EP4297926A1 - System und verfahren für die laserbearbeitung von werkstücken in flüssigkeit - Google Patents

System und verfahren für die laserbearbeitung von werkstücken in flüssigkeit

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Publication number
EP4297926A1
EP4297926A1 EP22708123.9A EP22708123A EP4297926A1 EP 4297926 A1 EP4297926 A1 EP 4297926A1 EP 22708123 A EP22708123 A EP 22708123A EP 4297926 A1 EP4297926 A1 EP 4297926A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
process chamber
flow
workpiece
laser radiation
liquid
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.)
Pending
Application number
EP22708123.9A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Alexander Kanitz
Jan Stefan Hoppius
Jannis Köhler
Alexander Igelmann
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.)
Lidrotec GmbH
Original Assignee
Lidrotec 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 Lidrotec GmbH filed Critical Lidrotec GmbH
Publication of EP4297926A1 publication Critical patent/EP4297926A1/de
Pending legal-status Critical Current

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    • B23K26/146—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring using a fluid stream, e.g. a jet of gas, in conjunction with the laser beam; Nozzles therefor the fluid stream containing a liquid

Definitions

  • the present invention relates to a system for the laser processing of workpieces in liquid and a corresponding method.
  • laser processing methods are often divided into material-removing and -applying methods (also referred to as “ablative methods” and “additive methods”).
  • Laser processing methods that remove material include, in particular, laser cutting and laser drilling.
  • Material-depositing laser processing methods include selective laser melting (also known as selective laser melting or SLM) and laser metal deposition (also known as laser metal deposition or LMD).
  • SLM selective laser melting
  • LMD laser metal deposition
  • the present invention relates to material-removing laser processing and in particular to laser cutting.
  • the laser radiation used is usually focused onto the workpiece to be processed by means of a focusing unit.
  • the focused radiation heats the workpiece locally so that the material at the irradiated area of the workpiece melts or vaporizes directly using suitable process parameters.
  • the movement of the laser beam along the surface of the workpiece can result in either a modification of the surface of the workpiece or a cutting edge.
  • the relative movement of the focused laser radiation along the workpiece surface is typically carried out using a laser scanner that is designed to deflect the laser radiation.
  • a process chamber can be used for laser processing in liquid, which chamber is provided to accommodate the workpiece and the liquid.
  • the present invention proposes a system for material-removing laser machining of workpieces in liquid, in particular for laser cutting of workpieces in liquid, with a laser beam source for generating pulsed laser radiation; a focusing unit for focusing the laser radiation on a workpiece; a process chamber for receiving a workpiece, the process chamber having the following: a first side with a transparent process window for passing the laser radiation; a second side located opposite the first side; a chamber wall surrounding an interior of the process chamber; and a flow generator for generating a flow within the interior of the process chamber, the flow generator having a first flow generator unit for generating a first flow along a first flow axis and a second flow generator unit for generating a second flow along a second flow axis; and a positioning unit for adjusting the position of the laser radiation on the workpiece.
  • the present invention allows the particles and cavitation bubbles that occur during the laser processing of workpieces to be effectively removed from the interior of the process chamber, thereby significantly reducing any disruptive effects that arise during processing.
  • the present invention allows a permanent exchange of the liquid within the process chamber, as a result of which the cooling of the machined workpiece is improved.
  • the present invention allows the flow direction within the process chamber to be adjusted. This is particularly advantageous because the variable direction of flow within the process chamber allows the direction of flow to be specifically adapted to the direction of movement of the laser radiation. Experimental investigations have shown that the quality of the cut edges can be significantly improved if the direction of flow is adjusted in such a way that it is orthogonal to the direction of movement of the laser radiation (also referred to as the "writing direction").
  • Ultrashort pulses in particular can be used for the laser radiation used.
  • the focusing unit is arranged between the laser beam source and the process chamber. This is designed in such a way that it allows the laser radiation to be focused on the workpiece surface.
  • the process window can in particular be made of glass. It can be provided that relatively thin glass is used in order to avoid the interactions that occur between the pulsed laser radiation and the process window to keep as low as possible.
  • the positioning unit can either be designed to vary the alignment of the laser radiation and thus the absolute position of the generated laser spot, or to change the absolute position of the workpiece.
  • the chamber wall it can be provided that it surrounds the interior of the process chamber in a rectangular or circular manner.
  • the chamber wall can in particular be made of metal.
  • the flow generator unit can in particular be set up to introduce a liquid into the interior of the process chamber or to lead a liquid out of the interior of the process chamber.
  • first and the second flow axis it is provided in particular that they together form an angle that is not equal to zero. Provision can also be made for the flow generator to have more than two flow generator units, which are preferably arranged at equal distances along the wall of the chamber.
  • a total of four flow generator units are provided, which are arranged around the interior of the process chamber and which are designed to generate flows in four directions.
  • the chamber wall surrounds the interior of the process chamber in a circle and that the process chamber has four, six, eight or twelve flow generator units that are arranged in a circle around the interior and are designed to flow along a first To generate a flow axis, a second flow axis, a third flow axis and a fourth flow axis Strö, with adjacent flow axes forming an angle of 90°, 60°, 45° or 30°.
  • each flow generator unit can have a separate pump which is provided for feeding liquid into the process chamber or for feeding liquid out of the process chamber.
  • the first flow axis and the second flow axis together form an angle of 80° to 100°, preferably between 85° and 95° and particularly preferably 90°.
  • the direction of flow can be adjusted either manually or automatically.
  • a user can adjust, using a control unit, how the current flow direction must be adjusted in order to provide a flow that is laid out substantially orthogonal to the writing direction.
  • the direction of flow can be set automatically.
  • the direction of writing is automatically recognized or defined and the direction of flow is set as a function of the direction of writing.
  • the parameters of the writing process are defined in advance.
  • the write path along which the laser radiation moves and a flow behavior adapted to the write path can be defined before the start of the writing process. Even if experimental investigations show that an orthogonal orientation of the flow direction to the writing direction is preferred, a nearly orthogonal orientation can nevertheless provide better results than if, for example, the flow of the liquid and the writing direction are in the same direction.
  • the first flow generator unit and the second flow generator unit have a suction pump and/or a pressure pump.
  • the liquid can be guided into the interior of the process chamber or out of it.
  • the flow generator unit can also have a liquid inlet channel and/or a liquid outlet channel.
  • the corresponding channels can be designed in such a way that each flow generator unit is designed to generate a flow in one direction.
  • the liquid channels can, for example, have a round cross section or else a slit-shaped cross section.
  • the first flow generator unit or the second flow generator unit has both a suction pump and a pressure pump, with the suction pump being arranged on a side of the interior of the process chamber opposite the pressure pump and being designed in particular to pump liquid out of the interior of the process chamber at the same speed as it is fed in with the pressure pump.
  • the suction pump being arranged on a side of the interior of the process chamber opposite the pressure pump and being designed in particular to pump liquid out of the interior of the process chamber at the same speed as it is fed in with the pressure pump.
  • the second side of the process chamber is designed to be open.
  • the second side of the process chamber is not closed off on its second side by a chamber wall or by a chamber floor.
  • This embodiment of the process chamber is particularly advantageous when relatively large workpieces are to be processed.
  • the size of the workpieces to be processed is limited by the interior of the process chamber. Due to the open design of the process chamber, the workpiece itself forms a chamber wall adjoining the interior of the process chamber, whereby the workpiece can also be moved several decimeters or even several meters, so that particularly large workpieces can be processed due to the structural design of the process chamber be able.
  • the process chamber can be kept relatively small as a result of this structural configuration, as a result of which the necessary liquid consumption is significantly reduced.
  • relatively thick process windows are also not required, as are usually necessary in the case of large process chambers. This has the additional advantage that the interaction between the pulsed laser radiation and the process window (especially the absorption and scattering of the Laser radiation) is reduced and thus any interference effects are also reduced.
  • the process chamber has a closure flap which is arranged on the second side and is designed to convert the process chamber from an open state into a closed state.
  • the closure flap can be connected to the process chamber via a hinge, for example.
  • the closing flap can be pivotably connected to the chamber wall, so that the second side of the chamber can be easily and flexibly converted into an open or closed state.
  • the process chamber according to the invention allows flexible adaptation to the specific application. In this way, the process chamber is suitable for both small and large workpieces.
  • the closure flap can be moved translationally between an open and a closed position by a sliding mechanism.
  • the closure flap can also have a sealing element that serves to seal the interior of the process chamber.
  • the sealing element can be designed as an O-ring, for example.
  • the closure flap is designed in the form of a circular disk and the sealing element as an O-ring, with the O-ring being fastened closure flap centrally on a surface of the closure.
  • the second side of the process chamber is designed to be closed.
  • the ge closed embodiment of the chamber can be advantageous when small workpieces are to be processed.
  • the workpieces can easily be attached to the process chamber floor.
  • An additional bracket is then not absolutely necessary.
  • the relative movement of the focused laser beam takes place by deflecting the beam using a laser scanner.
  • water consumption can be reduced by using a closed process chamber, since the closed Embodiment of the process chamber, the amount of liquid flowing out of the chamber can be controlled more easily.
  • the positioning unit for setting the position of the laser radiation on the workpiece has a laser scanner for deflecting the laser radiation and/or a positioning table for positioning the workpiece, the positioning table being used in particular for this purpose is designed to position the workpiece in a plane that extends radially to the laser beam axis and additionally in a direction that runs axially to the laser beam axis.
  • the positioning table can be designed to position the workpiece in a horizontal plane and additionally in a vertical direction.
  • the advantage of using a positioning table is that it also allows the workpiece to be positioned in a direction that runs axially to the laser beam axis. This makes it possible, for example, to set the focal point or the beam waist on the workpiece.
  • the effective beam diameter on the workpiece can also be adjusted and the radiation flux density on the workpiece can be varied.
  • the focusing unit has a focusing lens, a microscope objective and/or a concave mirror.
  • the focal length of the focusing unit can be selected so that the laser radiation is focused on the desired beam diameter.
  • the focusing unit can be positioned in such a way that the workpiece surface to be machined is at the focal point of the focusing unit.
  • the gas supply device makes it possible for the workpiece or the workpiece surface to be machined to be filled with liquid beforehand or afterwards before the process chamber is filled is cleaned with a gas. In this way, particles located on the workpiece surface can advantageously be removed before the start of the laser machining process, before the chamber is filled with the liquid or the sample is dried from liquid after the process.
  • the laser beam source is designed to generate pulsed laser radiation with a pulse duration of 10 fs to 300 ps, preferably from 100 fs to 200 ps.
  • a laser power of 0.2 to 300 W, a repetition rate of 10 kHz to 80 MHz, a wavelength of 258 nm, 266 nm, 344 nm, 355 nm, 515 nm, 532 nm , 1,030 nm or 1,064 nm and a writing speed of 0.5 mm/s to 20,000 mm/s is used.
  • a spatial light modulator or a diffractive optical element can also be provided, the spatial light modulator or the diffractive optical element being designed to provide a plurality of laser beams for parallel laser processing of the workpiece.
  • the spatial light modulator can use a reflective or a transmissive spatial light modulator.
  • the spatial light modulator or the diffractive optical element is arranged between the laser beam source and the process chamber.
  • a camera system can be provided which is designed to take pictures of the interior of the process chamber. It can be provided that the camera takes pictures through the process window. This allows the current writing direction of the laser radiation to be recognized. This can be done, for example, by recognizing the laser beam focus on the surface or by detecting the point on the surface of the workpiece at which a cloud of particles is generated. The ones in the processing The resulting cloud of particles can usually be seen with the naked eye and can be reliably detected by a camera.
  • the camera system comprises two cameras, which are arranged at two different positions around the interior of the process chamber.
  • the two cameras allow recordings in two directions, with the recording directions being aligned orthogonally to one another.
  • the cameras can independently detect the position of the laser radiation in one direction.
  • the writing speed can then be determined by evaluating the camera recordings.
  • the flow direction can then be set depending on the detected writing direction. In particular, the flow direction can be set orthogonally to the writing direction.
  • the process chamber is designed to provide an operating pressure of 1 to 6 bar, in particular 3 to 4 bar.
  • the present invention proposes a process chamber for accommodating a workpiece for laser processing in liquid, the process chamber having the following: a first side with a transparent process window for letting the laser radiation through; a second side located opposite the first side; a chamber wall surrounding an interior of the process chamber; and a flow generator for generating a flow within the interior of the process chamber, the flow generator having a first flow generator unit for generating a first flow along a first flow axis and a second flow generator unit for generating a second flow along a second flow axis.
  • a system for the material-removing laser processing of work pieces in liquid, in particular for the laser cutting of workpieces in liquid proposed with a laser beam source for generating pulsed laser radiation; a focusing unit for focusing the laser radiation on a workpiece; a process chamber for receiving a workpiece, the process chamber having the following: a first side with a transparent process window for passing the laser radiation; a second side disposed opposite the first side, with the second side being open; and a chamber wall surrounding an interior of the process chamber; and a positioning unit for adjusting the position of the laser radiation on the workpiece.
  • the method can additionally provide for the chamber to be flooded with gas after the workpiece has been machined.
  • the method according to the invention allows an efficient removal of micro- and nanoparticles as well as cavitation bubbles and persistent gas bubbles that arise during the machining process.
  • the particles and bubbles mentioned are efficiently removed from the interior of the process chamber, so that the disruptive effects resulting from the interaction of the laser radiation with the particles and the bubbles are significantly reduced.
  • the method according to the invention allows more efficient cooling of the workpiece during laser processing.
