EP1597014A1 - Verfahren zur prozesssicherung bei einem bohrprozess - Google Patents

Verfahren zur prozesssicherung bei einem bohrprozess

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Publication number
EP1597014A1
EP1597014A1 EP03785510A EP03785510A EP1597014A1 EP 1597014 A1 EP1597014 A1 EP 1597014A1 EP 03785510 A EP03785510 A EP 03785510A EP 03785510 A EP03785510 A EP 03785510A EP 1597014 A1 EP1597014 A1 EP 1597014A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
measuring beam
laser
measuring
sensor
drilling
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP03785510A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Tilmann Schmidt-Sandte
Joern Ostrinsky
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Robert Bosch GmbH
Original Assignee
Robert Bosch GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Robert Bosch GmbH filed Critical Robert Bosch GmbH
Publication of EP1597014A1 publication Critical patent/EP1597014A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/02—Positioning or observing the workpiece, e.g. with respect to the point of impact; Aligning, aiming or focusing the laser beam
    • B23K26/03—Observing, e.g. monitoring, the workpiece
    • B23K26/032—Observing, e.g. monitoring, the workpiece using optical means
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/02—Positioning or observing the workpiece, e.g. with respect to the point of impact; Aligning, aiming or focusing the laser beam
    • B23K26/06—Shaping the laser beam, e.g. by masks or multi-focusing
    • B23K26/062—Shaping the laser beam, e.g. by masks or multi-focusing by direct control of the laser beam
    • B23K26/0622—Shaping the laser beam, e.g. by masks or multi-focusing by direct control of the laser beam by shaping pulses
    • B23K26/0624—Shaping the laser beam, e.g. by masks or multi-focusing by direct control of the laser beam by shaping pulses using ultrashort pulses, i.e. pulses of 1ns or less
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/36—Removing material
    • B23K26/38—Removing material by boring or cutting
    • B23K26/382—Removing material by boring or cutting by boring

Definitions

  • the present invention relates to a method for process security in a drilling process according to the preamble of patent claim 1 and a corresponding device according to the preamble of patent claim 9.
  • process emissions - such as process lighting (plasma) or acoustic signals - are recorded with appropriate sensors and the measurement signals are analyzed using evaluation algorithms.
  • a breakthrough sensor is preferably used in laser precision drilling in order to be able to detect the moment of piercing (breakthrough) of the workpiece with the laser beam on the basis of the intensity of the process lighting. This information can then be used, for example, to make statements about the drilling process and determine the drilling times required to complete the desired diameter of the drilling.
  • One criterion for a breakthrough when drilling with short-pulse laser radiation e.g. ns pulses
  • a process light that arises when drilling with ultra-short pulse laser radiation changes in its measurable intensity when the workpiece is first broken through, but only to a very small extent and can therefore only be detected with relatively complex sensor devices.
  • the conventional breakthrough sensor can therefore hardly be used in an economically sensible manner for breakthrough detection when laser drilling small bores of less than 500 ⁇ m in workpieces with a thickness of 0.5 to 1 mm to be pierced.
  • the aim of the present invention is to be able to detect the breakthrough of ultrashort pulse laser radiation when laser drilling holes with diameters in particular smaller than 500 ⁇ m, in order to achieve process security even when ultrashort pulse laser drilling.
  • the method according to the invention serves to secure the process in a drilling process, preferably a laser drilling process.
  • a hole is created in a workpiece to be machined by means of a laser drilling device.
  • a source for generating a measuring beam and a sensor for detecting this measuring beam are also used. It is provided according to the invention to arrange the workpiece, the source and the sensor relative to one another in such a way that the measurement beam is not detected until a breakthrough has occurred in the bore.
  • the measuring beam generated by the source can pass through the bore and thus the workpiece and be detected by the sensor. In this way, it is particularly easy to make a clear statement about the presence of an opening in the bore within a workpiece.
  • the laser beam and the measuring beam are guided along an identical beam path, at least in sections, in particular in the region of the bore.
  • the laser beam and the measuring beam can be guided along an identical beam path in the same or in the opposite light direction. This makes it possible, for example, to arrange the measuring beam source and the drilling device on the same or on the opposite side of the workpiece to be machined, as a result of which an available space can be optimally used if necessary.
  • the drilling method in particular the laser drilling method, can be monitored particularly efficiently.
  • the sensor used here senses the measuring beam. This enables the exact time of the breakthrough to be documented. This measure offers the possibility, for example, of switching the latter off at the moment of breakthrough by means of a suitable connection between the sensor and the laser beam.
