WO2005023480A1 - Verfahren und vorrichtung zum bohren von löchern mit co2-laserimpulsen - Google Patents

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Definitions

  • the invention relates to a method and apparatus for drilling holes with C0 2 laser pulses using a C0 2 laser. More particularly, the invention relates to a method and apparatus for drilling very fine holes, ie holes less than 100 microns in diameter, of high quality and variability of well parameters, particularly hole geometry, with C0 2 laser pulses using a C0 2 laser of the highest beam quality , ie with a beam quality index greater than 0.8, with simultaneous protection of structural elements, such as surfaces facing the borehole at a small distance (mm range), from harmful interference, such as heating, melting or even evaporation due to the Borehole passing radiation.
  • single-pulse drilling all of the energy needed to make the desired hole is injected with a single pulse of radiation.
  • Typical bore diameters are between 20 ⁇ m and 250 ⁇ m, typical drilling depths of a few mm. Since the diameter tolerances and roughness parameters are on the order of ⁇ 10 ⁇ m, single-pulse drilling is not suitable for the production of precision bores (VDI: ablation, drilling and cutting with solid-state lasers.) Laser in material processing Volume 7, VDI-Verlag, Düsseldorf (1998 )).
  • the processing methods of trepanning and helical drilling are suitable for their production.
  • the boreholes are quasi cut out by a pulsed laser beam with the advantage that holes with high parallelism of the borehole walls, smooth flanks and sharp entry and exit edges can be produced over a few mm diameter and depth range.
  • the bore diameter of the beam cross-section is largely independent, which allows the use of short-pulse lasers, the reduction of the melt film occurring. This becomes immediately clear when one considers the intensity gradient of a Gaussian beam, which depends on the focusing. While adjusting the focus diameter in the simple single-pulse or
  • Percussion drilling to the desired bore size yields a Gaussian distribution with a shallow gradient, allowing trephining and helical drilling to produce a jet with very steep flanks.
  • the removal threshold of the respective material is achieved within narrower limits, whereby the precision increases.
  • the necessary relative movement between the beam and workpiece can be realized in a variety of ways, eg by guiding the beam by means of optics based on rotating sub-plates or by the movement of the workpiece itself.
  • Modern trephining optics are capable of tilting and displacing the beam with respect to its original beam axis so that an offset (radius the bore) and an undercut (cone of the bore) is created (K. Jasper: New concepts of laser beam shaping and guiding for microtechnology., Utz Verlag Kunststoff, intended for publication (2003)).
  • Helix drilling differs from trepanning, which can be attributed to the cutting process, in that the drilling is completed after several passes.
  • the associated reduction in the removal volume per radiation pulse also has a positive effect on the precision of the bore.
  • the shorter the wavelength the more focusable laser beams (and thus the smaller hole diameters possible).
  • the main advantage of the excimer laser with wavelengths in the UV range and the main drawback of the C0 2 laser with its relatively large wavelength by about 10 microns. Numerous other aspects are rela- However, the conditions are drastically reduced. Thus, the optimal focusing can be realized only with good beam quality (if possible TEM 0o mode, ie Gaussian intensity profile).
  • the C0 2 laser which is available in numerous commercial versions, which at high output power in kW range beam quality index K close to 1 (typical for C0 2 laser good to very good beam quality K values between 0.7 and 0.9).
  • the C0 2 laser as the most widely used material processing laser especially under the last-mentioned aspects relevant advantages over established lasers such as Nd: YAG and excimer lasers, but especially compared to the still in the development process, eg drilling with ultrashort pulses, it is useful, from the point of view of industrial use, to maximize all possibilities of this type of laser and thus to ensure the highest efficiency in the solution of such tasks, which, initially considering the state of the art outside the possibilities of C0 2 Laser technology seem to lie.
  • a major problem is z.
  • the previously used methods eg. For example, introducing a sacrificial cone into the space between the two walls is time consuming, expensive, and can degrade the quality of the drilling at the jet exit side.
  • the use of cheap absorbing fluids, e.g. Water in the case of the commonly used lasers (Nd: YAG laser, more recently titanium-sapphire or fiber laser), fails at the wavelength of 1 ⁇ m, for which water is practically transparent.
  • a method of producing defined conical holes by means of a laser beam is described in DE 199 05 571 C1, which uses circularly polarized laser light to adjust the diameter and the divergence of the laser beam by combining a tumbling motion of the laser beam and simultaneous synchronous rotation of the laser beam around it own axis drill holes with defined hole geometry, especially conical drill holes to produce.
  • the invention is based on the object of providing a method and a device which, on the one hand, provide technology for drilling very fine holes of high quality and variability of the machining parameters with high efficiency, ie short machining times, on the other hand, the cost-effective, technically perfected and use reliable C0 2 laser technology.
  • the object is achieved by a method for drilling holes with C0 2 laser pulses using a C0 2 laser according to claim 1 and by a device for drilling holes with C0 2 laser pulses using a C0 2 laser according to claim 19. Further features of the method and the device according to the invention for carrying out the method are the subject of the dependent claims.
  • the inventive method according to claim 1 comprises the following steps:
  • the radiation pulses or radiation pulse sequences from the radiation of the C0 2 laser are formed externally, ie outside the laser resonator, so that their temporal performance curve, ie peak power, duration and shape of the pulses and their beam quality can be influenced in such a way that an optimum Drilling process is ensured.
  • the environment of the focus spot is blown with a working and protective gas. This serves to optimize the interaction of laser beam material, in particular to reduce the process damaging fractions of molten material.
  • This step is preferably improved by mixture of oxygen and an inert gas, preferably argon, is used for blowing.
  • Another step according to the invention consists in the suppression of the radiation feedback between the workpiece and
  • Such pulses have on the one hand pulse peak power in the kW range, the efficient and flexible C0 2 lasers, an energy that can be achieved in drilling rates, for example, from steels that ensure a drafty drilling process, yet are short enough to prevent the formation of undesirable high melt levels
  • Pulses of the desired duration can not be realized with the electrical control of conventional C0 2 lasers, where the limit is approximately 100 ⁇ s.
