WO1999019108A1 - Verfahren zur fein-und mikrobearbeitung von werkstücken mittels laserstrahlen und vorrichtung zur durchführung des verfahrens - Google Patents

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Axel Giering
Peter Linden
Markus Beck
Jochen BAHNMÜLLER
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Daimlerchrysler Ag
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    • B23K26/382—Removing material by boring or cutting by boring
    • B23K26/389—Removing material by boring or cutting by boring of fluid openings, e.g. nozzles, jets

Definitions

  • the invention relates to a method for fine and micromachining of workpieces by means of laser beams according to the preamble of claim 1 and a device for carrying out the method according to the preamble of claim 2.
  • Such methods and devices have already been proposed.
  • the fine and micro machining of workpieces by means of laser beams is used, for example, to produce function-optimized fine bores or three-dimensional surface structures.
  • a non-exhaustive list of possible applications includes, for example: cooling or form bores in turbine blades,
  • the workpiece is moved by means of an x-y table or, in another variant, also by means of a robot.
  • the disadvantage of this is that the workpiece must be moved and experience has shown that the path accuracy of the workpiece movement is poorer than that of a guided laser beam and, as a result, the dimensional and shape accuracy of the laser processing is comparatively poor.
  • the laser beam is deflected exclusively by means of an x-y scanner.
  • a disadvantage of this is the poorer path accuracy and the resulting comparatively poorer dimensional and shape accuracy of laser processing.
  • a defined conicity of the holes or structures cannot be set here either.
  • the laser beam is deflected by means of a movable robot-guided cutting optic.
  • a disadvantage of this is the poorer path accuracy and the resultant comparatively poorer dimensional and shape accuracy of the laser processing.
  • an asymmetrical intensity distribution of the laser beam leads to the generation of asymmetrical kerfs.
  • the object of the present invention is therefore to provide a method and a device for fine and micro-machining of workpieces by means of laser beams, some or all of which
  • the features of claim 1 relate to the method to be created for fine and micromachining workpieces by means of laser beams.
  • the invention is given in relation to the device to be created for fine and micromachining workpieces by means of laser beams by the features of claim 2.
  • the further claims (3 - 10) contain advantageous refinements and developments of the device for fine and micromachining of workpieces by means of laser beams.
  • the object is achieved with respect to the method for fine and micromachining of workpieces by means of laser beams according to the invention in that the laser beam is passed through three modules before striking the workpiece, and in that in the first module the laser beam is rotated about its beam axis, and that the point of incidence of the laser beam on the workpiece is varied by means of the second module, and that the inclination of the laser beam is varied relative to the surface of the workpiece by means of the third module.
  • the object is achieved according to the invention with respect to the device for fine and micromachining of workpieces by means of laser beams in that the device contains three modules, the first of which contains a device for rotating the laser beam about its beam axis and the second of which contains a device for varying the point of incidence of the laser beam on the workpiece, and the third contains a device for varying the inclination of the laser beam relative to the surface of the workpiece.
  • the advantages of such a design of the method and device are that by rotating the laser beam around its axis of rotation, an uneven intensity distribution and / or a round focusing can be compensated for and thus a uniform kerf is created when machining the workpiece, and in that the Varying the point of impact of the laser beam allows a largely free choice of the shape during processing, and in that the variation of the point of impact of the laser beam enables the setting of a desired taper.
  • the module for rotating the laser beam contains one or more prisms which maintain the optical beam axis and cause image rotation, preferably Dove, Abbe or König prisms , and a device for rotating the prism or prisms around the beam axis and a device for setting a defined speed of rotation.
  • the laser beam can be homogenized with regard to its cross-sectional geometry and / or intensity (on average) without the impact point or the tendency of the laser beam to impact the workpiece and thus the quality the machining process is reduced.
  • the module for varying the point of impact of the laser beam contains a mirror and a device for rotating the mirror about at least two independent axes of rotation, preferably vertical axes of rotation, the Device for rotating the mirror preferably contains piezo actuators.
  • the advantages of this configuration are that it can be used to deflect the laser beam in such a way that the production of highly precise and reproducible workpiece-part geometries is made possible, in particular also the production of non-rotationally symmetrical geometries or the removal of three-dimensional structures on the workpiece surface.
  • the vertical arrangement of the axes of rotation facilitates the setting of defined deflections of the laser beam.
  • the piezo actuators enable optimum precision to be achieved.
  • the module for varying the point of impact of the laser beam contains several mirrors or other deflection devices, as well as devices for rotating the mirrors about at least two independent axes of rotation, preferably vertical axes of rotation, wherein a mirror is preferably only rotated about a respective axis of rotation, the devices for rotating the mirrors preferably containing piezo actuators.