  • the setting of the direction of flow includes the provision of a direction of flow that is aligned orthogonally to the relative direction of movement of the laser radiation on the workpiece surface.
  • Experimental tests have shown that a flow direction orthogonal to the relative direction of movement of the laser radiation leads to improved quality in laser processing.
  • the intensity of the flow generated is additionally adjusted as a function of the process parameters.
  • the intensity of the flow can be increased when a relatively high laser power is set, while the intensity of the flow can be reduced when a relatively low laser power is set.
  • the intensity of the flow can be reduced in the case of a relatively high writing speed.
  • the flow intensity is reduced when a relatively low writing speed is set.
  • the relative movement of the focused laser radiation along the surface of the workpiece takes place at a speed of 0.6 to 1.4 mm/s, in particular 0.8 to 1.2 mm/s and particularly preferably 1 mm/s.
  • the cut quality was examined as a function of the writing speed. It was shown that particularly good cutting edges could be achieved in a certain writing speed range.
  • the quality of a cut can be evaluated, for example, by the aspect ratio, i.e. the ratio between the depth of the cut and the width of the cut. The higher the aspect ratio, the better the cut quality.
  • a laser pulse duration of 350 fs, a repetition rate of 200 kHz, a wavelength of 1,030 nm, an average power of 360 mW, an F-Theta lens with a focal length of 70 mm, a beam diameter in the focus of 10 pm and a flow rate of 1.5 m/s is used.
  • the flow rate is 1 to 10 m/s, in particular 4 to 6 m/s and particularly preferably 5 m/s. According to a further alternative embodiment, it can be provided that the flow rate is 2 to 3 m/s. Furthermore, according to a further exemplary embodiment of the method according to the invention, the following steps can be provided:
  • a control unit can additionally be provided, which receives image signals from the camera system and evaluates these image signals.
  • the position of the laser radiation on the workpiece surface can be determined from the individual image signals.
  • the direction of movement of the laser radiation can thus be determined by evaluating the image signals.
  • the flow direction can be adjusted.
  • the control unit can be designed, for example, as a microcontroller, which receives the image signals at an input and provides control signals for controlling the individual flow generator units at an output.
  • the microcontroller can also be designed to provide the process parameters for the writing process and thereby control the writing process.
  • FIG 2 shows an embodiment of a laser processing system according to the present invention.
  • FIG. 3 shows a plan view of an embodiment of the process chamber according to the invention
  • FIG. 4 shows a side view of an embodiment of the process chamber according to the invention
  • FIG. 5 shows a plan view of the process chamber shown in FIG. 4 in a first operating mode
  • FIG. 6 shows a plan view of the process chamber shown in FIG. 4 in a second operating mode
  • FIG. 8 shows a flowchart for the method according to the invention.
  • the system 10 has a laser beam source 12 which is designed in particular to generate pulsed laser radiation 14 .
  • the laser radiation 14 generated is redirected via a positioning unit 16 .
  • the positioning unit 16 is designed as a laser scanner and is intended to position the focused laser radiation 14 on the surface of the workpiece.
  • the deflected laser radiation 14 is directed onto a focusing unit 18 .
  • the focusing unit 18 is designed as a converging lens in the exemplary embodiment shown. Alternatively, the focusing unit 18 can also be designed as a microscope objective or a concave mirror.
  • the focusing unit 18 focuses the laser radiation 14 into a process chamber 20.
  • the process chamber 20 has an interior space 20a which is designed to accommodate the workpiece 22.
  • the interior 20a of the process chamber 20 is filled with a liquid.
  • a liquid can be water or other liquids. In particular, water can be used here.
  • the laser radiation 14 is focused onto a surface 22a of the workpiece 22 by the focusing unit 18 .
  • the workpiece surface 22a heats up to temperatures of up to >1,000° C., as a result of which part of the workpiece material can evaporate.
  • the evaporated material is cooled by the liquid, nanoparticles and microparticles being able to form, which can be seen as a particle cloud 31 in the liquid.
  • this particle cloud 31 affects the Spread of the focused laser radiation 14.
  • the unwanted interaction of the laser radiation 14 with the particle cloud 31 typically degrades the quality of a laser cut.
  • the process chamber 20 is usually designed in such a way that it has a first side 24 and a second side 26 arranged opposite the first side 24.
  • a process window 28 is embedded on the first side 24 of the process chamber 20, so that the laser radiation 14 can enter the interior of the Process chamber 20 can be performed.
  • the second side 26 of the process chamber 20 is closed so that no liquid can escape from the interior 20a of the process chamber 20 .
  • the interior 20a of the process chamber 20 is surrounded by a chamber wall 30 .
  • the disadvantage of the systems 10 known from the prior art for the laser processing of workpieces 22 in liquid can be seen in particular in the fact that the particle cloud 31 produced during the processing of the workpiece 22 can negatively influence the laser processing process.
  • Another disadvantage of the previously known systems 10 for laser processing in liquid speed can be seen in the fact that the size of the work pieces 22 that can be processed is limited by the dimensions of the process chamber 20 . As a result, it is often not possible in practice to process larger workpieces or larger surfaces. If workpieces 22 of different sizes are to be processed, it is therefore often necessary to provide process chambers of different dimensions, which, however, increases the effort and costs for processing the workpieces 22 .
  • the laser processing system 10 Similar to the system 10 described in Fig. 1, the laser processing system 10 according to the invention also includes a laser beam source 12 for generating pulsed laser radiation 14, which is directed via a positioning unit 16 onto a focusing unit 18, with the focusing unit 18 focusing the laser radiation 14 in a process chamber 20 focuses.
  • a workpiece 22 In the interior 20a of the process chamber 20, a workpiece 22 is arranged, wherein the Focusing unit 18 is selected and set up so that the laser radiation 14 is focused on the surface 22a of the workpiece 22.
  • the process chamber 20 has a first side 24 , a process window 28 being arranged on the first side 24 of the process chamber 20 , which allows the laser radiation 14 to be guided into the interior 20a of the process chamber 20 .
  • the second side 26 of the process chamber 20 is designed to be open, in contrast to the system 10 described in FIG. 10 . Compared to a closed design of the second side 26 of the process chamber 20, this has the advantage that the open construction of the chamber 20 allows workpieces of any size to be processed. Because of the open design of the process chamber 20, the workpiece 22 or a positioning table 40 on which the workpiece 22 is arranged can form the bottom of the process chamber 20 and close off the interior space 20a of the chamber 20. As a result, the process chamber 20 shown in FIG. 2 advantageously allows the processing of workpieces 22 that are significantly larger than the interior space 20a of the process chamber 20.
  • a chamber wall 30 surrounds the interior 20a of the process chamber 20.
  • the process chamber 20 also has a flow generator unit 32.
  • the flow generator unit 32 includes a pressure pump (not shown in FIG. 2 ) and a liquid inlet channel 34 .
  • the liquid inlet channel 34 is formed in the chamber wall 30 .
  • the flow generator unit has a suction pump (also not shown in FIG. 2 ) and a liquid outlet channel 36 which is arranged on a side of the interior space 20a of the chamber 20 opposite the liquid inlet channel 34 .
  • the flow generator unit 32 is set up to generate a flow along a flow axis.
  • the flow axis corresponds to the x-axis shown in FIG.
  • the particle cloud 31 that is formed during the processing of the workpiece surface 22a can be effectively transported away from the interior 20a of the process chamber 20 by the generated flow. As a result, the disruptive effects during laser processing caused by the particle cloud 31 caused, avoided or at least greatly reduced.
  • the flow generator unit 32 may be configured such that liquid is introduced into the process chamber 20 whenever a particle cloud 31 is formed. By using a pressure pump and a suction pump, the liquid that is introduced into the interior space 20a of the process chamber 20 can be guided out of the process chamber 20 on the opposite side at the same time, whereby a more even flow in the interior space 20a of the process chamber 20 can be set can. Alternatively, it can also be provided that the flow generator unit only has a pressure pump or only a suction pump.
  • the embodiment shown here additionally has a gas inlet 38 which is set up to introduce a gas into the interior 20a of the process chamber 20 .
  • the gas can be introduced into the inner space 20a at high pressure.
  • the gas inlet 38 can also advantageously serve to dry the machined workpiece after the machining is complete.
  • one or more gas outlets can be provided in the process chamber 20 .
  • the positioning unit 16 is designed as a laser scanner, which is set up to position the laser beam on the surface 22a of the workpiece 22 in the x/y plane
  • a positioning table 40 may be provided which is configured to position the workpiece 22 in particular along the z-axis. This makes it possible, on the one hand, to set the focal position of the laser radiation 14 and, on the other hand, to define the distance between the process chamber 20 and the positioning table 40 . As a result, it can be set whether and how much liquid can escape from the process chamber 20 on the second side 26 .
  • the distance between the process chamber 20 and the positioning table 40 is increased and that the flow generator unit 32 injects the liquid at a relatively high pressure into the interior space 20a of the process chamber 20 leads into it, so that a large amount of liquid can be led into the process chamber 20 and also out again in a timely manner.
  • the flow generator unit 32 injects the liquid at a relatively high pressure into the interior space 20a of the process chamber 20 leads into it, so that a large amount of liquid can be led into the process chamber 20 and also out again in a timely manner.
  • FIG. 3 shows a plan view of the process chamber 20 shown in FIG. 2 .
  • the liquid inlet channels 34 and the liquid outlet channels 36 are shown in this figure.
  • a total of six flow generator units are provided in the embodiment of the process chamber 20 according to the invention shown here, which are set up to generate flows within the process chamber along six flow axes.
  • the flow axes form an angle of 60° with each other.
  • the liquid inlet channels 34 and liquid outlet channels 36 are each formed in the annular chamber wall 30 and arranged in a circle around the inner space 20a of the process chamber 20 .
  • the adjustability of the flow in six different directions makes it possible to adjust the direction of flow of the liquid depending on the direction of writing, thereby ensuring a particularly efficient transport of the particle cloud 31 and any cavitation bubbles.
  • the focusing unit 18 is designed as a focusing lens that can be positioned along the z-axis. In this way it is possible to position the focal position of the laser radiation 14 . This enables adjustment of the beam diameter on the workpiece surface 22a.
  • the process chamber 20 can be positioned along the z-axis. This makes it possible to adjust the position between the process chamber 20 and the positioning table 40, so that in this way it is possible to regulate how much liquid can escape on the second side 26 of the process chamber 20.
  • FIG. 5 shows a plan view of the process chamber 20 shown in FIG. 4 in a first operating mode.
  • the focus of the laser radiation 14 is moved along the positive x-axis.
  • the flow generator unit is operated in such a way that a liquid flow is generated in the direction of the positive y-axis.
  • the flow generator can generate a plurality of liquid flows in order to generate a flow in the direction of the y-axis, which are provided by a total of three pumps and three liquid inlet channels 34 .
  • liquid outlet channels 36 are provided, which lead the liquid out of the inner space 20a of the process chamber 20 with the aid of a suction pump. In this way, a liquid flow arises in the inner space 20a of the chamber 20, which is aligned orthogonally to the writing direction.
  • the process chamber 20 shown in FIG. 5 makes it clear that liquid flows can be generated in different directions in a simple manner, so that a liquid flow direction that is optimal for the respective processing or writing direction can be set.
  • FIG. 6 shows a further top view of the process chamber 20 shown in FIG. It can be seen that in the writing mode shown here, the focused laser radiation 14 is moved diagonally along the surface of the workpiece. In this writing mode, the flow direction is adjusted in that three pressure pumps are now controlled, so that liquid flows through three liquid inlet channels 34 into the interior 20a of the process chamber 20 in a flow direction that is oriented essentially orthogonally to the writing direction. In addition three suction pumps are activated, so that liquid is discharged from the interior 20a of the process chamber 20 in the three liquid outlet channels 36 which lie opposite the active liquid inlet channels 34 . In this way, a homogeneous flow is generated in the interior 20a of the process chamber 20, which is orthogonal to the writing direction of the laser radiation. As has been shown in experimental tests, the processing quality, in particular the cutting quality, can be improved if a liquid flow direction in the interior space 20a of the process chamber 20 is set which is orthogonal to the writing direction.
  • the flow generator has only two flow generator units, which are designed for generating a flow in a first direction and for generating a flow in a second direction.
  • a first flow generator unit is provided in the process chamber 20, which is designed to generate a liquid flow in the direction of the positive x-axis and a second flow generator unit, which is designed to generate a liquid flow in the direction of the positive y-axis.
  • axis is provided. In this way, a flow can be set in the interior space 20a of the process chamber 20, which can be set orthogonally or as far as possible orthogonally to the current writing direction.
  • a liquid flow in the y-axis direction can be generated. If the laser radiation is moved in the direction of the y-axis, a flow in the direction of the x-axis can be generated. If, on the other hand, the laser radiation is moved along an axis that forms an angle of ⁇ 45° to the x-axis, a flow in the direction of the y-axis can be generated. If, on the other hand, the laser radiation is moved along an axis that forms an angle of ⁇ 45° to the y-axis, a flow in the direction of the x-axis can be generated.
  • FIG. 7 different embodiments of the process chamber 20 according to the invention are shown in FIG. 7 .
  • the process chamber 20 is set in such a way that a relatively large amount of liquid can flow out on the second side 26 of the process chamber 20 . This can be done, for example, by adjusting the position of the process chamber 20 along the z-axis or by adjusting the positioning table 40 along the z-axis. The relative distance between the open process chamber 20 on the second side 26 and the positioning table 40 determines how much liquid can escape on the second side 26 .
