EP2349634A1 - Method for smoothing the surface of a substrate, using a laser - Google Patents

Method for smoothing the surface of a substrate, using a laser

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Publication number
EP2349634A1
EP2349634A1 EP09777921A EP09777921A EP2349634A1 EP 2349634 A1 EP2349634 A1 EP 2349634A1 EP 09777921 A EP09777921 A EP 09777921A EP 09777921 A EP09777921 A EP 09777921A EP 2349634 A1 EP2349634 A1 EP 2349634A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
laser
substrate
polishing
roughing
smoothing
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP09777921A
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Oliver Nöll
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SURCOATEC AG
Original Assignee
Surcoatec International AG
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Filing date
Publication date
Application filed by Surcoatec International AG filed Critical Surcoatec International AG
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Withdrawn legal-status Critical Current

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    • B23K26/02Positioning or observing the workpiece, e.g. with respect to the point of impact; Aligning, aiming or focusing the laser beam
    • B23K26/06Shaping the laser beam, e.g. by masks or multi-focusing
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    • B23K26/3568Modifying rugosity
    • B23K26/3576Diminishing rugosity, e.g. grinding; Polishing; Smoothing

Definitions

  • This object is achieved by providing a method for smoothing the surface of a substrate, according to which the output beam of a laser is directed onto at least a partial area of the surface and the smoothing of the surface is carried out in a first step by roughing and in a second step by polishing with polishing taking place at a pulse repetition frequency of the laser of> 45 kHz.

Abstract

The invention relates to a method for smoothing the surface (1) of a substrate (2), the output beam of a laser (4) being directed onto at least a section of the surface (1), and the surface (1) being smoothed in a first step by roughing and in a second step by polishing, the polishing being carried out at a pulse repetition frequency of the laser (4) of > 45 kHz. The method according to the invention allows the production of an optimum or perfect smooth surface even of extremely hard materials in a simple, reliable and reproducible manner while ensuring a very gentle treatment of the material of the substrate surface and the removal of impurities.

Description

SURCOATEC INTERNATIONAL AG SURCOATEC INTERNATIONAL AG
Schleefstr. 2e 44287 DortmundSchleefstr. 2e 44287 Dortmund
VERFAHREN ZUM GLÄTTEN DER OBERFLÄCHE EINES SUBSTRATES UNTER VERWENDUNG EINES LASERSPROCESS FOR SMOOTHING THE SURFACE OF A SUBSTRATE USING A LASER
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Glätten der Oberfläche eines Substrates unter Verwendung eines Lasers, wobei die Oberfläche in einem ersten Schritt durch Schruppen und in einem zweiten Schritt durch Polieren geglättet wird.The invention relates to a method for smoothing the surface of a substrate using a laser, wherein the surface is smoothed in a first step by roughing and in a second step by polishing.
Beschichtungen lassen sich auf nahezu allen Grundmaterialien und auf verschiedenste Formen homogen aufbringen. Es ist bekannt, dass eine diamantähnliche Beschichtung mit einer entsprechenden Härte von bis zu 10.000 Vickers in einem Niedertemperaturverfahren bei bei- spielsweise 80 °C aufgetragen werden kann. Insbesondere ist es auch möglich, die Innenbe- schichtung von Hohlkörpern erfolgreich mit hoher Haftung und Homogenität durchzuführen.Coatings can be homogeneously applied to almost all basic materials and to various forms. It is known that a diamond-like coating with a corresponding hardness of up to 10,000 Vickers can be applied in a low-temperature process at, for example, 80 ° C. In particular, it is also possible to successfully carry out the inner coating of hollow bodies with high adhesion and homogeneity.
Dazu wird aus einer gasförmigen Kohlenstoffquelle, wie Methan, mit Hilfe eines Plasmas, d.h. mit Hilfe eines elektrisch angeregten Gases, und durch Prozessparameter, die auf die Be- Schichtung abgestimmt sind, wie beispielsweise Druck, Leistung, Art der Einspeisung, Gasfluss usw., eine diamantartige Kohlenstoffschicht (diamond like carbon-Schicht, im Folgenden als DLC-Schicht bezeichnet) auf dem Substrat erzeugt. Eine DLC-Schicht ist aufgrund ihrer charakteristischen Eigenschaften u.a. optimal für die Beschichtung von Objekten geeignet, die hoher Reibung und abrasiven Kräften ausgesetzt werden. Dies können bei- spielsweise Kolben oder andere Motorenteile, Gewindeformer sowie weitere Werkzeuge zur Metallbearbeitung sein.For this purpose, from a gaseous carbon source, such as methane, with the aid of a plasma, i. by means of an electrically excited gas, and by process parameters that are matched to the coating, such as pressure, power, type of feed, gas flow, etc., a diamond-like carbon layer (hereinafter referred to as DLC layer designated) generated on the substrate. A DLC layer is due to its characteristic properties u.a. optimally suited for the coating of objects exposed to high friction and abrasive forces. These can be, for example, pistons or other engine parts, thread formers and other tools for metalworking.
