NL1027327C2

NL1027327C2 - Werkwijze en inrichting voor het uitvoeren van een laserbewerking alsmede gebruik van een snelwisselfilter bij een dergelijke laserbewerking.

Info

Publication number: NL1027327C2
Application number: NL1027327A
Authority: NL
Inventors: Marinus Frans Van Der Maas
Original assignee: Sgt Singapore Holdings Pte Ltd
Priority date: 2004-10-25
Filing date: 2004-10-25
Publication date: 2006-04-26
Also published as: US7873093B2; EP1667290A1; US20060088073A1

Description

1,. ·’ . .' i.. %*ί * I

Titel: Werkwijze en inrichting voor het uitvoeren van een laserbewerking alsmede gebruik van een snelwisselfilter bij een dergelijke laserbewerking.

De uitvinding heeft betrekking op een werkwijze voor het uitvoeren I

van een laserbewerking, waarbij een laserbron wordt verschaft, waarbij I

lasergas (e. lasing gas) vanuit ten minste één lasergasbron aan de laserbron I

wordt toegevoerd ter vorming van een laserstraal, waarbij met behulp van I

5 de laserstraal een bewerking wordt uitgevoerd, zoals bijvoorbeeld een las-, I

een boor-, een snij- of een belichtingsbewerking. I

De uitvinding heeft tevens betrekking op een inrichting voor het I

uitvoeren van een laserbewerking, waarbij de inrichting is voorzien van een I

laserbron, die via een lasergasleidingstelsel is aangesloten op een I

10 lasergasbron. I

Lasers worden op grote schaal voor allerlei bewerkingen toegepast. I

Daarbij kan worden gedacht aan lasbewerkingen, boorbewerkingen en I

snijbewerkingen van metaal, kunststof, hout, papier en dergelijk materiaal. I

Echter, ook belichtingsbewerkingen, bijvoorbeeld voor lithografische I

15 processen worden vaak uitgevoerd met behulp van lasers. I

Een bekend probleem van lasers is dat de laserbron regelmatig I

onderhoud vereist teneinde het optische stelsel, dat zich in de bron bevindt, I

te reinigen. Onder andere vocht en koolwaterstoffen die via het lasergas in I

de bron worden gebracht, leiden tot vervuiling van het optische stelsel in de I

20 bron. Het reinigen van een laserbron is bijzonder kostbaar. Gedacht moet I

worden aan bedragen van ettelijke duizenden euro's. Teneinde de frequentie I

van het reinigen niet al te groot te laten zijn, worden voor verschillende toepassingen vaak veel zwaardere laserbronnen aangeschaft dan strikt noodzakelijk is voor het proces. De zwaardere laserbronnen kunnen langer 25 blijven functioneren omdat het daardoor afgegeven vermogen, zelfs wanneer het optische stelsel in de bron is vervuild, voldoende blijft voor het uitvoeren 1027327 2 van de bewerking gedurende langere periode. Het moge duidelijk zijn dat laserbronnen met een hoger vermogen ook een hogere kostprijs hebben.

De uitvinding beoogt een werkwijze en een inrichting waarbij een oplossing voor deze problematiek is verschaft.

5 De werkwijze wordt hiertoe volgens de uitvinding gekenmerkt doordat het lasergas dat afkomstig is uit de ten minste ene lasergasbron door ten minste één lasergasfilter wordt gevoerd voordat het gas aan de laserbron wordt toegevoerd.

De inrichting wordt gekenmerkt doordat in het 10 lasergasleidingstelsel ten minste één lasergasfilter is opgenomen.

Als gevolg van de aanwezigheid van het lasergasfilter kan de frequentie waarmee de laserbron dient te worden gereinigd drastisch worden verlaagd. In plaats van eenmaal per halfjaar kan de reiniging bijvoorbeeld eens in de twee jaar plaatsvinden, waarmee een bezuiniging 15 van ettelijke duizenden euro's per jaar wordt bereikt. Bovendien kan met een laserbron met een geringer vermogen worden gewerkt aangezien geen rekening behoeft te worden gehouden met de in de loop der tijd optredende vervuiling. De bron kan derhalve het vermogen hebben dat nodig is voor de uit te voeren bewerking en niet het hogere vermogen, zoals thans vaak 20 wordt gedaan om de vervuiling te compenseren. Nog een voordeel is dat met gassen van een lagere zuiverheid kan worden gewerkt, hetgeen een aanzienlijke kostenreducerende werking heeft.