  • a relatively large distance between the process chamber 20 and the positioning table 40 can be advantageous if a particularly large amount of liquid is to flow through the process chamber 20 . This can be the case in particular if a relatively high quantity of particles is expected to be generated during the laser machining process.
  • FIG. 7(b) shows a further exemplary embodiment, in which the distance between the process chamber 20 and the positioning table 40 is set such that relatively little liquid can escape on the second side 26 of the process chamber 20. This can be advantageous in particular when it is to be expected that even small flow quantities will be sufficient to transport away the particles and any cavitation bubbles produced in the interior 20a of the process chamber 20 .
  • the in Figs. 7(a) and (b) illustrate that the process chamber 20, which is open on the second side 26, offers the advantage over the prior art that workpieces of any size can be processed using one and the same process chamber 20.
  • this process chamber 20 can also be used to process workpieces that have dimensions of several 10 cm or larger than 1 m.
  • FIG. 7(c) Another exemplary embodiment of the process chamber 20 according to the invention is shown in FIG. 7(c).
  • a sealing element 42 is also provided, which prevents the liquid from escaping on the second side 26 of the process chamber 20 . This can be achieved that the consumption of liquid during the laser processing process is kept to a minimum.
  • the sealed process chamber 20 allows for simplified control over how much liquid is being drained out of the chamber 20 .
  • the process chamber 20 has additional cover elements 44 on its second side 26, which in this exemplary embodiment are designed as cover plates.
  • the covering elements 44 serve to cover the workpiece 22 in such a way that only the part of the workpiece to be machined is exposed.
  • this has the advantage that the workpiece 22 only comes into contact with liquid at the points that are actually exposed to the laser radiation 14 during the machining process. This is particularly advantageous when using workpieces that show an undesirable interaction with the liquid used.
  • Another advantage of using the cover elements 44 is that less liquid is required than in the embodiment shown in FIG. 7(c).
  • FIG. 8 shows an exemplary embodiment of the method 100 according to the invention for the laser processing of workpieces in liquid.
  • a workpiece is provided in an interior of a process chamber 20 in a first step 110 .
  • the process chamber 20 can be designed, for example, according to the exemplary embodiments shown in FIG.
  • a second step 120 the interior of the process chamber is filled with a liquid. This can be water or else other liquids.
  • pulsed laser radiation is focused on a surface of the workpiece using a focusing unit.
  • step 140 a relative movement of the focused laser radiation is generated on the surface of the workpiece, a positioning unit being used for this purpose.
  • the positioning unit can either be designed to change the absolute position of the laser radiation or also to vary the absolute position of the workpiece.
  • a liquid flow is generated within the interior of the process chamber using a flow generator becomes.
  • the flow generator can in particular have a first and a second flow generator unit, which are each designed to generate a flow in a first direction and in a second direction.
  • the flow direction of the liquid flow is adjusted as a function of the relative direction of movement of the focused laser radiation on the surface of the workpiece.
  • a direction of flow that is orthogonal to the relative direction of movement of the laser radiation on the workpiece surface can be set. This enables efficient removal of the particles and cavitation bubbles generated in the interior of the chamber, which significantly reduces the disruptive effects during laser processing and thus improves the cutting quality achieved.
  • liquid flow can first be generated within the interior of the process chamber and only then can the pulsed laser radiation be focused on a surface of the workpiece.
  • the present invention is explained in particular in connection with a laser cutting process, it is obvious to the person skilled in the art that the invention can also be used in other laser machining processes.
  • the present invention is also used in the laser structuring of surfaces in liquid using pulsed laser radiation.
  • the present invention also has the following aspects:
  • System for the laser processing of workpieces in liquid with a laser beam source for generating pulsed laser radiation; a focusing unit for focusing the laser radiation onto a workpiece; a process chamber for receiving a workpiece, the process chamber having: a first side with a transparent process window for transmitting the laser radiation; a second side located opposite the first side; a chamber wall surrounding an interior of the process chamber; and a flow generator for generating a flow within the interior of the process chamber, the flow generator having a first flow generator unit for generating a first flow along a first flow axis and a second flow generator unit for generating a second flow along a second flow axis; as well as a positioning unit for adjusting the position of the laser radiation on the workpiece.
  • System characterized in that the first flow axis and the second flow axis together form an angle of 80° to 100°, preferably between 85° and 95° and particularly preferably 90°.
  • System according to aspect 1 or 2 characterized in that the first flow generator unit or the second flow generator unit comprises a suction pump and/or a pressure pump.
  • the first flow generator unit or the second flow generator unit has a suction pump and a pressure pump, the suction pump being arranged on a side of the interior of the process chamber opposite the pressure pump and being designed in particular to pump out liquid carry out the interior of the process chamber at the same speed as this is performed with the pressure pump. 5.
  • System according to any one of the preceding aspects, characterized in that the second side of the process chamber is designed to be open.
  • System according to aspect 5 characterized in that the process chamber has a closure flap arranged on the second side, which is designed to convert the process chamber from an open state to a closed state.
  • the positioning unit for setting the position of the laser radiation on the workpiece has a laser scanner for deflecting the laser radiation and/or a positioning table for positioning the workpiece, the positioning table being designed in particular for this purpose is to position the workpiece in a horizontal plane and additionally in a vertical direction.
  • the focusing unit has a focusing lens, a microscope objective and/or a concave mirror.
  • the laser beam source is designed to generate pulsed laser radiation with a pulse duration of 10 fs to 300 ps, preferably from 100 fs to 200 ps.
  • System according to one of the preceding aspects characterized by a spatial light modulator or a diffractive optical element, wherein the spatial light modulator or the diffractive optical element is designed to provide multiple laser beams for parallel laser processing of a workpiece.
  • System according to one of the preceding aspects characterized by a camera system that is designed to take pictures of the interior of the process chamber. Process for the laser processing of workpieces in liquid, the process having the following steps:
  • adjusting the flow direction comprises adjusting a flow direction orthogonal to the relative direction of movement of the laser radiation on the workpiece surface.
  • Method according to one of aspects 14 to 16 characterized in that the flow rate is 1 to 10 m/s, in particular 4 to 6 m/s and particularly preferably 5 m/s.

Landscapes

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Abstract

Das System (10) für die materialabtragende Laserbearbeitung von Werkstücken (22) in Flüssigkeit ist versehen mit - einer Laserstrahlquelle (12) zur Erzeugung gepulster Laserstrahlung (14); - einer Fokussiereinheit (18) zur Fokussierung der Laserstrahlung (14) auf ein Werkstück (22); - einer Prozesskammer (20) zur Aufnahme eines Werkstückes (22), wobei die Prozesskammer (20) Folgendes aufweist: - eine erste Seite (24) mit einem transparenten Prozessfenster (28) zum Durchlassen der Laserstrahlung (14); - eine zweite Seite (26), die gegenüber der ersten Seite (24) angeordnet ist; - eine Kammerwand (30), die einen Innenraum (20a) der Prozesskammer (20) umgibt; und - einen Strömungsgenerator zur Erzeugung einer Strömung innerhalb des Innenraumes (20a) der Prozesskammer (20), wobei der Strömungsgenerator eine erste Strömungsgeneratoreinheit (32) zur Erzeugung einer ersten Strömung entlang einer ersten Strömungsachse und eine zweite Strömungsgeneratoreinheit (32) zur Erzeugung einer zweiten Strömung entlang einer zweiten Strömungsachse aufweist; sowie - einer Positioniereinheit (16) zur Einstellung der Position der Laserstrahlung (14) auf dem Werkstück (22).

Description

System und Verfahren für die
Laserbearbeituna von Werkstücken in Flüssiakeit
Die vorliegende Erfindung betrifft ein System für die Laserbearbeitung von Werkstücken in Flüssigkeit sowie ein entsprechendes Verfahren.
Laserbearbeitungssysteme sind in diversen Ausführungsformen aus dem Stand der Technik bekannt. Dabei werden die Laserbearbeitungsverfahren oft in ma terialabtragende und -auftragende Verfahren (im Englischen auch als "ablative methods" und "additive methods" bezeichnet) eingeteilt. Zu den materialabtra genden Laserbearbeitungsverfahren gehören insbesondere das Laserschneiden und das Laserbohren. Zu den materialauftragenden Laserbearbeitungsverfahren gehören unter anderem das selektive Laserschmelzen (auch als Selective Laser Melting oder SLM bezeichnet) und das Laserauftragsschweißen (auch als Laser Metal Deposition oder LMD bezeichnet). Die vorliegende Erfindung betrifft die materialabtragende Laserbearbeitung und insbesondere das Laserschneiden.
Bei der Laserbearbeitung von Werkstücken wird die eingesetzte Laserstrahlung üblicherweise mittels einer Fokussiereinheit auf das zu bearbeitende Werkstück fokussiert. Die fokussierte Strahlung erhitzt das Werkstück lokal, so dass Mate rial an der bestrahlten Stelle des Werkstückes unter Verwendung geeigneter Prozessparameter aufschmilzt oder direkt verdampft. Durch die Bewegung der Laserstrahlung entlang der Werkstückoberfläche kann dadurch entweder eine Modifikation der Werkstückoberfläche oder eine Schnittkante erzeugt werden. Die relative Bewegung der fokussierten Laserstrahlung entlang der Werkstück oberfläche erfolgt dabei typischerweise durch den Einsatz eines Laser-Scanners, der dazu ausgelegt ist, die Laserstrahlung umzulenken. Alternativ hierzu kann es vorgesehen sein, dass die absolute Ausrichtung der fokussierten Laserstrah lung konstant bleibt und stattdessen das Werkstück unter Verwendung eines Positioniertisches verfahren wird.
Ferner ist es aus dem Stand der Technik bekannt, zur Verbesserung des vorste hend beschriebenen Prozesses den Laserbearbeitungsprozess in Flüssigkeit durchzuführen. Dies hat insbesondere den Vorteil, dass das Werkstück unmittelbar durch die eingesetzte Flüssigkeit gekühlt wird, wodurch einerseits unerwünschte thermische Effekte vermieden oder zumindest reduziert werden und andererseits abgetragenes Material nicht wieder auf die Oberfläche gelangt. Dadurch kann insbesondere eine bessere Schneid- und Oberflächenqualität er reicht werden. Für die Laserbearbeitung in Flüssigkeit kann beispielsweise eine Prozesskammer verwendet werden, die zur Aufnahme des Werkstückes sowie der Flüssigkeit vorgesehen ist.
Ein Problem bei der beschriebenen Laserbearbeitung in Flüssigkeit ist jedoch, dass bei der Bearbeitung des Werkstückes durch den Abtragprozess Mikro- und Nanopartikel entstehen, welche den Strahlengang in unerwünschter Weise be einflussen. Die fokussierte Laserstrahlung wird an den erzeugten Partikeln ge streut, wodurch das Strahlenprofil auf der Werkstückoberfläche von dem ge wünschten Profil abweicht. Zudem bilden sich bei der Prozessierung häufig Ka vitationsblasen, die zu zusätzlichen Störeffekten führen.
Ausgehend von der vorstehend beschriebenen Problematik ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein System für die Laserbearbeitung von Werkstücken in Flüssigkeit sowie ein entsprechendes Verfahren zur Laserbearbeitung von Werkstücken in Flüssigkeit bereitzustellen, die eine verbesserte Laserbearbei tung von Werkstücken erlauben.
Zur Lösung des vorstehend genannten Problems wird mit der vorliegenden Er findung ein System für die materialabtragende Laserbearbeitung von Werkstü cken in Flüssigkeit, insbesondere für das Laserschneiden von Werkstücken in Flüssigkeit, vorgeschlagen, mit einer Laserstrahlquelle zur Erzeugung gepulster Laserstrahlung; einer Fokussiereinheit zur Fokussierung der Laserstrahlung auf ein Werk stück; einer Prozesskammer zur Aufnahme eines Werkstückes, wobei die Prozess kammer Folgendes aufweist: eine erste Seite mit einem transparenten Prozessfenster zum Durch lässen der Laserstrahlung; eine zweite Seite, die gegenüber der ersten Seite angeordnet ist; eine Kammerwand, die einen Innenraum der Prozesskammer umgibt; und einen Strömungsgenerator zur Erzeugung einer Strömung innerhalb des Innenraumes der Prozesskammer, wobei der Strömungsgenera tor eine erste Strömungsgeneratoreinheit zur Erzeugung einer ersten Strömung entlang einer ersten Strömungsachse und eine zweite Strö mungsgeneratoreinheit zur Erzeugung einer zweiten Strömung ent lang einer zweiten Strömungsachse aufweist; sowie einer Positioniereinheit zur Einstellung der Position der Laserstrahlung auf dem Werkstück.
Die vorliegende Erfindung erlaubt es, die bei der Laserbearbeitung von Werk stücken entstehenden Partikel und Kavitationsblasen effektiv aus dem Innen raum der Prozesskammer abzuführen und dadurch etwaige Störeffekte, die sich bei der Prozessierung ergeben, signifikant zu reduzieren. Zudem erlaubt die vorliegende Erfindung einen permanenten Austausch der Flüssigkeit innerhalb der Prozesskammer, wodurch die Kühlung des bearbeiteten Werkstückes ver bessert wird. Darüber hinaus erlaubt die vorliegende Erfindung die Einstellung der Strömungsrichtung innerhalb der Prozesskammer. Dies ist besonders vor teilhaft, da durch die variable Strömungsrichtung innerhalb der Prozesskammer eine spezifische Anpassung der Strömungsrichtung an die Bewegungsrichtung der Laserstrahlung erfolgen kann. In experimentellen Untersuchungen konnte gezeigt werden, dass die Qualität der Schnittkanten signifikant verbessert wer den konnte, wenn die Strömungsrichtung derart eingestellt ist, dass sie ortho gonal zu der Bewegungsrichtung der Laserstrahlung (auch als "Schreibrichtung" bezeichnet) eingestellt ist.
