ES2879824T3 - Procedimiento para la estructuración de un rodillo mediante ablación por láser - Google Patents
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Abstract
Procedimiento para la estructuración de un rodillo (22) mediante ablación por láser, - en el que se dirigen pulsos láser con un sistema óptico (26) sobre la superficie de un rodillo (22) que se debe estructurar, de tal modo que el rodillo (22) se estructura mediante ablación por láser en campos de procesamiento (42, 44, 48, 50) expuestos por los pulsos láser, con un elemento óptico (28) que es un elemento óptico difractivo o un modulador espacial de la luz que modifica el patrón de intensidad espacial de un pulso láser, caracterizado - por que se amplía el campo de procesamiento (42, 44, 48, 50) expuesto por el pulso láser en la superficie del rodillo (22) en función de la potencia media máxima Pm de la fuente láser y/o se adapta de tal modo que resulte la fluencia de ablación óptima Φ0 dependiente del material y de la longitud del pulso, y se ajusta el tamaño del campo de procesamiento expuesto (42, 44, 48, 50) en función de una fracción de ablación a que indica la parte de la estructura que se ha de erosionar.
Description
DESCRIPCIÓN
Procedimiento para la estructuración de un rodillo mediante ablación por láser
La invención se refiere a un procedimiento para estructurar un rodillo mediante ablación por láser, en particular utilizando el equipo mencionado, en el que se dirigen pulsos láser con un sistema óptico sobre la superficie de un rodillo que se debe estructurar, de tal modo que el rodillo se estructura mediante ablación por láser en campos de procesamiento, expuestos por los pulsos láser, con un elemento óptico que es un elemento óptico difractivo o un modulador espacial de la luz que modifica el patrón de intensidad espacial de un pulso láser.
Para la fabricación de productos planos como, por ejemplo, chapas de acero con superficies estructuradas (texturizadas), se utilizan en el estado de la técnica los llamados rodillos de acabado, que presentan una superficie estructurada. Esta superficie estructurada se transfiere al producto laminado durante el laminado, dando lugar a la correspondiente estructuración superficial.
Por el estado de la técnica se conocen diferentes procedimientos para proveer rodillos como los rodillos acabadores anteriormente mencionados de una estructura superficial adecuada. Estos procedimientos se dividen generalmente en procedimientos para la fabricación de estructuras superficiales deterministas y procedimientos para la fabricación de estructuras superficiales estocásticas.
Uno de los procedimientos utilizados para generar estructuras superficiales estocásticas es el procedimiento de granallado, en el que se lanzan granos angulares de fundición fría sobre la superficie de rodillo que se quiere estructurar del rodillo en rotación. La estructura de rugosidad generada de este modo se corresponde con una distribución estocástica de deformaciones plásticas individuales que se funden unas con otras en forma de cordillera. Sin embargo, la reproducibilidad del procedimiento de granallado es insuficiente debido a un rango de dispersión excesivamente grande de los parámetros del procedimiento.
Otro procedimiento para la generación de láminas finas texturizadas con estructura superficial estocástica se conoce por la publicación "Stahl und Eisen" 118 (1998) N° 3, páginas 75-80. A este respecto, el rodillo utilizado para estructurar las chapas finas se recubre con un sistema multicapa de cromo resistente al desgaste en un sistema de reactor cerrado. La estructura de la rugosidad de este sistema multicapa de cromo se caracteriza por una distribución estocástica relativamente uniforme de semiesferas de diferentes tamaños, que se transfieren a la chapa fina en forma de las correspondientes cúpulas durante la laminación de acabado.
Otro procedimiento para generar productos planos estructurados, en particular chapas finas con una estructura superficial estocástica, se conoce por el documento EP 2 006 037 B1. A este respecto, el rodillo utilizado para estructurar las chapas finas se estructura mediante la erosión por chispa (Electro Discharge Texturing, EDT). En este procedimiento, la superficie del rodillo se vuelve áspera por la erosión de la chispa. Para ello, el rodillo de trabajo pasa por unos electrodos que vibran lateralmente en un tanque que contiene un dieléctrico (por ejemplo, aceite). Se aplica una tensión definida entre los electrodos y el rodillo durante un corto periodo de tiempo, si es necesario, periódicamente. A este respecto, los portadores de carga (iones) son acelerados fuera de un electrolito hacia la superficie del rodillo a través del canal de erosión por chispa. Cuando chocan con la superficie del rodillo, liberan en ella material de rodillo y generan una depresión. En este tipo de estructuración de rodillos, la rotación del rodillo sirve como eje de desviación rápida. La estructuración determinista no es posible con una instalación EDT de este tipo, ya que en este sentido se trata de un proceso de erosión por chispa estocástico.
Otro procedimiento para estructurar la superficie de un rodillo se conoce por el documento CN 101642778 B.
Por el estado de la técnica del documento DE 102012 017703 A1, se conoce un procedimiento mediante el cual se pueden estructurar de forma determinista rodillos de acabado. En este sentido, la estructura deseada se crea en el rodillo acabador por medio de la radiación láser pulsada. Con este fin, un rayo láser enfocado, cuyo diámetro en la superficie se corresponde con el tamaño de la estructura, se mueve sobre el rodillo giratorio. La rotación del rodillo suele ser en este sentido el eje de desviación rápida y el movimiento transversal del rayo láser, es decir, el movimiento en la dirección del eje de rodillo, el eje de desviación lenta, de tal modo que el rayo láser explora la superficie del rodillo prácticamente con forma de espiral.
Además, por el estado de la técnica EP 2689883 A1, que constituye la base del preámbulo de la reivindicación 1, se conocen un equipo y un procedimiento genérico para estructurar un rodillo mediante ablación por láser, en el que se dirigen pulsos láser con un sistema óptico sobre la superficie de un rodillo que se debe estructurar, de tal modo que el rodillo se estructura mediante ablación por láser en campos de procesamiento, expuestos por los pulsos láser, con un elemento óptico que es un elemento óptico difractivo o un modulador espacial de la luz que modifica el patrón de intensidad espacial de un pulso láser.
En la superficie expuesta por un pulso láser, la alta intensidad del pulso provoca una ablación local de material, caracterizada por el diámetro y la profundidad de ablación. La emisión de los pulsos láser puede ser activada o desactivada de forma predefinida por un sistema de regulación durante el escaneo del rodillo, de tal modo que
básicamente se puede generar cualquier estructura en el rodillo con este procedimiento.
La energía transferida por área a la superficie del rodillo por el rayo láser o el pulso láser se denomina fluencia y suele expresarse en J//cm2 A partir de estudios fundamentales, se puede determinar una energía óptima por unidad de superficie (fluencia) para cada material de rodillo, que se denomina fluencia de ablación óptima O0. La fluencia de ablación óptima Oo depende del material y la longitud de pulso. Con esta fluencia de ablación óptima Oo se consigue la tasa de ablación más alta por potencia aplicada (B. Lauer, B. Neuenschwander, B. Jaeggi, M. Schmid, "From fs-ns: Influance of he pulse duration onto the material removal rate and machining quality for metals", ICALEO 2013, Paper M309 (2013)).