BESTATIGUNGSKOPIE Eine DLC-Schicht kann derart modifiziert werden, dass sie einerseits eine wesentlich bessere Haftung zum Substrat erhält und andererseits eine hohe Dehnung unbeschadet zulässt. Durch ein homogenes Verfahren kann ein gleichmäßiger Schichtaufbau gewährleistet werden, so dass bei einer beispielsweise hochglanzpolierten Hartmetalloberfläche eine ebenso glänzende und glatte Oberfläche entsteht. Eine solche DLC-Schicht verringert die Reibung, selbst unter sparsamem Einsatz von Kühl-, Hilfs- bzw. Schmierstoffen.BESTATIGUNGSKOPIE A DLC layer can be modified in such a way that, on the one hand, it obtains considerably better adhesion to the substrate and, on the other hand, permits high elongation without damage. By a homogeneous process, a uniform layer structure can be ensured, so that, for example, a highly polished hardmetal surface creates an equally glossy and smooth surface. Such a DLC layer reduces friction, even with the sparing use of coolants, auxiliaries or lubricants.
Es ist äußerst problematisch, eine einwandfreie Polierung extrem harter Materialien zu ge- währleisten. Beispielsweise entstehen durch den Einsatz von Lasern „Kantenaufwürfe" beim Eingravieren von Nuten in einem für eine Gleitringdichtung gedachten Gleitring/ Solche „Verunreinigungen" der Oberfläche müssen beseitigt werden, um eine einwandfreie Funktion einer solchen Dichtung zu gewährleisten.It is extremely problematic to ensure perfect polishing of extremely hard materials. For example, the use of lasers creates "edge drops" when engraving grooves in a slide ring intended for a mechanical seal / such "contaminants" of the surface must be removed to ensure proper functioning of such a seal.
Eine Verunreinigung kann beispielsweise auch ein Glaskorn im verwendeten Material sein. Da ein Gleitring meist ein Hartmetall umfasst, ist der Einsatz von konventionellen Polierverfahren sehr problematisch, denn eine optimal oder homogen geglättete Oberfläche eines Substrates kann damit nicht erzielt werden.For example, an impurity can also be a glass grain in the material used. Since a sliding ring usually comprises a hard metal, the use of conventional polishing is very problematic, because an optimally or homogeneously smoothed surface of a substrate can not be achieved with it.
Im Stand der Technik wird dazu meist ein Sandstrahlgebläse eingesetzt. Dies ist ein technisches Gerät, das auf der Grundlage der Strahlpumpe basiert, und mit dem durch Druckluft ein Strahlmittel, wie beispielsweise Sand, auf Gegenstände geblasen wird, um sie von Rost, Farbe, Unebenheiten und Verunreinigungen oder Ähnlichem zu befreien oder sie aufzurauen. Die Anwendung dieses Gerätes nennt man auch „Sandstrahlen". Angewendet zum Beseitigen der „Kantenaufwürfe" liefert das Sandstrahlen jedoch unbefriedigende Ergebnisse, denn durch Einsatz von Sandstrahlen entsteht „Lochfraß", so dass die weggestrahlte Fläche nicht homogen verläuft. Des Weiteren entstehen beim Sandstrahlen weitere Verunreinigungen, die mit den konventionellen Verfahren kaum zu beseitigen sind. Da viele Strahlmittel hygroskopisch sind, d. h. Feuchtigkeit bzw. auch Luftfeuchtigkeit aufnehmen, wird bei Sandstrahlgebläsen und Sandstrahlkesseln trockene Luft benötigt. Die von einem Kompressor bereitgestellte Druckluft kann daher nur zum Sandstrahlen verwendet werden, wenn sie zuvor gekühlt und getrocknet wurde. Sandstrahlen erzeugt eine hohe Staubbelastung für das Strahlpersonal wie auch für die Umwelt. Dadurch besteht die Gefahr einer gesundheitlichen Beeinträchtigung für das Strahlpersonal.In the prior art, a sandblast blower is usually used for this purpose. This is a technical device based on the jet pump, which blows blasting material such as sand onto compressed air by means of compressed air to rid it of rust, paint, unevenness and impurities or the like, or roughen it. The application of this device is also called "sand blasting." Sandblasting, however, gives unsatisfactory results when used to remove the "edges", because the use of sandblasting causes "pitting", so that the blasted surface is not homogeneous Since many blasting agents are hygroscopic, ie absorb moisture or humidity, sandblasting and blasting furnaces require dry air, so compressed air supplied by a compressor can only be used for sandblasting when They cooled and before was dried. Sandblasting creates a high dust load for the blasting staff as well as for the environment. As a result, there is the danger of a health impairment for the beam personnel.