Bei der verwendeten Laserstrahlung können insbesondere ultrakurze Pulse ein gesetzt werden. Die Fokussiereinheit ist dabei zwischen der Laserstrahlquelle und der Prozesskammer angeordnet. Diese ist so ausgelegt, dass sie eine Fo kussierung der Laserstrahlung auf die Werkstückoberfläche erlaubt. Das Pro zessfenster kann insbesondere aus Glas gefertigt sein. Dabei kann es vorgese hen sein, dass relativ dünnes Glas eingesetzt wird, um die auftretenden Wech selwirkungen zwischen der gepulsten Laserstrahlung und dem Prozessfenster möglichst gering zu halten. Die Positioniereinheit kann entweder dazu ausgelegt sein, die Ausrichtung der Laserstrahlung und damit die absolute Position des erzeugten Laserspots zu variieren oder dazu, die absolute Position des Werk stückes zu verändern. Bei der Kammerwand kann es vorgesehen sein, dass diese den Innenraum der Prozesskammer rechteckig oder kreisförmig umgibt. Die Kammerwand kann insbesondere aus Metall gefertigt sein. Die Strömungs generatoreinheit kann insbesondere dazu eingerichtet sein, eine Flüssigkeit in den Innenraum der Prozesskammer hineinzuführen oder eine Flüssigkeit aus dem Innenraum der Prozesskammer herauszuführen.
Bei der ersten und der zweiten Strömungsachse ist es insbesondere vorgesehen, dass diese gemeinsam einen Winkel bilden, der ungleich null ist. Ferner kann vorgesehen sein, dass der Strömungsgenerator mehr als zwei Strömungsgene ratoreinheiten aufweist, die bevorzugt in gleichen Abständen entlang der Kam merwand angeordnet sind.
Beispielsweise kann vorgesehen sein, dass insgesamt vier Strömungsgenera toreinheiten vorgesehen sind, die um den Innenraum der Prozesskammer herum angeordnet sind und die zur Erzeugung von Strömungen in vier Richtun gen ausgelegt sind.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung kann vorgesehen sein, dass die Kammerwand den Innenraum der Prozesskammer kreisförmig umgibt und dass die Prozesskammer vier, sechs, acht oder zwölf Strömungsgengeratoreinheiten aufweist, die kreisförmig um den Innenraum herum angeordnet sind und die dazu eingerichtet sind, Strömungen entlang einer ersten Strömungsachse, einer zweiten Strömungsachse, einer dritten Strömungsachse und einer vierten Strö mungsachse zu erzeugen, wobei jeweils benachbarte Strömungsachsen einen Winkel von 90°, 60°, 45° oder 30° bilden. Jede Strömungsgeneratoreinheit kann dabei eine separate Pumpe aufweisen, die dazu vorgesehen ist, Flüssigkeit in die Prozesskammer hineinzuführen oder Flüssigkeit aus der Prozesskammer herauszuführen. Gemäß einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Systems kann vorgese hen sein, dass die erste Strömungsachse und die zweite Strömungsachse ge meinsam einen Winkel von 80° bis 100°, bevorzugt zwischen 85° und 95° und besonders bevorzugt 90° bilden. Auf diese Weise kann, je nach aktueller Schreibrichtung des Laserstahls eine Strömung erzeugt werden, die an die Schreibrichtung angepasst ist. Die Einstellung der Strömungsrichtung kann da bei entweder manuell oder automatisch erfolgen. Bei der manuellen Einstellung der Strömungsrichtung kann ein Benutzer unter Verwendung einer Steuerein heit einstellen, wie die aktuelle Strömungsrichtung eingestellt sein muss, um eine Strömung bereitzustellen, die im Wesentlichen orthogonal zu der Schreibrichtung ausgelegt ist. Alternativ hierzu kann eine automatische Einstel lung der Strömungsrichtung erfolgen. Hierzu kann es beispielsweise vorgesehen sein, dass die Schreibrichtung automatisch erkannt oder definiert wird und in Abhängigkeit der Schreibrichtung die Strömungsrichtung eingestellt wird. Fer ner kann es vorgesehen sein, dass die Parameter des Schreibprozesses vorab festgelegt werden. Dabei kann der Schreibpfad, entlang dessen sich die Laser strahlung bewegt sowie ein an den Schreibpfad angepasstes Strömungsverhal ten vor dem Start des Schreibprozesses festgelegt werden. Auch wenn experi mentelle Untersuchungen zeigen, dass eine orthogonale Ausrichtung der Strö mungsrichtung zu der Schreibrichtung bevorzugt ist, kann eine nahezu ortho gonale Ausrichtung dennoch bessere Ergebnisse liefern, als wenn beispielsweise die Strömung der Flüssigkeit und die Schreibrichtung gleichgerichtet sind.
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann vorgesehen sein, dass die erste Strömungsgeneratoreinheit und die zweite Strömungsgene ratoreinheit eine Säugpumpe und/oder eine Druckpumpe aufweisen. Dadurch kann die Flüssigkeit in den Innenraum der Prozesskammer hineingeführt oder aus dieser herausgeführt werden. Die Strömungsgeneratoreinheit kann zudem einen Flüssigkeitseinlasskanal und/oder einen Flüssigkeitsauslasskanal aufwei sen. Die entsprechenden Kanäle können so ausgelegt sein, dass jeweils eine Strömungsgeneratoreinheit dazu ausgelegt ist, eine Strömung in einer Richtung zu erzeugen. Die Flüssigkeitskanäle können dabei beispielsweise einen runden Querschnitt oder aber auch einen schlitzförmigen Querschnitt aufweisen. Auch kann gemäß der vorliegenden Erfindung vorgesehen sein, dass die erste Strömungsgeneratoreinheit oder die zweite Strömungsgeneratoreinheit sowohl eine Säugpumpe, als auch eine Druckpumpe aufweist, wobei die Säugpumpe an einer der Druckpumpe gegenüberliegenden Seite des Innenraumes der Prozess kammer angeordnet ist und insbesondere dazu ausgelegt ist, Flüssigkeit aus dem Innenraum der Prozesskammer mit der gleichen Geschwindigkeit heraus zuführen, wie diese mit der Druckpumpe hineingeführt wird. Hierdurch kann erreicht werden, dass eine besonders gleichmäßige Strömung innerhalb der Pro zesskammer bereitgestellt werden kann. Dies führt zu einer weiteren Verbesse rung des Schreibprozesses, da die bei der Prozessierung entstehenden Partikel und Kavitationsblasen effizient und gleichmäßig aus dem Bearbeitungsvolumen heraustransportiert werden, während etwaige störende Turbulenzen im Innen raum der Prozesskammer reduziert werden.
Ferner kann gemäß der vorliegenden Erfindung vorgesehen sein, dass die zweite Seite der Prozesskammer offen ausgebildet ist. Anders ausgedrückt, ist die zweite Seite der Prozesskammer gemäß dieser Ausführungsform an ihrer zwei ten Seite nicht durch eine Kammerwand bzw. durch einen Kammerboden abge schlossen. Diese Ausführungsform der Prozesskammer ist besonders vorteilhaft, wenn relativ große Werkstücke bearbeitet werden sollen. Bei üblichen Prozess kammern, die geschlossen ausgebildet sind, ist die Größe der zu bearbeitenden Werkstücke durch den Innenraum der Prozesskammer limitiert. Durch die offene Ausführungsform der Prozesskammer bildet das Werkstück selbst eine an den Innenraum der Prozesskammer angrenzende Kammerwand, wobei das Werk stück auch über mehrere Dezimeter oder auch über mehrere Meter bewegt wer den kann, so dass besonders große Werkstücke durch das konstruktive Design der Prozesskammer bearbeitet werden können. Zudem kann durch diese kon struktive Ausgestaltung die Prozesskammer relativ klein gehalten werden, wodurch der notwendige Flüssigkeitsverbrauch deutlich reduziert wird. Auch werden dadurch keine relativ dicken Prozessfenster benötigt, wie diese üblicher weise bei großen Prozesskammern erforderlich sind. Dies hat den zusätzlichen Vorteil, dass die Wechselwirkung zwischen der gepulsten Laserstrahlung und dem Prozessfenster (insbesondere die Absorption und Streuung der Laserstrahlung) reduziert wird und dadurch etwaige Störeffekte ebenfalls redu ziert werden.
Auch kann gemäß einer bevorzugten Ausführungsform vorgesehen sein, dass die Prozesskammer eine an der zweiten Seite angeordnete Verschlussklappe aufweist, die dazu ausgelegt ist, die Prozesskammer von einem offenen Zustand in einen geschlossenen Zustand zu überführen. Die Verschlussklappe kann dabei beispielsweise über ein Scharnier mit der Prozesskammer verbunden sein. Ins besondere kann die Verschlussklappe schwenkbar mit der Kammerwand ver bunden sein, so dass die zweite Seite der Kammer einfach und flexibel in einen offenen oder geschlossenen Zustand überführt werden kann. Dadurch erlaubt die erfindungsgemäße Prozesskammer eine flexible Anpassung an die konkrete Anwendung. Auf diese Weise eignet sich die Prozesskammer für kleine als auch für große Werkstücke. Alternativ kann beispielsweise vorgesehen sein, dass die Verschlussklappe durch einen Schiebemechanismus translatorisch zwischen ei ner offenen und einer geschlossenen Position beweget werden kann. Die Ver schlussklappe kann zudem ein Dichtelement aufweisen, das der Abdichtung des Innenraumes der Prozesskammer dient. Das Dichtelement kann beispielsweise als ein O-Ring ausgebildet sein. Ferner kann vorgesehen sein, dass die Ver schlussklappe in Form einer kreisförmigen Scheibe und das Dichtelement als ein O-Ring ausgebildet ist, wobei der O-Ring mittig auf einer Oberfläche der Ver schlussklappe befestigt ist.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung kann vorgesehen sein, dass die zweite Seite der Prozesskammer geschlossen ausgebildet ist. Die ge schlossene Ausführungsform der Kammer kann dann von Vorteil sein, wenn kleine Werkstücke bearbeitet werden sollen. In einer geschlossenen Prozess kammer können die Werkstücke leicht auf dem Prozesskammerboden befestigt werden. Eine zusätzliche Halterung ist dann nicht zwingend notwendig. In die sem Fall kann es vorgesehen sein, dass die relative Bewegung des fokussierten Laserstrahls durch die Ablenkung des Strahls unter Verwendung eines Laser- Scanners erfolgt. Zudem kann durch die Verwendung einer geschlossenen Pro zesskammer der Wasserverbrauch verringert werden, da bei der geschlossenen Ausführungsform der Prozesskammer die Menge der aus der Kammer heraus fließenden Flüssigkeit einfacher kontrolliert werden kann.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann es vorgesehen sein, dass die Positioniereinheit zur Einstellung der Position der La serstrahlung auf dem Werkstück einen Laser-Scanner zur Ablenkung der Laser strahlung und/oder einen Positioniertisch zur Positionierung des Werkstückes aufweist, wobei der Positioniertisch insbesondere dazu ausgelegt ist, das Werk stück in einer Ebene zu positionieren, die sich radial zur Laserstrahlachse er streckt und zusätzlich in einer Richtung, die axial zur Laserstrahlachse verläuft. Dabei kann der Positioniertisch dazu ausgelegt sein, das Werkstück in einer ho rizontalen Ebene und zusätzlich in einer vertikalen Richtung zu positionieren. Der Vorteil des Einsatzes eines Laser-Scanners liegt darin, dass dieser eine sehr schnelle Auslenkung der fokussierten Laserstrahlung erlaubt und dadurch sehr hohe Prozessgeschwindigkeiten ermöglicht. Der Vorteil der Verwendung eines Positioniertisches ist darin zu sehen, dass dieser auch die Positionierung des Werkstückes in einer Richtung erlaubt, die axial zur Laserstrahlachse verläuft. Dadurch ist es beispielsweise möglich, den Fokuspunkt bzw. die Strahltaille auf dem Werkstück einzustellen. Ebenfalls kann dadurch der effektive Strahldurch messer auf dem Werkstück eingestellt werden und hierüber die Strahlungsfluss dichte auf dem Werksstück variiert werden.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung kann vorgesehen sein, dass die Fokussiereinheit eine Fokussierlinse, ein Mikroskopobjektiv und/oder einen Konkavspiegel aufweist. Die Brennweite der Fokussiereinheit kann so aus gewählt werden, dass die Laserstrahlung auf den gewünschten Strahldurchmes ser fokussiert wird. Außerdem kann die Fokussiereinheit derart positioniert wer den, dass sich die zu bearbeitende Werkstückoberfläche im Brennpunkt der Fo kussiereinheit befindet.
Auch kann vorgesehen sein, dass eine Gaszufuhreinrichtung und/oder eine Gasabfuhreinrichtung vorgesehen ist. Durch die Gaszufuhreinrichtung ist es möglich, dass das Werkstück bzw. die zu bearbeitende Werkstückoberfläche vor dem Befüllen der Prozesskammer mit Flüssigkeit vorab oder im Nachhinein mit einem Gas gereinigt wird. So können in vorteilhafter Weise vor Beginn des La serbearbeitungsprozesses auf der Werkstückoberfläche befindliche Partikel ent fernt werden, bevor die Kammer mit der Flüssigkeit befüllt bzw. die Probe nach dem Prozess von Flüssigkeit getrocknet wird.