En el estado de la técnica, solo se escanea un punto láser sobre el rodillo. La potencia media aplicada del láser sobre la superficie del rodillo se obtiene a partir de la siguiente ecuación:
P m = Eif - f r e p -®0 =-2 -frep -®0. (1)
siendo frep la tasa de repetición de los pulsos láser, wo, el radio del área de la superficie del rodillo expuesta por un pulso láser, y siendo A, por lo tanto, el área expuesta por un pulso láser. El área de la superficie de rodillo que se expone o puede exponerse con un pulso láser se denomina generalmente campo de procesamiento del pulso láser en cuestión.
El tiempo de procesamiento tw necesario para la exposición de una gran área Aw como, por ejemplo, toda la superficie de un rodillo, se puede calcular del siguiente modo:
A
tW w (2)
' f re p
Como muestran las ecuaciones (1) y (2), el tiempo de procesamiento tw, si se utiliza una alta potencia media Pm, se puede acortar mediante correspondiente ampliación de la tasa de repetición frep o del área expuesta A.
En los procedimientos conocidos que utilizan rayos láser pulsados para estructurar rodillos, se utilizan puntos elípticos o rectangulares y, por tanto, campos de procesamiento elípticos o rectangulares. Para generar determinadas estructuras en la superficie del rodillo, el punto se mueve sistemáticamente sobre la superficie. El diámetro máximo o la longitud lateral máxima del punto se determina por la distancia más pequeña entre dos elementos estructurales que se van a generar sobre la superficie del rodillo. Por lo tanto, el tamaño del punto, es decir, el área A expuesta por un pulso láser, no puede aumentarse de forma arbitraria, ya que, de lo contrario, no se puede alcanzar la resolución requerida para las estructuras que se han a fabricar.
En el estado de la técnica, de forma similar al desarrollo de los láseres de onda continua, se está poniendo de manifiesto que, también en el caso de los láseres pulsados, las potencias medias Pm, originalmente bajas pueden incrementarse de solo pocos 10 W a varios 100 W. Solo referido a la potencia media Pm, se crean básicamente las condiciones para estructurar rodillos acabadores con una superficie de varios m2 en poco tiempo.
Sin embargo, se ha comprobado que el tiempo de procesamiento tw con láseres pulsados no puede reducirse notablemente con los procedimientos conocidos a pesar de un aumento alcanzado de la potencia media máxima Pw a varios 100 W, ya que el aumento de frep y A necesario para ello se ve limitado actualmente por las siguientes razones.
Por un lado, a altas tasas de repetición frep (en particular en el rango de MHz), los pulsos individuales ya no pueden ser conmutados debido limitaciones técnicas de regulación. Sin embargo, para garantizar una estructuración lo más rápida posible con patrones complicados, la emisión de pulsos láser individuales debe ser controlada, es decir, debe ser posible activar o desactivar la emisión entre dos pulsos, de tal modo que, por ejemplo, solo uno de cada dos pulsos láser llegue a la superficie del rodillo para generar una determinada estructura en la superficie del rodillo.
Si esta conmutación no se realiza con la suficiente precisión, la posición meta de la ablación se desvía de la posición real en la superficie del rodillo. A ello se añade que es posible que haya que colocar varios pulsos láser en un mismo punto de la superficie del rodillo para conseguir una profundidad de ablación suficiente. Por lo tanto, a altas tasas de repetición, ya no se puede garantizar la precisión de la estructura.
Además, dado que la rotación del rodillo se utiliza normalmente como eje de desviación rápida, la tasa de repetición del láser debe ajustarse a la velocidad de rotación del rodillo para poder escanear la superficie con los pulsos láser individuales. Sin embargo, a altas tasas de repetición, debido a las limitaciones mecánicas, no se puede alcanzar la velocidad de desviación requerida del rodillo para garantizar el correspondiente espaciado de los pulsos, es decir, las distancias de los campos de procesamiento expuestos por dos pulsos sucesivos en la superficie del rodillo.
Con una frecuencia de repetición frep de 1 MHz e intervalos de pulso a pulso de 30 pm, la superficie del rodillo tendría que desviarse a 30 m/s. Debido a las grandes dimensiones geométricas y, por tanto, a las grandes masas, la rotación
de los rodillos no puede realizarse a cualquier velocidad. Esta está limitada a unas 8 revoluciones por segundo (r/s), lo que se traduce en una velocidad de superficie y, por tanto, una velocidad de desviación, de un máximo de 11 m/s para un diámetro de rodillo de unos 0,45 m.
Ni siquiera mediante el escaneado transversal del rodillo por medio del sistema óptico, se elevan significativamente las velocidades de desviación. Así, la velocidad de desviación de los sistemas mecánicos de escaneado, como los escáneres galvométricos o los escáneres poligonales, etc., está limitada por razones mecánicas. Con este sistema, la inercia de las piezas móviles es decisiva para la velocidad máxima de desviación. Por ejemplo, a altas aceleraciones, los espejos de los escáneres galvométricos se deforman, lo que afecta en gran medida a la desviación del punto láser en la superficie del rodillo. Los sistemas electro-ópticos y acústico-ópticos (KTN, AOD, etc.) no son adecuados para altas tasas de repetición y altas energías de pico de los pulsos láser. En el presente documento, se entiende por escaneado el desplazamiento sucesivo de la posición del campo de procesamiento. Por consiguiente, se entiende que los escáneres o sistemas de escaneado son sistemas con los que se hace posible dicho escaneado, es decir, un desplazamiento de la posición del campo de procesamiento en la superficie del rodillo.
Para permitir un menor tiempo de procesamiento tw del área Aw a pesar de la limitación de la frecuencia de repetición frep, alternativamente podría ampliarse el campo de procesamiento expuesto por un pulso de luz. Sin embargo, para aplicar estructuras deterministas especiales al rodillo, el tamaño del punto, es decir, el diámetro del rayo láser enfocado en la superficie, no puede aumentarse arbitrariamente. La distancia más pequeña entre dos elementos estructurales de la superficie determina en este sentido el diámetro máximo del punto. Por ejemplo, si la distancia más pequeña entre dos elementos estructurales es de 30 pm, el punto láser en la superficie puede presentar un diámetro máximo de 30 pm. En consecuencia, solo se puede procesar un pequeño campo de procesamiento en la superficie del rodillo con un pulso de láser, de tal modo que el área A del campo de procesamiento por pulso de luz es limitada.
En los procedimientos conocidos por el estado de la técnica, el láser se desactiva cuando en campos de procesamiento en los que no hay que realizar ablación y no se utiliza la energía disponible para los correspondientes pulsos láser. De esta manera se reduce adicionalmente la tasa de repetición efectiva f ^ . La tasa de repetición efectiva describe el número de pulsos láser por unidad de tiempo que realmente llegan a la superficie del rodillo. Esta es, como máximo, tan grande como la tasa de repetición frep de los pulsos láser, pero normalmente es menor debido a la omisión de pulsos láser correspondientemente a la estructura que se va a aplicar.
Debido a las limitaciones descritas anteriormente, con los procedimientos actualmente conocidos, no puede utilizarse la potencia media máxima Pm del láser.
Con estos antecedentes, se plantea el objetivo de proporcionar un equipo y un procedimiento para la estructuración de un rodillo mediante ablación por láser con los que se reduzca el tiempo de procesamiento twy se pueda aprovechar mejor la potencia media máxima Pm del láser.
Este objetivo se consigue mediante las características de la reivindicación 1.