Bij veel laserbewerkingen wordt de laserstraal via een optisch stelsel naar een laserbewerkingskop geleid. Ook aan dergelijke 25 laserbewerkingskoppen wordt vaak bewerkingsgas toegevoerd, bijvoorbeeld om een snijgebied, lasgebied of boorgebied tegen de atmosfeer af te schermen. Aldus kan worden verhinderd dat het materiaaloppervlak van het te bewerken materiaal als gevolg van de bewerking oxideert wanneer dat niet de bedoeling is of een ongewenste, bijvoorbeeld te ruwe 30 oppervlaktestructuur verkrijgt. In de praktijk blijkt dat toch, ondanks het 1027327 3 gebruik van bewerkingsgas, ongewenste oxidatie van het te bewerken materiaal optreedt. Bij lasersnijbewerkingen op basis van oxidatie is juist een overmaat aan zuurstof bij de snijbewerking gewenst en kan de aanwezigheid van andere gassen tot een ongewenste oppervlaktestructuur 5 van het materiaal leiden.

Volgens een nadere uitwerking van de werkwijze volgens de uitvinding is het bijzonder gunstig wanneer het bewerkingsgas voordat het aan de bewerkingskop wordt toegevoerd door ten minste één bewerkingsgasfilter wordt gevoerd. De inrichting wordt hiertoe volgens een 10 nadere uitwerking gekenmerkt doordat in het bewerkingsgasleidingstelsel dat de laserbewerkingskop verbindt met de bewerkingsgasbron ten minste één bewerkingsgasfilter is opgenomen.

Aldus wordt bewerkstelligd dat het bewerkingsgas over een betere zuiverheid beschikt, hetgeen in het algemeen tot een betere 15 oppervlaktekwaliteit van het bewerkte materiaal leidt. Ook ongewenste oxidatie van het bewerkte materiaal wordt verminderd wanneer zuurstof uit het bewerkingsgas door het filter is verwijderd. Verder zal de kwaliteit van het smeltbad, als gevolg van een betere oppervlaktespanning en viscositeit, verbeteren wanneer het bewerkingsgas geen vervuilingen bevat. Bij op 20 oxidatie gebaseerde bewerkingstechnieken neemt de efficiency toe wanneer het bewerkingsgas zuiver zuurstof is in plaats van zuurstof met vervuilingen.

De werkwijze wordt volgens een nadere uitwerking van de uitvinding gekenmerkt doordat het lasergas, althans He, N2 en CO2 bevat. 25 Opgemerkt zij dat ook ander gassen tot de mogelijkheden behoren wanneer lasers met een andere kleur worden toegepast.

Het bewerkingsgas kan volgens een nadere uitwerking bijvoorbeeld O2, N2, lucht, He, Ar en/of H2 omvatten.

Aangezien de bedieners van de inrichtingen voor het uitvoeren van 30 een laserbewerking een ander type opleiding hebben genoten dan 1027327 4 laboratoriumpersoneel, zou het bijzonder gunstig zijn wanneer het plaatsen en verwijderen van de filters op relatief eenvoudige wijze zou kunnen plaatsvinden.

Hiertoe wordt de werkwijze voor een nadere uitwerking 5 gekenmerkt doordat het lege gasfilter een snelwisselfilter is dat handmatig op een basis kan worden bevestigd. Dergelijke snelwisselfilters zijn bijvoorbeeld beschreven in EP-A-0 606 960, een nog niet gepubliceerde Europese octrooiaanvrage 04076518.2 en worden ook door Varian® Ine. in het verkeer gebracht onder de aanduiding Gas Clean Filter en worden tot op 10 heden gebruikt voor het reinigen van draaggassen ten behoeve van detectieprocessen zoals gaschromatografie en massaspectrometrie.