  • the module for varying the tendency of the laser beam to strike contains a device for rotating the entire module about the beam axis of the incident beam, a device fixed within the module Deflection of the incoming laser beam in the plane perpendicular to the incoming beam direction, preferably containing a plurality of fixed mirrors or a fixed prism, and a further device for deflecting deflecting the laser beam, which is movable within the module, preferably in the form of a mirror or a prism, and a device for translating this movable deflection device along the direction of propagation of the laser beam emerging from the fixed deflection device, and a device for tilting the movable deflection device by at least one further axis.
  • circular bores can be produced by rotating the entire module, and that any radius of the bore and any inclination or cone angle of the bore can be set by translating and tilting the movable deflection device .
  • the module for varying the incident tendency of the laser beam contains a device for deflecting the laser beam in two independent directions (xy deflection), preferably in the form of two independent scanner mirror, as well as two associated devices for rotating the scanner mirror about two independent axes, preferably about two mutually perpendicular axes.
  • a further deflection device preferably in the form of a mirror, between the second module for varying the point of impact of the laser beam and the third module for varying the tendency of the laser beam to hit .
  • the advantage of such a configuration is the possibility of changing the machining plane, for example from vertical machining of the workpiece to horizontal machining.
  • FIG. 1 A first exemplary embodiment of the device is shown in FIG. 1. It enables the generation of large inclination angles up to the order of 30 degrees.
  • the laser beam 1 is first guided into the first module 2 for rotating the laser beam about its beam axis.
  • the module 2 contains a device 21 for rotating the laser beam about its beam axis, here embodied in the form of a Dove prism that can be rotated with an adjustable rotation speed. With this rotation, the laser beam is homogenized with respect to its cross-sectional geometry and / or intensity (on average) and without the impact point or the impact tendency of the laser beam on the workpiece being influenced, thereby reducing the quality of the shaping processing.
  • the laser beam 1 is guided into the module 3 for varying the point of incidence of the laser beam on the workpiece ⁇ .
  • the module 3 is embodied here in the form of a mirror 31 and a device for rotating the mirror about two vertical axes of rotation, the device for rotating the mirror being operated by means of piezo actuators.
  • the laser beam 1 can be guided onto the workpiece ⁇ in such a way that the production of highly precise and reproducible workpiece geometries is made possible, in particular also the production of non-rotationally symmetrical geometries or the removal of three-dimensional structures on the workpiece surface.
  • the vertical arrangement of the axes of rotation facilitates the setting of defined deflections of the laser beam.
  • the piezo actuators enable a highly dynamic movement to be achieved with optimum precision.
  • the laser beam 1 is then guided into the module 4.
  • This module is mainly used to create round bores with adjustable taper.
  • the module 4 is designed here in such a way that the laser beam 1 is first deflected by 90 degrees from a first mirror 41 fixed inside the module 4 and guided to a second mirror 42 fixed inside the module 4. There, the laser beam 1 is deflected again by 90 degrees and guided to a third mirror 43 fixed within the module 4, deflected there again by 90 degrees and guided to a fourth mirror 44.
  • This mirror 44 is movable within the module 4 and can be tilted translationally in the direction of propagation of the laser beam 1 striking it and in two further directions.
  • the entire module 4 can be rotated about the beam axis of the incident laser beam.
  • the axes of the incident and the emerging laser beam are usually different.
  • circular bores can be produced, and by translating and tilting the movable mirror 4, an arbitrary radius of the bore can be set as well as any inclination or cone angle of the bore.
  • the laser beam 1 is guided through an imaging optics 5, here in the form of a plane field lens 51, by means of which the required machining focus is generated.
  • the laser beam 1 then hits the surface 6 1 of the workpiece 6 at an inclination angle ⁇ .
  • FIG. 2 A second exemplary embodiment of the device is shown in FIG. 2.
  • Modules 2 and 3 are designed analogously to FIG. 1 and are run through equally.
  • the module 4 for varying the impact of the laser beam 1 is replaced by the module 7.
  • a deflection mirror 8 is optionally located between the modules 3 and 7. This allows the machining level to be changed, for example from vertical machining of the workpiece to horizontal machining /
  • the module 7 contains a device for deflecting the laser beam in two independent directions (xy deflection) in the form of two independent scanner mirrors 71 and 72, as well as two associated devices for rotating the scanner mirrors 71 and 72 about two mutually perpendicular axes .
  • By suitable rotation of the scanner mirrors 71 and 72 circular bores with an adjustable radius and an adjustable conicity can also be produced in this way.
  • the difference to the first described variant using module 4 is that the first is used for extremely small bores in the micrometer range, while the second is used for machining significantly larger geometries and inclination angles. In addition, any geometry can be created with this, not just radially symmetrical bores. Compare Figure 2
  • the deflection of the laser beam 1 through a module 4 or 7 must be coordinated with the deflection of the laser beam 1 through a module 3.
  • the laser beam 1 is also guided through imaging optics 5, here in the form of a plane field lens 5 1, by means of which the required machining focus is generated and then strikes the surface 6 1 of the workpiece 6 at the angle of inclination ⁇ .