  • the realization of the external generation of the radiation pulses and radiation pulse sequences in a preferred manner according to claim 6 is possible in that the shaping of the radiation pulses by means of a radiation modulator, which is arranged outside the laser resonator, and in principle works so that it either from the Continuous laser radiation or from the radiation pulses emitted by the electrically pulsed C0 2 laser pulses "cut out" that meet the requirements of an optimal interaction laser radiation material during the drilling process
  • Such pulses are preferably by symmetry over time of the power and relatively small pulse durations Ti mp in the order of magnitude range 1 ⁇ s ⁇ j. mp ⁇ 100 ⁇ s.
  • acousto-optic modulators or interference laser radiation modulators are suitable, for example in the preferred embodiment according to claim 7 acousto-optic modulators or interference laser radiation modulators. Especially the latter have proven very well for the pulse shaping in question and will therefore be considered further below.
  • the shaping of the pulses with these modulators can z.
  • Both the C0 2 laser and the interference laser radiation modulator are controlled by means of synchronized control pulses from a common clock generator so that time-synchronized electrically pulsed radiation of the C0 2 laser generates and on the other hand, the modulator is tuned by its transmission characteristic.
  • These two simultaneous processes are now to be synchronized in such a way that the power maximum of the "truncated" truncated pulses, that is, driving over the transmission maximum of the interference laser radiation modulator coincides exactly with the power maximum of the electrically generated output pulses of the C0 2 laser. This can be done via a corresponding time shift of the control pulses for the control unit of the C0 2 laser on the one hand and the modulator drive on the other hand.
  • the goals required by the external shaping of the radiation pulses and the radiation pulse sequences can be optimally fulfilled by the fact that the attainment of the maximum power of the electrical pulses can be chosen from the outset such that it is 100 to 300 ⁇ s after the oscillation
  • the lasers are in a time range in which a good beam quality of the laser is already achieved and the "irregular" transient phase of the laser is over ⁇ s of the electrically driven radiation pulse are rejected by the external modulator and thus not affect the focus of the total radiation insofar that especially these radiation components, which are indeed less focused, for example, lead to an undesirable heating and possibly even melting of the borehole edge ,
  • a further particularly preferred shaping of the power curve during the entire drilling process is also to be settled, namely the variation of the peak power of the respective individual pulses of the pulse train implementing the bore in such a way. that the drilling process runs optimally (see claim 9).
  • the drilling process is divided into three sections with regard to the temporal performance curve.
  • a first start section which consists of one or more series of pulses, preferably 10 to 100 pulses
  • the first pulse has a peak power corresponding to the removal threshold of the respective processed material, while the peak powers of the following pulses are successively increased. In this way, a start hole of a few tenths of mm depth is formed in the first drill section, avoiding molten beads and debris.
  • one or more series of pulses preferably consisting of 10 to 100 pulses, are generated, whose peak outputs are so far above those of the starting section that a borehole is advanced into the depth and until pierced.
  • the boring section is followed by a borehole forming section, which is characterized by a continuation of the drilling process with maximum peak power.
  • the maximum peak power is characterized in that the upper edge of the hole formed in the preceding starting sections and drilling sections is not remelted using the combined movement of rotation of the beam around the system axis and the beam profile around the beam axis to the predetermined hole shape, for example a downwardly extended cone to achieve.
  • power controls in the interval between 10% and 100% of the maximum laser power possible here, which is quite sufficient to ensure an optimal course of the peak power of the individual pulses for the entire drilling process as described above.
  • the Power control can be effected by means of an electrical control of the C0 2 laser or by means of a second laser radiation modulator.
  • C0 2 laser is converted into circularly polarized radiation by means of suitable elements.
  • the polarization of the radiation during laser material processing has a significant influence on the absorption behavior.
  • a central role in the present invention plays the
  • the rotation of the intensity profile of the beam about its beam axis is realized by a suitable unit.
  • the aim of this measure is clear: the practically always existing influences of a deviation of the intensity profile from the rotational symmetry can be eliminated in this way, if one assumes that the rotation of the intensity profile around its own axis takes place so fast that the cycle time is small against the total drilling time.
  • the second condition for the high efficiency of the method with regard to a maximally optimal rotationally symmetric distribution of the total radiation energy of the pulse train that generates the borehole is that as many pulses as possible fall on a single "turn" of the intensity profile about its axis, ie Since the latter is realized by means of a mechanically relatively large unit, no more than the order of magnitude of 10 s -1 should be used for this, so that this condition can be well fulfilled at pulse repetition frequencies greater than 200 Hz.
  • the first requirement is that as many (> 10) rotations of the intensity profile around its axis as possible should be performed during the entire drilling process . If one has in principle secured the optimum "roundness" of the borehole by the above-described method steps, one can work in the coordinated steps of forming the hole cross-section, ie the rotation of the entire beam around the system axis with subsequent focusing of the beam thus formed, for example one In the normal case, ie when drilling an approximately cylindrical hole, ia the focus of the
  • a suitable working and shielding gas for the drilling process to blow the environment of the focus spot is essential for achieving a high surface quality of the borehole wall.
  • a working and inert gas inert gases oxygen or mixtures of both can serve. Their effect is based on oxygen z.
  • an additional energy source by the exothermic reaction of the gas for example with iron materials or in the case of inert gases in a smoothing effect of the hot plasma, which is formed from the working gas by the intense laser radiation and has direct contact with the workpiece surface.
  • Gas mixtures of oxygen and a noble gas, for example argon, which optimally combine the two effects, are particularly preferred according to claim 3.
  • a noble gas for example argon
  • the optimization of the working gas plays a decisive role, especially in the production of precision bores such as those in fuel injection nozzles, since the influence on the surface quality of the bore itself and its surroundings must be reduced to a minimum by melt fractions.
  • an adaptation of the pressure with which the working gas is blown to the vicinity of the focus spot, to the various stages of the drilling process is preferred.
  • the individual pulse series are characterized by a low gas pressure in the range between 0 and 1 bar.
  • debris and unwanted enamel fractions are blown out at high gas pressure in the range of 1 to 20 bar.
  • the bore and downhole forming sections are characterized by a steady increase in pressure from the initial pressure used in the starting section of the drilling process to a maximum of up to 20 bar.
  • the efficient suppression of the radiation pressure coupling between workpiece and C0 2 laser by means of a wavelength-selective decoupling unit serves to secure the high quality of the borehole. Since the laser on one side and the workpiece on the other side represent a radiation-coupled system, the laser function is known to be severely impaired by the radiation pressure coupling, so that the system tends to parasitic oscillations. These are very intense at the beginning of the processing, when the work piece acts as a quasi-level mirror, and very intensively during the electrically pulsed operation of the laser. The known and previously used measures for this decoupling are based on the coupling between a ⁇ / 4 phase shifter and an ATFR mirror in the beam path.