Para ello, el elemento óptico es apropiado para ajustar el campo de procesamiento expuesto por el pulso láser en la superficie del rodillo en función de la modificación del patrón de intensidad espacial del pulso láser. Por ejemplo, si el patrón de intensidad espacial de un pulso láser se modifica de tal manera que el pulso láser presenta una región de baja intensidad, el campo de procesamiento expuesto puede aumentarse en consecuencia, por ejemplo, esencialmente al área expuesta por esta región de menor intensidad en la superficie del rodillo.
De acuerdo con la invención, el elemento óptico está concebido para modificar el patrón de intensidad espacial de un pulso láser y para ampliar y/o ajustar el campo de procesamiento expuesto por el pulso láser en la superficie del rodillo en función de la potencia media máxima Pm de tal manera que se obtenga la fluencia de ablación óptima Oo.
El dispositivo de alojamiento del rodillo está configurado preferentemente como dispositivo giratorio y concebido para hacer rotar el rodillo. Para ello, el dispositivo de alojamiento de rodillo presenta preferentemente un cojinete para el montaje giratorio del eje del rodillo y un accionamiento rotativo para accionar el rodillo.
La fuente láser es preferentemente una fuente láser de pulso corto o una fuente láser de pulso ultracorto. En particular, la fuente láser está concebida para generar pulsos láser que sean adecuados para la ablación por láser de una superficie de rodillo. Por ejemplo, puede utilizarse como fuente láser un láser de fibra pulsada con una potencia media máxima de 500 W y una frecuencia de repetición de pulsos de unos 100 kHz con una duración de pulso de unos 1 ps con una longitud de onda de unos 1070 nm.
Preferentemente, el sistema óptico presenta un sistema óptimo de imagen con el que se pueden visualizar los pulsos láser generados por la fuente láser sobre la superficie de un rodillo alojado en el dispositivo de alojamiento de rodillo.
El elemento óptico está concebido para modificar el patrón de intensidad espacial de un pulso láser. Se entiende por patrón de intensidad espacial de un pulso láser la distribución de intensidad del pulso láser transversalmente a la
dirección de propagación del pulso láser. Modificando el patrón de intensidad espacial del pulso láser, se consigue así que el campo de procesamiento en la superficie del rodillo expuesta por el pulso láser sea solicitado con una distribución de intensidad del pulso láser. En particular, el patrón de intensidad espacial del pulso láser puede modificarse de tal forma que el patrón de intensidad presente una región espacial de alta intensidad, de tal forma que la ablación por láser se produzca en la correspondiente región del campo de procesamiento expuesto, y de tal forma que el patrón de intensidad presente una región espacial de menor intensidad de tal forma que no se produzca ablación por láser en la correspondiente región del campo de procesamiento expuesto. Preferentemente, el patrón de intensidad modificado por el elemento óptico presenta al menos una región de menor intensidad rodeada por una región de alta intensidad, es decir, un mínimo de intensidad interior.
El elemento óptico está concebido preferentemente para imprimir un patrón de intensidad predeterminado a un pulso láser.
El elemento óptico está concebido además para modificar, en particular para ampliar, el campo de procesamiento expuesto por el pulso láser en la superficie del rodillo. Preferentemente, el elemento óptico está concebido en particular para ampliar y/o adaptar el campo de procesamiento expuesto por el pulso láser en la superficie del rodillo en función de la potencia media máxima Pm de tal forma que se obtenga la fluencia de ablación óptima Oo. De este modo, con una frecuencia de repetición frep determinada, en particular técnicamente controlable, puede acortarse el tiempo de procesamiento tw, de tal modo que la superficie de rodillo puede estructurarse en un tiempo más corto. El tamaño del campo de procesamiento puede adaptarse mediante agentes auxiliares. Se entiende que el campo de procesamiento es el área de la superficie del rodillo que está expuesta o puede ser expuesta con un pulso de luz. Por modificación del campo de procesamiento se entiende que el área del campo de procesamiento en la superficie del rodillo presenta un tamaño diferente al que tendría sin el elemento óptico en cuestión. Por consiguiente, se entiende que una ampliación del campo de procesamiento significa que el área del campo de procesamiento en la superficie del rodillo es mayor de lo que sería sin el elemento óptico en cuestión. Con este fin, el elemento óptico puede concebirse en particular para expandir el pulso láser transversalmente a la dirección de propagación.
Se ha comprobado que, al preverse el elemento óptico descrito, se puede conseguir una estructuración espacial del pulso láser que permite ampliar el campo de procesamiento expuesto por el pulso láser sin perjudicar la resolución de la estructuración que se ha de aplicar a la superficie del rodillo. Además, se ha comprobado que, al ampliar el campo de procesamiento expuesto con el pulso láser, la potencia láser media máxima de la fuente láser también se puede aprovechar mejor, ya que la potencia disponible se puede distribuir en un área mayor.
En particular, con una frecuencia de repetición técnicamente controlable frep, el campo de procesamiento expuesto del pulso láser puede adaptarse hasta tal punto que puede aprovecharse la potencia media máxima del láser con sistemas ópticos disponibles en el mercado, en particular sistemas de escaneado. Idealmente, el patrón de intensidad del pulso láser puede ser modificado para lograr esencialmente la fluencia de ablación óptima Oo para la ablación en las regiones en las que se va a llevar a cabo la ablación láser.
Con el equipo descrito, se puede hacer un tratamiento óptimo de la superficie del rodillo. Esto se refiere tanto al tiempo de procesamiento en función de la potencia del láser como a la distribución de la intensidad en los respectivos campos de procesamiento expuestos para generar la geometría meta deseada y su precisión.
En particular, el campo de procesamiento expuesto por el pulso láser en la superficie del rodillo se adapta con el elemento óptico en función de la modificación del patrón de intensidad espacial del pulso láser. Por ejemplo, si el patrón de intensidad espacial de un pulso láser se modifica de tal manera que el pulso láser presenta una región de baja intensidad, el campo de procesamiento expuesto puede aumentarse en consecuencia, por ejemplo, esencialmente al área expuesta por esta región de menor intensidad en la superficie del rodillo.
De acuerdo con la invención, el elemento óptico se utiliza para modificar el patrón de intensidad espacial de un pulso láser y para ampliar y/o ajustar el campo de procesamiento expuesto por el pulso láser en la superficie del rodillo en función de la potencia media máxima Pm de tal manera que se obtenga la fluencia de ablación óptima Oo.
A continuación, se describen diferentes formas de realización del equipo, así como del procedimiento, pudiendo combinarse los ejemplos de realización individuales de manera discrecional entre sí y siendo aplicables tanto al equipo como al procedimiento.
De acuerdo con la invención, el elemento óptico es un elemento óptico difractivo o un modulador espacial de la luz. Los elementos ópticos difractivos y los moduladores espaciales de luz han demostrado ser adecuados para proporcionar un pulso láser con un patrón de intensidad espacial deseado. Con estos elementos, el rayo láser puede moldearse para generar la geometría estructural deseada en el campo de procesamiento.
