DE4234342A1 - Verfahren zur Materialbearbeitung mit Laserstrahlung - Google Patents

Verfahren zur Materialbearbeitung mit Laserstrahlung

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Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Materialbearbeitung mit Laserstrahlung, insbesondere zum Schweißen, Bohren, Schneiden, Löten, Wärmebehandeln, etc., wobei verschiedene Werkstoffe bearbeitet werden können.
Stand der Technik
Die im Stand der Technik offenbarten Verfahren zur Materialbearbeitung mit Laserstrahlung verwenden fast ausschließlich CO2-, Eximer-, oder Nd-YAG- Laser, mit denen die erforderlichen Intensitäten von mehr als 103 Watt pro cm2 ohne weiteres erreicht werden. Der prinzipielle Aufbau dieser Laser ist gleich. Er besteht im wesentlichen aus dem Lasermedium, dem Resonator, der Pump­ quelle und der Kühlung. Das Anwendungsspektrum dieser Laser unterscheidet sich hinsichtlich der Leistungsdichte und der Wechselwirkungszeit mit dem Werkstück. Dieser Zusammenhang ist für metallische Werkstoffe für verschiedene spezifischen Energien in Fig. 1 dargestellt.
Die Nachteile dieser bekannten Verfahren sind zu einen der geringere Wir­ kungsgrad (< 10%) und die auf durchschnittlich ca. 10 000 Stunden begrenzte Lebensdauer der Lasersysteme sowie zum anderen die hohe thermische und mechanische Empfindlichkeit der Laser und die damit verbundene arbeits- und kostenintensive Wartung dieser Lasersysteme. Darüber hinaus haben die bekannten Lasersysteme bedingt durch ihre Größe einen hohen Bedarf an Kühlleistung, Netzteilleistung, u. ä. sowie an Raum zum Aufbau der Systeme.
Darstellung der Erfindung
Demgegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Materialbearbeitung mit Laserstrahlung anzugeben, welches sich auch zum Schweißen, Bohren, Schneiden, Oberflächenbehandeln, etc. eignet, und das die zuvorgenannten Nachteile vermeidet.
Die Lösung dieser Aufgabe besteht in den im Kennzeichen des Anspruchs 1 an­ gegebenen Merkmalen. Vorteilhafte Weiterbildungen sind mit den Merkmalen der Unteransprüche 2 bis 10 gekennzeichnet.
Die Vorteile der Erfindung bestehen insbesondere darin, daß durch die Kombi­ nation einer Vielzahl von Laserdioden in einer hohen Packungsdichte mit einer geeigneten Strahlformung und -führung die zur Materialbearbeitung, insbeson­ dere Schneiden, Bohren, Schweißen und Oberflächenbehandlung erforderlichen Intensitäten im Fokus auf der Bearbeitungsstelle erreicht werden, wobei mit diesem Lasersystem der elektrisch/optische Wirkungsgrad von < 10% auf < 30% gesteigert wird. Damit verbunden sind als weitere Vorteile Einsparungen im Bereich der Netzteile und der Kühlung möglich. Auch wird die Größe des Lasersystems zur Materialbearbeitung entscheidend reduziert. Ebenso wird der Preis pro Watt Laserleistung, unterstützt durch den Preisverfall der Laserdioden- Bauteile (siehe Fig. 2) gesenkt und eine weitgehende Wartungsfreiheit erreicht.
Die besondere Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens gemäß dem Unteranspruch 3 ermöglicht mit den aus der Halbleitertechnik bekannten Methoden eine einfache und damit preiswerte Herstellung der Laserdioden­ arrays mit einer großen Anzahl von einzelnen Laserdioden pro Flächeneinheit.
Die Verwendung von Mikrolinsen entsprechend der Ausgestaltung nach Un­ teranspruch 4 hat den Vorteil, daß fast die gesamte von den Laserdioden er­ zeugte Laserstrahlung in den Fokus übertragen werden kann und damit beispielsweise ein Fokuspunkt mit geringem Durchmesser erzeugt werden kann, wodurch auf dem zu bearbeitenden Material eine hohe Leistungsdichte erzeugt wird.
Die Verwendung von Lichtleitfasern gemäß dem Unteranspruch 7 hat darüber hinaus den Vorteil, daß zur Übertragung der Laserleistung auf justierempfindli­ che Optiken verzichtet werden kann, und daß die Position des Laserfokus auf dem zu bearbeitenden Material mit einfachen Mitteln verschiebbar ist.
Den Vergleich einiger Eigenschaften von Laserdioden mit Nd-YAG- und CO2- Lasern zeigt die Tabelle in Fig. 9.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Die Erfindung ist in den Fig. 3 bis 8 an Hand von Ausführungsbeispielen dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben.
