NL8801553A - Werkwijze voor het, onder toepassing van een laserbundel, micro-bewerken van het oppervlak van een werkstuk. - Google Patents

Description

Werkwijze voor het, onder toepassing van een laserbundel, micro-bewer-ken van het oppervlak van een werkstuk.

Aanvraagster noemt als uitvinders: ing. A.H. van Krieken, ir. J.J.M. Groote Schaarsberg, en ir. H.J. Raterink

De uitvinding heeft betrekking op een werkwijze voor het micro-bewerken van het oppervlak van een werkstuk onder toepassing van een loodrecht op het oppervlak gerichte gepulseerde laserbundel, en heeft meer in het bijzonder betrekking op een werkwijze voor het micro-frezen van een dergelijk oppervlak.

Er zijn in de praktijd verschillende technieken voor oppervlaktebewerking met een laser bekend. Zo wordt bij het lassen met een laserbundel het materiaal tot smelten gebracht maar vindt geen vervorming van de te verbinden onderdelen plaats en wordt geen materiaal weggenomen. Bij het boren en snijden met een laserbundel wordt wel materiaal weggenomen dat door de ontstane doorsnijding kan worden afgevoerd. Er moet voor worden gezorgd dat deze manier van materiaalafvoer zo snel mogelijk op gang komt waarvoor een snelle verdamping en uitstoot van het materiaal is vereist. Hiervoor is bij het initiëren van het snijproces op het werkstuk een hoge vermogensdichtheid vereist die niet noodzakelijkerwijs later wordt teruggeregeld.

Bij de meeste vormen van lasermarkeren, coderen of textu-reren en bij laserstraling voor afregeling van elektronische componenten, wordt zeer plaatselijk een dun laagje materiaal weggenomen. Dit zeer dunne laagje heeft een hoog absorberend vermogen voor de laserstraling en de onderliggende dragerlaag is van een ander materiaal dat een gering absorberend vermogen heeft of dat de laserstraling reflecteert. De bestralingstijd wordt zodanig ingesteld dat het onderliggende andere materiaal niet door overgedragen warmte kan worden aangetast.

Bij het harden van metaaloppervlakken wordt het materiaal aan het oppervlak verhit en wordt een transformatieharding tot stand gebracht. Bij deze harding tot hardingstemperatuur mag het materiaal niet smelten. Bij andere oppervlakteveredelingstechnieken, zoals oppervlaktelegering van metalen (alloying en cladding) wordt wel het materiaal zelf of een opgebrachte materiaallaag tot smelten gebracht en worden bv.

poeders in de smeltpoel ingebracht.

Er zijn ook technieken voor het fijnbewerken van materialen bekend, zoals vonkerosie, ultrasoon bewerken en etsen. Bij vonkero-sie moet gebruik gemaakt worden van een elektrode en kan alleen geleidend materiaal aan het oppervlak worden bewerkt. Hierbij doet zich ook het probleem voor dat de elektrode telkens moet worden vervangen. Bij ultrasone techniek is slechts een ruwe afwerking mogelijk en bij een micro-bewerking is daarbij een elektrode op microschaal vereist. Bij het etsen kan slechts een beperkte diepte worden bereikt, en doet het probleem van boven- en onderetsen zich voor.

De uitvinding beoogt nu een werkwijze voor het micro- of fijn-bewerken van oppervlakken van een werkstuk van een materiaal zoals metaal, kunststof, keramiek e.d. te verschaffen, waarbij een nauwkeurig regelbare micro-freesbewerking mogelijk is in een plaatselijke opper-vlakstukje' met zonodig een grote of zeer geringe dieptewerking onafhankelijk van de aard van het toegepaste materiaal.

Dit wordt bij een werkwijze van de in de aanhef genoemde soort aldus bereikt dat de laserbundel ten opzichte van het oppervlak is gefocusseerd zodanig dat het focus nabij het oppervlak ligt, dat de laserbundel en het werkstuk aan een relatieve heen- en weergaande aftastbeweging worden onderworpen zodanig dat deze relatieve beweging van laserbundel en werkstuk gebeurt in stapjes kleiner dan de diameter van het genoemde focus en hierbij de laserbundel overlappend over eenzelfde stukje oppervlak beweegt en dit bestraalt, en dat de pulsduur en vermogensdichtheid van de laserbundel en de relatieve beweging daarvan ten opzichte van het werkstuk zijn ingesteld zodanig dat de materiaal-afname aan het oppervlak in zeer geringe mate en in hoofdzaak door verdamping gebeurt.