Como elementos ópticos difractivos (EOD), entran en consideración en particular sustratos de vidrio sobre los que se depositan microestructuras mediante fotolitografía. En ellos, al igual que en una lente, se producen modulaciones de fase debido a las diferentes longitudes de recorrido óptico de los haces parciales, lo que da lugar a patrones de interferencia. Adicionalmente, la amplitud se modula por superposición constructiva y destructiva. Así, los patrones de
intensidad de un rayo láser pueden manipularse mediante un diseño inteligente. Los EOD pueden servir para dos propósitos: Pueden dar forma a un haz láser (en inglés: beam shaping) o dividirlo en varios haces parciales (en inglés: beam splitting). La microestructura en el EOD puede moldear el haz mediante el índice de refracción o mediante modulación de la altura. Con buenos componentes, se alcanzan a este respecto grados de eficiencia del 80-99 % y grados de transmisión del 95-99 %. Si el EOD es irradiado con un pulso láser, la estructura deseada se produce en el área expuesta con el pulso láser, es decir, en el respectivo campo de procesamiento.
Con un modulador espacial de luz (Spatial Light Modulator, SLM), el frente de onda de un haz de luz puede ajustarse casi de cualquier forma. El modo de funcionamiento de un SLM es similar al de un EOD. Mediante adaptaciones locales de fase, el frente de onda del haz puede controlarse libremente después del SLM. La resolución de la estructura del pulso de luz que puede generarse con un SLM depende solo de la estructura de píxeles del SLM, donde un píxel designa la región más pequeña e independientemente modulable de un rayo láser o pulso láser. Puede encontrarse más información sobre la funcionalidad y el uso de los SLM en las siguientes publicaciones: Z. Kuang et al., "Ultrafast laser parallel microprocessing using high uniformity binary Dammann grating generated beam array", Appl Surf. Sci. (2013), Vol. 273, página 101 y A. Jesacher et al., "Parallel direct laser writing in three dimensions with spatially dependent aberration correction", Optics Express (2010), Vol. 18, página 21090.
En comparación con el EOD, con un SLM puede modificarse en línea el patrón de intensidad de los pulsos láser y, por tanto, la estructura de la intensidad en el área expuesta con el pulso láser, es decir, en el campo de procesamiento. Así, un SLM puede generar cualquier número de estructuras diferentes durante el procesamiento de los rodillos.
En otra forma de realización, el elemento óptico está concebido para modificar el patrón de intensidad espacial de un pulso láser de tal modo que la ablación por láser se produzca solo en un área parcial del campo de procesamiento expuesto por el pulso láser en la superficie del rodillo. En una correspondiente forma de realización del procedimiento, el patrón de intensidad espacial de un pulso láser se modifica de tal modo que la ablación láser tiene lugar solo en un área parcial del campo de procesamiento expuesto por el pulso láser en la superficie del rodillo.
De este modo, es posible generar una subestructura en el campo de procesamiento de la superficie del rodillo expuesta con el pulso láser, siendo menor el tamaño de la estructura de la subestructura que el tamaño del campo de procesamiento. La proporción del área parcial del área total del campo de procesamiento que es expuesta por el pulso láser se denomina en el presente caso fracción de ablación a. Con a=0,3, por ejemplo, el área parcial en la que se produce la ablación por láser ocupa el 30% del campo de procesamiento expuesto por el pulso láser.
En otra forma de realización, el elemento óptico está concebido para ampliar el campo de procesamiento expuesto por el pulso láser en la superficie del rodillo, de tal manera que el campo de procesamiento presenta una extensión mayor en al menos una dirección que el tamaño más pequeño de la estructura que se ha de aplicar a la superficie del rodillo. En una correspondiente forma de realización del procedimiento, el campo de procesamiento expuesto por el pulso láser en la superficie del rodillo se amplía de tal manera que el campo de procesamiento presenta una extensión mayor en al menos una dirección que el tamaño más pequeño de la estructura que se ha de aplicar a la superficie del rodillo.
De este modo, es posible exponer un área A mayor con un pulso láser que con los procedimientos conocido por el estado de la técnica. De esta manera se puede acortar el tiempo de procesamiento tw para un área mayor Aw con una tasa de repetición dada frep.
En otra forma de realización, el elemento óptico está concebido para modificar el patrón de intensidad espacial del pulso láser y para modificar el campo de procesamiento expuesto por el pulso láser en la superficie del rodillo, en particular para adaptarlo en función de la potencia media máxima, de tal manera que la fluencia en el área parcial del campo de procesamiento en la que tiene lugar la ablación por láser se corresponda esencialmente con una fluencia de ablación óptima predeterminada. En una correspondiente forma de realización del procedimiento, se modifica el patrón de intensidad espacial del pulso láser y se modifica el campo de procesamiento expuesto por el pulso láser en la superficie del rodillo, en particular se adapta en función de la potencia media máxima, de tal manera que la fluencia en el área parcial del campo de procesamiento en la que tiene lugar la ablación por láser se corresponda esencialmente con una fluencia de ablación óptima predeterminada. La potencia media máxima es la potencia media máxima de la fuente láser.
De este modo, se puede aprovechar de forma óptima la potencia media máxima de la fuente láser y, al mismo tiempo, se puede mejorar la ablación por láser optimizando la fluencia de ablación. El tamaño óptimo del área expuesta Aopt depende en particular de la proporción de ablación a, de la fluencia de ablación óptima específica del material Oü, de la potencia media del láser Pm y de la tasa de repetición frep. Según la ecuación (1), se cumple:
Aopt (3)
^•^ o •frep
En otra forma de realización, el equipo está concebido para escanear la superficie de un rodillo alojado en el dispositivo de alojamiento de rodillos con pulsos láser generados por la fuente láser, en particular haciendo rotar el rodillo en el
dispositivo de alojamiento y desplazando, en particular moviendo, la posición del campo de procesamiento en la dirección transversal por medio del sistema óptico. En una correspondiente forma de realización del procedimiento, la superficie de un rodillo se escanea con los pulsos láser. Con este fin, en particular, el rodillo puede rotar y la posición del campo de procesamiento puede desplazarse transversalmente, en particular moverse, por medio del sistema óptico. Por ejemplo, para desplazar transversalmente la posición del campo de procesamiento con el sistema óptico, el propio sistema óptico o al menos un elemento del mismo como, por ejemplo, un espejo, puede desplazarse o moverse transversalmente. Alternativamente, un elemento del sistema óptico puede moverse de tal manera que los pulsos láser se desvíen en dirección transversal. Con este fin, el sistema óptico puede presentar, por ejemplo, un espejo giratorio con el que se pueden dirigir los pulsos láser en diferentes direcciones.
Con la forma de realización descrita anteriormente, se puede estructurar paulatinamente toda la superficie del rodillo. Por ejemplo, la rotación del rodillo puede ser en torno al eje de desviación rápida y el desplazamiento transversal de la posición del campo de procesamiento puede ser en torno al eje de desviación lenta, de tal modo que el rayo láser escanea la superficie del rodillo casi en espiral.
En otra forma de realización, el equipo está concebido para escanear la superficie del rodillo de tal manera que los campos de procesamiento expuestos por los pulsos láser individuales son adyacentes entre sí en la superficie del rodillo esencialmente sin espacios y sin superposición. En una correspondiente forma de realización del procedimiento, la superficie del rodillo se escanea de tal manera que los campos de procesamiento expuestos por los pulsos láser individuales son adyacentes entre sí en la superficie del rodillo esencialmente sin espacios y sin superposición.