Wie oben erwähnt, kann alternativ die Materialbearbeitung durch einen Laser durchgeführt werden. Das Abtragen von Material von einer Oberfläche eines Substrats bei Beschuss mit gepulster Laserstrahlung wird als Laserablation bezeichnet. Bei Laserpulsen im Nanosekun- denbereich führt die Energie des Lasers zu einer Aufheizung der Oberfläche während des Laserpulses, im Sinne von thermischen Bewegungen der Atome. Da die Wärmeleitung nur einen langsamen Energietransport ins Volumen ermöglicht, wird die eingestrahlte Energie auf eine sehr dünne Schicht konzentriert, beispielsweise auf ca. 1 μm bei 10 ns. Pulslänge. Daher erreicht die Oberfläche sehr hohe Temperaturen und es kommt zum schlagartigen Verdampfen des Materials. Durch Ionisation, wie beispielsweise thermisch, durch das Laserlicht oder durch Elektronenstöße, entsteht bei hoher Leistungsdichte des Lasers ein Plasma aus Elektro- nen und Ionen des abgetragenen Materials. Die Ionen können in diesem Plasma auf Energien bis über 100 eV beschleunigt werden. Laserablation kann zum gezielten Abtragen von Materialien verwendet werden, beispielsweise anstelle von mechanischem Gravieren harter Materialien oder zum Bohren sehr kleiner Löcher. Laserablation kann auch zum Abtragen von dünnen Schichten verschiedener Verunreinigungen eingesetzt werden. Dabei wird nur die- oberste Schicht, die einige Nanometer bis mehrere Mikrometer dick ist, stark erhitzt, wobei das Werkstück als Ganzes kalt bleibt.As mentioned above, alternatively, the material processing may be performed by a laser. The removal of material from a surface of a substrate under pulsed laser radiation is referred to as laser ablation. With laser pulses in the nanosecond range, the energy of the laser leads to a heating of the surface during the laser pulse, in the sense of thermal movements of the atoms. Since the heat conduction allows only a slow energy transport into the volume, the radiated energy is concentrated on a very thin layer, for example to about 1 micron at 10 ns. Pulse length. Therefore, the surface reaches very high temperatures and it comes to the sudden evaporation of the material. By ionization, such as thermally, by the laser light or by electron collisions, a plasma of electrons and ions of the ablated material arises at high power density of the laser. The ions can be accelerated to energies up to more than 100 eV in this plasma. Laser ablation can be used for targeted removal of materials, for example, instead of mechanically engraving hard materials or drilling very small holes. Laser ablation can also be used to remove thin layers of various contaminants. Only the topmost layer, which is a few nanometers to several micrometers thick, is heated to a high temperature, keeping the workpiece as a whole cold.
Aus der DE 101 44 008 Al sind ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Erzeugen einer Bohrung in einem Werkstück mit Laserstrahlung bekannt. Dabei wird mit einem ersten Laser in einem ersten Schritt eine Bohrung mit einem ersten Durchmesser gebohrt, der geringer ist als der endgültig zu erreichende Durchmesser. Dieser wird dann mit einem zweiten Laser in einem zweiten Schritt oder in weiteren Schritten auf den zu erreichenden Durchmesser aufgeweitet. Die Bohrung wird in einem ersten Schritt durch Schruppen und in einem zweiten Schritt oder in weiteren Schritten durch Schlichten und/oder Polieren gebildet. Hierbei kommt ein Laser mit einer Pulswiederholfrequenz zwischen 1 bis maximal 100 Hz zum Einsatz. Aus der DE 21 21 155 ist ferner eine Vorrichtung zum Anreißen der Oberfläche von Gegenstän- den bekannt. Hierbei kommt ein bei einer Wellenlänge von 1064 nm emittierender YAG- Laser zum Einsatz. Der anzureißende Gegenstand ist ein Halbleiterplättchen.From DE 101 44 008 Al a method and an apparatus for producing a bore in a workpiece with laser radiation are known. In this case, with a first laser in a first step, a bore having a first diameter is drilled, which is less than the final diameter to be achieved. This is then expanded with a second laser in a second step or in further steps to the diameter to be reached. The bore is formed in a first step by roughing and in a second step or in further steps by sizing and / or polishing. Here, a laser with a pulse repetition frequency between 1 and a maximum of 100 Hz is used. From DE 21 21 155 a device for tearing the surface of objects is also a known. Here, a YAG laser emitting at a wavelength of 1064 nm is used. The object to be applied is a semiconductor chip.
Problematisch ist im Stand der Technik eine optimal geglättete Oberfläche eines Substrats zu gewährleisten, vor allem wenn es sich dabei um extrem harte Materialien, wie um Hartmetalle, handelt. Dabei soll das Material der Oberfläche unbeschadet bleiben bzw. zumindest geschont werden.A problem in the prior art is to ensure an optimally smoothed surface of a substrate, especially if it involves extremely hard materials, such as hard metals. The material of the surface should remain undamaged or at least spared.
Allgemein bezeichnet man bei spanenden Fertigungsverfahren das Abheben von Werkstoff mit großem Spanvolumen als Schruppen. Schrupp verfahren werden üblicherweise beim Drehen und Fräsen angewendet und dienen dazu, innerhalb möglichst kurzer Bearbeitungszeit das Werkstück der Endkontur soweit wie möglich anzunähern. Der Schrupp Vorgang hinterlässt meist raue Oberflächen mit geringer Maßgenauigkeit.In general, the removal of material with a large chip volume is called roughing in machining production processes. Roughing methods are usually used for turning and milling and serve to approximate the workpiece as far as possible within the shortest possible machining time. The roughing process usually leaves rough surfaces with low dimensional accuracy.
Beim Polieren, das grundsätzlich das Verteilen, jedoch nicht das Abtragen von Material um- fasst, wird die glättende Wirkung in der Regel mit zwei Mechanismen erreicht. Zum einen werden Rauhigkeitsspitzen der Oberflächenstruktur plastisch und teilplastisch verformt und so geebnet. Zum anderen erfolgt je nach Art der Politur ein kleinster bis überhaupt kein Werkstoffabtrag. Die damit erreichte Oberfläche ist aufgrund der Glätte oft glänzend. Zu- sammenfassend kann man das Polieren als ein glättendes Feinbearbeitungsverfahren bezeichnen, das für verschiedenste Materialien einsetzbar ist.When polishing, which basically involves spreading, but not the removal of material, the smoothing effect is usually achieved with two mechanisms. On the one hand, roughness peaks of the surface structure are plastically and partially plastically deformed and thus leveled. On the other hand, depending on the type of polish is a smallest to no material removal. The resulting surface is often shiny due to the smoothness. In summary, polishing can be referred to as a smoothing finish process that can be used for a wide variety of materials.