  • the inventive method according to claim 1 or the device according to the invention according to claim 20 is to secure an optimal edge quality at the top of the hole and to protect the workpiece surface surrounding the hole from splashing material, rekondensierendem material vapor and unwanted heat influence additionally a tight on the surface of the workpiece adjacent protective film, preferably a metallic protective film, more preferably an aluminum or copper foil used.
  • the thickness of the protective film is to be adjusted so that only a small fraction of the energy available in a single radiation pulse is required for its through-hole. According to claim 36, the thickness of the protective film is preferably 10 to 20 ⁇ m.
  • this protective foil can be kept stationary for a whole pulse train so that the same bullet hole is always used.
  • the protective effect of the protective film is reduced after several pulses, in a preferred embodiment according to claim 15 of the invention, the protective film is moved so fast during the drilling process from pulse to pulse, that the radiation in each case on a surface element not yet exposed to radiation this film meets, d. H. each pulse drilled through the protective film again its through hole.
  • Figure 1 shows the overall arrangement for drilling finest holes by C0 2 laser according to the present invention.
  • Figure 2 illustrates the pulse shaping by means of synchronous control of C0 laser and interference laser radiation modulator.
  • Figure 3 illustrates the principle of rotary-beam drilling.
  • FIG. 4 illustrates the schematic beam path in the rotation module for the simultaneous realization of a rotation of the intensity profile of the beam about its beam axis and a rotation of the entire beam about the system axis with a defined distance and angle between the axis of the beam and the system axis.
  • FIG. 5 shows the principle of the adjustment of the position and direction of the decoupled beam in the rotation module.
  • Figure 6 and Figure 7 show an embodiment of the rotary module in two different views.
  • FIG. 8 illustrates drilling with a combination of a rotary module and a rotating machining head.
  • FIG. 9 illustrates the known principle of the defined beam offset by a plane-parallel plate.
  • FIG. 10 illustrates the generation of a rotation of the beam by means of a plane-parallel plate.
  • FIG. 11 shows the generation of a rotation of the beam by means of a combination of wobble mirror and axicon in a first embodiment.
  • FIG. 12 shows the generation of a rotation of the beam by means of a combination of wobble mirror and axicon in a second embodiment.
  • Figure 13 illustrates the generation of a rotation of the beam by means of a combination of x-y scanner and axicon.
  • Figure 14 illustrates the principle of protection of the top of the hole by means of a moving protective film.
  • Figure 15 illustrates the protection of walls opposite the borehole by means of flowing absorbent fluid.
  • Figure 16 shows an embodiment of the protection of opposing walls by means of absorbing fluid when drilling injection nozzles.
  • FIG. 1 initially illustrates the interaction of all the relevant components for carrying out the method steps of the method according to the invention.
  • a C0 2 laser beam 2 generated in a high-performance C0 2 laser 1 with a high beam quality index K close to 1 is shaped by an interference radiation modulator 3 in such a way that the optimum pulses required for the drilling process are produced.
  • the C0 2 laser beam 2 passes through a symbolically represented unit 4 for wavelength-selective suppression of the radiation feedback, which consists of a wavelength-selective optical element 5 and an ATFR mirror 6.
  • the wave Length-selective element 5 can be formed for example from a prism, a grating or one or more wavelength and thus frequency-selective mirrors.
  • a subsequent ⁇ / 4 phase shifter 7 has a double function: it firstly serves to transform the linearly polarized laser radiation 2 into circularly polarized and secondly in cooperation with the unit 4 of the wavelength-selective suppression of the radiation feedback. Following the ⁇ / 4-phase shifter 7 is followed by another deflection mirror 8.
  • a subsequently irradiated telescope 9 is used to adapt in particular diameter and divergence of the beam to the dynamic process of focusing on a workpiece 14, the unit 10 for rotation of the intensity profile about the beam axis and a unit 11 for rotation of the thus formed beam about the system axis with a defined, but freely adjustable distance and angle between the axis of
  • a focusing lens 12 combines the radiation components in a focus spot 26 (cf., FIG. 3) on the workpiece surface, with a protective film 13 serving to protect this workpiece surface.
  • a liquid 15 flowing along the underside of the workpiece serves to absorb the C0 2 laser radiation 2 passing through the borehole and thus to protect the wall opposite the borehole from undesired thermal effects.
  • FIG. 2 illustrates the generation of radiation pulses of defined shape in the interference laser radiation modulator 3. measured the method according to the invention.
  • the basic principle of this shaping is the following: Synchronized control pulses are output by a common clock generator 17 both for a control unit 18 of the C0 2 laser 1 and for a modulator drive 19 of the interference laser radiation modulator 3. Via the control unit 18, the C0 2 laser 1 is electrically pulsed and excited to deliver pulses with a typical time course 16. From these pulses, a much narrower range with a temporal power curve 21 is cut out by means of the interference laser radiation modulator 3, on the one hand contains only radiation components good beam quality and on the other hand adapted in its pulse duration so that an optimal interaction with the workpiece is secured in the drilling process.
  • both the C0 2 laser 1 and the interference laser radiation modulator 3 are controlled by synchronized control pulses from the common clock generator 17 such that time-synchronized electrically pulsed radiation of the C0 2 laser 1 is generated and on the other hand the interference
  • Laser radiation modulator 3 is tuned via its transmission characteristic. These two simultaneously running processes must now be synchronized in such a way that the power maximum of the "truncated" truncated pulses, thus exceeding the transmission maximum of the interference laser radiation modulator, coincides exactly with the power maximum of the electrically generated output pulses of the C0 2 laser 1.
  • control pulses for the control unit 18 of the CO 2 laser 1 on the one hand and the modulator driver 19 on the other hand can be effected via a corresponding time shift Reaching the Power maximum of the electrical pulses by appropriate control from the outset can be chosen so that it takes place 100 to 300 microseconds after the oscillation of C0 2 laser 1, ie in a time range in which already reaches a good beam quality of the laser and the laser "irregular" transient phase of the C0 2 laser 1 is over.