  • the methods and devices according to the invention prove to be particularly suitable for laser drilling and laser ablation in the production of function-optimized fine bores or of three-dimensional surface structures. They are particularly suitable for the following applications:
  • the third module entirely and instead to use suitable properties of the imaging optics 5, for example in the form of a lens or a lens system with suitable imaging errors.
  • the taper can then be adjusted by including such desired lens errors and varying the distance from module 2 to imaging optics 5. Compare the embodiment shown in Figure 4. Better setting options result from an additional translational movement (example cross table) and / or eccentric rotational movement of the imaging optics 5. Compare the exemplary embodiment shown in FIG. 4.
  • the focusing imaging optics 5 to the module 4 or 7, for example in the form of at least one concave mirror or at least one holographic optical element (HOE).
  • HOE holographic optical element
  • a G-scanner can also be used instead of the x-y scanner mirror pair.
  • the third module can also be used in the form 9 of a modified trepanning optic, as shown in FIG. 5, which follows the principle of a rotating wedge plate but with a variable prism angle.
  • the elements 91 and 92 represent a variable prism (prism angle) and are connected here to the imaging optics 5 and are moved together. 5 and 92 can be combined. 5 and 92 may be a holographic optical element.
  • the entire module 9 rotates about the neutral steel axis (dot-dash line in FIG. 5).
  • the imaging optics 5 are also moved with 91 and 92, but do not rotate with the entire module 9.
  • two of the three modules can be combined to form a connected unit.

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Abstract

Es werden ein Verfahren und eine Vorrichtung zu dessen Durchführung vorgeschlagen zur Fein- und Mikrobearbeitung von Werkstücken mittels Laserstrahlen. Das Verfahren läuft mehrstufig ab und die Vorrichtung ist modular aufgebaut. Das Verfahren und die Vorrichtung ermöglichen die Fein- und Mikrobearbeitung von Werkstücken mittels Laserstrahlen, derart daß sie Schnittfugen oder Nuten mit weitestgehend gleichmäßiger Form erzeugen; eine weitestgehend freie Wahl der Formgebung bei der Bearbeitung erlauben; die Einstellung einer benötigten Konizität ermöglichen; hochgenau und reproduzierbar arbeiten.

Description

Beschreibung
Verfahren zur Fein- und Mikrobearbeitung von Werkstücken mittels Laserstrahlen und Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Fein- und Mikrobearbeitung von Werkstücken mittels Laserstrahlen gemäß Oberbegriff des Patentanspruchs 1 sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens gemäß Oberbegriff des Patentanspruchs 2. Derartige Verfahren und Vorrichtungen wurden bereits vorgeschlagen.
Die Fein- und Mikrobearbeitung von Werkstücken mittels Laserstrahlen, insbesondere das Laserbohreπ und das Laserabtragen, dient beispielsweise zur Herstellung funktioπs- optimierter Feinbohrungen oder von dreidimensionalen Oberflächenstrukturen. Eine nichtabschließeπde Aufzählung möglicher Anwendungen beinhaltet zum Beispiel: - Kühl- beziehungsweise Formbohrungen in Turbinenschaufeln,
- Perforation von dünnen Blechen, z. B. zur Greπzschichtabsaugung,
- Ölschmierbohruπgen in Motor- und Getriebeteilen,
- Einspritzöffnuπgeπ in Einspritzdüsen,
- Präzisionsschnitte in schwerzerspaπbare Werkstoffe, - Mikrostruktureπ in Gleit- und Laufflächen. Wesentlich für die qualitativ hochwertige Fein- und Mikrobearbeitung von Werkstücken mittels Laserstrahlen sind vor allem eine möglichst gute Maß- und Formgenauigkeit, eine möglichst genaue Reproduzierbarkeit und ein möglichst geringer Nachbearbeitungsaufwand.
Diese Anforderungen werden von vorbekannten Verfahren und Vorrichtungen nur unzureichend erfüllt:
So existieren beispielsweise Verfahren und Vorrichtungen, bei denen der Laserstrahl mittels Trepanieroptik ausgelenkt wird. Nachteilig hieran sind die eingeschränkten Möglichkeiten der Formgebung; es sind nur kreisrunde Bohrungen oder Strukturen möglich. Eine definierte Konizität der Bohrungen oder Strukturen ist nicht einstellbar.
Bei anderen vorbekannten Verfahren und Vorrichtungen wird das Werkstück mittels eines x-y-Tisches oder in einer anderen Variante auch mittels eines Roboters bewegt. Nachteilig hieran ist, daß das Werkstück bewegt werden muß und die Bahngenauigkeit der Werkstückbewegung erfahrungsgemäß schlechter ist, als die eines geführten Laserstrahls und infolgedessen die Maß- und Formgenauigkeit der Laserbearbeituπg vergleichsweise schlecht ist.
Bei anderen vorbekannten Verfahren und Vorrichtungen erfolgt das Auslenkeπ des Laserstrahls ausschließlich mittels eines x-y-Scanners. Nachteilig hieran ist die erfahrungsgemäß schlechtere Bahngenauigkeit und die daraus resultierende vergleichsweise schlechtere Maß- und Formgenauigkeit der Laserbearbeitung. Darüber hinaus ist auch hier eine definierte Konizität der Bohrungen oder Strukturen nicht einstellbar.