Zudem kann vorgesehen sein, dass die Laserstrahlquelle zur Erzeugung einer gepulsten Laserstrahlung mit einer Pulsdauer von 10 fs bis 300 ps, bevorzugt von 100 fs bis 200 ps ausgelegt ist.
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann vorgesehen sein, dass eine Laserleistung von 0,2 bis 300 W, eine Repetitionsrate von 10 kHz bis 80 MHz, eine Wellenlänge von 258 nm, 266 nm, 344 nm, 355 nm, 515 nm, 532 nm, 1.030 nm oder 1.064 nm sowie eine Schreibgeschwindigkeit von 0,5 mm/s bis 20.000 mm/s verwendet wird.
Auch kann gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ein räumlicher Lichtmo dulator oder ein diffraktives optisches Element vorgesehen sein, wobei der räumliche Lichtmodulator oder das diffraktive optische Element dazu ausgelegt ist, mehrere Laserstrahlen zur parallelen Laserbearbeitung des Werkstückes be reitzustellen. Bei dem räumlichen Lichtmodulator kann ein reflektiver oder ein lichtdurchlässiger räumlicher Lichtmodulator zum Einsatz kommen. Der räumli che Lichtmodulator bzw. das diffraktive optische Element ist dabei zwischen der Laserstrahlquelle und der Prozesskammer angeordnet. Durch die Bereitstellung mehrerer Laserstrahlen wird in vorteilhafter Weise erreicht, dass höhere Pro zessgeschwindigkeiten ermöglicht werden.
Ferner kann gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ein Kame rasystem vorgesehen sein, das dazu ausgelegt ist, Aufnahmen von dem Innen raum der Prozesskammer zu erstellen. Dabei kann es vorgesehen sein, dass die Kamera Aufnahmen durch das Prozessfenster erstellt. Dadurch kann die aktuelle Schreibrichtung der Laserstrahlung erkannt werden. Dies kann beispielsweise dadurch erfolgen, dass der Laserstrahlfokus auf der Oberfläche erkannt wird oder dadurch, dass die Stelle auf der Oberfläche des Werkstückes detektiert wird, an dem eine Partikelwolke erzeugt wird. Die bei der Prozessierung entstehende Partikelwolke kann in der Regel mit bloßem Auge erkannt werden und ist zuverlässig durch eine Kamera detektierbar. Alternativ hierzu kann es auch vorgesehen sein, dass das Kamerasystem zwei Kameras umfasst, die an zwei unterschiedlichen Positionen um den Innenraum der Prozesskammer herum angeordnet sind. Beispielsweise kann vorgesehen sein, dass die beiden Kameras Aufnahmen in zwei Richtungen erlauben, wobei die Aufnahmerichtun gen orthogonal zueinander ausgerichtet sind. Die Kameras können unabhängig voneinander die Position der Laserstrahlung in einer Richtung erkennen. Durch die Auswertung der Kameraaufnahmen kann anschließend die Schreibgeschwin digkeit ermittelt werden. Anschließend kann in Abhängigkeit der detektierten Schreibrichtung die Strömungsrichtung eingestellt werden. Insbesondere kann dabei die Strömungsrichtung orthogonal zu der Schreibrichtung eingestellt wer den.
Auch kann vorgesehen sein, dass die Prozesskammer dazu ausgelegt ist, einen Betriebsdruck von 1 bis 6 bar, insbesondere von 3 bis 4 bar bereitzustellen.
Des Weiteren wird zur Lösung des vorstehend genannten Problems mit der vor liegenden Erfindung eine Prozesskammer zur Aufnahme eines Werkstückes für die Laserbearbeitung in Flüssigkeit vorgeschlagen, wobei die Prozesskammer Folgendes aufweist: eine erste Seite mit einem transparenten Prozessfenster zum Durch lässen der Laserstrahlung; eine zweite Seite, die gegenüber der ersten Seite angeordnet ist; eine Kammerwand, die einen Innenraum der Prozesskammer umgibt; und einen Strömungsgenerator zur Erzeugung einer Strömung innerhalb des Innenraumes der Prozesskammer, wobei der Strömungsgenera tor eine erste Strömungsgeneratoreinheit zur Erzeugung einer ersten Strömung entlang einer ersten Strömungsachse und eine zweite Strö mungsgeneratoreinheit zur Erzeugung einer zweiten Strömung ent lang einer zweiten Strömungsachse aufweist. Auch wird zur Lösung der eingangs beschriebenen Aufgabe mit der vorliegenden Erfindung ein System für die materialabtragende Laserbearbeitung von Werk stücken in Flüssigkeit, insbesondere für das Laserschneiden von Werkstücken in Flüssigkeit, vorgeschlagen, mit einer Laserstrahlquelle zur Erzeugung gepulster Laserstrahlung; einer Fokussiereinheit zur Fokussierung der Laserstrahlung auf ein Werk stück; einer Prozesskammer zur Aufnahme eines Werkstückes, wobei die Prozess kammer Folgendes aufweist: eine erste Seite mit einem transparenten Prozessfenster zum Durch lässen der Laserstrahlung; eine zweite Seite, die gegenüber der ersten Seite angeordnet ist, wo bei die zweite Seite offen ausgebildet ist; und eine Kammerwand, die einen Innenraum der Prozesskammer umgibt; sowie einer Positioniereinheit zur Einstellung der Position der Laserstrahlung auf dem Werkstück.
Ferner wird zur Lösung der vorstehend genannten Aufgabe ein Verfahren zur materialabtragenden Laserbearbeitung von Werkstücken in Flüssigkeit, insbe sondere für das Laserschneiden von Werkstücken in Flüssigkeit, vorgeschlagen, wobei das Verfahren die nachfolgenden Schritte aufweist:
Bereitstellen eines Werkstückes in einem Innenraum einer Prozesskam mer;
Befüllen des Innenraumes der Prozesskammer mit einer Flüssigkeit; Fokussierung einer gepulsten Laserstrahlung auf eine Oberfläche des Werkstückes unter Verwendung einer Fokussiereinheit;
Erzeugung einer relativen Bewegung der fokussierten Laserstrahlung auf der Werkstückoberfläche unter Verwendung einer Positioniereinheit; Erzeugung einer Flüssigkeitsströmung innerhalb des Innenraumes der Pro zesskammer unter Verwendung eines Strömungsgenerators;
Einstellen einer Strömungsrichtung der Flüssigkeitsströmung in Abhängig keit von der relativen Bewegungsrichtung der fokussierten Laserstrahlung auf der Oberfläche des Werkstückes. Vorzugsweise kann bei dem Verfahren zusätzlich vorgesehen sein, dass die Kammer nach der Bearbeitung des Werkstückes mit Gas geflutet wird.
Das erfindungsgemäße Verfahren erlaubt einen effizienten Abtransport von Mikro- und Nanopartikeln sowie von Kavitationsblasen und persistenten Gasbla sen, die während des Bearbeitungsprozesses entstehen. Die genannten Partikel und Blasen werden dabei effizient aus dem Innenraum der Prozesskammer ent fernt, so dass die Störeffekte, die sich durch die Wechselwirkung der Laserstrah lung mit den Partikeln und den Blasen ergeben, deutlich reduziert werden. Zu dem erlaubt das erfindungsgemäße Verfahren eine effizientere Kühlung des Werkstückes während der Laserprozessierung.
Gemäß einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens kann vorge sehen sein, dass das Einstellen der Strömungsrichtung das Bereitstellen einer Strömungsrichtung aufweist, die orthogonal zu der relativen Bewegungsrich tung der Laserstrahlung auf der Werkstückoberfläche ausgerichtet ist. In expe rimentellen Versuchen konnte gezeigt werden, dass eine Strömungsrichtung or thogonal zu der relativen Bewegungsrichtung der Laserstrahlung zu einer ver besserten Qualität bei der Laserprozessierung führt.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens kann ferner vorgesehen sein, dass zusätzlich die Intensität der erzeugten Strö mung in Abhängigkeit von den Prozessparameter eingestellt wird. Dabei kann die Intensität der Strömung erhöht werden, wenn eine relativ hohe Laserleis tung eingestellt ist, während die Intensität der Strömung reduziert werden kann, wenn eine relativ geringe Laserleistung eingestellt ist. Genauso kann bei spielsweise vorgesehen sein, dass im Falle einer relativ hohen Schreibgeschwin digkeit die Intensität der Strömung reduziert werden kann. Alternativ oder er gänzend kann vorgesehen sein, dass die Strömungsintensität reduziert wird, wenn eine relative niedrige Schreibgeschwindigkeit eingestellt ist. Dadurch kann die erzeugte Strömung in Abhängigkeit der erwarteten Menge der Partikel opti miert werden. Gemäß einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens kann vorgesehen sein, dass die relative Bewegung der fokussierten Laserstrah lung entlang der Oberfläche des Werkstückes mit einer Geschwindigkeit von 0,6 bis 1,4 mm/s, insbesondere 0,8 bis 1,2 mm/s und besonders bevorzugt 1 mm/s erfolgt. In experimentellen Versuchen wurde die Schnittqualität in Abhängigkeit von der Schreibgeschwindigkeit untersucht. Dabei zeigte sich, dass in einem bestimmten Bereich der Schreibgeschwindigkeit besonders gute Schnittkanten erreicht werden konnten. Die Qualität eines Schnittes lässt sich beispielsweise durch das Aspektverhältnis, also das Verhältnis zwischen der Schnitttiefe zur Schnittbreite bewerten. Je höher das Aspektverhältnis ist, desto besser ist die Schnittqualität zu bewerten. In experimentellen Untersuchungen, in der Schreibgeschwindigkeiten von etwa 0,1 mm/s bis 10 m/s ausgewertet wurden, konnte gezeigt werden, dass mit einer Schreibgeschwindigkeit um 1 mm/s die höchsten Aspektverhältnisse erreicht werden konnten. Während bei einer Schreibgeschwindigkeit von 4 m/s lediglich Aspektverhältnisse von 4 bis 6 er reicht werden konnten, konnten Aspektverhältnisse von bis zu 15 erreicht wer den, wenn die Schreibgeschwindigkeit auf einen Wert von 1 mm/s reduziert wurde.
Bei den durchgeführten Experimenten konnten besonders hohe Aspektverhält nisse erreicht werden, wenn eine Schreibgeschwindigkeit von 1 mm/s verwen det wurde. Bei den Experimenten wurde eine Laserpulsdauer von 350 fs, eine Repetitionsrate von 200 kHz, eine Wellenlänge von 1.030 nm, eine mittlere Leis tung von 360 mW, ein F-Theta Objektiv mit einer Brennweite von 70 mm, ein Strahldurchmesser im Fokus von 10 pm und eine Strömungsgeschwindigkeit von 1,5 m/s verwendet.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens kann vorgesehen sein, dass die Strömungsgeschwindigkeit 1 bis 10 m/s, insbe sondere 4 bis 6 m/s und besonders bevorzugt 5 m/s beträgt. Gemäß einer wei teren alternativen Ausführungsform kann vorgesehen sein, dass die Strömungs geschwindigkeit 2 bis 3 m/s beträgt. Ferner können gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel des erfindungsge mäßen Verfahrens die nachfolgenden Schritte vorgesehen sein:
Erkennung der Richtung der relativen Bewegung der Laserstrahlung unter Verwendung eines Kamerasystems; und
Einstellen einer Strömungsrichtung orthogonal zu der erkannten Richtung der relativen Bewegung der Laserstrahlung.
Dabei kann zusätzlich eine Steuereinheit vorgesehen sein, die Bildsignale von dem Kamerasystem empfängt und diese Bildsignale auswertet. Aus den einzel nen Bildsignalen kann die Position der Laserstrahlung auf der Werkstückober fläche ermittelt werden. Durch Auswertung der Bildsignale kann also die Bewe gungsrichtung der Laserstrahlung ermittelt werden. In Abhängigkeit von der er mittelten relativen Bewegungsrichtung der Laserstrahlung kann die Strömungs richtung eingestellt werden. Die Steuereinheit kann beispielsweise als ein Mik rocontroller ausgeführt sein, die an einem Eingang die Bildsignale empfängt und an einem Ausgang Steuersignale für die Steuerung der einzelnen Strömungsge neratoreinheiten bereitstellt. Zudem kann der Mikrocontroller auch dazu ausge legt sein, die Prozessparameter für den Schreibprozess bereitzustellen und dadurch den Schreibprozess zu steuern.
Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend anhand der Figuren näher erläutert. Dabei zeigen:
Fig. 1 ein Laserbearbeitungssystem für die Bearbeitung eines Werkstückes in Flüssigkeit gemäß dem Stand der Technik,
Fig. 2 eine Ausführungsform eines Laserbearbeitungssystems gemäß der vorliegenden Erfindung,
Fig. 3 eine Draufsicht auf eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Prozesskammer,
Fig. 4 eine Seitenansicht einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Prozesskammer, Fig. 5 eine Draufsicht auf die in der Fig. 4 gezeigte Prozesskammer in einem ersten Betriebsmodus,
Fig. 6 eine Draufsicht auf die in der Fig. 4 gezeigte Prozesskammer in einem zweiten Betriebsmodus,
Fig. 7 verschiedene Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Prozess kammer und
Fig. 8 ein Ablaufdiagramm zu dem erfindungsgemäßen Verfahren.