  • the laser beam and the measuring beam have different wavelengths. This prevents the sensor from confusing the measuring beam with the laser beam in a particularly simple manner.
  • the frequency of the measuring beam can preferably be selected such that it is outside a frequency range in which process lighting produced during drilling is emitted. This prevents the sensor from confusing process lights with the measuring beam.
  • the method can be used in particular if the laser beam is designed as an ultrashort pulse laser beam. Ultrashort pulse laser beams have pulse lengths on the order of a few femtoseconds to a few picoseconds.
  • a sensor according to the invention can be designed as a spectrometer or can comprise a plurality of sensors, the frequency of which can be used to detect predetermined signals by means of the sensor.
  • the sensor is preferably matched or calibrated to frequencies of the measuring beam or the measuring signal. It expediently does not respond to the frequency of the laser beam used or to the frequencies of the process lighting occurring in the course of a drilling process.
  • optical elements such as mirrors or optics or optical elements along the beam paths of the laser beam and the measuring beam.
  • Optical elements which can be provided here include, for example, mirrors which reflect or deflect both the direction of the measuring beam and the laser beam, and / or mirrors which reflect or deflect one of the beams, preferably the laser beam, in its direction *, but preferably for the other beam the measuring beam are transparent.
  • optical elements can be provided which reflect, deflect or transmit one of the beams, preferably the measuring beam, and the other beam, preferably absorb the laser beam.
  • the measuring beam used according to the invention radiates through the bore and is detected with a suitable sensor. Based on the measured intensity or amount of energy of the measuring beam, it can be determined whether or when the hole was breached. In particular, it is possible to quantitatively assess the order of magnitude of the narrowest diameter of the bore. Even when drilling with ultra-short pulses (pulse lengths in the range fs to ps seconds), the breakthrough can be determined reliably or in real time. An evaluation of the drilling progress is possible online. Using ultra-short pulse laser drilling, micro-holes can be created with the highest precision and targeted conicity. It should be pointed out (by way of example only) that such micro bores are used, for example, as injection bores for diesel nozzles or valves.
  • FIG. 2 shows a diagram to illustrate the intensity signals that can be used according to the invention
  • FIG. 3 shows a further diagram to illustrate further usable according to the invention
  • Figure 4 is a diagram of the exemplary
  • Figures la to lc each show alternative embodiments of the device according to the invention in a schematically simplified side view.
  • a laser beam 3 is guided here via a mirror 7 and the optics 5 onto a workpiece 4.
  • the aim here is to pierce the workpiece 4.
  • a source 1 emits a measuring beam la.
  • the wavelength of the measuring beam la does not correspond to that of the laser beam 3, but ideally lies in a frequency range in which is generated during drilling Process lights not or only slightly emitted.
  • a sensor 2 also includes optical elements for beam guidance for the measurement signal la.
  • the sensor 2 can be designed as a spectrometer or can also comprise a plurality of individual sensors which detect predetermined signals in their frequency.
  • the laser beam 3 is applied downward via the deflecting mirror 7 (in the direction of the drawing) via the optics 5 to the workpiece 4 to be machined.
  • the measuring beam la generated by the source 1 strikes the workpiece 4 from below in an optic 6 after corresponding U steering, the laser beam 3 and the measuring beam la running in opposite directions on the same axis 11.
  • the use of the optics 6 has the task of directing the measuring beam la onto the underside of the workpiece, and in doing so protecting the source 1 from the laser beam 3 after it has completely pierced the workpiece 4.
  • the measuring beam la passes through the bore thus produced, and in the opposite direction to the laser beam 3 through the optics 5 and the deflecting mirror 7, which is transparent or transmissive to the frequency of the measuring beam la the sensor 2.
  • the measuring beam la is detected as a measuring signal 1b.
  • the measuring beam la is superimposed on the laser beam 3 on an optical element 7a, so that the laser beam 3 and the measuring beam la after deflecting through the mirror 7b and passing through the optics 5 in the same direction hit the workpiece 4.
  • both beams pass through the hole and reach an optical system 6, which absorbs or transmits the laser beam 3 and reflects the measuring beam la.
  • the measuring beam la After the measuring beam la has passed through the bore again due to this reflection, it is transmitted through the mirror 7b and detected by the sensor 2 as a measuring signal 1b.
  • the mirror 7b is expediently designed to be semitransparent with respect to the measuring beam la, so that part of the intensity of the measuring beam emerging from the source 1, together with the laser beam 3, is reflected onto the workpiece 4 and then the optics 6, the effects on the optics 6 reflected intensity of the measuring beam la partially passes the mirror 7b to reach the sensor 2.