Es lässt sich festhalten, dass es sehr problematisch ist und mit viel Aufwand verbunden ist, eine einwandfreie geglättete Oberfläche eines Substrats bereitzustellen. Insbesondere ist das Entstehen von Kantenaufwürfen beim Eingravieren von Nuten in Gleitringen aus Hartmetall problematisch, denn eine homogen geglättete Oberfläche kann mit den konventionellen Schrupp- und Polierverfahren nicht gewährleistet werden.It can be stated that it is very problematic and requires a lot of effort to provide a perfectly smoothed surface of a substrate. In particular, the emergence of Kantenaufwürfen when engraving grooves in slip rings made of carbide is problematic because a homogeneously smooth surface can not be guaranteed with the conventional roughing and polishing.
Es ist die Aufgabe der Erfindung, eine Möglichkeit bereitzustellen, die Oberfläche von Sub- straten von Verunreinigungen zu befreien und eine optimal geglättete Oberfläche bereitzustellen. Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, dass ein Verfahren zum Glätten der Oberfläche eines Substrats bereitgestellt wird, gemäß dem der Ausgangsstrahl eines Lasers auf wenigstens ein Teilbereich der Oberfläche gerichtet und das Glätten der Oberfläche in einem ersten Schritt durch Schruppen und in einem zweiten Schritt durch Polieren durchgeführt wird, wobei das Polieren bei einer Pulswiederholfrequenz des Lasers von > 45 kHz erfolgt. Somit wird eine einwandfreie glatte Substratoberfläche auch extrem harter Materialien erreicht.It is the object of the invention to provide a way to rid the surface of substrates of impurities and to provide an optimally smoothed surface. This object is achieved by providing a method for smoothing the surface of a substrate, according to which the output beam of a laser is directed onto at least a partial area of the surface and the smoothing of the surface is carried out in a first step by roughing and in a second step by polishing with polishing taking place at a pulse repetition frequency of the laser of> 45 kHz. Thus, a perfectly smooth substrate surface is achieved even extremely hard materials.
Der Teilbereich der Oberfläche ist vorzugsweise ein bestimmter Bereich auf der Substratober- fläche. Der Teilbereich kann lediglich einem Punkt auf der Oberfläche entsprechen oder mehrere Punkte auf der gesamten Oberfläche umfassen.The partial area of the surface is preferably a specific area on the substrate surface. The subregion may correspond only to one point on the surface or may comprise several points on the entire surface.
Das Schruppen erfolgt vorzugsweise bei einer Pulswiederholfrequenz des Lasers von > 4 kHz. Dadurch wird die Oberfläche des Substrats soweit wie möglich an den Endzustand an- genähert, wobei eine raue Oberfläche zurückbleibt. Gemäß anderen bevorzugten Ausführungsbeispielen erfolgt das Schruppen bei > 5.5 kHz. Die obere Grenze der Pulswiederholfrequenz des Lasers liegt vorzugsweise bei 12 kHz. Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel erfolgt das auf das Schruppen folgende Polieren bei > 58 kHz.The roughing is preferably carried out at a pulse repetition frequency of the laser of> 4 kHz. As a result, the surface of the substrate is brought as close as possible to the final state, leaving a rough surface. According to other preferred embodiments, the roughing occurs at> 5.5 kHz. The upper limit of the pulse repetition frequency of the laser is preferably 12 kHz. According to a preferred embodiment, the polishing following the roughing takes place at> 58 kHz.
Die maximale Ausgangsleistung des Lasers beträgt vorzugsweise mindestens 20 Watt und die eingestellte Ausgangsleistung wird vorzugsweise beim Schruppen und/oder beim Polieren reduziert oder auch erhöht. Die Änderung der eingestellten Ausgangsleistung erfolgt vorzugsweise in beiden Schritten, d.h. beim Polieren und beim Glätten, kann aber auch nur in einem Schritt oder in keinem der Schritte erfolgen, d.h. die einmal eingestellte Ausgangsleis- tung bleibt in diesem letzten Fall die gesamte Zeit über unverändert.The maximum output power of the laser is preferably at least 20 watts and the adjusted output power is preferably reduced or increased during roughing and / or polishing. The change in the adjusted output power is preferably in both steps, i. polishing and smoothing, but can also be done in one step or none of the steps, i. Once the output power has been set, it remains unchanged for the entire time in this last case.
Gemäß einem anderen bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung umfasst das Substrat wenigstens ein Material aus Siliziumnitrit, Siliziumcarbid, gehärtetem Stahl und ein Hartmetall. Vorzugsweise umfasst das Hartmetall Wolframnitrit oder Wolframcarbid. Gemäß einem weiteren bevorzugten Ausfuhrungsbeispiel der Erfindung wird der Laser relativ zur Oberfläche des Substrats im Raum verfahren. Dabei bleibt der Laser die ganze Zeit über angeschaltet, wodurch diese Technik im Folgenden als „On-The-Fly-Technik" bezeichnet wird. Alternativ wird der Laser relativ zur Oberfläche des Substrats zeitlich nacheinander, be- ginnend mit einer ersten Achsenrichtung und endend mit einer letzten Achsenrichtung, beispielsweise dritten Achsenrichtung, im Raum verfahren.According to another preferred embodiment of the invention, the substrate comprises at least one of silicon nitride, silicon carbide, hardened steel and a cemented carbide. Preferably, the cemented carbide comprises tungsten nitride or tungsten carbide. According to a further preferred embodiment of the invention, the laser is moved relative to the surface of the substrate in space. The laser remains on all the time, making this technique "on-the-fly." Alternatively, the laser is sequentially timed relative to the surface of the substrate, beginning with a first axis direction and ending with a last axis direction, for example, third axis direction, moved in space.