Gracias a la disposición de los campos de procesamiento, esencialmente sin solapamientos, se consigue un tiempo de procesamiento tw lo más breve posible. Además, se consigue una estructuración uniforme y precisa de la superficie del rodillo gracias a la disposición esencialmente sin huecos de los campos de procesamiento. Por "esencialmente sin huecos" se entiende que el desplazamiento entre los bordes de dos campos de procesamiento adyacentes es como máximo del 10%, preferentemente como máximo del 5%, en particular como máximo del 2% de la extensión de los campos de procesamiento en la dirección del desplazamiento. Por "esencialmente sin solapamiento" se entiende que el solapamiento de dos campos de procesamiento adyacentes es como máximo del 5%, preferentemente como máximo del 2% del área del campo de procesamiento.
En otra forma de realización, el elemento óptico está concebido para modificar el patrón de intensidad espacial de un pulso láser, y el equipo está concebido para escanear la superficie de un rodillo alojado en el dispositivo de alojamiento de rodillos con los pulsos láser de tal manera que se obtenga una estructura predeterminada en la superficie del rodillo. En una correspondiente forma de realización del procedimiento, el patrón de intensidad espacial de un pulso láser se modifica y la superficie del rodillo se escanea con los pulsos láser de tal manera que se obtiene una estructura predeterminada en la superficie del rodillo. Esta estructura es preferentemente una estructura que se extiende más allá de los campos de procesamiento individuales, en particular una estructura predeterminada de toda la superficie del rodillo.
En una forma de realización, el sistema óptico comprende un sistema de compensación de rotación que está concebido para compensar la rotación de un rodillo alojado en el dispositivo de alojamiento de rodillos de tal manera que dos campos de procesamiento en la superficie del rodillo, que son adyacentes entre sí en la dirección transversal, están alineados entre sí en la dirección de rotación. En una correspondiente forma de realización del procedimiento, la rotación de un rodillo alojado en el dispositivo de alojamiento de rodillos se compensa para el sistema óptico de tal manera que dos campos de procesamiento en la superficie del rodillo, que son adyacentes entre sí en la dirección transversal, están alineados entre sí en la dirección de rotación. Por alineación de dos campos de procesamiento en la dirección de rotación se entiende que los campos de procesamiento no presentan esencialmente ningún desplazamiento entre sí en la dirección de rotación, en particular un desplazamiento de como máximo el 5% del tamaño de los campos de procesamiento en la dirección de rotación.
Para este fin, el sistema de compensación de la rotación puede comprender, por ejemplo, un espejo móvil a través del cual se guía el foco del rayo láser junto con el rodillo giratorio mediante una secuencia de impulsos láser, de tal modo que se posibilita la exposición de varios campos de procesamiento contiguos entre sí en la dirección transversal y alineados entre sí en la dirección de rotación.
Alternativamente, el equipo también puede funcionar sin compensación de rotación. En este caso, los campos de procesamiento contiguos entre sí en la dirección transversal presentan un desplazamiento entre sí en la dirección de rotación del rodillo correspondiente a la velocidad de rotación del rodillo.
En otra forma de realización, el sistema óptico está concebido para desplazar la posición de los campos de procesamiento en la superficie del rodillo en la dirección del eje del rodillo, de tal manera que, entre la exposición de un primer campo de procesamiento y la exposición de un segundo campo de procesamiento que está desplazado con respecto al primer campo de procesamiento en la dirección de rotación del rodillo, se expone al menos un tercer campo de procesamiento que está desplazado con respecto al primer campo de procesamiento en la dirección transversal. En una forma de realización del procedimiento, entre la exposición de un primer campo de procesamiento y la exposición de un segundo campo de procesamiento que está desplazado con respecto al primer campo de
procesamiento en la dirección de rotación del rodillo, se expone al menos un tercer campo de procesamiento que está desplazado con respecto al primer campo de procesamiento en la dirección transversal.
A menudo, la rotación del rodillo constituye el eje de desviación rápida y el desplazamiento de la posición del campo de procesamiento en dirección transversal, el eje de desviación lenta, de tal modo que el rayo láser escanea la superficie del rodillo casi en espiral. La velocidad de desviación de la superficie del rodillo causada por la rotación del rodillo puede no ser suficiente para desviar la superficie la longitud lateral del campo de procesamiento con una determinada tasa de repetición frep entre dos pulsos láser. En tal caso, ciertamente puede reducirse la tasa de repetición frep o el campo de procesamiento puede hacerse más pequeño. Sin embargo, si la longitud lateral del campo de procesamiento no se cubre entre dos pulsos con la tasa de repetición mínima del sistema láser, con la que se puede aprovechar la máxima potencia del láser, no se puede utilizar toda la potencia del láser en el proceso de estructuración.
En el ejemplo de realización descrito anteriormente, este problema se resuelve porque, adicionalmente a la rotación, también se produce un desplazamiento rápido en la dirección transversal, de tal modo que los campos de procesamiento contiguos entre sí en la dirección transversal pueden quedar expuestos, en particular hasta el momento en que la superficie del rodillo ha recorrido la longitud lateral del campo de procesamiento en la dirección de rotación. En este punto, puede tener lugar la exposición de un campo de procesamiento adyacente en la dirección de rotación.
Para que el desplazamiento en la dirección transversal sea óptimo, debe alcanzarse efectivamente la velocidad de desviación requerida en la ecuación (4). Por esta razón, el sistema óptico comprende preferentemente un escáner rápido para posicionar el campo de procesamiento expuesto en la superficie del rodillo. La velocidad del escáner no tiene que ser "real", es decir, el desplazamiento de la posición no tiene que producirse realmente a esa velocidad, sino que el desplazamiento deseado debe conseguirse en el tiempo que transcurre entre dos pulsos. En consecuencia, lo decisivo para el desplazamiento no es la velocidad de la trayectoria, sino la posición final del desplazamiento. En este sentido, es irrelevante cómo se alcanza la posición final. El desplazamiento únicamente debe tener lugar en etapas discretas predeterminados, en particular con la distancia la. Preferentemente, el escáner realiza etapas de trabajos consecutivas en las que el escáner desplaza la posición del campo de procesamiento en cada caso en etapas discretas predeterminadas a lo ancho del rodillo. En este caso, con cada etapa de trabajo, queda expuesta en la dirección transversal una franja de la superficie del rodillo. Preferentemente, el escáner se desplaza a las mismas posiciones transversales de campo de procesamiento en cada etapa, de tal modo que los campos de procesamiento de cada franca expuesta estén alineados entre sí.
En una forma de realización adicional, el equipo comprende un control configurado para hacer funcionar el equipo de acuerdo con el procedimiento descrito anteriormente o una de sus formas de realización. Con este fin, el control puede presentar, por ejemplo, un microprocesador y una memoria asociada al mismo, conteniendo la memoria instrucciones cuya realización en el microprocesador hace que se lleve a cabo el procedimiento descrito.
Otras características y ventajas de la invención se desprenden de la siguiente descripción de ejemplos de realización, haciendo referencia al dibujo adjunto.
En el dibujo, muestran
la Figura 1 una representación esquemática de la estructuración de un rodillo acabador por medio de un láser pulsado según un procedimiento del estado de la técnica,
las Figuras 2 a 4 representaciones esquemáticas de la acción o interacción del rayo láser en una sección de material de un rodillo,
la Figura 5 representación esquemática de un ejemplo de realización de un equipo para llevar a cabo el procedimiento de acuerdo con la invención,
las Figuras 6a-c representaciones esquemáticas de campos de procesamiento con diferentes proporciones de ablación expuesto en cada caso por un pulso láser,
las Figuras 7a-b representaciones esquemáticas de dos campos de procesamiento en la superficie de un rodillo expuestos en cada caso por un pulso láser y, en concreto, una vez sin compensación de rotación, y otra vez con compensación de rotación, y
las Figuras 8a-b representaciones esquemáticas de campos de procesamiento expuestos por una secuencia de pulsos láser, una vez sin compensación de rotación y otra vez con compensación de rotación.