  • the beam components with low beam quality that is the approximately the first 100 microseconds of the electrically controlled radiation pulse, are separately off by the interference laser radiation modulator 3, and thus not impairing the focusing of the total radiation in that especially these radiation components, which are in fact focussed less well, lead, for example, to undesirable heating and possibly even melting of the borehole edge arranged outside the resonator of the C0 2 laser 1.
  • the drilling process is divided into three sections in which the peak powers of the respective embryo pulses are varied to optimize the wellbore.
  • the drilling process starts with a start section, which consists of one or more series of pulses, preferably in each series of 10 to 100 pulses.
  • the first pulse has a peak power which corresponds to the removal threshold of the respective processed material, while the peak powers of the following pulses are successively increased. In this way, in the first drill section, a start drilling a few tenths of a mm depth while avoiding molten pearls and debris.
  • one or more series of pulses each train also preferably consisting of 10 to 100 pulses, whose peak powers are so far above those of the starting section, will drive a borehole down to the point of piercing becomes.
  • the boring section is followed by a borehole forming section, which is characterized by a continuation of the drilling process with maximum peak power.
  • the maximum peak power is characterized in that the upper edge of the hole formed in the preceding starting sections and drilling sections is not remelted using the combined movement of rotation of the laser beam about the system axis and the beam profile around the beam axis to the predetermined hole shape, for example one after bottom cone extended to achieve.
  • the peak power of the respective individual pulses of the pulse train realizing the bore can be regulated either by means of the electrical drive 18 of the C0 2 laser 1 or by means of a second interference laser beam modulator (not shown) in the interval between 10% and 100% of the maximum laser power.
  • FIG. 3 illustrates a very decisive factor when drilling a borehole 28 of defined shape with a rotating laser beam 23 into the workpiece 14.
  • the divergence of the beam portions of the rotating laser beam 23 is such that apparently all the beam portions come from a virtual starting point 27 of the laser radiation.
  • This point is then the object point of the focusing lens 24, which is mapped cleanly into the focus spot 26 by the focusing lens 24.
  • the generation of a rotation of the intensity profile about the beam axis and a rotation of the beam about the system axis are realized together in a rotation module 22.
  • this rotary module 22 With its combined effect for rotating the C0 2 laser beam 2 both about its own axis and about the system axis is explained in more detail in the schematic illustration in FIG. It consists of five mirrors 40, 41, 42, 46, 47, wherein the first three mirrors 40, 41, 42 are arranged in a first functional plane 36, which are arranged perpendicular to the beam axis 38 of an incident beam 39.
  • the incident beam 39 is the C0 2 laser beam 20 pulsed by means of the interference laser radiation modulator 3.
  • the beam axis 38 of the incident beam 39 defines an axis of rotation 45 of the rotation module 22.
  • the first mirror 40 deflects the incident beam 39 by 90 ° in a beam element 43 onto the second mirror 41, which deflects the beam element reflected by the first mirror 40
  • This functional plane 37 is also perpendicular to the original beam axis 38 and thus also to the rotation axis 45 of the rotation module 22.
  • this functional level 37 are the fourth mirror 46 and the fifth mirror 47, which in the following Also referred to as AuskoppelSpiegel 47 of the rotary module 22.
  • the fourth mirror 46 reflects the beam reflected by the third mirror 42 again by 90 ° in a beam element 67 within this second functional plane 37 in the direction of the rotation axis 45 onto the outcoupling mirror 47, the latter being arranged to be that of the fourth mirror 45 reflected beam element 67 by 90 ° or optionally another angle from the rotation module 22 in a decoupled beam 48 directs.
  • the outcoupling mirror 47 lies on the axis of rotation 45 and thus on the beam axis 38 of the incident beam 39 and the beam element 67 reflected by the fourth mirror 45 is deflected by the coupling-out mirror 47 by 90 ° into the coupled-out beam 48, the axes 38 of the incident beam are correct
  • the AuskoppelSpiegel 47 has an adjustment option 49 (see Figure 5) of the position and direction of the coupled-out beam 48.
  • FIG. 5 illustrates somewhat more precisely the effect of this adjustment possibility 49 of the position and direction of the decoupled beam 48 in the rotation module 22.
  • the decisive quantities for the effect of the beam during focusing are a displacement z and an angle ⁇ .
  • Z is the displacement of the axis of the beam 48 coupled out of the rotation module 22 against the system axis
  • ⁇ is the change in direction of the beam 48 coupled out of the rotation module 22. If the outcoupling mirror 47 is displaced by the displacement z and tilted by the angle, one obtains a decoupled beam 50 deflected in position and direction.
  • FIGS. 6 and 7 show two different views of a specific embodiment of the rotation module 22 described in FIG. 4 in three-dimensional representation. Identical parts are marked with the same reference numbers. The required drive elements for rotation of this system about its axis of rotation 45 are not included in these representations.
  • the mirrors 40, 41, 42 in the first functional plane 36, the mirrors 46 and 47 in the second functional plane 37 of the rotary module arranged, but inclined to the functional levels 36 and 37, respectively.
  • the rotation module 22 has a considerable mass (only because of the five required mirrors 40, 41, 42, 46, 47) and therefore its rotation can be done at reasonable cost only at moderate speeds.
  • angular frequencies ⁇ x of the system in the order of 10 s -1 are easily realizable.
  • the production of conical holes according to the basic principle shown in Figure 3 encounters limits when the cone angle must be relatively large, for example greater than 20 °.
  • Figure 8 shows a way out.
  • the rotation module 22 is used only to make the intensity profile of the laser beam 23 rotate about its axis at the angular frequency c.sub.i, so that the rotation module 22 functions as a unit 10 for rotating the intensity profile.
  • the rotation of the entire rotating laser beam 23 about the system axis is realized by means of a machining head 51 rotating at an angular frequency ⁇ 2 , which thus comprises the unit 11 for Rotation of the beam around the system axis forms.
  • the processing head 51 consists of two deflecting mirrors 52 and 53 and the focusing lens 24.
  • the Figure 8 shows how very large angle between see the solder on the workpiece 14 in the focus spot 26 and the Einstrahlachse the focused laser beam 25 realized by rotation of the machining head 51 can be without aberrations of the lens 24 impact.
  • large opening angle of the borehole 28 can be realized.
  • FIGS. 9 to 13 show further embodiments for rotating the beam about the system axis separated from the device for rotation of the intensity profile.
  • FIG. 9 and 10 illustrate the principle of generating such a rotation by means of a plane-parallel plate 54 of a thickness d of transparent material, which is characterized by a refractive index n.