Bei anderen vorbekanπten Verfahren und Vorrichtungen erfolgt das Auslenken des Laserstrahls mittels einer beweglichen robotergeführten Schπeidoptik. Nachteilig daran ist auch hier die erfahrungsgemäß schlechtere Bahngenauigkeit und die daraus resul- tierende vergleichsweise schlechtere Maß- und Formgenauigkeit der Laserbearbeitung. Darüber hinaus führt bei allen vorgenannten Verfahren und Vorrichtungen eine unsymmetrische Inteπsitätsverteiluπg des Laserstrahls zur Erzeugung von unsymmetrischen Schnittfugen.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht daher darin, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Fein- und Mikrobearbeitung von Werkstücken mittels Laserstrahlen anzugeben, die teilweise oder vollständig
- Schnittfugeπ oder Nuten mit weitestgehend gleichmäßiger Form erzeugen,
- eine weitestgehend freie Wahl der Formgebung bei der Bearbeitung erlauben, - die Einstellung einer benötigten Konizität ermöglichen,
- hochgenau und reproduzierbar arbeiten.
Die Erfindung ist in Bezug auf das zu schaffende Verfahren zur Fein- und Mikrobearbeitung von Werkstücken mittels Laserstrahlen durch die Merkmale des Patent- anspruchs 1 wiedergegeben.
Die Erfindung ist in Bezug auf die zu schaffende Vorrichtung zur Fein- und Mikrobearbeitung von Werkstücken mittels Laserstrahlen durch die Merkmale des Patentanspruchs 2 wiedergegeben. Die weiteren Ansprüche (3 - 10) enthalten vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Vorrichtung zur Fein- und Mikrobearbeitung von Werkstücken mittels Laserstrahlen.
Die Aufgabe wird bezüglich des Verfahrens zur Fein- und Mikrobearbeitung von Werkstücken mittels Laserstrahlen erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Laserstrahl vor dem Auftreffen auf das Werkstück durch drei Module geführt wird, und dadurch daß in dem ersten Modul der Laserstrahl um seine Strahlachse gedreht wird, und daß mittels des zweiten Moduls der Auftreffpunkt des Laserstrahls auf dem Werkstück variiert wird, und daß mittels des dritten Moduls die Auftreff neigung des Laserstrahls relativ zur Oberfläche des Werkstücks variiert wird. Die Aufgabe wird bezüglich der Vorrichtung zur Fein- und Mikrobearbeitung von Werkstücken mittels Laserstrahlen erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Vorrichtung drei Module beinhaltet, deren erstes eine Einrichtung zur Drehung des Laserstrahls um seine Strahlachse enthält, und deren zweites eine Einrichtung zur Variation des Auftreffpunktes des Laserstrahls auf dem Werkstück enthält, und deren drittes eine Einrichtung zur Variation der Auftreffneigung des Laserstrahls relativ zur Oberfläche des Werkstücks enthält.
Die Vorteile einer solchen Ausgestaltung von Verfahren und Vorrichtung bestehen darin, daß durch die Drehung des Laserstrahls um seine Drehachse eine ungleichmäßige Intensitätsverteilung und/oder eine uπrunde Fokussierung kompensiert werden kann und somit eine gleichmäßige Schnittfuge bei der Bearbeitung des Werkstücks entsteht, und darin, daß die Variation des Auftreffpunktes des Laserstrahls eine weitestgehend freie Wahl der Formgebung bei der Bearbeitung erlaubt, und darin, daß die Variation der Auftreffneigung des Laserstrahls die Einstellung einer gewünschten Konizität ermöglicht.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung betreffend die Vorrichtung zur Fein- und Mikrobearbeitung von Werkstücken mittels Laserstrahlen enthält das Modul zur Drehung des Laserstrahls ein oder mehrere Prismen, welche die optische Strahiachse erhalten und eine Bilddrehung bewirken, vorzugsweise Dove-, Abbe- oder König- Prismen, sowie eine Einrichtung zur Drehung des oder der Prismen um die Strahlachse und eine Einrichtung zur Einstellung einer definierten Geschwindigkeit der Drehung.
Die Vorteile dieser Ausgestaltung bestehen darin, daß mit ihr der Laserstrahl hinsichtlich seiner Querschnittsgeometrie und/oder -Intensität (im Zeitmittel) homogenisiert werden kann und zwar ohne, daß dadurch der Auftreffpunkt oder die Auftreff neigung des Laserstrahls auf dem Werkstück beeinflußt wird und so die Qualität der formgebenden Bearbeitung vermindert wird. In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung betreffend die Vorrichtung zur Fein- und Mikrobearbeitung von Werkstücken mittels Laserstrahlen enthält das Modul zur Variation des Auftreff puπktes des Laserstrahls einen Spiegel, sowie eine Einrichtung zur Drehung des Spiegels um mindestens zwei unabhängige Drehachsen, vorzugsweise senkrechte Drehachsen, wobei die Einrichtung zur Drehung des Spiegels vorzugsweise Piezo-Aktuatoren enthält.