La figura 1 muestra una representación esquemática de la estructuración de un rodillo acabador por medio de un láser pulsado según un procedimiento del estado de la técnica.
El rodillo 1 que se ha de estructurar se dispone en un dispositivo de alojamiento de rodillos configurado como
dispositivo giratorio y se hace girar en él. Mientras el rodillo 1 rota rápidamente (eje de desviación rápido), un sistema óptico de imagen 2 de un sistema óptico se mueve transversalmente en la dirección del eje del rodillo a una velocidad relativamente baja (eje de desviación lento). El sistema óptimo de imagen 2 reproduce pulsos láser generados por una fuente láser 14 sobre la superficie del rodillo 1. Debido a la superposición de la rotación del rodillo y el movimiento transversal del sistema óptico de imagen 2, el rayo láser pulsado describe una trayectoria en espiral en la superficie del rodillo (figura 1).
El rayo láser 3 penetra en el material 4 del rodillo 1 hasta una determinada profundidad durante una duración de pulso de aproximadamente 1 ps. El material 4 o material de superficie del rodillo 1 está formado por electrones de banda de conducción libre 5 e iones metálicos positivos 6 (figura 2).
Los electrones 5 son acelerados por el campo electromagnético del rayo láser 3 y finalmente transfieren su energía cinética a los iones metálicos 6 durante el tiempo de interacción. De este modo, estos se ponen en oscilación y transfieren la energía de oscilación a los iones metálicos adyacentes que se encuentran fuera de la zona de interacción pura entre la radiación láser y el material del rodillo (figura 3). De este modo, se genera calor en el material del rodillo irradiado 4. Mediante un mayor aporte de energía láser durante el tiempo de pulso (figura 4) se funde el material. Finalmente, se alcanza la temperatura de vaporización y una parte de la masa fundida 7 se vaporiza. La nube de vapores metálicos 8 que se forma por encima de la masa fundida 7 se expande rápidamente, provocando el efecto de retroceso una expulsión de la masa fundida restante en forma de salpicaduras fundidas 9. El procedimiento de láser de pulso corto se caracteriza por un volumen de ablación de material relativamente grande por pulso.
Mediante selección de los parámetros de frecuencia de pulso, energía de pulso, espaciado de las pistas en la superficie del rodillo en rotación, diámetro del punto láser, perfiles de intensidad del láser y/o velocidad del rodillo, se determina la distribución y la geometría de las celdas en la superficie del rodillo. Mediante la superposición de celdas individuales, se estructuran o generan zonas cohesionadas en forma de valle.
Para generar una estructura predeterminada y determinista en la superficie del rodillo 1, la rápida secuencia continua de pulsos láser se interrumpe selectivamente. La interrupción de los pulsos láser puede realizarse mediante un conmutador óptico rápido, un AOM (modulador acústico-óptico) 10 (figura 1). De este modo, activando y desactivando rápidamente el AOM 10, los pulsos láser individuales pueden ser proyectados de forma determinista sobre la superficie del rodillo o redirigidos a una trampa fría 11 y destruidos en ella. Cuando se proyecta un pulso láser sobre la superficie del rodillo, la energía del láser provoca una ablación por láser en el lugar en cuestión (puntos negros en el rodillo 1), mientras que, cuando el pulso láser se aniquila en el lugar en cuestión, la superficie permanece inalterada (puntos blancos en el rodillo 1).
El láser utilizado para este fin (láser de fibra pulsada) presenta una potencia media máxima de 500 W y una frecuencia de repetición de impulsos de aproximadamente 100 kHz con una longitud de onda de aproximadamente 1070 nm. La duración del pulso es, por ejemplo, de aproximadamente 1 ps.
Después de pasar por el AOM 10, el rayo láser 3 es guiado hacia el sistema óptico de enfoque 2 con ayuda de un cable de fibra óptica 12. La flecha 13 indica la dirección del movimiento del sistema óptico de imagen 2.
La figura 5 muestra una representación esquemática de un ejemplo de realización de un equipo para llevar la realización del procedimiento de acuerdo con la invención. El equipo 20 comprende un dispositivo de alojamiento de rodillos (no mostrado) que está concebido para alojar un rodillo 22. En el presente caso, el dispositivo de alojamiento de rodillos está configurado como dispositivo giratorio para hacer rotar el rodillo 22. Además, el equipo 20 comprende una fuente láser pulsada 24 y un sistema óptico 26 que está concebido para dirigir los pulsos láser generados por la fuente láser 24 hacia la superficie del rodillo 22. Con este fin, el sistema óptico 26 comprende un escáner que puede utilizarse para dirigir los pulsos láser hacia varias zonas de procesamiento en la dirección transversal del rodillo 22.
Además, el equipo 20 comprende un elemento óptico 28, que puede ser en particular un elemento óptico difractivo o un modulador espacial de la luz. El elemento óptico puede utilizarse para modificar el patrón de intensidad espacial de un pulso láser generado por la fuente láser 24 y para modificar el campo de procesamiento expuesto por el pulso láser en la superficie del rodillo 22, en particular para ampliarlo en función de la potencia media máxima y/o adaptarlo para obtener la fluencia de ablación óptima.
Las figuras 6a-c muestran representaciones esquemáticas de campos de procesamiento con diferentes proporciones de ablación expuesto en cada caso por un pulso láser a.
La figura 6a muestra en primer lugar un campo de procesamiento en la superficie del rodillo 22 expuesto por un pulso láser cuyo patrón de intensidad no ha sido modificado por el elemento óptico 28. En este ejemplo, el campo de procesamiento es cuadrado con una longitud lateral de la. El correspondiente pulso láser presenta una distribución de intensidad esencialmente constante, de tal modo que la ablación por láser se efectúa en toda el área del campo de procesamiento (área sombreada en la figura 6a). Por lo tanto, la proporción de ablación a tiene el valor 1 en esta superficie.
Modificando el patrón de intensidad espacial de un pulso láser con el elemento óptico 28, se puede cambiar la distribución de intensidad dentro del pulso láser de tal modo que se obtenga una estructuración del campo de procesamiento expuesto. En particular, el pulso láser puede presentar un área parcial con un mínimo de intensidad, de tal modo que no se produzca ninguna ablación por láser en el área correspondiente del campo de procesamiento en la superficie del rodillo. Así, las figuras 6b y 6c muestran ejemplos de campos de procesamiento correspondientemente expuestos, en cada caso con una región exterior en la que ha tenido lugar una ablación láser (sombreada), y en caca caso con una región interior en la que no ha tenido lugar ninguna ablación por láser (no sombreada). La proporción de ablación a es de 0,5 en la figura 6b y de 0,3 en la figura 6c.
Como se muestra en las figuras 6b y 6c, la modificación del patrón de intensidad espacial por medio del elemento óptico 28 puede producir tamaños estructurales en la superficie del rodillo cuya extensión es inferior al tamaño del campo de procesamiento expuesto por un pulso láser.