  • n refractive index
  • FIG. 10 shows the application of this principle in a device in which the inclined plane-parallel plate 54 rotates at an angular frequency ⁇ 2 about an axis 59 of the incident beam, thereby causing a staggered beam 60 to rotate about the axis 59, which in FIG the focused laser beam 25 is focused via the focusing lens 24 into the focus spot 26. Since the offset ⁇ of the incident beam 55 is comparatively small even with relatively thick plates 54, only relatively small opening angles of the conical bore 28 in the workpiece 14 can be achieved.
  • FIGS. 11 and 12 show two embodiments for rotating the beam about the system axis by means of a combination of a wobble mirror 61, which is characterized by a wedge angle ⁇ , and an axicon 64 in conjunction with the focusing lens 24.
  • a wobble mirror 61 which is characterized by a wedge angle ⁇
  • an axicon 64 in conjunction with the focusing lens 24.
  • the novelty of these arrangements according to the invention is the fact that the large opening angle of the radiation cone, which is generated from the incident beam 55 by means of the wobble mirror 61, is compensated by the corresponding refractive angle axicon 64, so that the important condition that all the rays of the focusing beam 25 are arranged by those adjacent to the axicon 64 Focusing lens 24 must be collected in the common Focuspot 26, very well satisfiable.
  • a particular advantage of the arrangement shown in FIG. 12, which can likewise be constructed very compactly, is the fact that the incident beam 55 first focuses with very small aberrations through the focusing lens 24 and only then on the way to the focus spot by the wobble mirror 61 in FIG Rotation offset and the opening angle of the rotating Bundeis by the axicon 64 is compensated. In this way, very large opening angles and therefore also very large angles of the borehole 28 can be achieved without bundel distortions due to aberrations of the focusing optics.
  • FIG. 13 The arrangement according to FIG. 13 is universal with respect to the generated shape of the borehole.
  • an xy scanner 65 is used, with which, in addition to the simple rotation of the incident beam 55, completely different geometrical paths of the deflected beam are possible can be generated, ie z. As quadrangles, ellipses, etc. Again, the large deflection of the beam generated by the xy scanner 65 is compensated by the axicon 64, although in molds that deviate from the circle, certain compromises must be made.
  • the focusing lens 24 is in turn arranged downstream of the axicon 64.
  • FIG. 14 shows a possible basic arrangement for guiding the protective film 13 over the surface of the workpiece 14.
  • Fuel injectors illustrate in detail Figures 15 and 16.
  • FIG. 15 once again shows the basic principle, ie after boring the defined borehole 28 through the focused laser radiation 25 into the workpiece 14, a certain residual radiation 29 would fall on the opposite wall 31 and act on a region 30 there without any special precautions.
  • this residual radiation 29 can be so strong that this area 30 exposed to radiation is strongly heated, melted or even vaporized, so that damage to the wall 31 is imminent.
  • the laser residual radiation 29 absorbing liquid 15 is sent, which flows so fast that it is not so far by the residual radiation 29 passing through the borehole 28 is evaporated, that damage to the opposite wall 31 can take place, but that in fact the entire residual radiation 29 is absorbed in the liquid 15.
  • a C0 2 laser is used in the method according to the invention
  • water may be used as the absorbing liquid 15, optionally with anti-corrosion agents, since the wavelength of the C0 2 laser radiation is absorbed in water.
  • the use of water as an absorbing liquid is particularly cost-saving.
  • FIG. 16 shows these conditions in the case of drilling fuel injection nozzles into an injection nozzle body 32 by means of the laser beam 25 focused by the focusing lens 24.
  • a borehole 33 has already been completed, and the borehole 28 is being worked on in the present case.
  • an advantageous embodiment can be realized in such a way that by means of a nozzle 35, the absorbing liquid 15 is injected into the Einspritzdusenkorper 32 that the liquid 15 bounces on the solid wall at the top of the Einspritzdu- se 32, the no hole contains, and is influenced from there in the manner shown in their flow 34 so that it flows along the left and right at the relevant for the bore 28 walls.
  • a working and inert gas for example oxygen, inert gases or mixtures of both, for example a mixture of oxygen and argon
  • the gas pressure is also varied according to the time course of the drilling process in order to achieve an optimum drilling result.
  • the individual pulse series are characterized by a low gas pressure in the range between 0 and 1 bar.
  • debris and unwanted enamel fractions are blown out at high gas pressure in the range of 1 to 20 bar.
  • the drilling and downhole forming sections are characterized by a steady increase in pressure from the initial pressure used in the starting section of the drilling process to final values of up to a maximum of 20 bar.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens zum Bohren von Löchern mit CO2-Laserimpulsen unter Verwendung eines CO2-Lasers bei gleichzeitigem Schutz konstruktiver Elemente wie z.B. Flächen, die dem Bohrloch in geringem Abstand (mm-Bereich) gegenüberliegen, vor schädlicher Beeinflussung wie Aufheizen, Anschmelzen oder gar Abdampfen infolge durch das Bohrloch hindurchtretender Strahlung. Das Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass: - die Formung von Strahlungsimpulsen bzw. Strahlungsimpulsfolgen aus der Strahlung (2) des CO2-Lasers (1) ausserhalb des Laserresonators erfolgt; - die Umgebung des Fokusspots (26) mit einem Arbeits- und Schutzgas beblasen wird; - die Strahlungsrückkopplung zwischen Werkstück und CO2-Laser (1) durch eine wellenlängenselektive Entkopplungseinheit (4) unterdrückt wird und - dem Bohrloch (28) gegenüberliegende konstruktive Elemente des Bauteils vor unerwünschten Wirkungen der durch das Bohrloch hindurchtretenden Reststrahlung (29) durch eine an der Unterseite des bearbeiteten Werkstücks strömende Flüssigkeit (15) geschützt wird.

Description

Beschreibung
Verfahren und Vorrichtung zum Bohren von Löchern mit C02 -Laserimpulsen
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Bohren von Löchern mit C02-Laserimpulsen unter Verwendung eines C02-Lasers. Insbesondere betrifft die Erfindung ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Bohren feinster Löcher, d. h. Löcher mit einem Durchmesser von weniger als 100 um, hoher Qualität und Variabilität der Bohrlochparameter, insbesondere der Lochgeometrie, mit C02-Laserimpulsen unter Verwendung eines C02- Lasers höchster Strahlqualität, d. h. mit einer Strahlqualitätskennzahl größer als 0,8, bei gleichzeitigem Schutz kon- struktiver Elemente, wie z.B. Flächen, die dem Bohrloch in geringem Abstand (mm-Bereich) gegenüberliegen, vor schädlicher Beeinflussung, wie Aufheizen, Anschmelzen oder gar Abdampfen infolge durch das Bohrloch hindurchtretender Strahlung.