Die Vorteile dieser Ausgestaltung bestehen darin, daß mit ihr der Laserstrahl derart abgelenkt werden kann, daß die Herstellung hochgenauer und reproduzierbarer Werk- Stückgeometrien ermöglicht wird, insbesondere auch die Herstellung von nicht rota- tioπssymmetrischen Geometrien oder das Abtragen von dreidimensionalen Strukturen auf der Werkstückoberfläche. Die senkrechte Anordnung der Drehachsen erleichtert die Einstellung definierter Auslenkungen des Laserstrahls. Die Piezo-Aktuatoren ermöglichen die Erzielung einer optimalen Präzision.
In einer anderen vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung betreffend die Vorrichtung zur Fein- und Mikrobearbeitung von Werkstücken mittels Laserstrahlen enthält das Modul zur Variation des Auftreffpunktes des Laserstrahls mehrere Spiegel oder andere Umlenkeinrichtungen, sowie Einrichtungen zur Drehung der Spiegel um mindestens zwei unabhängige Drehachsen, vorzugsweise senkrechte Drehachsen, wobei vorzugsweise jeweils ein Spiegel nur um jeweils eine Drehachse gedreht wird, wobei die Einrichtungen zur Drehung der Spiegel vorzugsweise Piezo-Aktuatoren enthalten.
Die Vorteile dieser Ausgestaltung entsprechen denen der direkt hiervor beschriebenen Ausgestaltung.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung betreffend die Vorrichtung zur Fein- und Mikrobearbeitung von Werkstücken mittels Laserstrahlen enthält das Modul zur Variation der Auftreffneigung des Laserstrahls eine Einrichtung zur Drehung des gesam- ten Moduls um die Strahlachse des einfallenden Strahls, eine innerhalb des Moduls feststehende Einrichtung zur Umlenkung des eintreffenden Laserstrahls in die zur Eintreff-Strahlrichtung senkrechte Ebene, vorzugsweise enthaltend mehrere feststehende Spiegel oder ein feststehendes Prisma, sowie eine weitere Einrichtung zur Um- lenkung des Laserstrahls, welche innerhalb des Moduls beweglich ist, vorzugsweise in Form eines Spiegels oder eines Prismas, sowie eine Einrichtung zur Translation dieser beweglichen Umienkeinrichtung entlang der Ausbreitungsrichtung des aus der feststehenden Umlenkeinrichtung austretenden Laserstrahls, sowie eine Einrichtung zur Kippung der beweglichen Umlenkeinrichtung um mindestens eine weitere Achse.
Die Vorteile dieser Ausgestaltung bestehen darin, daß durch die Drehung des gesamten Moduls kreisrunde Bohrungen erzeugt werden können, und darin, daß durch die Translation und die Verkippung der beweglichen Umlenkeinrichtung ein beliebiger Radius der Bohrung und ein beliebiger Inklinations- oder Konuswinkel der Bohrung eingestellt werden können.
In einer anderen vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung betreffend die Vorrichtung zur Fein- und Mikrobearbeitung von Werkstücken mittels Laserstrahlen enthält das Modul zur Variation der Auftreff neigung des Laserstrahls eine Einrichtung zur Ablenkung des Laserstrahls in zwei unabhängige Richtungen (x-y-Ablenkung), vorzugsweise ausgeführt in Form zweier unabhängiger Scanner-Spiegel, sowie zweier zugehöriger Einrichtungen zur Drehung der Scanner-Spiegel um zwei unabhängige Achsen, vorzugsweise um zwei zueinander senkrecht stehende Achsen.
Die Vorteile dieser Ausgestaltung bestehen darin, daß auch so kreisrunde Bohrungen mit einstellbarem Radius und einstellbarer Konizität erzeugt werden können. Der Unterschied zur erstbeschriebenen Variante besteht darin, daß die erste für extrem feine Bohrungen im Mikrometerbereich einsetzbar ist, während die zweite wesentlich größere Geometrien und Bearbeitungswinkel zuläßt.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung betreffend die Vorrichtung zur Fein- und Mikrobearbeitung von Werkstücken mittels Laserstrahlen befindet sich zwischen dem zweiten Modul zur Variation des Auftreffpunktes des Laserstrahls und dem dritten Modul zur Variation der Auftreffneigung des Laserstrahls eine weitere Umienkeinrichtung, vorzugsweise in Form eines Spiegels. Der Vorteil einer solchen Ausgestaltung besteht in der Möglichkeit zum Wechsel der Bearbeitungsebene, beispielsweise von einer vertikalen Bearbeitung des Werkstückes zu einer horizontalen Bearbeitung.