Bij deze werkwijze volgens de uitvinding kan een gecontroleerde hoeveelheid materiaal over een groot dieptebereik vanaf diepte nul worden weggenomen onafhankelijk van de aard van het materiaal, waarbij het proces van deze afname zelfregelend is.

Bij deze uitvoering volgens de uitvinding wordt een gepulseerde laserbundel, bv. van een Nd-YAG laser, toegepast met korte pulsen met een duur van 0,2 tot 3 msec, en een piekvermogen tot 2000 W. In de laserbundel is het vermogen nagenoeg gaussies verdeeld over de doorsnede waardoor een hogere vermogensdichtheid wordt verkregen. De bundel wordt met een lens of een spiegelsysteem gefocusseerd. Het concentratiegebied (focus) wordt zodanig in de Z-richting ten opzichte van het te bewerken oppervlak gepositioneerd dat door bestraling met de laser-energie een pluim van materiaaldamp en/of -plasma als lichtverschijnsel boven het oppervlak ontstaat met een bepaalde lengte en helderheid. Op dat moment is de voor het bewerkingsproces geschikte vermogensdichtheid bereikt.

De uitvinding zal nader worden toegelicht onder meer met verwijzing naar de tekening, waarin: figuur 1 enkele voorbeelden toont van aftastpatronen; en figuur 2 een schetsmatig aanzicht geeft van de bij bestraling ontstane pluim.

Een belangrijk aspect bij de bestraling is de zogenaamde voorverwarming van het materiaal. Bij de standaardbewerkingen, zoals boren en snijden, is een overdosis aan energie nodig. In het begin van de puls wordt een groot deel van het licht gereflekteerd. Op het moment echter dat er een damp of -plasma ontstaat neemt de absorptie/inkoppe-ling sterk toe. Hierdoor kan het boor- resp. snijproces sterk worden versneld en bij het boren cq. snijden is dit niet ernstig daar de energie door de ontstane opening verdwijnt.

Bij het micro-bewerken of -frezen moet een beperkte en gecontroleerde toegevoerde hoeveelheid energie worden geabsorbeerd en dit proces wordt sterk verbeterd door het voorverwarmen van het materiaal. Het gevolg van dit voorverwarmen is dat slechts een klein temperatuurverschil moet worden overbrugd opdat het oppervlaktedeel plaatselijk begint te verdampen. Zo zijn slechts zeer kleine energiepakketjes nodig voor een zeer geringe materiaalafname. Een verder voordeel is dat waarschijnlijk de absorptie bij hogere temperatuur toeneemt en een hogere absorptie in de vaste fase geeft een homogenere absorptie gedurende het proces. Hierdoor zijn hoge piekvermogens, alleen voor de in-koppeling, overbodig. De relatief hogere vermogensdichtheden die nodig zijn om het materiaal bij iedere puls overwegend door verdampen weg te nemen kunnen hierdoor lager zijn.

Volgens de uitvinding wordt nu deze wijze van voorverwarmen verkregen door een snelle heen- en weergaande beweging van de laserbundel over het oppervlak. Dit gebeurt in stapjes die kleiner zijn dan de diameter van het genoemde focus waardoor de laserbundel overlappend over eenzelfde stukje oppervlak beweegt en dit bestraalt. Vervolgens wordt de positie van het focus op een bepaalde manier volgens een zeker recept gevarieerd en de gemiddelde positie van het werkstuk ten opzichte van het focus volgt hierbij de gewenste rechtlijnige of kromlijnige weg in de richting van of loodrecht op de heen- en weergaande beweging.

In de figuren la tot ld zijn enkele voorbeelden gegeven van de snelle heen- en weergaande beweging en van de langzamere voortgaande hoofdbeweging.

Hierbij wordt de diepte van de micro-bewerking of frezen bepaald door het aantal malen dat de heen- en weergaande beweging over hetzelfde oppervlakdeel gaat met bijstelling van de ligging van het focus ten opzichte van het oorspronkelijke oppervlak. Het focus moet hierbij het te bewerken oppervlakdeel volgen.

