DE4230496A1

DE4230496A1 - Verfahren zum Feinabtrag mit gepulster Laserstrahlung

Info

Publication number: DE4230496A1
Application number: DE4230496A
Authority: DE
Inventors: Hans W Bergmann; Roland Kupfer; Klopper Wouter
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1992-09-11
Filing date: 1992-09-11
Publication date: 1994-03-17

Description

1. Stand der Technik

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.

2. Beschreibung des Verfahrens

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).

3. Ausführungsbeispiele

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

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.