Im Folgenden wird anhand beispielhafter Ausführungen und Figuren das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Fein- und Mikrobearbeitung von Werkstücken mittels Laserstrahlen näher erläutert:
Eine erste beispielhafte Ausführung der Vorrichtung ist in Figur 1 dargestellt. Sie ermöglicht die Erzeugung großer Inklinationswinkel bis in die Größenordnung von 30 Grad. Gemäß Figur 1 wird der Laserstrahl 1 zunächst in das erste Modul 2 zur Drehung des Laserstrahls um seine Strahlachse geführt. Das Modul 2 enthält eine Einrichtung 21 zur Drehung des Laserstrahls um seine Strahlachse, hier ausgeführt in Form eines mit einer einstellbaren Rotationsgeschwindigkeit drehbaren Dove-Prismas. Durch diese Drehung wird der Laserstrahl hinsichtlich seiner Querschnittsgeometrie und/oder - intensität (im Zeitmittel) homogenisiert und zwar ohne, daß dadurch der Auftreffpunkt oder die Auftreff neigung des Laserstrahls auf dem Werkstück beeinflußt wird und so die Qualität der formgebenden Bearbeitung vermindert wird.
Nach seiner Homogenisierung wird der Laserstrahl 1 in das Modul 3 zur Variation des Auftreff punktes des Laserstrahls auf dem Werkstück ό geführt. Das Modul 3 ist hier ausgeführt in Form eines Spiegeis 31, sowie einer Einrichtung zur Drehung des Spiegels um zwei senkrechte Drehachsen, wobei die Einrichtung zur Drehung des Spiegels mittels Piezo-Aktuatoren betrieben wird. Durch dieses Modul 3 kann der Laserstrahl 1 derart auf das Werkstück ό geführt werden, daß die Herstellung hochgenauer und reproduzierbarer Werkstückgeometrien ermöglicht wird, insbesondere auch die Herstellung von nicht rotationssymmetrischeπ Geometrien oder das Abtragen von dreidimensionalen Strukturen auf der Werkstückoberfiäche. Die senkrechte Anordnung der Drehachsen erleichtert die Einstellung definierter Auslenkungen des Laserstrahls. Die Piezo-Aktuatoren ermöglichen die Erzielung einer hochdynamischen Bewegung mit optimaler Präzision. Anschließend wird der Laserstrahl 1 in das Modul 4 geführt. Dieses Modul dient vor allem zur Erstellung runder Bohrungen mit einstellbarer Konizität. Das Modul 4 ist hier derart ausgeführt, daß der Laserstrahl 1 zunächst von einem ersten innerhalb des Moduls 4 feststehenden Spiegel 41 um 90 Grad ausgeienkt und zu einem zweiten innerhalb des Moduls 4 feststehenden Spiegel 42 geführt wird. Dort wird der Laserstrahl 1 erneut um 90 Grad ausgelenkt und zu einem dritten innerhalb des Moduls 4 feststehenden Spiegel 43 geführt, dort erneut um 90 Grad ausgelenkt und zu einem vierten Spiegel 44 geführt. Dieser Spiegel 44 ist innerhalb des Moduls 4 beweglich und zwar translativ in die Ausbreitungsrichtung des auf ihn treffenden Laserstrahls 1 und in zwei weitere Richtungen kippbar. Das gesamte Modul 4 ist um die Strahlachse des einfallenden Laserstrahls drehbar. Die Achsen des einfallenden und des austretenden Laserstrahls sind in der Regel unterschiedlich. Durch die Drehung des gesamten Moduls 4 können kreisrunde Bohrungen erzeugt werden, durch die Translation und Kippung des beweglichen Spiegels 4 kann ein beliebiger Radius der Bohrung eingestellt werden sowie ein beliebiger Inklinations- oder Konuswiπkel der Bohrung.
Abschließend wird der Laserstrahl 1 durch eine Abbildungsoptik 5 geführt, hier ausgebildet in Form einer Planfeldlinse 51 , mittels der der benötigte Bearbeitungsfokus erzeugt wird.
Danach trifft der Laserstrahl 1 unter dem Inklinationswinkel α auf die Oberfläche 6 1 des Werkstückes 6.
Eine zweite beispielhafte Ausführung der Vorrichtung ist in Figur 2 dargestellt. Die Module 2 und 3 sind analog zur Figur 1 ausgeführt und werden gleichermaßen durchlaufen. Das Modul 4 zur Variation der Auftreff neigung des Laserstrahls 1 ist durch das Modul 7 ersetzt.
