrahlung |
Country Status (1)
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