Het moge duidelijk zijn dat het ook voor het bewerkingsgasfilter van voordeel is wanneer daarvoor een snelwisselfilter wordt toegepast dat handmatig op een basis kan worden bevestigd. i 15 Dergelijke snelwisselfilters kunnen slechts op één manier op de basis worden gemonteerd en worden bevestigd door een handmatig los en vast te draaien bevestigingsring. Derhalve kan de machinebediener dergelijke filters eenvoudig zelf verwisselen.

Bij voorkeur wordt de werkwijze volgens een nadere uitwerking 20 gekenmerkt doordat bij het verwisselen van het snelwisselfilter het snelwisselfilter van de basis wordt verwijderd, waarbij door het verwijderen van het snelwisselfilter van de basis een gastoevoer en een gasafvoer in de basis naar het snelwisselfilter automatisch worden afgesloten en in de basis automatisch een bypassleiding wordt geopend, zodanig dat een 25 ononderbroken gastoevoer naar de laserbron en/of de bewerkingskop plaatsvindt, waarbij met het plaatsen van een nieuw gasfilter op de basis de bypassleiding automatisch wordt afgesloten, de gastoevoer en gasafvoer naar het snelfilter automatisch worden geopend en het gas door het filter wordt gevoerd.

1027327 5

Weliswaar wordt de laserbron dan tijdelijk met vuil gas gevoed, echter, aangezien dit slechts een zeer korte periode beslaat, is de mate van vervuiling die optreedt zeer gering. In elk geval wordt aldus bewerkstelligd dat de laserbewerking gewoon doorgang kan vinden, hetgeen in veel 5 gevallen van groot belang is.

Het lasergas kan volgens een nadere uitwerking van de werkwijze volgens de uitvinding worden geleid door een vochtfilter, een zuurstoffilter en/of een koolwaterstoffilter. Eventueel kan een combinatie van deze filters in een enkele filterbehuizing zijn opgenomen. Daarbij verdient het de 10 voorkeur wanneer het ten minste ene filter is voorzien van een indicator die aangeeft of en eventueel in welke mate het filtermateriaal is verzadigd, waarbij het filter wordt vervangen door een nieuw filter wanneer de indicator een bepaalde mate van verzadiging indiceert.

Aldus wordt bewerkstelligd dat de gebruikers tijdig de filters 15 vervangen, zodat gewaarborgd is dat er altijd zuiver gas naar de laserbron en/of de laserbewerkingskop wordt geleid.

De uitvinding betreft tevens het gebruik van een snelwisselfilter voor het reinigen van lasergas dat naar een laserbron van een laserbewerkingsinrichting wordt geleid, waarbij het snelwisselfilter met een 20 eenvoudige handeling plaatsbaar is op en verwijderbaar is van een basis die is op genomen in een lasergasleidingstelsel dat een lasergasbron verbindt met de laserbron.

Verder heeft de uitvinding betrekking op het gebruik van een snelwisselfilter voor het reinigen van een bewerkingsgas dat naar een 25 laserbewerkingskop van een laserbewerkingsinrichting wordt geleid, waarbij het snelwisselfilter met een eenvoudige handeling plaatsbaar is op en verwijderbaar is van een basis die is opgenomen in een bewerkingsgasleidingstelsel dat een bewerkingsgasbron verbindt met de laserbron.

1027327 6

Bovengenoemde gebruiken leiden tot de in verband met de werkwijze en de inrichting beschreven voordelen.

De uitvinding zal thans aan de hand van een uitvoeringsvoorbeeld, onder verwijzing naar de tekening, nader worden toegelicht.

5 Figuur 1 toont een voorbeeld van een laserbewerkingsinrichting, meer in het bijzonder een lasersnij-inrichting; figuur 2 toont schematisch het optische stelsel; figuur 3 toont een schematisch doorsnedeaanzicht van een laserbewerkingskop; en 10 figuur 4 toont een basis en tweetal daarbijbehorende snelwisselfilters.