Zwischen den Modulen 3 und 7 befindet sich optional ein Umlenkspiegel 8. Dieser erlaubt den Wechsel der Bearbeitungsebeπe, beispielsweise von einer vertikalen Bearbeitung des Werkstückes zu einer horizontalen Bearbeitung/ Das Modul 7 enthält eine Einrichtung zur Ablenkung des Laserstrahls in zwei unabhängige Richtungen (x-y-Ablenkung) in Form zweier unabhängiger Scanner-Spiegel 71 und 72, sowie zweier zugehöriger Einrichtungen zur Drehung der Scanner-Spiegel 71 und 72 um zwei hier zueinander senkrecht stehende Achsen. Durch geeignete Drehung der Scanner-Spiegel 71 und 72 können auch so kreisrunde Bohrungen mit einstellbarem Radius und einstellbarer Konizität erzeugt werden. Der Unterschied zur erstbeschrie- beneπ Variante mittels des Moduls 4 besteht darin, daß die erste für extrem kleine Bohrungen im Mikrometerbereich eingesetzt wird, während die zweite für die Bearbeitung wesentlich größerer Geometrien und Neigungswinkel eingesetzt wird. Darüber hinaus lassen sich hiermit beliebige Geometrien erzeugen, nicht nur radialsymmetrische Bohrungen. Vergleiche Figur 2
Die Auslenkuπg des Laserstrahls 1 durch ein Modul 4 oder 7 muß mit der Auslenkung des Laserstrahls 1 durch ein Modul 3 abgestimmt werden.
Abschließend wird der Laserstrahl 1 auch in diesem Ausführungsbeispiel durch eine Abbiidungsoptik 5 geführt, hier ausgebildet in Form einer Planfeldlinse 5 1 , mittels der der benötigte Bearbeitungsfokus erzeugt wird und trifft danach unter dem Inklinationswinkel α auf die Oberfläche 6 1 des Werkstückes 6.
Die erfindungsgemäßen Verfahren samt Vorrichtungen erweisen sich in den beschriebenen Ausführungsformen als besonders geeignet für das Laserbohren und das Laserabtragen bei der Herstellung funktionsoptimierter Feinbohrungen oder von dreidimen- sionalen Oberflächenstrukturen. Insbesondere sind sie für nachfolgende Anwendungen geeignet:
- Kühl- beziehungsweise Formbohruπgen in Turbinenschaufelπ,
- Perforation von dünnen Blechen, z. B. zur Greπzschichtabsaugung,
- Ölschmierbohrungen in Motor- und Getriebeteilen, - Einspritzöffπungeπ in Einspritzdüsen,
- Präzisionsschnitte in schwerzerspanbare Werkstoffe,
- Mikrostruktureπ in Gleit- und Laufflächen. Die Erfindung ist nicht nur auf die zuvor beschriebenen Ausführuπgsformen beschränkt, sondern vielmehr auf weitere übertragbar.
So ist zum Beispiel denkbar, das dritte Modul ganz wegzulassen und statt dessen geeignete Eigenschaften der Abbildungsoptik 5 auszunutzten, beispielsweise in Form einer Linse oder eines Linsensystems mit geeigneten Abbildungsfehlern. Die Konizität kann dann durch die Einbeziehung solcher gewünschten Linsenfehler und eine Variation des Abstaπdes von Modul 2 zur Abbildungsoptik 5 eingestellt werden. Vergleiche hierzu das in Figur 4 dargestellte Ausführungsbeispiel. Bessere Einstellmöglichkeiteπ ergeben sich durch eine zusätzliche translatorische Bewegung (Beispiel Kreuztisch) und/oder exzentrische Rotations-Bewegung der Abbildungsoptik 5. Vergleiche hierzu das in Figur 4 dargestellte Ausführungsbeispiel.
Außerdem ist es möglich die fokussiereπde Abbilduπgsoptik 5 mit dem Modul 4 oder 7 zu verbinden, beispielsweise in Form mindestens eines Hohlspiegels oder mindestens eines holographisch optischen Elementes (HOE).
Ferner kann anstatt des x-y-Scanner-Spiegelpaares auch ein G-Scanner verwendet werden.
Des weiteren kann das dritte Modul anstatt in den Ausführungsformen 4 oder 7 auch wie in Figur 5 gezeigt in Form 9 einer abgewandelten Trepanieroptik eingesetzt werden, die dem Prinzip einer rotierenden Keilplatte aber mit veränderbaren Prismenwinkel folgt. Die Elemente 91 und 92 stellen ein veränderliches Prisma (Prismeπwinkel) dar und sind hier mit der Abbildungsoptik 5 verbunden und werden gemeinsam bewegt. 5 und 92 kann kombiniert sein. 5 und 92 kann ein holographisch optisches Element sein. Das gesamte Modul 9 rotiert um die neutrale Stahlachse (punkt-gestrichelte Linie in Figur 5). In einer anderen (in Figur 6 dargestellten) Variante wird die Abbiidungsoptik 5 mit 91 und 92 mitbewegt, rotiert aber nicht mit dem gesamten Modul 9.