Das Bohren von Löchern als eine außerordentlich breit eingesetzte Basistechnologie hat durch den Einsatz der Lasertechnik in den letzten Jahrzehnten einen Innovationsschub bekommen, der alle relevanten Parameter betrifft. An erster Stelle ist dabei die hohe Präzision der Bearbeitung zu nennen, die bis zu Feinstbohrungen im μm-Bereich reicht, aber auch die neuen Möglichkeiten der Bearbeitung von besonders schwierigen Werkstoffen, die z.B. durch hohe Schmelz- und Verdampfungstemperaturen, große Härte oder hohe Sprödigkeit charakterisiert sind. Die erreichten kurzen Bearbeitungszeiten oder die Flexibilität im Hinblick auf die Bohrlochgeometrie eröffnen dem Laserstrahlbohren immer wieder neue Einsatzfelder und rücken ständig neue Herausforderungen in den Blickpunkt von Wissenschaft und Technik. Mit der Verfeinerung der zur Verfügung stehenden Technologien wächst gleichermaßen auch die Wunschliste der Industrie nach Parametern bei der Lochfertigung, die immer wieder an die Grenzen des jeweiligen Standes der Technik führen. Zur Lösung dieser Aufgaben gibt es neben der Palette der eta- blierten Bearbeitungslaser und dem kontinuierlichen Fortschritt der Lasertechnik allgemein, z.B. auf dem Gebiet der Kurzpulstechnik, im Wesentlichen vier Verfahrensvarianten zum Bohren mit Laserstrahlung, die sich hinsichtlich der Pulszahl und der räum- bzw. zeitaufgelösten Pulsfolge unterscheiden lassen. Diese Verfahren sind das Einzelpulsbohren, das Perkussionsbohren, das Trepanierbohren und das Wendelbohren (F. Dau- singer, T. Abeln, D. Breitling, J. Radtke : Bohren keramischer Werkstoffe mit Kurzpuls-Festkörperlaser. LaserOpto 31(3), 78 (1999) ) . Die Wahl des Verfahrens richtet sich nach den ap- plikationsspezifischen Qualitätsansprüchen. Während das Einzelpulsbohren als einfachste Version im Bereich der Hochgeschwindigkeitsbearbeitung mit relativ geringen qualitativen Ansprüchen anzusiedeln ist, nimmt die Qualität mit zunehmendem Verfahrensaufwand in der Regel um den Preis einer Prozessver- langsamung zu.
Beim Einzelpulsbohren wird die gesamte Energie zur Herstellung der gewünschten Bohrung mit einem einzigen Strahlungsimpuls eingebracht. Typische Bohrungsdurchmesser liegen zwischen 20 μm und 250 μm, typische Bohrtiefen bei wenigen mm. Da hier die Durchmessertoleranzen und Rauhigkeitskennwerte in der Größenordnung von ± 10 μm liegen, ist das Einzelpulsbohren für die Herstellung von Präzisionsbohrungen nicht geeignet (VDI: Abtragen, Bohren und Trennen mit Festkörperlasern. Laser in der Materialbearbeitung Band 7, VDI-Verlag, Düsseldorf (1998)).
Zur Steigerung der Qualität ist es vielmehr vorteilhaft, das Bohrungsvolumen in vielen Einzelschritten abzutragen, da durch die reduzierte Abtragsmenge je Puls instabile Prozessablaufe minimiert werden können. Dies wird z.B. beim Perkussionsbohren realisiert, bei dem eine Serie von Pulsen auf die gleiche Stelle des Werkstuckes abgegeben wird. Auf diese Weise lassen sich schlanke Bohrungen (Aspektverhaltnisse deutlich über 10 sind möglich) mit Durchmessern zwischen einigen 10 μm und 500 μm über mehrere mm Tiefe erzeugen (H. Hügel: Strahlwerkzeug Laser. Teubner Studienbucher, Stuttgart (1992) ) . Nachteilig gegenüber dem Einzelpulsbohren ist beim Perkussionsbohren die niedrigere Prozessgeschwindigkeit.
Werden Bohrungsdurchmesser gewünscht, die die Große des Fokus übersteigen, kommen zu ihrer Herstellung die Bearbeitungsverfahren Trepanierbohren und Wendelbohren in Frage. Beim Trepa- nieren werden die Bohrungen durch einen gepulsten Laserstrahl quasi ausgeschnitten mit dem Vorzug, dass sich Bohrungen mit hoher Parallelität der Bohrlochwande, glatten Flanken sowie scharfen Ein- und Austrittskanten über einen einige mm großen Durchmesser- und Tiefenbereich herstellen lassen. Hier ist der Bohrungsdurchmesser vom Strahlquerschnitt weitgehend unabhängig, was beim Einsatz von Kurzpulslasern die Reduzierung des auftretenden Schmelzfilms ermöglicht. Dies wird sofort klar, wenn man den von der Fokussierung abhangigen Intensitatsgra- dienten eines Gaußstrahls betrachtet. Wahrend sich bei Abstim- mung des Fokusdurchmessers beim einfachen Einzelpuls- oder
Perkussionsbohren auf die gewünschte Bohrungsgroße eine Gauß- verteilung mit flachem Gradienten ergibt, lasst das Trepanier- und Wendelbohren einen Strahl mit sehr steilen Flanken zu. Dadurch wird die Abtragsschwelle des jeweiligen Materials inner- halb engerer Grenzen erreicht, wodurch die Präzision zunimmt.
Die notwendige Relativbewegung zwischen Strahl und Werkstuck kann auf unterschiedlichste Weise realisiert werden, z.B. durch die Führung des Strahls mittels einer auf rotierenden Teilplatten basierenden Optik oder durch die Bewegung des Werkstückes selbst. Moderne Trepanieroptiken sind in der Lage, den Strahl gegenüber seiner ursprünglichen Strahlachse zu kippen und zu versetzen, damit über die anschließende Fokussie- rung ein Versatz (Radius der Bohrung) und ein Hinterschnitt (Konus der Bohrung) entsteht (K. Jasper: Neue Konzepte der Laserstrahlformung und -führung für die Mikrotechnik. Utz Verlag München, zur Veröffentlichung vorgesehen (2003)).