  • the laser beam 3 is reflected or deflected at a mirror 7.
  • the measuring beam la the source 1 of which is arranged here above the mirror 7, passes through the mirror 7 without deflection. Both beams are superimposed on one another in the same direction on the workpiece 4.
  • the optical beam 6 deflects the measuring beam la onto the sensor 2 and detects it as a measuring signal 1b.
  • the laser beam 3 is transmitted into the optics 6 or absorbed by the latter.
  • the sensor 2 measures the amount of energy or intensity of the measuring beam la or measuring signal lb incident on it.
  • the intensity of the measuring beam la is set so that the sensor 2 does not overdrive when the hole is as large as possible.
  • no portion of the measuring beam la can strike the sensor 2 because the bore is not yet broken.
  • the process lighting also emits at a frequency of the measuring beam la, so that the start signal of the sensor 2 is not equal to zero.
  • parts of the measuring beam la reach sensor 2 and are detected as measuring signal lb.
  • the senor 2 can only detect the measurement signal 1 b when the measurement beam 1 a can propagate freely through the bore. The progress of a laser drilling can thus be reliably observed in its chronological sequence.
  • the intensity I for the radiation is plotted against the time t.
  • Measuring lines are entered in the diagrams 20, 30: the measuring lines 20a, 30a (dotted) result from the intensity of the radiation of the plasma, the measuring lines 20b, 30b (solid) result from the intensity of the measuring radiation and the measuring lines 20c, 30c (dashed) result from the intensity of the laser beam.
  • the diagram 20 shown in FIG. 2 shows measurement lines 20a, 20b, 20c resulting from a large bore with a drill core (diameter approx. 300 ⁇ m).
  • a drill core diameter approx. 300 ⁇ m.
  • first openings section 21 of measurement line 20a
  • second openings section 22
  • the intensity for the measuring beam increases only slightly from the first breakthroughs (section 21), which, as mentioned, can close again.
  • the core section 23
  • the intensity of the Measuring beam (measuring line 20a) jumps up and can be detected in a particularly simple manner.
  • the diameter of the bore is expanded (section 24). If the signal of the measuring beam remains constant, the bore has reached its final diameter (section 25).
  • measuring lines 30a, 30b, 30c are shown when drilling a small bore without a core (diameter approx. 100 ⁇ m).
  • the breakthrough area is much larger than the total bore area, so that the first breakthrough (section 31) results in a significant increase in the intensity of the measurement signal (measurement line 30b).
  • the axis for the area A of the bore is plotted in ⁇ m 2 over the axis I for the intensity signal of the measuring beam.
  • the measuring points 41 originate from bores with diameters of less than 100 ⁇ m, the measuring points 42 from bores of medium diameter and the measuring points 43 from bores with larger diameters (between 250 ⁇ m to 350 ⁇ m).
  • the intensity of the measurement signal depends on the irradiation of the hole and therefore correlates with the area of the narrowest diameter of the hole. Disturbances for the signal are the shielding effect of a possible plasma (in the borehole), fluctuations in intensity of the measuring beam source and diffraction as well as reflection effects in the borehole.

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Prozesssicherung eines Bohrprozesses, insbesondere eines Laserbohrprozesses mittels eines Messstrahls. Während ein Laserstrahl einen Bereich eines Werkstücks beaufschlagt, wird der Messstrahl auf die sich in der Entstehung befindliche Bohrung innerhalb dieses Bereiches gerichtet. Sobald innerhalb der Bohrung ein Durchbruch erzeugt wurde, kann der Messstrahl die Bohrung durchqueren und durch einen Sensor detektiert werden. Ein Nachweis dieses Messstrahls erfolgt durch einen Sensor. Somit kann genau nachgewiesen werden ob bzw. wann ein Durchbruch erfolgt.

Description

Verfahren zur Prozesssicherung bei einem Bohrprozess
Beschreibung
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Prozesssicherung bei einem Bohrprozess nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 und eine entsprechende Vorrichtung nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 9.
Stand der Technik
Zur Prozesssicherung beim Laserbohren kleiner Bohrungen mit Durchmessern im Bereich kleiner 500 μm werden konventionell Prozessemissionen - wie beispielsweise das Prozessleuchten (Plasma) oder akustische Signale - mit entsprechenden Sensoren aufgenommen und die Messsignale mit Hilfe von Auswertealgorithmen analysiert.