Außerdem können jeweils zwei der drei Module zu einer verbundenen Einheit kombiniert werden.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Fein- und Mikrobearbeitung von Werkstücken mittels Laserstrahlen, bei dem der Laserstrahl vor dem Auftreffen auf ein Werkstück fokussiert wird, dadu rch gekennzeichnet, daß der Laserstrahl vor dem Auftreffen auf das Werkstück durch drei Module geführt wird, und dadurch daß in dem ersten Modul der Laserstrahl um seine Strahlachse gedreht wird, und daß mittels des zweiten Moduls der Auftreffpunkt des Laserstrahls auf dem Werkstück variiert wird, und daß mittels des dritten Moduls die Auftreffneigung des Laserstrahls relativ zur Oberfläche des Werkstücks variiert wird.
2. Vorrichtung zur Fein- und Mikrobearbeitung von Werkstücken mittels Laserstrahlen, die eine Einrichtung zur Fokussierung des Laserstrahls enthält, dadu rch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung zwei Module beinhaltet, deren erstes eine Einrichtung zur Drehung des Laserstrahls um seine Strahlachse enthält, und deren zweites eine Einrichtung zur Variation des Auftreffpunktes des Laserstrahls auf dem Werkstück enthält.
3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß sie ein weiteres Modul enthält,
Welches dem Modul zur Variation des Auftreff punktes des Laserstrahls auf dem
Werkstück nachgestellt ist, und welches eine Einrichtung zur Variation der Auftreff neigung des Laserstrahls relativ zur
Oberfläche des Werkstücks enthält.
4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Modul zur Drehung des Laserstrahls ein oder mehrere Prismen enthält, welche die optische Strahlachse erhalten und eine Bilddrehung bewirken, vorzugsweise Dove-,
Abbe- oder König-Prismen, sowie eine Einrichtung zur Drehung des oder der Prismen um die Strahlachse und eine Einrichtung zur Einstellung einer definierten Geschwindigkeit der Drehung.
5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Modul zur Variation des Auftreffpunktes des Laserstrahls einen Spiegel enthält, sowie eine Einrichtung zur Drehung des Spiegels um mindestens zwei unabhängige Drehachsen, vorzugsweise senkrechte Drehachsen, wobei die Einrichtung zur Drehung des Spiegels vorzugsweise Piezo-Aktuatoren enthält.
6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeic net, daß das Modul zur Variation des Auftreffpunktes des Laserstrahls mehrere Spiegel enthält, sowie Einrichtungen zur Drehung der Spiegel um mindestens zwei unabhängige
Drehachsen, vorzugsweise senkrechte Drehachsen, wobei vorzugsweise jeweils ein
Spiegel nur um jeweils eine Drehachse gedreht wird, wobei die Einrichtungen zur
Drehung der Spiegel vorzugsweise Piezo-Aktuatoren enthalten.
7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Modul zur Variation der Auftreff neigung des Laserstrahls eine Einrichtung zur Drehung des gesamten Moduls um die Strahlachse des einfallenden Strahls enthält, sowie eine innerhalb des Moduls feststehende Einrichtung zur Umlenkung des eintreffenden Laserstrahls in die zur Eintreff-Strahlrichtuπg senkrechte Ebene, vorzugsweise enthaltend mehrere feststehende Spiegel oder ein feststehendes Prisma, sowie eine weitere Einrichtung zur Umlenkung des Laserstrahls, welche innerhalb des Moduls beweglich ist, vorzugsweise in Form eines Spiegels oder eines Prismas, sowie eine Einrichtung zur Translation dieser beweglichen Umienkeinrichtung entlang der Ausbreitungsrichtung des aus der feststehenden Umienkeinrichtung austretenden Laserstrahls, sowie eine Einrichtung zur Kippuπg der beweglichen Umienkeinrichtung um mindestens eine weitere Achse.
8. Vorrichtung nach Anspruch , dadurch gekennzeic net, daß die Einrichtungen zur Translation und/oder Kippung der beweglichen Umienkeinrichtung Piezo-Aktuatoren enthalten.
9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Modul zur Variation der Auftreff neigung des Laserstrahls eine Einrichtung zur Ablenkung des Laserstrahls in zwei unabhängige Richtungen (x-y-Ablenkung) enthält, vorzugsweise ausgeführt in Form zweier unabhängiger Scanner-Spiegel, sowie zweier zugehöriger Einrichtungen zur Drehung der Scanner-Spiegel um zwei unabhängige Achsen, vorzugsweise um zwei zueinander senkrecht stehende Achsen.
10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß sich zwischen dem zweiten Modul zur Variation des Auftreffpunktes des Laserstrahls und dem dritten Modul zur Variation der Auftreff neigung des Laserstrahls eine weitere Umienkeinrichtung befindet, vorzugsweise in Form eines Spiegels.
11. Vorrichtung zur Homogenisierung eines Laserstrahls, dadurch gekennzeichnet, daß sie zur Drehung des Laserstrahls ein oder mehrere Prismen enthält, welche die optische Strahlachse erhalten und eine Bilddrehung bewirken, vorzugsweise Dove-, Abbe- oder König-Prismen, sowie eine Einrichtung zur Drehung des oder der Prismen um die Strahlachse und eine Einrichtung zur Einstellung einer definierten Geschwindigkeit der Drehung.
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