Das Wendelbohren unterscheidet sich vom Trepanieren, das den Schneidverfahren zugeordnet werden kann, dadurch, dass die Bohrung erst nach mehreren Überfahrten fertiggestellt ist. Die damit verbundene Reduzierung des Abtragvolumens pro Strah- lungsimpuls wirkt sich ebenfalls positiv auf die Präzision der Bohrung aus .
Die zum Bohren einsetzbare Palette von Lasern ist außerordentlich vielgestaltig (G. Herziger, P. Loosen: Werkstoffbearbei- tung mit Laserstrahlung. München, Wien: Carl Hanser Verlag,
1993) . Sie reicht vom Rubinlaser als dem „Pionier" des Laserstrahlbohrens, mit dem bereits vor 40 Jahren industriell Uhrensteine gebohrt wurden, über die am breitesten eingesetzten Nd:YAG- und C02-Laser bis hin zu Excimerlasern für Feinstboh- rungen und in jüngster Zeit die Ultrakurzpulslaser (ps- und fs-Bereich) , insbesondere Titan-Saphir- und Faserlaser.
Aus prinzipiellen physikalischen Gründen sind Laserstrahlen um so besser fokussierbar (und damit um so kleinere Lochdurchmes- ser möglich), je kürzer ihre Wellenlänge ist. Hier liegt der Hauptvorzug der Excimerlaser mit Wellenlängen im UV-Bereich und der Hauptnachteil der C02 -Laser mit ihrer relativ großen Wellenlänge um etwa 10 μm. Zahlreiche andere Aspekte relati- vieren jedoch die Verhältnisse drastisch. So kann die optimale Fokussierung nur bei guter Strahlqualität (möglichst TEM0o -Mode, also gaußförmiges Intensitätsprofil) realisiert werden. Hier liegt nun wieder ein großer Vorzug des C02 -Lasers, der in zahlreichen kommerziellen Versionen verfügbar ist, die bei hohen Ausgangsleistungen im kW-Bereich Strahlqualitätskennzahlen K nahe 1 (typisch für C02 -Laser guter bis sehr guter Strahlqualität sind K-Werte zwischen 0,7 und 0,9) erreichen. Hinzu kommen Aspekte wie die gute Pulsbar- keit mit möglichst großer Variationsbreite der Pulsparameter zur optimalen Anpassung an den Wechselwirkungsprozess Laserstrahlung-Werkstoff, ausreichend hohe Leistungen (sowohl mittlere als auch Pulsspitzenleistungen) , die Langzeitstabilität aller Laserparameter (3-Schichtbetrieb ! ) und schließlich die Investitions- und Betriebskosten. Da der C02 -Laser als der auch heute noch am breitesten eingesetzte Materialbearbeitungslaser speziell unter den zuletzt genannten Gesichtspunkten relevante Vorteile gegenüber etablierten Lasern wie Nd:YAG- und Excimerlasern, erst recht aber gegenüber den noch in der Entwicklung befindlichen Verfahren, z.B. dem Bohren mit ultrakurzen Impulsen, besitzt, ist es aus Sicht des industriellen Einsatzes sinnvoll, alle Möglichkeiten dieses Lasertyps maximal auszureizen und so die höchste Effizienz bei der Lösung solcher Aufgaben zu sichern, die zunächst bei der Be- trachtung des Standes des Technik außerhalb der Möglichkeiten der C02 -Lasertechnik zu liegen scheinen.
Als eine solche Aufgabe höchster Aktualität soll exemplarisch das Bohren von Einspritzdüsen in der Kfz-Technik genannt und nachfolgend näher diskutiert werden (die Palette anspruchsvoller high-tech-Bohrungen lässt sich selbstverständlich beliebig erweitern; es sei nur auf das Laserstrahlbohren von chirurgischen Kanülen, Turbinenschaufeln, Luftleitblechen, Filterein- heiten, Drosseln etc. hingewiesen). Zur Verwirklichung von Kraftstoffeinsparungen bei gleichzeitiger Leistungssteigerung der Motoren tragen neben dem Einspritzdruck auch Form, Anzahl und Große der Kraftstoffeinspritzoffnungen maßgeblich bei, da sie die Charakteristik des sich ausbildenden Kraftstoffsprays und dadurch den Verbrennungsablauf im Motor festlegen. Um zukunftige Abgasnormen zu erfüllen, gehen die Entwicklungen in der Einspritztechnik hin zu immer höheren Drucken bei gleichzeitig unter 100 μm sinkenden Offnungsdurchmessern der Düse. Außerdem steigen die Anforderungen an die Präzision der Bohrungen sprunghaft an, um die stromungstechnischen Vorgaben einhalten zu können. Damit sind also spraybildende Dusenoff- nungen im Visier, die ca. 70 μm Durchmesser bei einer Tiefe von 1 mm aufweisen, scharfkantige Ein- und Austrittsrander so- wie glatte Lochflanken besitzen und von einfach konischer Gestalt sind. Schmelzruckstande und thermisch bedingte Gefuge- veranderungen im angrenzenden Material sind nicht zugelassen, eventuell sind der Lochfertigung aufwendige Prozesse nachgeschaltet, um Restmangel zu beseitigen. Die geometrischen Tole- ranzen der Bohrungen liegen bei wenigen Prozent.
Zur Zeit am besten werden die gestellten Anforderungen durch funkenerosive Verfahren (M. Feurer: Elektroerosive Metallbearbeitung. Vogel-Buchverlag, Wurzburg (1983)) (B. Schumacher, D. Weckerle: Funkenerosion - Richtig verstehen und anwenden.
Technischer Fachverlag Dipl.-Ing. K.H. Moller, Velbert (1988)) erfüllt, allerdings mit dem Nachteil sehr langer Bearbeitungszeiten pro Loch und objektiven Grenzen bezuglich des Durchmessers (ca. 100 μm) und vor allem der Form (Konizitat) der Boh- rung .