Bij wijze van voorbeeld is in figuur 1 een lasersnij-inrichting getoond die is voorzien van een snijtafel 1, een laserbron 2, een drietal lasergasbronnen 3, 4 en 5, een laserbewerkingskop 6, die is verbonden met 15 een portaal 7. Het portaal 7 is verplaatsbaar langs een geleiding 8 ten opzichte van de tafel 1. De bewerkingskop 6 is verplaatsbaar langs het portaal 7 via geleiding 9. De laserstraal 10, die afkomstig is van de laserbron 2, wordt met een tweetal spiegels 11, 12 naar de bewerkingskop 6 geleid. Een en ander is schematisch weergegeven in figuur 2. In het 20 werkstuk W kan met behulp van de laserbewerkingskop 6 een willekeurige contour C worden gesneden. Onder de tafel 1 bevindt zich een afzuigkamer 13 die is aangesloten op een afzuiging 14. Verder toont figuur 1 een tweetal bewerkingsgasbronnen 15, 16. Vanaf de lasergasbronnen 3, 4, 5 strekken zich lasergasleidingstelsels 17, 18, 19 uit die met de laserbron 2 in 25 fluïdumverbinding staan. Vanaf de bewerkingsgasbronnen strekt zich een bewerkingsgasleidingstelsel 20 uit naar de laserbewerkingskop 6. In het onderhavige uitvoeringsvoorbeeld is in elk lasergasleidingstelsel 17,18, 19 een filter in de vorm van een snelwisselfilter 21, 22, 23, 24 opgenomen. In het bewerkingsgasleidingstelsel 20 is een tweetal snelwisselfilters 25, 26 30 opgenomen; dat geldt overigens ook voor het lasergasleidingstelsel dat is 1027327 7 aangeduid met het verwijzingscijfer 17. Het moge duidelijk zijn dat ook in de andere lasergasleidingstelsels 18, 19 meer dan één filter kan zijn opgenomen, bijvoorbeeld een filter voor vocht, een filter voor koolwaterstoffen en een filter voor zuurstof. Ook kan een enkel filter in elk 5 de lasergasleidingstelsel zijn opgenomen, dat is ingericht voor het verwijderen van verschillende ongewenste stoffen uit het lasergas. In het bewerkingsgasleidingstelsel 20 is een tweetal filters getoond. Het moge duidelijk zijn dat ook hier meer dan twee filters of één filter kan worden toegepast, waarbij vanzelfsprekend het eindresultaat van de filterbewerking 10 dient te zijn dat het gas dat naar de laserbewerkingskop 6 wordt geleid over de gewenste zuiverheid beschikt. De lasergasbron 3 bevat in het onderhavige uitvoeringsvoorbeeld He, de lasergasbron 4 bevat N2 en de lasergasbron 5 bevat CO2. De bewerkingsgasbron 15 bevat O2 en de bewerkingsgasbron 16 bevat in het onderhavige uitvoeringsvoorbeeld N2.

15 Ook andere gassen behoren vanzelfsprekend tot de mogelijkheden afhankelijk van de uit te voeren bewerking en het type laserbron 2 dat wordt toegepast.

Figuur 3 toont schematisch een laserbewerkingskop 6 voor het uitvoeren van een snijbewerking. Lasbewerkingskoppen en 20 boorbewerkingskoppen hebben een soortgelijke opbouw. Duidelijk zichtbaar is de laserstraal 10 die met behulp van een lens 27 wordt gefocust, zodanig dat het brandpunt op het werkstuk W is gericht. Via bewerkingsgasleidingstelsel 20 wordt bewerkingsgas in de laserbewerkingskop 6 geleid en naar het bewerkingspunt P gevoerd, met het 25 doel om het bewerkingspunt P af te schermen, zodat zuurstof en andere bestanddelen van de omgevingslucht tijdens de bewerking geen toegang tot het bewerkingspunt P hebben. Aldus wordt, met name doordat het bewerkingsgas een zeer grote zuiverheid heeft als gevolg van de filterbewerking die het heeft ondergaan, een zeer goede 30 oppervlaktekwaliteit van de bewerkte zone verkregen. Bij een niet op basis 1027327 8 van oxidatie werkende snijbewerking, wordt verhinderd dat het werkstukmateriaal oxideert. Bij een op basis van oxidatie werkende snijmethode wordt zuiver zuurstof aan het bewerkingspunt toegevoerd, hetgeen tot een grote efficiency tijdens het snijden leidt.