Es zeigt
Fig. 1 Parameterbereich für den Einsatz von Laserdioden im Bereich der Materialbearbeitung
Fig. 2 zeitliche Entwicklung der Leistung von Laserdioden und des Preis- Leistungsverhältnisses
Fig. 3 einen Laserdiodenbarren mit einzelnen Laserdioden, montiert auf einem Kühlelement
Fig. 4 vergrößerter Ausschnitt des Laserdiodenbarrens von Fig. 3
Fig. 5 Stapelung von Laserdioden zu einem Laserdiodenarray
Fig. 6 Strahlformungsoptik mit Linsen zur Erzeugung eines Fokuspunktes
Fig. 7 Strahlformungsoptik zur Materialbearbeitung mittels Lichtleitfaser
Fig. 8 Anordnung zum Löten mit Lichtleitfaserübertragung der Laser­ strahlung
Fig. 9 tabellarischer Vergleich der Eigenschaften von Laserdioden mit Nd-YAG- und CO2-Lasern.
Der in Fig. 1 gezeigte Vergleich mit den Bearbeitungs- Parameterfeldern von bekannten Materialbearbeitungsverfahren (graue Felder) zeigt, daß zu dem bereits bekannten Verfahren des Lötens als neue Bereiche für Laserdioden-An­ wendungen das Schneiden, Schweißen und die Oberflächenbehandlung hinzu­ zurechnen ist. Damit ist die direkte Materialbearbeitung mit Laserdioden für viele Bereiche der Technik, insbesondere der Medizintechnik und des Maschinen­ baus von Nutzen, wie beispielsweise die Verpackungsmaschinentechnik sowie die Fertigungstechnik mit den Schwerpunkten Automobilindustrie, Luft- und Raumfahrt, etc. und vieles andere mehr.
In Fig. 3 ist ein Laserdiodenbarren dargestellt, der eine Länge von 10 mm, eine Breite von 0,6 mm und eine Höhe von 0,1 mm aufweist, und dessen Längsseite 800 einzelnen Laserdioden aufweist. Die von diesem Laserdiodenbarren ausge­ strahlte Leistung erreicht einen Wert von bis zu 50 Watt. Die Qualität des Laser­ strahls jeder einzelnen Laserdiode ist hierbei beugungsbegrenzt. Aufgrund der kleinen Strahlfläche von 1×3 µm2 besitzt die emitierte Laserstrahlung einen großen Divergenzwinkel. Die Werte des Divergenzwinkels liegen im Bereich von 1000 mrad in der Ebene orthogonal zu der Reihe der einzelnen Laserdioden und etwa 200 mrad in der parallelen Ebene. Die maximal erreichbare Leistung der einzelnen Laserdioden ist auf einen Wert von etwa 60 mWatt begrenzt. Mit der zuvor genannten Größe der strahlenden Fläche von etwa 1 µm×3 µm wird somit eine Leistungsdichte von etwa 2×106 Watt pro cm2 erreicht.
Um ein Lasersystem mit einer hohen Gesamtleistung zu erhalten, muß das Lasersystem eine genügend große Anzahl an einzelnen Laserdioden aufweisen. Hierzu werden die einzelnen Laserdioden auf verschiedene Weise mit einander kombiniert.
Fig. 5 zeigt die Kombination der einzelnen Laserdioden zu einem Stapel von Laserdiodenbarren, die durch Kühlelemente voneinander beabstandet sind. Die Kühlelemente haben eine Dicke von etwa 0,3 bis 2 mm. Ferner sind Öffnungen vorgesehen, durch die ein flüssiges oder gasförmiges Kühlmittel zur Abführung der beim Betrieb der Laserdioden entstehenden Wärme geführt werden kann. Mit dieser Stapeltechnik kann eine Packungsdichte von bis zu 25 000 einzelnen Laserdioden pro cm2 erreicht werden. Die damit erzielbare mittlere Leistungs­ dichte der Laserstrahlung hängt wesentlich von der verwendeten Kühltechnik ab. Zur Übertragung der Laserstrahlung, die von dem Laserdiodenarray erzeugt wird, kann im einfachsten Fall eine Abbildung dieses Laserdiodenarrays auf das zu bearbeitende Werkstück vorgesehen werden. Zur Erzielung einer hohen Leistungsdichte ist es jedoch erforderlich, die von dem Laserdiodenarray abge­ strahlte Laserstrahlung mit Kollimatorlinsen sowie Kopplungs- und Übertragungsoptiken auf das Werkstück zu fokussieren.
Die hierfür vorgesehenen Anordnungen sind in den Fig. 6 und 7 dargestellt und können außer für das gestapelte Laserdiodenarray auch für die Übertra­ gung der Laserstrahlung von einzeln angeordneten Laserdioden verwendet werden.
In der in Fig. 6 dargestellten Anordnung ist vor jeder einzelnen Laserdiode eine Mikrolinse angeordnet, die einen gebündelten Laserstrahl erzeugt. Die damit er­ zielbare Leistungsdichte hängt ab von dem Verhältnis der Oberfläche der strah­ lenden zu den nichtabstrahlenden Flächen und liegt im Bereich von etwa 0,3 für den in Fig. 3 dargestellten Laserdiodenbarren. Je nach Verhältnis der Fläche der Mikrolinse zu der Systemfläche sowie in Abhängigkeit von optischen Verlusten und Linsenfehlern werden schließlich Leistungsdichten im Bereich bis zu etwa 5×105 Watt pro cm2 erreicht.