In der Fig. 1 ist ein System 10 für die Laserbearbeitung eines Werkstückes 22 in Flüssigkeit dargestellt. Das System 10 weist eine Laserstrahlquelle 12 auf, die insbesondere dazu ausgelegt ist, eine gepulste Laserstrahlung 14 zu erzeu gen. Die erzeugte Laserstrahlung 14 wird über eine Positioniereinheit 16 umge lenkt. Die Positioniereinheit 16 ist in dem in der Fig. 1 dargestellten Ausfüh rungsbeispiel als Laser-Scanner ausgebildet und dazu vorgesehen, die fokus sierte Laserstrahlung 14 auf der Oberfläche des Werkstückes zu positionieren. Die umgelenkte Laserstrahlung 14 wird auf eine Fokussiereinheit 18 gerichtet. Die Fokussiereinheit 18 ist in dem abgebildeten Ausführungsbeispiel als eine Sammellinse ausgestaltet. Alternativ kann die Fokussiereinheit 18 auch als ein Mikroskopobjektiv oder ein Konkavspiegel ausgeführt sein. Die Fokussiereinheit 18 fokussiert die Laserstrahlung 14 in eine Prozesskammer 20. Die Prozesskam mer 20 weist einen Innenraum 20a auf, der dazu ausgebildet ist, das Werkstück 22 aufzunehmen. Zudem ist der Innenraum 20a der Prozesskammer 20 mit einer Flüssigkeit befüllt. Hierbei kann es sich um Wasser oder andere Flüssig keiten handeln. Insbesondere kann dabei Wasser zum Einsatz kommen. Die La serstrahlung 14 wird durch die Fokussiereinheit 18 auf eine Oberfläche 22a des Werkstücks 22 fokussiert. Dadurch erhitzt sich die Werkstückoberfläche 22a auf Temperaturen von bis zu > 1.000° C, wodurch ein Teil des Werkstückmaterials verdampfen kann. Das verdampfte Material wird durch die Flüssigkeit gekühlt, wobei sich Nano- und Mikropartikel bilden können, die als Partikelwolke 31 in der Flüssigkeit erkennbar sind. Diese Partikelwolke 31 beeinflusst jedoch die Ausbreitung der fokussierten Laserstrahlung 14. Durch die unerwünschte Wech selwirkung der Laserstrahlung 14 mit der Partikelwolke 31 verschlechtert sich typischerweise die Qualität eines Laserschnittes.
Die Prozesskammer 20 ist üblicherweise so ausgebildet, dass sie eine erste Seite 24 aufweist und eine der ersten Seite 24 gegenüberliegend angeordnete zweite Seite 26. Auf der ersten Seite 24 der Prozesskammer 20 ist ein Prozessfenster 28 eingelassen, so dass die Laserstrahlung 14 in den Innenraum der Prozess kammer 20 geführt werden kann. Die zweite Seite 26 der Prozesskammer 20 ist gemäß dem Stand der Technik geschlossen ausgebildet, so dass keine Flüs sigkeit aus dem Innenraum 20a der Prozesskammer 20 entweichen kann. Der Innenraum 20a der Prozesskammer 20 ist von einer Kammerwand 30 umgeben.
Der Nachteil der aus dem Stand der Technik bekannten Systeme 10 für die Laserbearbeitung von Werkstücken 22 in Flüssigkeit ist insbesondere darin zu sehen, dass die bei der Bearbeitung des Werkstückes 22 entstehende Partikel wolke 31 den Laserbearbeitungsprozess negativ beeinflussen kann. Ein weiterer Nachteil der bislang bekannten Systeme 10 für die Laserbearbeitung in Flüssig keit ist darin zu sehen, dass die Größe der bearbeitbaren Werkstücke 22 durch die Abmessungen der Prozesskammer 20 begrenzt ist. Dadurch ist es in der Praxis häufig nicht möglich, größere Werkstücke bzw. größere Oberflächen zu bearbeiten. Wenn unterschiedlich große Werkstücke 22 zu bearbeiten sind, ist es daher häufig erforderlich, unterschiedlich dimensionierte Prozesskammern breitzustellen, wodurch jedoch der Aufwand und die Kosten für die Bearbeitung der Werkstücke 22 erhöht wird.
In der Fig. 2 ist ein Ausführungsbeispiel eines Systems für die Laserbearbeitung eines Werkstückes 22 in Flüssigkeit gemäß der vorliegenden Erfindung abgebil det. Ähnlich wie bei dem in der Fig. 1 beschriebenen System 10, umfasst auch das erfindungsgemäße Laserbearbeitungssystem 10 eine Laserstrahlquelle 12 zur Erzeugung einer gepulsten Laserstrahlung 14, die über eine Positionierein heit 16 auf eine Fokussiereinheit 18 gelenkt wird, wobei die Fokussiereinheit 18 die Laserstrahlung 14 in eine Prozesskammer 20 fokussiert. Im Innenraum 20a der Prozesskammer 20 ist ein Werkstück 22 angeordnet, wobei die Fokussiereinheit 18 so ausgewählt und eingerichtet ist, dass die Laserstrahlung 14 auf die Oberfläche 22a des Werkstückes 22 fokussiert wird. Bei dem in der Fig. 2 dargestellten System 10 weist die Prozesskammer 20 eine erste Seite 24 auf, wobei auf der ersten Seite 24 der Prozesskammer 20 ein Prozessfenster 28 angeordnet ist, welches erlaubt, die Laserstrahlung 14 in den Innenraum 20a der Prozesskammer 20 hineinzuführen. Die zweite Seite 26 der Prozesskammer 20 ist in dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel, anders als bei dem in der Fig. 10 beschriebenen System 10, offen ausgebildet. Dies hat gegenüber einer geschlossenen Ausführung der zweiten Seite 26 der Prozesskammer 20 den Vor teil, dass durch die offene Konstruktion der Kammer 20 beliebig große Werkstü cke bearbeitet werden können. Durch die offene Ausführung der Prozesskam mer 20 kann nämlich das Werkstück 22 oder ein Positioniertisch 40, auf dem das Werkstück 22 angeordnet ist, den Boden der Prozesskammer 20 bilden und den Innenraum 20a der Kammer 20 abschließen. Dadurch erlaubt die in der Fig. 2 dargestellte Prozesskammer 20 in vorteilhafter Weise die Bearbeitung von Werkstücken 22, die deutlich größer sind als der Innenraum 20a der Prozess kammer 20.
Bei der in der Fig. 2 abgebildeten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Sys tems 10 umgibt eine Kammerwand 30 den Innenraum 20a der Prozesskammer 20. Die Prozesskammer 20 weist zudem eine Strömungsgeneratoreinheit 32 auf. Die Strömungsgeneratoreinheit 32 umfasst dabei eine Druckpumpe (in der Fig. 2 nicht gezeigt) sowie einen Flüssigkeitseinlasskanal 34. Der Flüssig keitseinlasskanal 34 ist dabei in der Kammerwand 30 ausgebildet. Zudem weist die Strömungsgeneratoreinheit eine Säugpumpe (ebenfalls in der Fig. 2 nicht gezeigt) und einen Flüssigkeitsauslasskanal 36 auf, der auf einer dem Flüssig keitseinlasskanal 34 gegenüberliegenden Seite des Innenraumes 20a der Kam mer 20 angeordnet ist. Die Strömungsgeneratoreinheit 32 ist dazu eingerichtet, eine Strömung entlang einer Strömungsachse zu erzeugen. Die Strömungs achse entspricht in diesem Ausführungsbeispiel der in der Fig. 2 abgebildeten x-Achse. Durch die erzeugte Strömung kann die Partikelwolke 31, die während der Bearbeitung der Werkstückoberfläche 22a gebildet wird, effektiv aus dem Innenraum 20a der Prozesskammer 20 abtransportiert werden. Hierdurch kön nen die Störeffekte bei der Laserbearbeitung, welche durch die Partikelwolke 31 verursacht werden, vermieden oder zumindest stark reduziert werden. Die Strö mungsgeneratoreinheit 32 kann so konfiguriert sein, dass immer dann, wenn eine Partikelwolke 31 gebildet wird, Flüssigkeit in die Prozesskammer 20 hin eingeführt wird. Durch die Verwendung einer Druckpumpe und einer Säug pumpe kann die Flüssigkeit, die in den Innenraum 20a der Prozesskammer 20 eingeführt wird, zeitgleich auf der gegenüberliegenden Seite aus der Prozess kammer 20 herausgeführt werden, wodurch eine gleichmäßigere Strömung in dem Innenraum 20a der Prozesskammer 20 eingestellt werden kann. Alternativ kann es aber auch vorgesehen sein, dass die Strömungsgeneratoreinheit ledig lich eine Druckpumpe oder lediglich eine Säugpumpe aufweist.
Wie der Fig. 2 zu entnehmen ist, weist die hier abgebildete Ausführungsform zusätzlich einen Gaseinlass 38 auf, der dazu eingerichtet ist, ein Gas in den Innenraum 20a der Prozesskammer 20 einzuführen. Insbesondere kann das Gas mit Hochdruck in den Innenraum 20a eingeführt werden. Dadurch kann, bevor der Laserbearbeitungsprozess beginnt und/oder nach Beendigung des Bearbei tungsprozesses, die Oberfläche 22a des Werkstückes 22 von Partikeln gereinigt werden. Dadurch können mehrere Prozessschritte innerhalb ein und derselben Kammer durchgeführt werden, wodurch der Bearbeitungsprozess insgesamt ef fizienter gestaltet wird. Auch kann der Gaseinlass 38 in vorteilhafter Weise dazu dienen, das bearbeitete Werkstück nach Abschluss der Bearbeitung zu trocknen. Darüber hinaus können in der Prozesskammer 20 ein oder mehrere Gasauslässe vorgesehen sein.
Während in dem in der Fig. 2 abgebildeten Ausführungsbeispiel die Positionie reinheit 16 als ein Laser-Scanner ausgebildet ist, der dazu eingerichtet ist, den Laserstrahl auf der Oberfläche 22a des Werkstückes 22 in der x/y-Ebene zu positionieren, kann alternativ oder zusätzlich ein Positioniertisch 40 vorgesehen sein, der dazu konfiguriert ist, das Werkstück 22 insbesondere entlang der z- Achse zu positionieren. Dadurch wird es einerseits ermöglicht, die Fokuslage der Laserstrahlung 14 einzustellen und andererseits den Abstand zwischen der Pro zesskammer 20 und dem Positioniertisch 40 festzulegen. Hierdurch kann einge stellt werden, ob und wieviel Flüssigkeit an der zweiten Seite 26 aus der Pro zesskammer 20 entweichen kann. Wenn beispielsweise erwartet wird, dass sich eine relativ große Menge an Partikeln während des Laserbearbeitungsprozesses bilden wird, dann kann beispielsweise vorgesehen sein, dass der Abstand zwi schen der Prozesskammer 20 und dem Positioniertisch 40 vergrößert wird und dass die Strömungsgeneratoreinheit 32 die Flüssigkeit mit einem relativ hohen Druck in den Innenraum 20a der Prozesskammer 20 hineinführt, so dass eine große Menge an Flüssigkeit in die Prozesskammer 20 hinein- und auch zeitnah wieder herausgeführt werden kann. Auf diese Weise wird ein besonders effizi enter Abtransport der in dem Innenraum 20a entstehenden Partikelwolke 31 ermöglicht.
In der Fig. 3 ist eine Draufsicht auf die in der Fig. 2 abgebildete Prozesskammer 20 dargestellt. Wie in dieser Figur zu erkennen ist, sind in dem gezeigten Aus führungsbeispiel der Prozesskammer 20 mehrere Strömungsgeneratoreinheiten vorgesehen, von denen in dieser Abbildung jeweils die Flüssigkeitseinlasskanäle 34 sowie die Flüssigkeitsauslasskanäle 36 dargestellt sind. Insgesamt sind in der hier abgebildeten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Prozesskammer 20 sechs Strömungsgeneratoreinheiten vorgesehen, die dazu eingerichtet sind, Strömungen innerhalb der Prozesskammer entlang sechs Strömungsachsen zu erzeugen. Die Strömungsachsen bilden untereinander einen Winkel von jeweils 60°. Wie in der Fig. 2 gezeigt, sind die Flüssigkeitseinlasskanäle 34 und Flüssig keitsauslasskanäle 36 jeweils in der ringförmigen Kammerwand 30 ausgebildet und kreisförmig um den Innenraum 20a der Prozesskammer 20 angeordnet. Durch die Einsteilbarkeit der Strömung in sechs verschiedene Richtungen wird es ermöglicht, die Strömungsrichtung der Flüssigkeit in Abhängigkeit der Schreibrichtung einzustellen und dadurch einen besonders effizienten Abtrans port der Partikelwolke 31 und etwaiger Kavitationsblasen zu gewährleisten.
In der Fig. 4 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Pro zesskammer 20 abgebildet. In dem hier gezeigten Ausführungsbeispiel ist die Fokussiereinheit 18 als eine Fokussierlinse ausgebildet, die entlang der z-Achse positionierbar ist. Auf diese Weise wird es ermöglicht, die Fokuslage der Laser strahlung 14 zu positionieren. Dies ermöglicht die Einstellung des Strahldurch messers auf der Werkstückoberfläche 22a. Zudem ist in dem in der Fig. 4 ab gebildeten Ausführungsbeispiel vorgesehen, dass die Prozesskammer 20 entlang der z-Achse positionierbar ist. Dadurch wird es ermöglicht, die Position zwischen der Prozesskammer 20 und dem Positioniertisch 40 einzustellen, so dass auf diese Art reguliert werden kann, wie viel Flüssigkeit auf der zweiten Seite 26 der Prozesskammer 20 entweichen kann.