Beim Laserpräzisionsbohren wird vorzugsweise ein Durchbruchsensor eingesetzt, um anhand der Intensität des Prozessleuchtens den Moment des Durchbohrens (Durchbruch) des Werkstücks mit dem Laserstrahl detektieren zu können. Mit dieser Information können dann beispielsweise Aussagen über den Bohrprozess getroffen und erforderliche Bohrzeiten zur Fertigstellung des gewünschten Durchmessers der Bohrung bestimmt werden. Ein Kriterium für einen Durchbruch beim Bohren mit Kurzpulslaserstrahlung (z. B. ns-Pulsen) ist beispielsweise ein starker Abfall des Signals für die Intensität des Prozessleuchtens.
Ein Prozessleuchten, das beim Bohren mit Ültrakurzpulslaserstrahlung (Pulslängen im Bereich zwischen einigen Femtosekunden und einigen Pikosekunden) entsteht, verändert sich in seiner messbaren Intensität beim ersten Durchbruch des Werkstücks jedoch nur in sehr geringem Maße und ist daher nur mit verhältnismäßig aufwendigen Sensoreinrichtungen nachweisbar. Der konventionelle Durchbruchsensor kann somit beim Laserbohren kleiner Bohrungen unter 500 μm in Werkstücke mit einer zu durchbohrenden Dicke von 0,5 bis 1 mm in wirtschaftlich sinnvoller Weise zur Durchbrucherkennung kaum eingesetzt werden.
Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, den Durchbruch von ültrakurzpulslaserstrahlung beim Laserbohren von Bohrungen mit Durchmessern insbesondere kleiner 500 μm erkennen zu können, um so eine Prozesssicherung auch beim Ultrakurzpulslaserbohren zu realisieren.
Erreicht wird dieses Ziel mit einem Verfahren zur Prozesssicherung bei einem Bohrprozess mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 sowie einer entsprechenden Vorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 9.
Vorteil der Erfindung
Das erfindungsgemäße Verfahren dient der Prozesssicherung bei einem Bohrprozess, vorzugsweise einem Laserbohrprozess . Bei der Durchführung derartiger Bohrprozesse wird mittels einer Laser-Bohreinrichtung in einem zu bearbeitenden Werkstück eine Bohrung erzeugt. Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens kommen ferner eine Quelle zur Erzeugung eines Messstrahls und ein Sensor zum Nachweis dieses Messstrahles zum Einsatz. Es ist erfindungsgemäß vorgesehen, das Werkstück, die Quelle und den Sensor so relativ zueinander anzuordnen, dass es erst dann zu einem Nachweis des Messstrahles kommt, wenn in der Bohrung ein Durchbruch entstanden ist.
Solange in dem zu bearbeitenden Werkstück noch kein Durchbruch erzeugt worden ist, stellt dieses ein Hindernis für den Messstrahl auf seinem Weg zwischen Quelle und Sensor dar. Sobald ein Durchbruch erzeugt worden ist, kann der durch die Quelle erzeugte Messstrahl die Bohrung und somit das Werkstück passieren und von dem Sensor detektiert werden. Somit lässt sich auf besonders einfache Weise eine eindeutige Aussage über das Vorhandensein eines Durchbruchs in der Bohrung innerhalb eines Werkstückes treffen.
Bei der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist bevorzugt vorgesehen, den Messstrahl auf die Bohrung parallel zur Bohrachse zu richten. Somit ist sichergestellt, dass der Messstrahl die Bohrung, sobald das Werkstück vollständig durchbohrt ist, passieren kann.
In weiterer bevorzugten Ausgestaltung ist vorgesehen, dass der Laserstrahl und der Messstrahl, zumindest abschnittsweise, insbesondere im Bereich der Bohrung, entlang eines gleichen Strahlenganges geführt werden. Durch identische Führung von Messstrahl und Laserstrahl innerhalb der Bohrung wird in besonders präziser Weise das Vorhandensein eines Durchbruchs nachgewiesen. In weiterer Ausbildung der Erfindung können der Laserstrahl und der Messstrahl entlang eines identischen Strahlenganges in derselben oder in entgegengesetzter Lichtrichtung geführt werden. Dadurch ist es beispielsweise möglich, die Messstrahlquelle und die Bohreinrichtung auf der gleichen oder der entgegengesetzten Seite des zu bearbeitenden Werkstücks anzuordnen, wodurch gegebenenfalls ein zur Verfügung stehender Raum optimal ausgenutzt werden kann.