In Fig. 7 ist die Übertragung der von Laserdioden erzeugten Laserstrahlung mittels Lichtleitfasern dargestellt, wobei die Lichtleitfasern direkt an die Laser­ dioden angekoppelt werden können oder die emitierte Laserstrahlung über eine geeignete Optik in die Lichtleitfasern eingekoppelt werden. Die einzelnen Licht­ leitfasern werden schließlich zu einem Faserbündel zusammengefaßt und zu der Bearbeitungsstelle geführt. Dabei ist jeder einzelnen Lichtleitfaser entweder eine einzelne Laserdiode oder eine Gruppe von mehreren Laserdioden zugeordnet; der Querschnitt der einzelnen Fasern ist rund, oval oder rechteckig. Die Ver­ wendung von Lichtleitfasern zur Übertragung der Laserstrahlung hat den Vorteil, daß die einzelnen Laserdioden unabhängig voneinander angeordnet werden können, im Gegensatz zu der Stapelung der Laserdiodenbarren gemäß Fig. 3 oder bei Verwendung von Linsen gemäß Fig. 4.
Die Laserdioden können im gepulsten Betrieb oder als Dauer-Laser betrieben werden. Bei Verwendung der Mikrolinsen können die höchsten Leistungsdichten erreicht werden; diese liegen bei etwa 5×105 Watt pro cm2 und darüber.

Claims (11)

1. Verfahren zur Materialbearbeitung mit Laserstrahlung, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzeugung der Laserstrahlung Laserdioden, insbesondere Hoch­ leistungslaserdioden, vorgesehen sind, und daß die von den einzelnen Laserdioden emittierte Laserstrahlung mit Mitteln zur Strahlführung und -formung auf einen Bereich des zu bearbeitenden Materials gerichtet wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die einzelnen Laserdioden in einem Laserdiodenbarren oder vertikal in einem Laserdiodenwafer voneinander beabstandet angeordnet sind, und daß der Laserdiodenbarren oder der Laserdiodenwafer mit einem Kühlelement wärmeleitend verbunden sind.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine von dem zu bearbeitenden Material abhängige Anzahl von Laser­ diodenbarren übereinander gestapelt zu einem Laserdiodenarray ange­ ordnet sind, wobei zwischen den Laserdiodenbarren Kühlelemente vor­ gesehen sind, von denen die beim Betrieb der Laserdioden entstehende Wärme mit einem flüssigen oder gasförmigen Kühlmittel abgeführt wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzeugung eines Fokus auf dem zu bearbeitenden Material vor jeder einzelnen Laserdiode eine Mikrolinse als Kollimatorlinse angeordnet ist, und daß die von den einzelnen Mikrolinsen ausgehenden Laserstrahlen mit einer Kopplungsoptik auf den Bearbeitungsbereich gerichtet werden.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzeugung eines Fokus auf dem zu bearbeitenden Material jeweils vor einer Mehrzahl von einzelnen Laserdioden oder vor jedem Laser­ diodenbarren eine Kollimatorlinse angeordnet ist und die einzelnen Laser­ strahlen mit einer Kopplungsoptik auf den Bearbeitungsbereich gerichtet werden.
6. Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Kollimatorlinse als Zylinderlinse ausgebildet ist.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzeugung eines Fokus auf dem zu bearbeitenden Material die von den Laserdioden ausgehende Laserstrahlung mittels einer Kopplungsoptik oder durch direkten Anschluß Lichtleitfasern zugeführt wird, wobei jeder einzelnen Laserdiode oder einer Gruppe von Laserdioden eine Lichtleit­ faser mit oder ohne Kopplungsoptik zugeordnet ist, daß die Lichtleitfasern zu einem Faserbündel zusammengefaßt werden, daß das Faserbündel zu dem Bearbeitungsbereich geführt wird und daß die aus dem Faserbündel austretende Laserstrahlung direkt oder über eine Fokussiereinrichtung auf den Bearbeitungsbereich gerichtet wird.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Fokus linienförmig, punktförmig, oval oder rechteckförmig ausge­ bildet ist.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens 1000, vorzugsweise mehr als 20 000 einzelne Laserdioden vorgesehen sind.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Wellenlänge der erzeugten Laserstrahlung im Sichtbaren bis nahen Infrarot (< 2000 nm), vorzugsweise zwischen 750 nm und 950 nm liegt.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß als Materialbearbeitung das Löten, Schneiden, Bohren, Schweißen, und Oberflächenbehandeln wie z. B. das Umwandlungshärten von, insbe­ sondere metallischen Werkstücken oder von organischen Materialien, vorgesehen ist.
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