In der Fig. 5 ist eine Draufsicht auf die in der Fig. 4 abgebildete Prozesskammer 20 in einem ersten Betriebsmodus dargestellt. In dem hier abgebildeten Laser bearbeitungsprozess wird der Fokus der Laserstrahlung 14 entlang der positiven x-Achse bewegt. Um einen effektiven Abtransport der im Innenraum 20a der Prozesskammer 20 entstehenden Partikel zu gewährleisten, wird die Strö mungsgeneratoreinheit derart betrieben, dass eine Flüssigkeitsströmung in Richtung der positiven y-Achse erzeugt wird. Wie in diesem Ausführungsbeispiel gezeigt, kann der Strömungsgenerator zur Erzeugung einer Strömung in Rich tung der y-Achse mehrere Flüssigkeitsströme erzeugen, die durch insgesamt drei Pumpen und drei Flüssigkeitseinlasskanäle 34 bereitgestellt werden. Auf der den Flüssigkeitseinlasskanälen 34 gegenüberliegenden Seite des Innenrau mes 20a der Prozesskammer 20 sind drei Flüssigkeitsauslasskanäle 36 vorge sehen, die mit Hilfe einer Säugpumpe die Flüssigkeit aus dem Innenraum 20a der Prozesskammer 20 herausführen. Auf diese Weise entsteht im Innenraum 20a der Kammer 20 eine Flüssigkeitsströmung, die orthogonal zu der Schreibrichtung ausgerichtet ist. Die in der Fig. 5 abgebildete Prozesskammer 20 verdeutlicht, dass auf einfache Art und Weise Flüssigkeitsströmungen in un terschiedliche Richtungen erzeugt werden können, so dass eine Flüssigkeitsströ mungsrichtung, die für die jeweilige Prozessier- bzw. Schreibrichtung optimal ist, eingestellt werden kann.
In der Fig. 6 ist eine weitere Draufsicht der in der Fig. 4 abgebildeten Prozess kammer 20 dargestellt. Dabei ist zu erkennen, dass bei dem hier abgebildeten Schreibmodus die fokussierte Laserstrahlung 14 diagonal entlang der Oberflä che des Werkstückes bewegt wird. Bei diesem Schreibmodus wird die Strö mungsrichtung dadurch angepasst, dass nun drei Druckpumpen angesteuert werden, so dass Flüssigkeit durch drei Flüssigkeitseinlasskanäle 34 in den In nenraum 20a der Prozesskammer 20 in einer Strömungsrichtung hineinströmt, die im Wesentlichen orthogonal zu der Schreibrichtung orientiert ist. Zudem werden drei Säugpumpen aktiviert, so dass in den drei Flüssigkeitsauslasskanä len 36, die den aktiven Flüssigkeitseinlasskanälen 34 gegenüberliegen, Flüssig keit aus dem Innenraum 20a der Prozesskammer 20 herausgeführt wird. Auf diese Weise wird eine homogene Strömung im Innenraum 20a der Prozesskam mer 20 erzeugt, die orthogonal zu der Schreibrichtung der Laserstrahlung aus gerichtet ist. Wie in experimentellen Versuchen gezeigt werden konnte, kann die Bearbeitungsqualität, insbesondere die Schnittqualität, verbessert werden, wenn eine Flüssigkeitsströmungsrichtung im Innenraum 20a der Prozesskam mer 20 eingestellt ist, die orthogonal zu der Schreibrichtung ausgerichtet ist.
Wie bereits vorstehend erläutert, kann gemäß einer Ausführungsform der vor liegenden Erfindung auch vorgesehen sein, dass der Strömungsgenerator ledig lich zwei Strömungsgeneratoreinheiten aufweist, die für die Erzeugung einer Strömung in einer ersten Richtung und für die Erzeugung einer Strömung in einer zweiten Richtung ausgelegt sind. Beispielsweise kann dabei vorgesehen sein, dass in der Prozesskammer 20 eine erste Strömungsgeneratoreinheit vor gesehen ist, die für die Erzeugung einer Flüssigkeitsströmung in Richtung der positiven x-Achse ausgelegt ist und eine zweite Strömungsgeneratoreinheit, die für die Erzeugung einer Flüssigkeitsströmung in Richtung der positiven y-Achse vorgesehen ist. Auf diese Weise kann jeweils eine Strömung im Innenraum 20a der Prozesskammer 20 eingestellt werden, die orthogonal oder möglichst ortho gonal zu der aktuellen Schreibrichtung einstellbar ist. Wenn also die Laserstrah lung in Richtung der x-Achse verfahren wird, kann eine Flüssigkeitsströmung in Richtung der y-Achse erzeugt werden. Wird die Laserstrahlung in Richtung der y-Achse verfahren, so kann eine Strömung in Richtung der x-Achse erzeugt werden. Wird hingegen die Laserstrahlung entlang einer Achse bewegt, die ei nen Winkel < 45° zu der x-Achse bildet, kann eine Strömung in Richtung der y- Achse erzeugt werden. Wird die Laserstrahlung hingegen entlang einer Achse bewegt, die einen Winkel von < 45° zu der y-Achse bildet, so kann eine Strö mung in Richtung der x-Achse erzeugt werden. Auf diese Weise kann stets eine Strömung bereitgestellt werden, die möglichst orthogonal zu der Schreibrich tung orientiert ist. Ferner sind in der Fig. 7 verschiedene Ausführungsformen der erfindungsgemä ßen Prozesskammer 20 dargestellt. In der Fig. 7(a) ist die Prozesskammer 20 so eingestellt, dass relativ viel Flüssigkeit an der zweiten Seite 26 der Prozess kammer 20 herausfließen kann. Dies kann beispielsweise durch die Einstellung der Position der Prozesskammer 20 entlang der z-Achse oder aber auch durch Einstellung des Positioniertisches 40 entlang der z-Achse erfolgen. Der relative Abstand zwischen der auf der zweiten Seite 26 offen ausgeführten Prozesskam mer 20 und dem Positioniertisch 40 bestimmt dabei, wieviel Flüssigkeit an der zweiten Seite 26 entweichen kann. Wie bereits vorstehend ausgeführt, kann ein relativ großer Abstand zwischen der Prozesskammer 20 und dem Positioniertisch 40 vorteilhaft sein, wenn besonders viel Flüssigkeit durch die Prozesskammer 20 strömen soll. Dies kann insbesondere dann der Fall sein, wenn zu erwarten ist, dass eine relativ hohe Menge an Partikeln während des Laserbearbeitungs prozesses erzeugt wird.
In der Fig. 7(b) ist ein weiteres Ausführungsbeispiel dargestellt, bei dem der Abstand zwischen der Prozesskammer 20 und dem Positioniertisch 40 so einge stellt ist, dass relativ wenig Flüssigkeit an der zweiten Seite 26 der Prozesskam mer 20 entweichen kann. Dies kann insbesondere dann vorteilhaft sein, wenn zu erwarten ist, dass auch geringe Strömungsmengen ausreichen, um die im Innenraum 20a der Prozesskammer 20 erzeugten Partikel und etwaige Kavita tionsblasen abzutransportieren. Die in den Fign. 7(a) und (b) gezeigten Beispiele verdeutlichen, dass die auf der zweiten Seite 26 offen ausgeführte Prozesskam mer 20 gegenüber dem Stand der Technik den Vorteil bietet, dass Werkstücke beliebiger Größen unter Verwendung von ein und derselben Prozesskammer 20 bearbeitet werden können. Obwohl die Prozesskammer 20 relativ klein ausge führt ist, können unter Verwendung dieser Prozesskammer 20 auch Werkstücke bearbeitet werden, die Abmessungen von mehreren 10 cm oder auch größer als 1 m aufweisen.
In der Fig. 7(c) ist ein weiteres Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Prozesskammer 20 abgebildet. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist zudem ein Dichtelement 42 vorgesehen, das verhindert, dass die Flüssigkeit an der zweiten Seite 26 der Prozesskammer 20 entweichen kann. Hierdurch kann erreicht werden, dass der Flüssigkeitsverbrauch während des Laserbearbeitungsprozes ses geringgehalten wird. Zudem erlaubt die abgedichtete Prozesskammer 20 eine vereinfachte Kontrolle darüber, wieviel Flüssigkeit aus der Kammer 20 her ausgeführt wird.
In der Fig. 7(d) weist die Prozesskammer 20 an ihrer zweiten Seite 26 zusätzli che Abdeckelemente 44 auf, die in diesem Ausführungsbeispiel als Abdeckplat ten ausgebildet sind. Die Abdeckelemente 44 dienen dazu, das Werkstück 22 derart abzudecken, dass lediglich die zu bearbeitende Stelle des Werkstückes freigelegt ist. Dies hat einerseits den Vorteil, dass das Werkstück 22 nur an den Stellen in Kontakt mit Flüssigkeit gelangt, die auch während des Bearbeitungs prozesses tatsächlich der Laserstrahlung 14 ausgesetzt sind. Dies ist insbeson dere bei Verwendung von Werkstücken vorteilhaft, die eine unerwünschte Wechselwirkung mit der verwendeten Flüssigkeit zeigen. Ein weiterer Vorteil der Verwendung der Abdeckelemente 44 liegt darin, dass hierdurch weniger Flüs sigkeit benötigt wird als bei der in der Fig. 7(c) dargestellten Ausführungsform.
Schließlich ist in der Fig. 8 ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Ver fahrens 100 für die Laserbearbeitung von Werkstücken in Flüssigkeit dargestellt. In dem hier abgebildeten Verfahren 100 wird in einem ersten Schritt 110 ein Werkstück in einem Innenraum einer Prozesskammer 20 bereitgestellt. Die Pro zesskammer 20 kann beispielsweise gemäß den in der Fig. 7 dargestellten Aus führungsbeispielen ausgebildet sein. In einem zweiten Schritt 120 wird der In nenraum der Prozesskammer mit einer Flüssigkeit befüllt. Dabei kann es sich um Wasser oder aber auch um andere Flüssigkeiten handeln. In einem darauf folgenden Schritt 130 wird eine gepulste Laserstrahlung auf einer Oberfläche des Werkstücks fokussiert, und zwar unter Verwendung einer Fokussiereinheit. Anschließend wird im Schritt 140 eine relative Bewegung der fokussierten La serstrahlung auf der Oberfläche des Werkstückes erzeugt, wobei hierfür eine Positioniereinheit verwendet wird. Die Positioniereinheit kann entweder dazu ausgelegt sein, die absolute Position der Laserstrahlung zu verändern oder aber auch dazu, die absolute Position des Werkstückes zu variieren. In einem weite ren Verfahrensschritt 150 wird eine Flüssigkeitsströmung innerhalb des Innen raumes der Prozesskammer erzeugt, wobei ein Strömungsgenerator verwendet wird. Der Strömungsgenerator kann insbesondere eine erste und eine zweite Strömungsgeneratoreinheit aufweisen, die jeweils dazu ausgelegt sind, eine Strömung in eine erste Richtung und in eine zweite Richtung zu erzeugen. Schließlich wird in einem nächsten Verfahrensschritt 160 die Strömungsrichtung der Flüssigkeitsströmung in Abhängigkeit von der relativen Bewegungsrichtung der fokussierten Laserstrahlung auf der Oberfläche des Werkstückes eingestellt. Insbesondere kann dabei eine zu der relativen Bewegungsrichtung der Laser strahlung auf der Werkstückoberfläche orthogonal verlaufende Strömungsrich tung eingestellt werden. Dadurch wird ein effizienter Abtransport der im Innen raum der Kammer erzeugten Partikel und Kavitationsblasen ermöglicht, wodurch die Störeffekte während der Laserprozessierung signifikant reduziert werden und dadurch die erzielte Schnittqualität verbessert wird.
Auch wenn die einzelnen Verfahrensschritte vorstehend für das bessere Ver ständnis in einer festen Reihenfolge beschrieben wurden, ist es für den Fach mann ersichtlich, dass einzelne Schritte auch in abweichender Reihfolge erfol gen können. Beispielsweise kann zuerst die Flüssigkeitsströmung innerhalb des Innenraumes der Prozesskammer erzeugt werden und erst danach die Fokus sierung der gepulsten Laserstrahlung auf eine Oberfläche des Werkstückes er folgen.
Auch wenn die vorliegende Erfindung insbesondere im Zusammenhang mit ei nem Laserschneidprozess erläutert wurde, ist es für den Fachmann ersichtlich, dass die Erfindung auch bei anderen Laserbearbeitungsprozessen eingesetzt werden kann. Insbesondere findet die vorliegende Erfindung auch Anwendung bei der Laserstrukturierung von Oberflächen in Flüssigkeit unter Verwendung gepulster Laserstrahlung.