Insbesondere kann erfindungsgemäß vorgesehen sein, den Laserstrahl und den Messstrahl weitgehend gleichzeitig entlang eines identischen Strahlenganges zu führen. Aufgrund dieser besonders vorteilhaften Ausgestaltung kann das Bohrverfahren, insbesondere das Laserbohrverfahren, besonders effizient überwacht werden. Im wesentlichen in Echtzeit, d. h. in dem Augenblick, in dem der Laserstrahl den Durchbruch erzeugt hat, sensiert der hierbei verwendete Sensor den Messstrahl. Damit lässt sich der exakte Zeitpunkt des Durchbruches dokumentieren. Es bietet sich durch diese Maßnahme beispielsweise die Möglichkeit, durch geeignete Verschaltung zwischen Sensor und Laserstrahl letzteren in dem Moment des Durchbruches auszuschalten.
In bevorzugter Ausführung ist vorgesehen, dass der Laserstrahl und der Messstrahl unterschiedliche Wellenlängen aufweisen. Damit wird in besonders einfacher Weise vermieden, dass der Sensor den Messstrahl mit dem Laserstrahl verwechselt.
Bevorzugt kann die Frequenz des Messstrahls so gewählt werden, dass diese sich außerhalb eines Frequenzbereiches befindet, in dem beim Bohren entstehendes Prozessleuchten emittiert wird. Dadurch wird vermieden, dass der Sensor Prozessleuchten mit dem Messstrahl verwechselt. Das Verfahren kann insbesondere dann zur Anwendung kommen, wenn der Laserstrahl als Ultrakurzpuls-Laserstrahl ausgebildet ist. Ultrakurzpuls-Laserstrahlen weisen Pulslängen in einer Größenordnung von einigen Femtosekunden bis zu einigen Pikosekunden auf.
Ein erfindungsgemäßer Sensor kann als Spektrometer ausgebildet sein oder mehrere Sensoren umfassen, wobei mittels des Sensors in ihrer Frequenz vorbestimmte Signale detektierbar sind. Der Sensor ist bevorzugt auf Frequenzen des Messstrahls bzw. des Messsignals abgestimmt bzw. geeicht. Auf die Frequenz des verwendeten Laserstrahls sowie auf Frequenzen des im Rahmen eines Bohrprozesses auftretenden Prozessleuchtens spricht er zweckmäßigerweise nicht an.
Des weitern kann vorgesehen sein, entlang der Strahlengänge des Laserstrahls und des Messstrahls optische Elemente wie Spiegel oder Optiken bzw. optische Elemente anzuordnen.
Im Rahmen der Erfindung ist es in vorteilhafter Weise möglich, den Verlauf oder die Richtung der Strahlen, also des Laserstrahls und des Messstrahls, zu beeinflussen. Hierbei vorsehbare optische Elemente umfassen beispielsweise Spiegel, die sowohl die Richtung des Messstrahls als auch des Laserstrahls reflektieren oder umlenken, und/oder Spiegel die einen der Strahlen, vorzugsweise den Laserstrahl, in seiner Richtung * reflektieren oder umlenken, jedoch für den anderen Strahl, vorzugsweise den Messstrahl transparent sind. Desweiteren können optische Elemente vorgesehen sein, die einen der Strahlen, vorzugsweise den Messstrahl, reflektieren, umlenken oder transmittieren, und den anderen Strahl, vorzugsweise den Laserstrahl, absorbieren. Durch geeignete Anordnung dieser optischen Elemente können die Strahlengänge des Messstrahls bzw. des Lasers parallel zueinander geführt oder auch durch Umlenkung voneinander getrennt werden. Somit ist gewährleistet, dass der Messstrahl die Bohrung zumindest einmal passiert, und dass ausschließlich der Messstrahl den Sensor erreicht und durch diesen nachgewiesen werden kann. Als vorteilhafter Nebeneffekt kann mittels derartiger Maßnahmen der Sensor vor beschädigender bzw. gefährlicher Laserstrahlung geschützt werden.
Der erfindungsgemäß eingesetzte Messstrahl durchstrahlt die Bohrung und wird mit einem geeigneten Sensor detektiert. Anhand der gemessenen Intensität oder Energiemenge des Messstrahles kann bestimmt werden, ob oder wann der Durchbruch der Bohrung stattgefunden hat. Insbesondere lässt sich quantitativ beurteilen, in welcher Größenordnung der engste Durchmesser der Bohrung liegt. Auch beim Bohren mit Ultrakurzpulsen (Pulslängen im Bereich fs- bis ps- Sekunden) kann so der Durchbruch zuverlässig bzw. in Echtzeit bestimmt werden. Eine Bewertung des Bohrfortschrittes ist hierbei online möglich. Mittels Ultrakurzpulslaserbohren sind Mikrobohrungen mit höchster Präzision und gezielter Konizität erzeugbar. Es sei (lediglich beispielhaft) darauf hingewiesen, dass derartige Mikrobohrungen beispielsweise als Einspritzbohrungen für Dieseldüsen oder Ventile zum Einsatz kommen.