Durch „Absetzen" und „Anfahren" des Lasers können „Gräben" im Material entstehen. Dies geschieht meist dadurch, dass der Laser beim Wiederanfahren typischerweise mindestens in einer Breite des Laserstrahles bezogen auf einen Teilbereich auf der Oberfläche des Substrats überlappt, wobei die Breite des Laserstrahls auch als „Dotpoint" bezeichnet wird. In dem Dotpoint würde in diesem Fall der doppelte Abtrag des Substrates stattfinden und zu Gräben im Material führen.By "depositing" and "starting" the laser, "trenches" can be formed in the material, usually by the fact that the laser typically overlaps at least in a width of the laser beam with respect to a partial area on the surface of the substrate when restarting, wherein the width of the laser Laser beam is also referred to as "Dotpoint". In this case, the double removal of the substrate would take place in the dotpoint and lead to trenches in the material.
Solche Gräben werden gemäß dem bevorzugten Ausführungsbeispiel durch die On-The-Fly- Technik vermieden. Diese Technik funktioniert folgendermaßen: Alle Achsen im Raum arbeiten vorzugsweise im programmierten Verhältnis zueinander. So ist ein Teilapparat bzw. eine Drehachse vorzugsweise auf einem Verfahrtisch montiert, wobei der Verfahrtisch vorzugsweise in einer Ebene im Raum bewegbar ist. Der Verfahrtisch wird auch als „Kreuzsup- port-Einheit" bezeichnet und steuert vorzugsweise die Drehachse bei gleichzeitigem Drehen des Teilapparates in den Fokus des Lasers. Der Laser an sich ist vorzugsweise auch selbst auf einem zweiten Verfahrtisch montiert, wobei der zweite Verfahrtisch vorzugsweise im Raum bewegbar ist. Dadurch können auch bei extrem feinen und zusammenhängenden Laserarbeiten alle Achsen zueinander und/oder alle Achsen einzeln angesteuert werden, so dass ein Ab- setzen und/oder ein Ausschalten des Lasers nicht notwendig ist. Somit können Oberflächen von Substraten einwandfrei gelasert werden.Such trenches are avoided according to the preferred embodiment by the on-the-fly technique. This technique works as follows: All axes in the room work preferably in programmed relation to each other. Thus, a divider or a rotation axis is preferably mounted on a travel table, wherein the travel table is preferably movable in a plane in space. The traversing table is also referred to as a "cross-support unit" and preferably controls the axis of rotation while rotating the dividing apparatus into the focus of the laser.The laser per se is preferably also mounted on a second traversing table, wherein the second traversing table is preferably in space As a result, all axes to each other and / or all axes can be controlled individually even with extremely fine and coherent laser work, so that it is not necessary to set off and / or switch off the laser.
Gemäß einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung wird in einem erstenAccording to a further preferred embodiment of the invention is in a first
Schritt die zu behandelnde Oberfläche des Substrates geschruppt. Dabei wird vorzugsweise ein voreingestellter Wert für den Fokus des Lasers übernommen. In einem zweiten Schritt wird, vorzugsweise mit dem gleichen Fokus des Lasers wie im ersten Schritt und mit anderen Parametern des Lasers, wie die Pulswiederholfrequenz, die Oberfläche des Substrats poliert. Gemäß anderen bevorzugten Ausführungsbeispielen wird weiter in einem dritten Schritt die Oberfläche des Substrats geschliffen. Die Zeiten zwischen dem ersten und zweiten Schritt bzw. zwischen dem zweiten und dritten Schritt können einige Millisekunden bis zu Tagen be- tragen. Mit anderen Worten ist die Qualität der geglätten Oberfläche unabhängig von diesen Zeiten. Vorzugsweise wird gleich nach dem ersten Schritt bzw. dem Schruppschritt der zweite Schritt bzw. der Polierschritt durchgeführt, d.h. zwischen beiden Schritten findet vorzugsweise keine merkliche Pause statt. Gemäß anderen bevorzugten Ausführungsbeispielen findet eine merkliche Pause zwischen den ersten beiden Schritten statt. Während dieser Pause wird die Ausgangsstellung des Lasers bzw. des Substrates eingestellt. Die Suche nach der Ausgangstellung aller Achsen zueinander wird auch als „Nullphase" bezeichnet. Vorzugsweise finden sich alle Achsen in dem so definierten „Nullpunkt" ein. Danach wird gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel erst der Polierschritt durchgeführt.Step the surface of the substrate to be treated scrubbed. In this case, a preset value for the focus of the laser is preferably adopted. In a second step, preferably with the same focus of the laser as in the first step and with others Parameters of the laser, such as the pulse repetition frequency, the surface of the substrate polished. According to other preferred embodiments, the surface of the substrate is further ground in a third step. The times between the first and second step or between the second and third step may be a few milliseconds to days. In other words, the quality of the smoothed surface is independent of these times. The second step or the polishing step is preferably carried out immediately after the first step or the roughing step, ie, there is preferably no noticeable pause between the two steps. According to other preferred embodiments, there is a noticeable pause between the first two steps. During this pause, the starting position of the laser or the substrate is set. The search for the starting position of all the axes relative to each other is also referred to as "zero phase." Preferably, all the axes are included in the "zero point" defined in this way. Thereafter, according to a preferred embodiment, only the polishing step is performed.