Además, el elemento óptico 28 provoca una ampliación del campo de procesamiento expuesto, de tal modo que se puede exponer un área mayor con un solo pulso láser. De acuerdo con la invención, el tamaño del campo de procesamiento expuesto se ajusta en función de la proporción de ablación a. Si el campo de procesamiento expuesto mostrado en la figura 6a presenta una extensión la con a = 1, un campo de procesamiento correspondiente con una menor proporción de ablación a presenta una extensión aumentada por el factor^1/a, sin necesidad de reducir la intensidad en la región donde se produce la ablación.
El tamaño del área de procesamiento expuesta y el patrón de intensidad espacial del pulso láser son adaptados por medio del elemento óptico 28 de tal manera que la fluencia en el área parcial donde se produce la ablación por láser esté en el rango de la fluencia de ablación óptima Oo.
De este modo, se puede utilizar la máxima potencia media del láser Pm con una tasa de repetición convertible frep para procesar la superficie del rodillo. Para garantizar un procesamiento lo más rápido posible, los campos de procesamiento expuestos se posicionan preferentemente de manera contigua en la superficie del rodillo sin superposición y sin huecos, es decir, los campos de procesamiento se exponen de manera adyacente con la mayor precisión posible para poder garantizar la estructura deseada de la superficie del rodillo.
Por lo tanto, la exploración de la superficie del rodillo se realiza preferentemente de tal manera que la velocidad de desviación o de desplazamiento Vs del foco láser, es decir, la posición del campo de procesamiento, en la superficie del rodillo se ajusta en función de la longitud lateral la de la superficie A del campo de procesamiento expuesta por un pulso láser y de la tasa de repetición frep, preferentemente del siguiente modo:
vs = la ' frep, (4)
siendo
Para una potencia media máxima del láser Pm y una fluencia de ablación óptima Oo específica del material, el área A depende, por tanto, solo de la tasa de repetición frep. Dado que no se debe erosionar toda la superficie de un campo de procesamiento para conseguir una estructura deseada, la proporción de ablación a indica la parte de la estructura deseada que se debe erosionar.
En las figuras 6a-c, la proporción de ablación a disminuye de la figura 6a a la figura 6c, permaneciendo constante el área ablacionada (sombreada). Debido a la proporción de superficie reducida de la ablación, la superficie total A del respecto campo de procesamiento aumenta en consecuencia.
Para un posicionamiento óptimo en la superficie del rodillo, con los pulsos láser se exponen preferentemente campos de procesamiento rectangulares, en particular cuadrados.
La potencia media máxima Pm y la frecuencia de repetición frep influyen en la velocidad de escaneado, es decir, en la velocidad con la que el láser puede desplazarse o moverse sobre la superficie del rodillo. Con un posicionamiento óptimo, se puede utilizar toda la potencia del láser sin pérdidas significativas. En este sentido, el resultado es un tiempo de procesamiento óptimo:
A w _ a-<P0-Aw
tW (6)
A'frep 2 Pm
Así, el tiempo de procesamiento tw depende solo de la fluencia de ablación óptima Oo de la superficie del rodillo A, y de la potencia media máxima Pm. La proporción de ablación a viene determinada por la estructura deseada en el rodillo. El tiempo de procesamiento w es, por tanto, independiente de la tasa de repetición frep, de tal modo que esta puede seleccionarse libremente dentro del rango posible para el láser. La velocidad de desviación para el foco del
láser puede determinarse, pues, mediante la ecuación (4).
La potencia media máxima del láser Pm determina así el tiempo de procesamiento tw de la superficie con la estructura deseada. La potencia media Pm y la tasa de repetición frep están desacopladas entre sí. Por lo tanto, incluso con una tasa de repetición baja frep, la potencia media máxima del láser puede aprovecharse prácticamente en su totalidad para procesar la superficie del rodillo. Esto se consigue, en particular, por el hecho de que el tamaño del campo de procesamiento expuesto por un pulso láser ya no está limitado por el tamaño más pequeño de la estructura que se ha de aplicar. Por el contrario, el tamaño del campo de procesamiento expuesto está ahora limitado solo por la resolución del elemento óptico 28. En otras palabras, el área del campo de procesamiento solo puede ampliarse en la medida en que la distancia más pequeña entre dos elementos estructurales pueda resolverse con el elemento óptico.
La figura 7a muestra una representación esquemática de una superficie de rodillo 40 con dos campos de procesamiento 42, 44 expuestos en cada caso por un pulso láser sin compensación de rotación. La figura 7b muestra una correspondiente representación esquemática de una superficie de rodillo 46 con dos campos de procesamiento 48, 50 expuestos en cada caso por un pulso láser con compensación de rotación.
La estructuración (textura) de las superficies de rodillo 40 o 46 generada mediante la ablación por láser se indica en las figuras 7a- b mediante una retícula uniforme de elementos estructurales 52 en forma de estrella. El tamaño mínimo de la estructura, en particular la distancia entre dos elementos de la estructura es menor que la extensión respectiva de un campo de procesamiento 42, 44, 48, 50 expuesto por un pulso láser. En el equipo descrito, esto es posible gracias al elemento óptico 28, que modifica los patrones de intensidad espacial de los pulsos láser individuales de tal manera que resulta una estructuración dentro de un campo de procesamiento expuesto 42, 44, 48, 50 en la respectiva superficie de rodillo 40, 46.
Los campos de procesamiento expuestos 42, 44 y 48, 50 están dispuestos en cada caso en dirección transversal entre sí. Debido a la rotación del rodillo durante la exposición, el campo de procesamiento 44 en la figura 7a está desplazado en la dirección de rotación con respecto al campo de procesamiento 42. Esto da lugar a un correspondiente desplazamiento de la estructura que debe crearse en los respectivos campos de procesamiento. Para lograr a pesar de ello la estructura deseada en la superficie del rodillo, sería necesario ajustar, por tanto, individualmente la modificación del patrón de intensidad espacial para los respectivos pulsos láser de acuerdo con las posiciones relativas de los campos de procesamiento expuestos entre sí.
En la figura 7b se muestra un procedimiento alternativo y menos complejo. Se proporciona un sistema de compensación de rotación para compensar la rotación del rodillo al exponer los campos de procesamiento 48, 50, de manera que los campos de procesamiento se posicionen de manera óptima adyacentemente entre sí sin desplazamiento en la dirección de rotación. En este caso, para lograr la estructura deseada de la superficie del rodillo, se puede generar la misma estructura en cada campo de procesamiento 48, 50.
En particular, los sistemas de escaneado conocidos pueden utilizarse como sistemas de compensación de la rotación, ya que las velocidades de desviación necesarias para la compensación de la rotación se corresponden con la velocidad de rotación de la superficie del rodillo y, por lo tanto, son moderadas. Por el contrario, se utiliza preferentemente un escáner más rápido para mover la posición del campo de procesamiento en la dirección transversal, ya que debe alcanzar efectivamente la velocidad de desviación requerida en la ecuación (4). Preferentemente, también se puede utilizar un sistema de escáner configurado para ambos movimientos de desviación, es decir, en la dirección de rotación y en la dirección transversal.