Mit einer derartigen Prozesssicherung können Fertigungsabläufe optimiert werden. Desweiteren kann auch die Ausschussrate in günstiger Weise beeinflusst werden. Zeichnungen
Die vorliegende Erfindung wird nun anhand der beigefügten Zeichnung weiter erläutert. In dieser zeigt bzw. zeigen
Figur la bis lc in schematischer seitlicher Ansicht bevorzugte Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Vorrichtung,
Figur 2 ein Diagramm zur Darstellung der erfindungsgemäß verwertbaren Intensitätssignale,
Figur 3 ein weiteres Diagramm zur Darstellung weiterer erfindungsgemäß verwertbarer
Intensitätssignale, und
Figur 4 ein Diagramm zur exemplarischen
Darstellung des Zusammenhangs zwischen den verwertbaren Intensitätssignalen und hierbei vorliegenden Bohrungsgrößen.
Die Figuren la bis lc zeigen jeweils alternative Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Vorrichtung in schematisch vereinfachter Seitenansicht. Ein Laserstrahl 3 wird hier jeweils über einen Spiegel 7 und die Optik 5 auf ein Werkstück 4 geführt. Ziel hierbei ist, das Werkstück 4 zu durchbohren.
Eine Quelle 1 sendet einen Messstrahl la aus. Die Wellenlänge des Messstrahls la entspricht nicht der des Laserstrahls 3, sondern liegt idealerweise in einem Frequenzbereich, in dem ein beim Bohren entstehendes Prozessleuchten nicht oder nur gering emittiert. Ein Sensor 2 umfasst neben dem eigentlichen Sensorelement auch optische Elemente zur Strahlführung für das Messsignal la. Der Sensor 2 kann als Spektrometer ausgebildet sein oder auch mehrere einzelne Sensoren umfassen, die in ihrer Frequenz vorbestimmte Signale detektieren.
Bei der in Figur la dargestellten Ausführungsform wird der Laserstrahl 3 über den Umlenkspiegel 7 (in Richtung der Zeichnung) nach unten über die Optik 5 auf das zu bearbeitende Werkstück 4 aufgebracht. Der mittels der Quelle 1 erzeugte Messstrahl la trifft hierbei nach entsprechender U lenkung in einer Optik 6 von unten auf das Werkstück 4, wobei der Laserstrahl 3 und der Messstrahl la in einander entgegengesetzten Richtungen auf der gleichen Achse 11 verlaufen. Die Verwendung der Optik 6 hat die Aufgabe, den Messstrahl la auf die Unterseite des Werkstücks zu lenken, und hierbei die Quelle 1 vor dem Laserstrahl 3 zu schützen, nachdem dieser das Werkstück 4 vollständig durchbohrt hat.
Nach Durchbohrung des Werkstücks 4 durch den Laserstrahl 3 tritt der Messstrahl la durch die so erzeugte Bohrung hindurch, und in entgegengesetzter Richtung zum Laserstrahl 3 durch die Optik 5 und den Umlenkspiegel 7, welcher für die Frequenz des Messstrahles la transparent bzw. transmissiv ist, auf den Sensor 2. In dem Sensor 2 wird der Messstrahl la als Messsignal 1b detektiert.
Bei der in Figur lb gezeigten Ausführungsform wird der Messstrahl la an einem optischen Element 7a mit dem Laserstrahl 3 überlagert, so dass der Laserstrahl 3 und der Messstrahl la nach Umlenkung durch den Spiegel 7b und Durchgang durch die Optik 5 in der gleichen Richtung auf das Werkstück 4 treffen. Sobald der Laser 3 einen Durchbruch gebohrt hat, passieren beide Strahlen die Bohrung und erreichen eine Optik 6, welche den Laserstrahl 3 absorbiert oder transmittiert und den Messstrahl la reflektiert. Nachdem der Messstrahl la aufgrund dieser Reflexion die Bohrung erneut passiert hat, wird er durch den Spiegel 7b transmittiert und durch den Sensor 2 als Messsignal 1b nachgewiesen. Der Spiegel 7b ist bezüglich des Messstrahls la zweckmäßigerweise halbdurchlässig ausgebildet, so dass ein Teil der Intensität des aus der Quelle 1 austretenden Messstrahls, zusammen mit dem Laserstrahl 3, auf das Werkstück 4 und anschließend die Optik 6 reflektiert wird, wobei die an der Optik 6 reflektierte Intensität des Messstrahls la den Spiegel 7b zum Erreichen des Sensors 2 teilweise passiert.