5 Figuur 4 toont een voorbeeld van een snelwisselfilter 28 en een basis 29 waarop het snelwisselfilter met behulp van een handmatig aan te draaien bevestigingsring 30 kan worden geplaatst. Een dergelijk snelwisselfilter is beschreven in de hiervoor genoemde Europese octrooipublicaties, waarvan de inhoud hier door verwijzing wordt geacht te 10 zijn opgenomen. De basis bevat een inlaat 31 en een uitlaat 32, die worden verbonden met het lasergasleidingstelsel 17,18, 19, 20 en/of het bewerkingsgasleidingstelsel 20. Verder bevat de basis een gastoevoer 33 die naar het snelwisselfilter 28 leidt en een gasafvoer 34 via welke het gas afkomstig uit het snelwisselfilter 28 weer wordt afgevoerd naar de uitlaat 15 32 van de basis 29. De gastoevoer 33 en de gasafvoer 34 zijn bij voorkeur voorzien van afsluitkleppen die automatisch worden geopend bij het plaatsen van het filter 28 op de basis. Bij het wegnemen van het filter 28 van de basis 29 zullen de kleppen zich automatisch sluiten. Eventueel kan in de basis een bypassleiding zijn voorzien die is afgesloten wanneer het 20 filter 28 op de basis 29 is geplaatst en die wordt geopend wanneer het filter van de basis 29 wordt weggenomen. Aldus wordt een ononderbroken doorvoer van gas naar de laserbron, respectievelijk de laserbewerkingskop 6 gewaarborgd.

Het moge duidelijk zijn dat de uitvinding niet is beperkt tot het 25 beschreven uitvoeringsvoorbeeld, maar dat diverse wijzigingen binnen het raam van de uitvinding, zoals gedefinieerd door de conclusies mogelijk zijn.

Zo kan in plaats van de getoonde lasersnijbewerkingsinrichting ook een laserlasbewerkingsinrichting, een laserboorbewerkingsinrichting of een belichtingsinrichting worden voorzien van filters zoals aangegeven, teneinde 30 de efficiency van de inrichting te verbeteren en de noodzaak tot het 1027327 9 regelmatig reinigen van de laserbron aanzienlijk te reduceren. Verder kunnen andere gassen worden toegepast dan in het onderhavige uitvoeringsvoorbeeld zijn genoemd. Alhoewel het uit bedieningsoverwegingen veruit de voorkeur verdient om snelwisselfilters toe 5 te passen, zou tevens toepassing van zogenaamde inlinefilters kunnen worden overwogen. Met name inlinefilters die eenvoudig en snel kunnen worden uitgewisseld, bijvoorbeeld zoals beschreven in de niet vóórgepubliceerde internationale octrooiaanvrage PCT/NL2004/000564, waarvan de inhoud hier wordt geacht te zijn ingelast, komen daarvoor in 10 aanmerking.

1027327

Claims

1. Werkwijze voor het uitvoeren van een laserbewerking, waarbij een laserbron wordt verschaft, waarbij lasergas (e. lasing gas) vanuit ten minste één lasergasbron aan de laserbron wordt toegevoerd ter vorming van een laserstraal, waarbij met behulp van de laserstraal een bewerking wordt 5 uitgevoerd, zoals bijvoorbeeld een las-, een boor-, een snij- of een belichtingsbewerking, met het kenmerk, dat het lasergas dat afkomstig is uit de ten minste ene lasergasbron door ten minste één lasergasfilter wordt gevoerd voordat het gas aan de laserbron wordt toegevoerd.

2. Werkwijze volgens conclusie 1, waarbij de laserstraal via een 10 optisch stelsel naar een laserbewerkingskop wordt geleid, waarbij aan de laserbewerkingkop bewerkingsgas wordt toegevoerd, waarbij het bewerkingsgas voordat het aan de laserbewerkingskop wordt toegevoerd door ten minste één bewerkingsgasfilter wordt gevoerd.

3. Werkwijze volgens één der voorgaande conclusies, waarbij het 15 lasergas althans He, N2 en CO2 bevat.

4. Werkwijze volgens één der voorgaande conclusies, waarbij het bewerkingsgas O2, N2, lucht, He, Ar en/of H2 omvat.

5. Werkwijze volgens één der voorgaande conclusies, waarbij het lasergasfilter een snelwisselfilter is dat handmatig op een basis kan worden 20 bevestigd.