De aanwezigheid van een pluim bij bovengenoemde micro-bewerking, zoals in figuur 2 aangegeven, is van zeer groot belang. De uit materiaaldamp en/of -plasma bestaande pluim absorbeert een groot deel van het laserlicht en dit zal groter worden indien door de voorverwar-ming bij de voorgaande puls de oppervlaktemperatuur en verdamping van het werkstuk toeneemt. Het overblijvende deel van het laserlicht wordt in het materiaal opgenomen. Door deze voorverwarming wordt het temperatuurverschil tot de gewenste bewerkingstemperatuur kleiner en is de toevoer van een volgend energiepakketje voldoende om daar, waar het oppervlak opnieuw wordt bestraald, de temperatuur zover te verhogen dat verdamping en daardoor een kleine hoeveelheid materiaalafname optreedt .

Derhalve vormt deze pluim als het ware een zelf-regelend element van de mate Van inkoppeling waarbij de laserstraling ten dele wordt geabsorbeerd in de pluim en een zelfregelende inwerkdiepte ontstaat. Indien in het ontstane evenwicht meer energie wordt ingebracht zullen de oppervlaktetemperatuur en verdamping toenemen waardoor de pluim in afmeting eveneens toeneemt en waardoor de hoeveelheid energie die het werkstuk bereikt zal afnemen. Hierdoor zal de verdamping afnemen, etc. Wanneer onvoldoende metaaldamp wordt ontwikkeld, verdwijnt de pluim derhalve. Hierdoor kan de pluim worden gebruikt om het proces te regelen. De pluim dooft uiteindelijk na elke puls. Er wordt bij elke volgende puls minder materiaal afgedampt en er is dus minder absorptie door de pluim die steeds kleiner wordt tot het proces stopt. De hoge gasdruk in de pluim heeft een egaliserende werking op het materiaaloppervlak.

Voor het uitvoeren van de nauwkeurige micro-bewerking in aanwezigheid van een pluim zal het focus van de laserbundel in of dicht bij het oppervlak van het werkstuk moeten liggen. Bijvoorbeeld om een gat met een vlakke bodem te maken zal het focus enkele mm boven deze bodem moeten liggen. Deze afstand moet dusdanig zijn dat door de lage energiedichtheid en de pluim geen of bijna geen materiaal wordt verwijderd.

Het is door de zelf-regelende werking van de pluim mogelijk om een micro- of frees-bewerking tot op een voorbepaalde diepte uit te voeren. Hiertoe wordt het focus van de laserbundel ingesteld op een door de bewerking bepaalde diepte onder het oppervlak van het werkstuk. Tijdens het bestralen blijft het focus ruimtelijk gezien op dezelfde hoogte en de materiaalafname gaat voort tot het bewerkte stukje oppervlak op zodanige diepte onder het focus is gekomen dat de materiaal verdamping en afname steeds minder wordt en geheel stopt.

De gewenste relatieve bewegingen van werkstuk en laserbundel kunnen mechanisch aan de werkstuktafel of optisch door een met spiegels bestuurde laserbundel of door een combinatie van beide worden gerealiseerd. Het zgn. recept uiteindelijk voor het besturingsprogramma voorziet in een herhaalde bestraling van een stukje oppervlakte door een heen- en een weergaande relatieve verplaatsing van de laserbundel ten opzichte van het materiaaloppervlak. Hierbij is deze relatieve verplaatsing van laserbundel en werkstuk altijd zodanig dat deze kleiner is dan de diameter van de gefocusseerde laserbundel.

Zoals bovengesteld kan een gepulseerde laser, zoals een Nd-YAG laser of een excimer- of andere geschikte laser, worden gebruikt met een vermogensdichtheid op het oppervlak van /^100 MW/cm^ die zo hoog is dat de laserenergie goed inkoppelt in het materiaal. De duur van de laserpuls is zo gekozen dat voldoende energie wordt toegevoerd om een kleine hoeveelheid materiaal te verdampen. Tevens is de pulsduur voldoende kort, nl. 0,2 tot 3 msec., om te voorkomen dat nevenliggend materiaal door warmteoverdracht wordt opgewarmd zodat het gaat smelten. De toegepaste pulsenergie ligt in een gebied van 0,05 tot 1 J.