Bei der in Figur lc gezeigten Variante der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird der Laserstrahl 3 an einem Spiegel 7 reflektiert bzw. umgelenkt. Der Messstrahl la, dessen Quelle 1 hier oberhalb des Spiegels 7 angeordnet ist, passiert den Spiegel 7 ohne Umlenkung. Beide Strahlen treffen einander überlagert in der gleichen Richtung auf das Werkstück 4. Nach Durchbohren des Werkstückes 4 durch den Laserstrahl 3 wird durch die Optik 6 der Messstrahl la auf den Sensor 2 umgelenkt und als Messsignal lb detektiert. Der Laserstrahl 3 wird in die Optik 6 transmittiert bzw. von dieser absorbiert.
Der Sensor 2 misst jeweils die Energiemenge bzw. Intensität des auf ihm auftreffenden Messstrahls la bzw. Messsignals lb. Die Intensität des Messstrahls la wird so eingestellt, dass der Sensor 2 bei größtmöglicher Bohrung nicht übersteuert. Zu Bohrungsbeginn, kann kein Anteil des Messstrahles la auf den Sensor 2 treffen, da die Bohrung noch nicht durchbrochen ist. Unter Umständen emittiert das Prozessleuchten auch bei einer Frequenz des Messstrahles la, so dass das Startsignal des Sensors 2 ungleich null ist. Sobald in der Bohrung ein Durchbruch erzeugt ist, gelangen Teile des Messstrahles la auf den Sensor 2 und werden als Messsignal lb detektiert.
Bei den drei dargestellten Ausführungsformen kann der Sensor 2 das Messsignal lb erst dann detektieren, wenn der Messstrahl la unbehindert durch die Bohrung propagieren kann. Der Fortschritt einer Laserbohrung lässt sich somit in seinem zeitlichen Ablauf zuverlässig beobachten.
In den in den Figuren 2 bzw. 3 gezeigten Diagrammen 20, 30 ist die Intensität I für die Strahlung über der Zeit t aufgetragen. In die Diagramme 20, 30 sind Messlinien eingetragen: die Messlinien 20a, 30a (gepunktet) resultieren aus der Intensität der Strahlung des Plasmas, die Messlinien 20b, 30b (durchgezogen) resultieren aus der Intensität der Messstrahlung und die Messlinien 20c, 30c (gestrichelt) resultieren aus der Intensität des Laserstrahls .
In dem in der Figur 2 dargestellten Diagramm 20 sind aus einer großen Bohrung mit Bohrkern resultierende Messlinien 20a, 20b, 20c dargestellt (Durchmesser ca. 300 μm) . Beim Wendelbohren von großen Durchmessern können sich erste Durchbrüche (Abschnitt 21 von Messlinie 20a) wieder schließen und es kann über den Umfang der Bohrung mehrere Durchbrüche (Abschnitt 22) geben. Daher steigt die Intensität für den Messstrahl (Messlinie 20b) ab den ersten Durchbrüchen (Abschnitt 21) , welche sich wie erwähnt wieder schließen können, nur geringfügig an. Beim Herausfallen des Bohrkerns (Abschnitt 23) steigt die Intensität des Messstrahls (Messlinie 20a) hingegen sprunghaft an und kann in besonders einfacher Weise nachgewiesen werden. Im weiteren Verlauf wird der Durchmesser der Bohrung erweitert (Abschnitt 24). Bleibt das Signal des Messstrahls konstant, hat die Bohrung ihren Enddurchmesser erreicht (Abschnitt 25) .
In dem in der Figur 3 dargestellten Diagramm 30 sind Messlinien 30a, 30b, 30c beim Bohren einer kleinen Bohrung ohne Bohrkern dargestellt (Durchmesser ca. 100 μm) . In diesem Beispiel ist, verglichen mit dem Diagramm gemäß Figur 2, die Durchbruchflache gegenüber der Gesamtbohrungsflache im Verhältnis viel größer, so dass mit dem ersten Durchbruch (Abschnitt 31) ein deutlicher Anstieg der Intensität des Messsignals (Messlinie 30b) erfolgt.