La figura 8 muestra representaciones esquemáticas de los campos de procesamiento expuestos por una secuencia de pulsos láser sin compensación de rotación (figura 8a) y con ella (figura 8b). El orden de exposición de los campos de procesamiento se indica en las figuras 8a-b con números ascendentes 1 - 5 en cada caso. El sistema óptico desplaza la posición de los campos de procesamiento en la superficie del rodillo en la dirección transversal y, por lo tanto, expone una serie de campos de procesamiento en la dirección transversal (campos de procesamiento 1 a 4) hasta que la superficie del rodillo se haya desplazado por la longitud lateral de los campos de procesamiento debido a la rotación del rodillo. A continuación, la exposición continúa en una fila desplazada en el sentido de la rotación (cuadro de edición 5).
La potencia media máxima del láser Pm determina así el tiempo de procesamiento tw de la superficie con la estructura deseada. La potencia media Pm y la tasa de repetición frep están desacopladas entre sí. Por lo tanto, incluso con una tasa de repetición baja frep, la potencia media máxima del láser puede aprovecharse prácticamente en su totalidad para procesar la superficie del rodillo. Esto se consigue, en particular, por el hecho de que el tamaño del campo de procesamiento expuesto por un pulso láser ya no está limitado por el tamaño más pequeño de la estructura que se ha de aplicar. Por el contrario, el tamaño del campo de procesamiento expuesto está ahora limitado solo por la resolución del elemento óptico 28. En otras palabras, el área del campo de procesamiento solo puede ampliarse en la medida en que la distancia más pequeña entre dos elementos estructurales pueda resolverse con el elemento óptico.
La figura 7a muestra una representación esquemática de una superficie de rodillo 40 con dos campos de procesamiento 42, 44 expuestos en cada caso por un pulso láser sin compensación de rotación. La figura 7b muestra
una correspondiente representación esquemática de una superficie de rodillo 46 con dos campos de procesamiento 48, 50 expuestos en cada caso por un pulso láser con compensación de rotación.
La estructuración (textura) de las superficies de rodillo 40 o 46 generada mediante la ablación por láser se indica en las figuras 7a- b mediante una retícula uniforme de elementos estructurales 52 en forma de estrella. El tamaño mínimo de la estructura, en particular la distancia entre dos elementos de la estructura es menor que la extensión respectiva de un campo de procesamiento 42, 44, 48, 50 expuesto por un pulso láser. En el equipo descrito, esto es posible gracias al elemento óptico 28, que modifica los patrones de intensidad espacial de los pulsos láser individuales de tal manera que resulta una estructuración dentro de un campo de procesamiento expuesto 42, 44, 48, 50 en la respectiva superficie de rodillo 40, 46.
Los campos de procesamiento expuestos 42, 44 y 48, 50 están dispuestos en cada caso en dirección transversal entre sí. Debido a la rotación del rodillo durante la exposición, el campo de procesamiento 44 en la figura 7a está desplazado en la dirección de rotación con respecto al campo de procesamiento 42. Esto da lugar a un correspondiente desplazamiento de la estructura que debe crearse en los respectivos campos de procesamiento. Para lograr a pesar de ello la estructura deseada en la superficie del rodillo, sería necesario ajustar, por tanto, individualmente la modificación del patrón de intensidad espacial para los respectivos pulsos láser de acuerdo con las posiciones relativas de los campos de procesamiento expuestos entre sí.
En la figura 7b se muestra un procedimiento alternativo y menos complejo. Se proporciona un sistema de compensación de rotación para compensar la rotación del rodillo al exponer los campos de procesamiento 48, 50, de manera que los campos de procesamiento se posicionen de manera óptima adyacentemente entre sí sin desplazamiento en la dirección de rotación. En este caso, para lograr la estructura deseada de la superficie del rodillo, se puede generar la misma estructura en cada campo de procesamiento 48, 50.
En particular, los sistemas de escaneado conocidos pueden utilizarse como sistemas de compensación de la rotación, ya que las velocidades de desviación necesarias para la compensación de la rotación se corresponden con la velocidad de rotación de la superficie del rodillo y, por lo tanto, son moderadas. Por el contrario, se utiliza preferentemente un escáner más rápido para mover la posición del campo de procesamiento en la dirección transversal, ya que debe alcanzar efectivamente la velocidad de desviación requerida en la ecuación (4). Preferentemente, también se puede utilizar un sistema de escáner configurado para ambos movimientos de desviación, es decir, en la dirección de rotación y en la dirección transversal.
La figura 8 muestra representaciones esquemáticas de los campos de procesamiento expuestos por una secuencia de pulsos láser sin compensación de rotación (figura 8a) y con ella (figura 8b). El orden de exposición de los campos de procesamiento se indica en las figuras 8a-b con números ascendentes 1 - 5 en cada caso. El sistema óptico desplaza la posición de los campos de procesamiento en la superficie del rodillo en la dirección transversal y, por lo tanto, expone una serie de campos de procesamiento en la dirección transversal (campos de procesamiento 1 a 4) hasta que la superficie del rodillo se haya desplazado por la longitud lateral de los campos de procesamiento debido a la rotación del rodillo. A continuación, la exposición continúa en una fila desplazada en el sentido de la rotación (cuadro de edición 5).
Claims (4)
1. Procedimiento para la estructuración de un rodillo (22) mediante ablación por láser,
- en el que se dirigen pulsos láser con un sistema óptico (26) sobre la superficie de un rodillo (22) que se debe estructurar, de tal modo que el rodillo (22) se estructura mediante ablación por láser en campos de procesamiento (42, 44, 48, 50) expuestos por los pulsos láser, con un elemento óptico (28) que es un elemento óptico difractivo o un modulador espacial de la luz que modifica el patrón de intensidad espacial de un pulso láser,
caracterizado
- por que se amplía el campo de procesamiento (42, 44, 48, 50) expuesto por el pulso láser en la superficie del rodillo (22) en función de la potencia media máxima Pm de la fuente láser y/o se adapta de tal modo que resulte la fluencia de ablación óptima Oo dependiente del material y de la longitud del pulso, y se ajusta el tamaño del campo de procesamiento expuesto (42, 44, 48, 50) en función de una fracción de ablación a que indica la parte de la estructura que se ha de erosionar.
2. Procedimiento según la reivindicación 1,
caracterizado
por que el patrón de intensidad espacial de un pulso láser es modificado de tal modo que la ablación láser tiene lugar solo en un área parcial del campo de procesamiento (42, 44, 48, 50) expuesto por el pulso láser en la superficie del rodillo (22).
3. Procedimiento según las reivindicaciones 1 o 2,
caracterizado
por que el campo de procesamiento (42, 44, 48, 50) expuesto por el pulso láser en la superficie del rodillo (22) es ampliado de tal modo que el campo de procesamiento (42, 44, 48, 50) presenta una extensión mayor en al menos una dirección que el tamaño más pequeño de la estructura que se ha de aplicar a la superficie del rodillo (22).
4. Procedimiento de acuerdo con una de las reivindicaciones 1 a 3,
caracterizado
por que el patrón de intensidad espacial del pulso láser es modificado de tal modo y el campo de procesamiento (42, 44, 48, 50) expuesto por el pulso láser en la superficie del rodillo (22) es modificado de tal modo, en particular es ampliado, que la fluencia en la zona parcial del campo de procesamiento (42, 44, 48, 50) en la que tiene lugar la ablación láser se corresponde esencialmente con una fluencia de ablación óptima predeterminada (O0).
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