De micro-bewerking of frees-bewerking kan worden uitgevoerd bijv. in drie stappen: (de aangegeven waarden zijn een voorbeeld bij toepassing van een Yd-YAG laser) 1. een snelle voorbewerkingsstap met een pulsduur van ca.

3 msec, een pulsenergie van ca. 1 J, en een pulsherhalingsfrequentie van ca. 40 Hz. Hierbij wordt veel warmte in korte tijd toegevoerd en kan een diepte van 1 mm/min worden verkregen en een oppervlak van 15 mm^/min.

2. een bewerkingsstap met een pulsduur van 0,2 tot 0,3 msec, een pulsenergie van ca, 0,05 J, en een pulsherhalingsfrequen-tie van ca. 100 Hz. De weg te nemen diepte kan tot vrijwel nihil wordeh teruggeregeld. De bewerkingssnelheid bij deze stap kan bv. 0,15 mm^/min bedragen» 3. een nabewerkingsstap: het zuiver gladmaken waarbij met een pulsduur van ca. 3 msec, een pulsenergie van ca. 0,8 J en een puls-herhalingsfrequentie van ca. 50 Hz wordt gewerkt.

De uitvinding kan in het bijzonder worden toegepast voor het produceren van doorgaande gaten, blinde gaten, sleuven of groeven met vooraf bepaalde vormen en afmetingen, en oppervlaktestructuren in metaal, kunststof of keramiek. Met name kan de uitvinding worden toegepast bij vervaardigingsprocessen van gereedschappen, vormen, stempels en hoge-precisie onderdelen.

Claims (5)

1. Werkwijze voor het micro-bewerken van een oppervlak van een werkstuk onder toepassing van een loodrecht op het oppervlak gerichte gepulseerde laserbundel, met het kenmerk, dat de laserbundel ten opzichte van het oppervlak is gefocusseerd zodanig dat het focus nabij het oppervlak ligt, dat de laserbundel en het werkstuk aan een relatieve heen- en weergaande aftastbeweging worden onderworpen zodanig dat deze relatieve beweging van laserbundel en werkstuk gebeurt in stapjes kleiner dan de diameter van het genoemde focus en hierbij de laserbundel overlappend over eenzelfde stukje oppervlak beweegt en dit bestraalt, en dat de pulsduur en vermogensdichtheid van de laserbundel en de relatieve beweging daarvan ten opzichte van het werkstuk zijn ingesteld zodanig dat de materiaalafname aan het oppervlak in zeer geringe mate en in hoofdzaak door verdamping gebeurt.

2. Werkwijze volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat de vermogensdichtheid en het focus van de laserbundel worden ingesteld zodanig dat bij elke puls een op het oppervlak staande materiaaldamp-en/of plasmapluim ontstaat, die de mate van inkoppeling van laserener-gie regelt, en waarin deze laserenergie ten dele wordt geabsorbeerd, waarbij door de in de pluim ontwikkelde warmte het oppervlak wordt voorverwarmd, zodat door de resulterende temperatuurverhoging daarvan de opvolgende toevoer van laserenergie voldoende klein kan zijn voor een zeer geringe materiaalafname.

3. Werkwijze volgens conclusie 2, met het kenmerk, dat de pluim bij de genoemde aftastbeweging als zelf-regelend element wordt toegepast zodanig dat de focus, in afhankelijkheid van de gewenste micro-bewerking, wordt ingesteld op een diepte onder het oppervlak en ruimtelijk gezien daarop wordt vastgebonden terwijl de bestraling voortgaat totdat het bewerkte stukje oppervlak op zodanige diepte onder het focus is gekomen dat de materiaalverdamping steeds minder wordt en geheel stopt.

4. Werkwijze volgens conclusie 1, 2 of 3, met het kenmerk, dat de heen- en weergaande aftastbeweging deel uitmaakt van een langzamere voortbeweging die een rechtlijnige of kromlijnige beweging is in de richting van of loodrecht op de heen- en weergaande aftastbeweging.

5. Werkwijze volgens één der voorgaande conclusies onder toepssing van een Nd-YAG laser, met het kenmerk, dat de pulsduur, pulsenergie en de pulsherhalingsfrequentie van de gepulseerde laserbundel zijn ingesteld respectievelijk op ongeveer 0,2-3 msec, 0,05 - 1 Joule, en 30 - 100 Hz.