6. Werkwijze volgens conclusie 2, waarbij het bewerkingsgasfilter een snelwisselfilter is dat handmatig op een basis kan worden bevestigd.

7. Werkwijze volgens conclusie 5 of 6, waarbij ten behoeve van het verwisselen van het snelwisselfilter het snelwisselfilter van de basis wordt 25 verwijderd, waarbij door het verwijderen van het snelwisselfilter van de basis een gastoevoer en een gasafvoer in de basis naar het snelwisselfilter automatisch worden afgesloten en in de basis automatisch een _1 027327 __ 111 bypassleiding wordt geopend, zodanig dat een ononderbroken gastoevoer naar de laserbron en/of de laserbewerkingskop plaatsvindt, waarbij met het plaatsen van een nieuw gasfilter op de basis de bypassleiding automatisch wordt afgesloten, de gastoevoer en gasafvoer naar het snelfilter automatisch 5 worden geopend en het gas door het filter wordt gevoerd.

8. Werkwijze volgens één der voorgaande conclusies, waarbij het lasergas wordt geleid door een vochtfilter (e. moisture filter), een zuurstoffilter (e. oxygen filter) en/of een koolwaterstoffilter (e. hydrocarbon filter).

9. Werkwijze volgens één der voorgaande conclusies, waarbij het ten minste ene filter is voorzien van een indicator die aangeeft of en eventueel in welke mate het filtermateriaal in het filter is verzadigd, waarbij het filter wordt vervangen door een nieuw filter wanneer de indicator een bepaalde mate van verzadiging indiceert.

10. Inrichting voor het uitvoeren van een laserbewerking, waarbij de inrichting is voorzien van een laserbron, die via een lasergasleidingstelsel is aangesloten op de lasergasbron, met het kenmerk, dat in het lasergasleidingstelsel ten minste één lasergasfilter is op genomen.

11. Inrichting volgens conclusie 10, waarbij een laserbewerkingskop is 20 voorzien met behulp waarvan de laserstraal op een te bewerken object wordt gericht, waarbij de laserbewerkingskop via een bewerkingsgasleidingstelsel is aangesloten op een bewerkingsgasbron, waarbij in het bewerkingsgasleidingstelsel ten minste één bewerkingsgasfilter is opgenomen.

12. Inrichting volgens conclusie 10 of 11, waarbij in het lasergasleidingsstelsel een basis is opgenomen waarop een snelwisselfilter met een eenvoudige handeling plaatsbaar en verwijderbaar is.

13. Inrichting volgens conclusie 11, waarbij in het bewerkingsgasleidingstelsel een basis is opgenomen waarop een 1027327 snelwisselfilter met een eenvoudige handeling plaatsbaar en verwijderbaar is.

14. Inrichting volgens conclusie 12 of 13, waarbij de basis is voorzien van een gastoevoer en een gasafvoer die automatisch een geopende stand 5 aannemen in een op de basis geplaatste toestand van het snelwisselfilter en die automatisch een gesloten stand aannemen bij een van de basis verwijderde toestand van het snelwisselfilter.

15. Inrichting volgens conclusie 14, waarbij de basis is voorzien van een bypassleiding, die zich in een gesloten stand bevindt wanneer op de 10 basis een snelwisselfilter is geplaatst en die zich in een geopende stand bevindt wanneer op de basis geen snelwisselfilter is geplaatst.

16. Gebruik van een snelwisselfilter voor het reinigen van lasergas dat naar een laserbron van een laserbewerkingsinrichting wordt geleid, waarbij het snelwisselfilter met een eenvoudige handeling plaatsbaar is op en 15 verwijderbaar is van een basis die is opgenomen in een lasergasleidingstelsel dat een lasergasbron verbindt met de laserbron.

17. Gebruik van een snelwisselfilter voor het reinigen van een bewerkingsgas dat naar een laserbewerkingskop van een laserbewerkingsinrichting wordt geleid, waarbij het snelwisselfilter met een 20 eenvoudige handeling plaatsbaar is op en verwijderbaar is van een basis die is opgenomen in een bewerkingsgasleidingstelsel dat een bewerkingsgasbron verbindt met de laserbron. 1027327