Wird nach dem ersten Durchbruch (Abschnitt 31) der
Bohrprozess fortgeführt, weitet sich die Bohrung auf
(gebogener Pfeil 34) und die Intensität des Messstrahls
(Messlinie 30b) steigt weiter an.
In dem Diagramm 40 aus Figur 4 ist die Achse für die Fläche A der Bohrung in μm2 über der Achse I für das Intensitätssignal des Messstrahls aufgetragen. Die Messpunkte 41 stammen von Bohrungen mit Durchmessern geringer 100 μm, die Messpunkte 42 von Bohrungen mittleren Durchmessers und die Messpunkte 43 von Bohrungen größerer Durchmesser (zwischen 250 μm bis 350 μm) . Die Intensität des Messsignals hängt von der Durchstrahlung der Bohrung ab und korreliert deswegen mit der Fläche des engsten Durchmessers der Bohrung. Störgrößen für das Signal sind die abschirmende Wirkung eines möglichen Plasmas (in der Bohrung) , Intensitätsschwankungen der Messstrahlquelle und Beugung sowie Reflektionseffekte in der Bohrung.

Claims

Ansprüche
1. Verfahren zur Prozesssicherung bei einem Bohrprozess, insbesondere einem Laserbohrprozess, mit folgenden Schritten:
- Erzeugen einer Bohrung mittels einer Bohreinrichtung, insbesondere eines durch einen Laser erzeugten Laserstrahls (3), in einem zu bearbeitenden Werkstück (4),
Bereitstellung einer Quelle (1) zur Erzeugung eines Messstrahls (la, lb) , und Richten des Messstrahls auf das Werkstück (4) ,
Bereitstellung eines Sensors (2) zum Nachweis des Messstrahls (la, lb) , dadurch gekennzeichnet, dass das Werkstück (4), die Quelle (1) und der Sensor (2) so relativ zueinander angeordnet werden, dass es erst dann zu einem Nachweis des Messstrahls (la, lb) kommt, wenn in der Bohrung ein Durchbruch entstanden ist.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Messstrahl (la, lb) auf die Bohrung parallel zur Bohrachse gerichtet wird.
3. Verfahren nach einem der Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Laserstrahl (3) und der Messstrahl
(la, lb) zumindest abschnittsweise, insbesondere im Bereich der Bohrung, entlang eines gleichen Strahlengangs geführt werden.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Laserstrahl (3) und der Messstrahl
(la, lb) entlang eines gleichen Strahlengangs in derselben oder in entgegengesetzter Richtung geführt werden.
5. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Laserstrahl (3) und der Messstrahl (la, lb) weitgehend gleichzeitig entlang eines gleichen Strahlengangs geführt werden.
6. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Laserstrahl (3) und der Messstrahl (la, lb) unterschiedliche Wellenlängen aufweisen.
*7. Verfahren, nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Frequenz des Messstrahls (la, lb) so gewählt wird, dass diese Frequenz außerhalb eines Frequenzbereiches liegt, in dem beim Bohren entstehendes Prozessleuchten emittiert wird.
8. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Laserstrahl (3) als Ultrakurzpuls-Laserstrahl mit bevorzugter Pulslänge in einer Größenordnung von einigen Femtosekunden bis zu einigen Picosekunden ausgebildet ist.
9. Vorrichtung zur Prozesssicherung bei einem Bohrverfahren, insbesondere einem Laserbohrverfahren, bei welchem mittels einer Bohreinrichtung, insbesondere eines durch einen Laser erzeugten Laserstrahls (3) , in einem zu bearbeitenden Werkstück (4) eine Bohrung erzeugt wird, mit einer Quelle (1) zur Erzeugung eines Messstrahls (la, lb) und einem Sensor (2) zum Nachweis des Messstrahls (la, lb), dadurch gekennzeichnet, dass das Werkstück (4), die Quelle (1) und der Sensor (2) so relativ zueinander anordenbar sind, dass es erst dann zu einem Nachweis des Messstrahls (la, lb) kommt, wenn in der Bohrung ein Durchbruch entstanden ist.
10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor (2) als Spektrometer ausgebildet ist oder mehrere Sensoren umfasst, wobei mittels des Sensors (2) in ihrer Frequenz vorbestimmte Signale detektierbar sind.
11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass entlang der Strahlengänge des Laserstrahls (3) und des Messstrahls (la, lb) optische Elemente wie Spiegel (7, 7a, 7b) oder Optiken (5, 6) anordenbar sind.
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