Während des gesamten Vorgangs wird der Laser vorzugsweise kontinuierlich betrieben. Dies bedeutet, dass der Laser die ganze Zeit über angeschaltet bleiben kann und/oder ohne eine Unterbrechung angeschaltet bleibt. Dabei ist der Laser vorzugsweise als gepulster Festkörperlaser ausgestaltet. Der gepulste Festkörperlaser ist vorzugsweise weiter als YAG-Laser oder • als Faserlaser ausgestaltet. Dabei wird der YAG-Laser vorzugsweise blitzlampengepumpt oder diodengepumpt bzw. der Faserlaser vorzugsweise diodengepumpt betrieben und die Pulsierung erfolgt vorzugsweise durch Modenkopplung oder durch Güteschaltung.During the entire process, the laser is preferably operated continuously. This means that the laser can stay on all the time and / or stay on without interruption. The laser is preferably designed as a pulsed solid-state laser. The pulsed solid-state laser is preferably designed further as a YAG laser or as a fiber laser. In this case, the YAG laser is preferably flash lamp pumped or diode pumped or the fiber laser preferably operated diode pumped and the pulsing is preferably carried out by mode coupling or by Q-switching.
In einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung weist der Laser eine Modenblende auf. Vorzugsweise weist die Modenblende eine Öffnung von > 0,35 mm und < 2 mm auf. Dabei ist die Öffnung der Modenblende vorzugsweise poliert.In a further preferred embodiment of the invention, the laser has a mode aperture. Preferably, the mode aperture has an opening of> 0.35 mm and <2 mm. In this case, the opening of the mode aperture is preferably polished.
Vorzugsweise ist das Substrat auf einer Montiereinheit angeordnet. Dabei dient die Montiereinheit zum Halten des Substrats und ist vorzugsweise im Raum bewegbar. Der Laser ist vorzugsweise auf einer Kreuzsupport-Einheit befestigt. Die Kreuzsupport-Einheit wird gemäß der internationalen Organisation für Normung (ISO) auch Kreuztisch oder Verfahrtisch ge- nannt. Die Dreh- bzw. Montiereinheit, die vorzugsweise auf dem Verfahr- bzw. Kreuztisch montiert ist, wird auch als Teilapparat bzw. als Drehachse bezeichnet.Preferably, the substrate is arranged on a mounting unit. The mounting unit serves to hold the substrate and is preferably movable in space. The laser is preferably mounted on a cross-support unit. The cross-support unit is also designed as a cross table or traversing table according to the International Organization for Standardization (ISO). Nannt. The turning or mounting unit, which is preferably mounted on the movement or cross table, is also referred to as a dividing attachment or as a rotation axis.
Durch das erfindungsgemäße Verfahren wird eine optimal geglättete Oberfläche eines Sub- strats gewährleistet. Typischerweise verläuft die geglättete Oberfläche nach Verwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens vollkommen oder nahezu homogen, zudem wird das Material des Substrats so schonend behandelt, dass weder Löcher noch Verschmelzungen auf der Oberfläche entstehen.The inventive method ensures an optimally smoothed surface of a substrate. Typically, after use of the method according to the invention, the smoothed surface is completely or nearly homogeneous, moreover the material of the substrate is treated so gently that neither holes nor fusions on the surface arise.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die Zeichnungen weiter im Detail erläutert.The invention will be explained in more detail below with reference to a preferred embodiment with reference to the drawings.
Fig. 1 zeigt einen Laser, dessen Ausgangsstrahl auf die Oberfläche eines Substrats gerichtet ist, gemäß einem Ausfuhrungsbeispiel der Erfindung; undFig. 1 shows a laser whose output beam is directed to the surface of a substrate, according to an embodiment of the invention; and
Fig. 2 zeigt schematisch die einzelnen Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.Fig. 2 shows schematically the individual steps of the method according to the invention according to an embodiment of the invention.