Die vorliegende Erfindung weist ferner die nachfolgenden Aspekte auf:
1. System für die Laserbearbeitung von Werkstücken in Flüssigkeit, mit einer Laserstrahlquelle zur Erzeugung gepulster Laserstrahlung; einer Fokussiereinheit zur Fokussierung der Laserstrahlung auf ein Werkstück; einer Prozesskammer zur Aufnahme eines Werkstückes, wobei die Pro zesskammer Folgendes aufweist: eine erste Seite mit einem transparenten Prozessfenster zum Durchlässen der Laserstrahlung; eine zweite Seite, die gegenüber der ersten Seite angeordnet ist; eine Kammerwand, die einen Innenraum der Prozesskammer umgibt; und einen Strömungsgenerator zur Erzeugung einer Strömung inner halb des Innenraumes der Prozesskammer, wobei der Strömungs generator eine erste Strömungsgeneratoreinheit zur Erzeugung ei ner ersten Strömung entlang einer ersten Strömungsachse und eine zweite Strömungsgeneratoreinheit zur Erzeugung einer zwei ten Strömung entlang einer zweiten Strömungsachse aufweist; so wie einer Positioniereinheit zur Einstellung der Position der Laserstrahlung auf dem Werkstück. System nach Aspekt 1, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Strö mungsachse und die zweite Strömungsachse gemeinsam einen Winkel von 80° bis 100°, bevorzugt zwischen 85° und 95° und besonders bevorzugt 90° bilden. System nach Aspekt 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Strömungsgeneratoreinheit oder die zweite Strömungsgeneratoreinheit eine Säugpumpe und/oder eine Druckpumpe aufweist. System nach einem der vorherigen Aspekte, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Strömungsgeneratoreinheit oder die zweite Strömungsgenera toreinheit eine Säugpumpe und eine Druckpumpe aufweist, wobei die Säugpumpe an einer der Druckpumpe gegenüberliegenden Seite des In nenraumes der Prozesskammer angeordnet ist und insbesondere dazu ausgelegt ist, Flüssigkeit aus dem Innenraum der Prozesskammer mit der gleichen Geschwindigkeit auszuführen, wie diese mit der Druckpumpe ein geführt wird. 5. System nach einem der vorherigen Aspekte, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Seite der Prozesskammer offen ausgebildet ist.
6. System nach Aspekt 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Prozesskammer eine an der zweiten Seite angeordnete Verschlussklappe aufweist, die dazu ausgelegt ist, die Prozesskammer von einem offenen Zustand in einen ge schlossenen Zustand zu überführen.
7. System nach einem der Aspekte 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Seite der Prozesskammer geschlossen ausgebildet ist.
8. System nach einem der vorherigen Aspekte, dadurch gekennzeichnet, dass die Positioniereinheit zur Einstellung der Position der Laserstrahlung auf dem Werkstück einen Laser-Scanner zur Ablenkung der Laserstrahlung und/oder einen Positioniertisch zur Positionierung des Werkstückes auf weist, wobei der Positioniertisch insbesondere dazu ausgelegt ist, das Werkstück in einer horizontalen Ebene und zusätzlich in einer vertikalen Richtung zu positionieren.
9. System nach einem der vorherigen Aspekte, dadurch gekennzeichnet, dass die Fokussiereinheit eine Fokussierlinse, ein Mikroskopobjektiv und/oder einen Konkavspiegel aufweist.
10. System nach einem der vorherigen Aspekte, dadurch gekennzeichnet, dass die Prozesskammer eine Gaszufuhreinrichtung und/oder durch eine Gasab fuhreinrichtung aufweist.
11. System nach einem der vorherigen Aspekte, dadurch gekennzeichnet, dass die Laserstrahlquelle zur Erzeugung einer gepulsten Laserstrahlung mit ei ner Pulsdauer von 10 fs bis 300 ps, bevorzugt von 100 fs bis 200 ps aus gelegt ist. System nach einem der vorherigen Aspekte, gekennzeichnet durch einen räumlichen Lichtmodulator oder ein diffraktives optisches Element, wobei der räumliche Lichtmodulator oder das diffraktive optische Element dazu ausgelegt ist, mehrere Laserstrahlen zur parallelen Laserbearbeitung eines Werkstückes bereitzustellen. System nach einem der vorherigen Aspekte, gekennzeichnet durch ein Ka merasystem, das dazu ausgelegt ist, Aufnahmen von dem Innenraum der Prozesskammer zu erstellen. Verfahren zur Laserbearbeitung von Werkstücken in Flüssigkeit, wobei das Verfahren die nachfolgenden Schritte aufweist:
Bereitstellen eines Werkstückes in einem Innenraum einer Prozess kammer;
Befüllen des Innenraumes der Prozesskammer mit einer Flüssigkeit; Fokussierung einer gepulsten Laserstrahlung auf eine Oberfläche des Werkstückes unter Verwendung einer Fokussiereinheit;
Erzeugung einer relativen Bewegung der fokussierten Laserstrahlung auf der Werkstückoberfläche unter Verwendung einer Positionierein heit;
Erzeugung einer Flüssigkeitsströmung innerhalb des Innenraumes der Prozesskammer unter Verwendung eines Strömungsgenerators; Einstellen einer Strömungsrichtung der Flüssigkeitsströmung in Abhän gigkeit von der relativen Bewegungsrichtung der fokussierten Laser strahlung auf der Oberfläche des Werkstückes. Verfahren nach Aspekt 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Einstellen der Strömungsrichtung das Einstellen einer Strömungsrichtung aufweist, die orthogonal zu der relativen Bewegungsrichtung der Laserstrahlung auf der Werkstückoberfläche ausgerichtet ist. Verfahren nach Aspekt 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, dass die re lative Bewegung der fokussierten Laserstrahlung entlang der Oberfläche des Werkstückes mit einer Geschwindigkeit von 0,6 bis 1,4 mm/s, insbe sondere 0,8 bis 1,2 mm/s und besonders bevorzugt 1 mm/s erfolgt. Verfahren nach einem der Aspekte 14 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Strömungsgeschwindigkeit 1 bis 10 m/s, insbesondere 4 bis 6 m/s und besonders bevorzugt 5 m/s beträgt. Verfahren nach einem der Aspekte 14 bis 17, ferner gekennzeichnet durch die nachfolgenden Schritte: - Erkennung der Richtung der relativen Bewegung der Laserstrahlung unter Verwendung eines Kamerasystems; und
Einstellen einer Strömungsrichtung orthogonal zu der erkannten Rich tung der relativen Bewegung der Laserstrahlung.
BEZUGSZEICHENLISTE Laserbearbeitungssystem Laserstrahlquelle Laserstrahlung Positioniereinheit Fokussiereinheit Prozesskammer a Innenraum der Prozesskammer Werkstück a Werkstückoberfläche erste Seite der Prozesskammer zweite Seite der Prozesskammer Prozessfenster Kammerwand Partikelwolke Strömungsgeneratoreinheit Flüssigkeitseinlasskanal Flüssigkeitsauslasskanal Gaseinlass Positioniertisch Dichtelement Abdeckelement 0 erfindungsgemäßes Verfahren für die Laserbearbeitung eines Werkstückes in Flüssigkeit 0 erster Verfahrensschritt 0 zweiter Verfahrensschritt 0 dritter Verfahrensschritt 0 vierter Verfahrensschritt 0 fünfter Verfahrensschritt 0 sechster Verfahrensschritt

Claims

ANSPRÜCHE
1. System (10) für die materialabtragende Laserbearbeitung von Werkstü cken (22) in Flüssigkeit, mit einer Laserstrahlquelle (12) zur Erzeugung gepulster Laserstrahlung (14); einer Fokussiereinheit (14) zur Fokussierung der Laserstrahlung auf ein Werkstück (22); einer Prozesskammer (20) zur Aufnahme eines Werkstückes (22), wo bei die Prozesskammer (20) Folgendes aufweist: eine erste Seite (24) mit einem transparenten Prozessfenster (28) zum Durchlässen der Laserstrahlung (14); eine zweite Seite (26), die gegenüber der ersten Seite (24) ange ordnet ist; eine Kammerwand (30), die einen Innenraum (20a) der Prozess kammer (20) umgibt; und einen Strömungsgenerator zur Erzeugung einer Strömung inner halb des Innenraumes (20a) der Prozesskammer (20), wobei der Strömungsgenerator eine erste Strömungsgeneratoreinheit (32) zur Erzeugung einer ersten Strömung entlang einer ersten Strö mungsachse und eine zweite Strömungsgeneratoreinheit (32) zur Erzeugung einer zweiten Strömung entlang einer zweiten Strö mungsachse aufweist; sowie einer Positioniereinheit (16) zur Einstellung der Position der Laser strahlung (14) auf dem Werkstück (22).
2. System (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Strömungsachse und die zweite Strömungsachse gemeinsam einen Winkel von 80° bis 100°, bevorzugt zwischen 85° und 95° und besonders bevor zugt 90° bilden.
3. System (10) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Strömungsgeneratoreinheit (32) oder die zweite Strömungsgenera toreinheit (32) eine Säugpumpe und/oder eine Druckpumpe aufweist.
4. System (10) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeich net, dass die erste Strömungsgeneratoreinheit (32) oder die zweite Strö mungsgeneratoreinheit (32) eine Säugpumpe und eine Druckpumpe auf weist, wobei die Säugpumpe an einer der Druckpumpe gegenüberliegen den Seite des Innenraumes (20a) der Prozesskammer (20) angeordnet ist und insbesondere dazu ausgelegt ist, Flüssigkeit aus dem Innenraum (20a) der Prozesskammer (20) mit der gleichen Geschwindigkeit auszuführen, wie diese mit der Druckpumpe eingeführt wird.
5. System (10) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeich net, dass die zweite Seite (26) der Prozesskammer (20) offen ausgebildet ist.
6. System (10) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Prozess kammer (20) eine an der zweiten Seite (26) angeordnete Verschlussklappe aufweist, die dazu ausgelegt ist, die Prozesskammer (20) von einem offe nen Zustand in einen geschlossenen Zustand zu überführen.
7. System (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Seite (26) der Prozesskammer (20) geschlossen ausgebil det ist.
8. System (10) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeich net, dass die Positioniereinheit (16) zur Einstellung der Position der Laser strahlung (14) auf dem Werkstück (22) einen Laser-Scanner zur Ablenkung der Laserstrahlung (14) und/oder einen Positioniertisch (40) zur Positio nierung des Werkstückes (22) aufweist, wobei der Positioniertisch (40) ins besondere dazu ausgelegt ist, das Werkstück (22) in einer horizontalen Ebene und zusätzlich in einer vertikalen Richtung zu positionieren.
9. System (10) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeich net, dass die Fokussiereinheit eine Fokussierlinse, ein Mikroskopobjektiv und/oder einen Konkavspiegel aufweist.
10. System (10) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeich net, dass die Prozesskammer (20) eine Gaszufuhreinrichtung und/oder durch eine Gasabfuhreinrichtung aufweist.
11. System (10) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeich net, dass die Laserstrahlquelle (12) zur Erzeugung einer gepulsten Laser strahlung (14) mit einer Pulsdauer von 10 fs bis 300 ps, bevorzugt von 100 fs bis 200 ps ausgelegt ist.
12. System (10) nach einem der vorherigen Ansprüche, gekennzeichnet durch einen räumlichen Lichtmodulator oder ein diffraktives optisches Element, wobei der räumliche Lichtmodulator oder das diffraktive optische Element dazu ausgelegt ist, mehrere Laserstrahlen (14) zur parallelen Laserbear beitung eines Werkstückes (22) bereitzustellen.
13. System (10) nach einem der vorherigen Ansprüche, gekennzeichnet durch ein Kamerasystem, das dazu ausgelegt ist, Aufnahmen von dem Innen raum (20a) der Prozesskammer (20) zu erstellen.
14. Verfahren (100) zur materialabtragenden Laserbearbeitung von Werkstü cken (22) in Flüssigkeit, wobei das Verfahren (100) die nachfolgenden Schritte aufweist:
Bereitstellen (110) eines Werkstückes (22) in einem Innenraum (20a) einer Prozesskammer (20);
Befüllen (120) des Innenraumes (20a) der Prozesskammer (20) mit einer Flüssigkeit;
Fokussierung (130) einer gepulsten Laserstrahlung (14) auf eine Ober fläche des Werkstückes (22a) unter Verwendung einer Fokussiereinheit (18); Erzeugung (140) einer relativen Bewegung der fokussierten Laser strahlung (14) auf der Werkstückoberfläche (22a) unter Verwendung einer Positioniereinheit (16);
Erzeugung (150) einer Flüssigkeitsströmung innerhalb des Innenrau mes (20a) der Prozesskammer (20) unter Verwendung eines Strö mungsgenerators;
Einstellen (160) einer Strömungsrichtung der Flüssigkeitsströmung in Abhängigkeit von der relativen Bewegungsrichtung der fokussierten Laserstrahlung (14) auf der Oberfläche des Werkstückes (22a).
15. Verfahren (100) nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Ein stellen der Strömungsrichtung das Einstellen einer Strömungsrichtung auf weist, die orthogonal zu der relativen Bewegungsrichtung der Laserstrah lung (14) auf der Werkstückoberfläche (22a) ausgerichtet ist.
16. Verfahren (100) nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, dass die relative Bewegung der fokussierten Laserstrahlung (14) entlang der Oberfläche des Werkstückes (22a) mit einer Geschwindigkeit von 0,6 bis 1,4 mm/s, insbesondere 0,8 bis 1,2 mm/s und besonders bevorzugt 1 mm/s erfolgt.
17. Verfahren (100) nach einem der Ansprüche 14 bis 16, dadurch gekenn zeichnet, dass die Strömungsgeschwindigkeit 1 bis 10 m/s, insbesondere 4 bis 6 m/s und besonders bevorzugt 5 m/s beträgt.
18. Verfahren (100) nach einem der Ansprüche 14 bis 17, ferner gekennzeich net durch die nachfolgenden Schritte:
Erkennung der Richtung der relativen Bewegung der Laserstrahlung (14) unter Verwendung eines Kamerasystems; und Einstellen einer Strömungsrichtung orthogonal zu der erkannten Rich tung der relativen Bewegung der Laserstrahlung (14).
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