Wie in Fig. 1 zu erkennen ist, wird der Ausgangsstrahl eines Lasers 4 auf wenigstens einen Teilbereich der Oberfläche 1 eines Substrates 2 gerichtet. Gemäß diesem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung erfolgt das Schruppen bei 5,5 kHz mit 60 % Laserauslastung, d.h. die maximale Ausgangsleistung des Lasers wird nicht eingestellt, sondern ein um 40 % niedrigerer Wert. Die maximale Ausgangsleistung des Lasers beträgt in diesem Ausführungsbeispiel 20 W, so dass ein Wert von 12 W eingestellt wird. Das Substrat 2 ist gemäß diesem Ausführungsbeispiel auf einer Montiereinheit 3 angeordnet, die an einer Wand befestigt ist. Jedoch kann die Montiereinheit 3 gemäß anderen bevorzugten Ausführungsbeispielen der Erfindung auf dem Boden angeordnet sein. Die Montiereinheit 3 zum Halten des Substrats 2 ist gemäß diesem Ausführungsbeispiel in einer Ebene des Raums bewegbar. Der Laser 4 ist gemäß diesem Ausführungsbeispiel auf einer Kreuzsupport-Einheit 5 befestigt. Gemäß diesem bevorzugten Ausfiihrungsbeispiel der Erfindung erfolgt in dem zweiten Schritt das Polieren bei einer Pulswiederholfrequenz des Lasers 4 von 58 kHz. Der eingestellte Wert der Laserausgangsleistung beträgt nunmehr 8 W, d.h. ein um 60 % niedrigerer Wert als die Ausgangsleistung des Lasers 4.As can be seen in FIG. 1, the output beam of a laser 4 is directed onto at least a portion of the surface 1 of a substrate 2. According to this preferred embodiment of the invention, roughing occurs at 5.5 kHz with 60% laser utilization, ie the maximum output power of the laser is not set, but a 40% lower value. The maximum output power of the laser in this embodiment is 20 W, so that a value of 12 W is set. The substrate 2 is arranged according to this embodiment on a mounting unit 3, which is fixed to a wall. However, according to other preferred embodiments of the invention, the mounting unit 3 may be arranged on the floor. The mounting unit 3 for holding the substrate 2 is movable in a plane of the space according to this embodiment. The laser 4 is mounted on a cross-support unit 5 according to this embodiment. According to this preferred embodiment of the invention, in the second step, the polishing takes place at a pulse repetition frequency of the laser 4 of 58 kHz. The set value of the laser output power is now 8 W, ie a 60% lower value than the output power of the laser. 4
Fig. 2 zeigt schematisch die durchgeführten Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung. In einem ersten Schritt 6 wird die Oberfläche 1 des Substrats 2 aus Fig. 1 mit dem Laser 4 geschruppt. Während dieses Schruppschritts 6 wird die Oberfläche 1 des Substrats 2 soweit von Verunreinigungen befreit, dass die Oberfläche 1 nahezu an ihren Endzustand angenähert wird. Gemäß diesem bevorzugten Ausfuhrungsbeispiel umfasst das Material des Substrats 2 Siliziumcarbid. Nach dem Schruppschritt 6 ist die Oberfläche 1 des Substrats 2 relativ rau. In einem nachfolgenden zweiten Schritt 7 erfolgt nunmehr das Polieren mit dem Laser 4, so dass das Material auf der Oberfläche 1 des Substrats 2 gleichmäßig verteilt wird. Gemäß diesem bevorzugten Ausfüh- rungsbeispiel der Erfindung ist nach dem Polierschritt 7 die Oberfläche 1 homogen geglättet. Gemäß diesem bevorzugten Ausfuhrungsbeispiel der Erfindung wird im Schruppschritt 6 und im Polierschritt 7 nur ein Teilbereich der Oberfläche 1 des Substrats 2 vom Laser 4 angefahren, da nur in diesem Teilbereich eine Verunreinigung bzw. eine Unebenheit auf der Oberfläche 1 vorliegt. Der Ausgangsstrahl des Lasers 4 wird damit nur auf diesen Teilbereich gerich- tet. Gemäß einem anderen bevorzugten Ausführungsbeispiel wird die gesamte Oberfläche eines Substrats mit Laserstrahlung bestrahlt. Gemäß wieder einem anderen bevorzugten Ausführungsbeispiel wird nur ein Punkt auf der Substratoberfläche angefahren.Fig. 2 shows schematically the steps performed by the method according to the invention according to a preferred embodiment of the invention. In a first step 6, the surface 1 of the substrate 2 of FIG. 1 is scrubbed with the laser 4. During this roughing step 6, the surface 1 of the substrate 2 is so far freed of impurities that the surface 1 is approached almost to its final state. According to this preferred embodiment, the material of the substrate 2 comprises silicon carbide. After the roughing step 6, the surface 1 of the substrate 2 is relatively rough. In a subsequent second step 7, the polishing with the laser 4 is now carried out, so that the material is evenly distributed on the surface 1 of the substrate 2. According to this preferred embodiment of the invention, after the polishing step 7, the surface 1 is homogeneously smoothed. According to this preferred exemplary embodiment of the invention, only a partial area of the surface 1 of the substrate 2 is approached by the laser 4 in the roughing step 6 and in the polishing step 7, since there is contamination or unevenness on the surface 1 only in this partial area. The output beam of the laser 4 is thus directed only at this subarea. According to another preferred embodiment, the entire surface of a substrate is irradiated with laser radiation. According to yet another preferred embodiment, only one point on the substrate surface is approached.
Im Ergebnis kann damit auf einfache, verlässliche und sichere Weise eine optimal geglättete Oberfläche eines Substrats erzielt werden. Dabei wird die Oberfläche des Substrats so schonend behandelt, dass weder Löcher noch Verschmelzungen entstehen können. Nicht nur bei weichen Materialien sondern auch bei harten bzw. extrem harten Materialien, wie beispielsweise bei Hartmetallen, liefert das Verfahren sehr gute Ergebnisse.As a result, an optimally smoothed surface of a substrate can be achieved in a simple, reliable and secure manner. The surface of the substrate is treated so gently that neither holes nor merging can occur. Not only in soft materials but also in hard or extremely hard materials, such as hard metals, the process gives very good results.
Im genannten Ausführungsbeispiel der Erfindung ist der Laser 4 als diodengepumpter YAG- Laser ausgestaltet. Gemäß anderen bevorzugten Ausfuhrungsbeispielen der Erfindung ist der Laser als Faserlaser ausgestaltet. Allgemein wird ein Laser 4 eingesetzt, der einem gepulsten Festkörperlaser entspricht. Typischerweise werden 30 Laserpulse pro μm Querschnitt für eine einzugravierende Nut in einen Gleitring eingesetzt. Es können aber auch mehr oder weniger Laserpulse eingesetzt werden. Gemäß dem bevorzugten Ausfuhrungsbeispiel der Erfindung weist der YAG-Laser eine sogenannte Modenblende mit einer polierten Öffnung von größer als 0,35 mm auf. Die polierte Öffnung des Lasers beträgt bis zu 2 mm gemäß anderen bevorzugten Ausführungsbeispielen der Erfindung. Es ist bemerkenswert, dass der Laser sehr unempfindlich bezüglich seiner eingestellten Ausgangsleistung reagiert, um eine optimal geglättete Oberfläche bereitzustellen. Wichtig sind hierbei v.a. die anderen Parameter, wie bei- spielsweise die Pulswiederholfrequenz des Lasers, der typischerweise auf einen Wert von 45 kHz oder darüber einzustellen ist. Durch die Homogenität des Verfahrens ist ein Läppen der Oberfläche des Substrats nicht notwendig. In the mentioned embodiment of the invention, the laser 4 is configured as a diode-pumped YAG laser. According to other preferred embodiments of the invention is the Laser designed as a fiber laser. Generally, a laser 4 is used, which corresponds to a pulsed solid-state laser. Typically, 30 laser pulses per μm of cross section are used for a groove to be engraved in a sliding ring. However, it is also possible to use more or fewer laser pulses. According to the preferred embodiment of the invention, the YAG laser on a so-called mode aperture with a polished opening of greater than 0.35 mm. The polished aperture of the laser is up to 2 mm in accordance with other preferred embodiments of the invention. It is noteworthy that the laser responds very insensitive to its adjusted output power to provide an optimally smoothed surface. Especially important here are the other parameters, such as the pulse repetition frequency of the laser, which is typically set to a value of 45 kHz or above. Due to the homogeneity of the process, lapping of the surface of the substrate is not necessary.

Claims

Patentansprüche claims
1. Verfahren zum Glätten der Oberfläche (1) eines Substrates (2), wobei der Ausgangsstrahl eines Lasers (4) auf wenigstens ein Teilbereich der Oberfläche (1) gerichtet wird, und das Glätten der Oberfläche (1) in einem ersten Schritt durch Schruppen und in einem zweiten Schritt durch Polieren erfolgt, wobei das Polieren bei einer Pulswiederholfrequenz des Lasers (4) von > 45 kHz erfolgt.A method of smoothing the surface (1) of a substrate (2), wherein the output beam of a laser (4) is directed to at least a portion of the surface (1), and smoothing the surface (1) in a first step by roughing and in a second step by polishing, wherein the polishing takes place at a pulse repetition frequency of the laser (4) of> 45 kHz.
2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Schruppen bei einer Pulswiederholfrequenz des Lasers (4) von > 4 kHz erfolgt.2. The method of claim 1, wherein the roughing occurs at a pulse repetition frequency of the laser (4) of> 4 kHz.
3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die maximale Ausgangsleistung des Lasers (4) wenigstens 20 W beträgt und die Ausgangsleitung des Lasers (4) reduziert oder erhöht wird.3. The method according to any one of the preceding claims, wherein the maximum output power of the laser (4) is at least 20 W and the output line of the laser (4) is reduced or increased.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Substrat (2) wenigstens ein Material aus Siliziumnitrit, Siliziumcarbid, gehärtetem Stahl und ein Hartmetall um- fasst.4. The method according to any one of the preceding claims, wherein the substrate (2) comprises at least one material of silicon nitride, silicon carbide, hardened steel and a hard metal.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Laser (4) relativ zur Oberfläche (1) des Substrats (2) zeitlich gleichzeitig in alle drei Achsenrichtungen im Raum verfahren wird oder der Laser (4) relativ zur Oberfläche (1) des Substrats (2) zeitlich nacheinander, beginnend mit einer ersten Achsenrichtung und endend mit einer letzten Achsenrich- tung, im Raum verfahren wird.5. The method according to any one of the preceding claims, wherein the laser (4) relative to the surface (1) of the substrate (2) is simultaneously temporally moved in all three axis directions in space or the laser (4) relative to the surface (1) of the substrate (2) is moved in space one after the other, beginning with a first axis direction and ending with a last axis direction.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Laser (4) kontinuierlich betrieben wird.6. The method according to any one of the preceding claims, wherein the laser (4) is operated continuously.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Laser als gepulster Festkörperlaser ausgestaltet ist. 7. The method according to any one of the preceding claims, wherein the laser is designed as a pulsed solid-state laser.
8. Verfahren nach Anspruch 7, wobei der gepulste Festkörperlaser weiter als YAG-Laser oder als Faserlaser ausgestaltet ist.8. The method of claim 7, wherein the pulsed solid-state laser is further configured as a YAG laser or as a fiber laser.
9. Verfahren nach Anspruch 8, wobei der YAG-Laser blitzlampengepumpt oder diodengepumpt ist bzw. der Faserlaser diodengepumpt ist und die Pulsierung durch Moden- kopplung oder durch Güteschaltung erfolgt.9. The method of claim 8, wherein the YAG laser is flash lamp pumped or diode pumped or the fiber laser is diode pumped and the pulsing is done by mode coupling or by Q-switching.
10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Laser (4) eine Modenblende aufweist.10. The method according to any one of the preceding claims, wherein the laser (4) has a mode aperture.
11. Verfahren nach Anspruch 10, wobei die Modenblende eine Öffnung von > 0,35 mm und < 2 mm aufweist.11. The method of claim 10, wherein the mode aperture has an opening of> 0.35 mm and <2 mm.
12. Verfahren nach Anspruch 11, wobei die Öffnung der Modenblende poliert ist. 12. The method of claim 11, wherein the aperture of the mode aperture is polished.
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