Seit einer Reihe von Jahren versucht man intensiv, relevante Fortschritte durch den Einsatz der Lasertechnik zu erreichen, bisher jedoch mit begrenztem Erfolg. Ursachen dafür sind neben den extrem hohen Forderungen an die Präzision und Zuverlässigkeit (Reproduzierbarkeit aller Parameter) der Bearbeitung vor allem auch technische Details, die eine industrielle Nutzung verhindern, selbst wenn das Bohren eines einzelnen Loches mit den gewünschten Parametern gelungen ist. An dieser Stelle seien zwei Beispiele genannt, die an die geometrischen Randbedingungen bei der Bearbeitung von Einspritzdüsen verknüpft sind.
Ein Hauptproblem ist z. B. die Vernichtung der Reststrahlung, die durch das Bohrloch zum Ende des Bohrprozesses hindurchtritt und die relativ nahe (ca. 1 mm) gegenüberliegende Wand beschädigt, wenn keine besonderen Vorkehrungen getroffen werden. Die bisher genutzten Methoden, z. B. Einführung eines Op- ferkegels in den Raum zwischen den beiden Wänden, sind zeit- und kostenaufwendig und können die Bohrqualität an der Strahlaustrittsseite verschlechtern. Der Einsatz billiger absorbierender Flüssigkeiten, z.B. Wasser, scheitert bei den üblichen eingesetzten Lasern (Nd:YAG-Laser, in jüngster Zeit auch Ti- tan-Saphir- oder Faserlaser) an der Wellenlänge um 1 μm, für die Wasser praktisch transparent ist.
Ein zweites Problem ergibt sich, wenn mittels Trepaniertechnik bei sehr feiner Fokussierung (z.B. bei ca. 20 μm Schnittfugen- breite) ein kegelförmiger Bohrkern entsteht. Dessen prozessgerechte Entfernung ist schwierig, speziell z. B. bei der Nutzung des vorstehend beschriebenen Opferkegels.
Letztlich ist es so, dass bei allen bisher genutzten Verfahren gravierende Probleme im Hinblick auf die komplexe Erfüllung der o. g. Forderungen z. B. beim Bohren von Kraftstoffein- spritzdüsen noch ungelöst sind bzw. nur mit sehr hohem Aufwand gelöst werden können. Das betrifft die immer größer werdenden Bohrungszeiten, wenn es auf die „magische" 100 μm-Marke für den Bohrlochdurchmesser zugeht, ebenso, wie die Probleme mit der konischen Form der Bohrlöcher, die geometrischen Genauigkeitsforderungen allgemein, das Problem der Randschichten oder das Problem der Vernichtung der Reststrahlung. Die existierenden Lösungsvorschläge befinden sich häufig noch im Stadium der Grundlagenforschung oder erfordern hohen Kostenaufwand.
Ein Verfahren zur Erzeugung definiert konischer Löcher mittels eines Laserstrahls wird in der DE 199 05 571 Cl beschrieben, welches zirkulär polarisiertes Laserlicht verwendet, um nach Anpassung des Durchmessers und der Divergenz des Laserstrahls durch Kombination einer Taumelbewegung des Laserstrahls und gleichzeitiger synchroner Drehung des Laserstrahls um seine eigene Achse Bohrlöcher mit definierter Lochgeometrie, insbesondere konische Bohrlöcher, herzustellen.
Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zu Grunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zu schaffen, die einerseits eine Techno- logie zum Bohren feinster Löcher hoher Qualität und Variabilität der Bearbeitungsparameter bei hoher Effizienz, also kurzen Bearbeitungszeiten, bereitstellen, andererseits die kostengünstige, technisch ausgereifte und zuverlässige C02 -Lasertechnik nutzen.
Die Aufgabe wird durch ein Verfahren zum Bohren von Löchern mit C02 -Laserimpulsen unter Verwendung eines C02 -Lasers gemäß Patentanspruch 1 und durch eine Vorrichtung zum Bohren von Löchern mit C02 -Laserimpulsen unter Verwendung eines C02 -Lasers gemäß Patentanspruch 19 gelöst. Weitere Merkmale des erfindungsgemäßen Verfahrens bzw. der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens sind Gegenstand der Unteransprüche.
Zusätzlich zu den bereits bekannten Schritten der Umformung der linear polarisierten Strahlung des C02-Lasers in zirkulär polarisierte Strahlung, des Einsatzes optischer Elemente zur Anpassung von Durchmesser und Divergenz des Strahlenbündels sowie Rotation des Intensitätsprofils des Strahlenbündels um seine Strahlachse und Rotation des gesamten Strahlenbündels um die Systemachse mit definiertem, aber frei einstellbarem Abstand sowie Winkel zwischen der Achse des Strahlenbündels und der Systemachse dergestalt, dass bei der anschließenden Fokus- sierung des so geformten Strahlenbündels mittels der Fokus- sieroptik auf die gewünschte Bearbeitungsstelle gewährleistet ist, dass einerseits alle Strahlanteile in diesem Fokusspot vereinigt werden und andererseits die Divergenz der Strahlung nach Passieren des Fokusspots so angepasst ist, dass die gewünschte Lochform entsteht, umfasst das erfindungsgemäße Ver- fahren gemäß Patentanspruch 1 folgende Schritte:
- Die Strahlungsimpulse bzw. Strahlungsimpulsfolgen aus der Strahlung des C02 -Lasers werden extern, also außerhalb des Laserresonators geformt, wodurch deren zeitlicher Leistungsver- lauf, also Spitzenleistung, Dauer und Form der Impulse, sowie deren Strahlqualität derart beeinflusst werden können, dass ein optimaler Bohrprozess gewährleistet wird.
- Die Umgebung des Fokusspots wird mit einem Arbeits- und Schutzgas beblasen. Dies dient zur Optimierung der Wechselwirkung Laserstrahl-Werkstoff, insbesondere zur Reduzierung der verfahrensschädigenden Anteile geschmolzenen Werkstoffes. Dieser Schritt wird vorzugsweise dadurch verbessert, dass ein Ge- misch aus Sauerstoff und einem Inertgas, vorzugsweise Argon, zum Beblasen verwendet wird.
- Ein weiterer erfindungsgemäßer Schritt besteht in der Unter- drückung der Strahlungsrückkopplung zwischen Werkstück und
C02 -Laser durch eine wellenlängenselektive Entkopplungseinheit.
- Schließlich werden eventuell dem Bohrloch in geringem Ab- stand (mm-Bereich) gegenüberliegende konstruktive Elemente des Bauteils vor unerwünschten Wirkungen der durch das Bohrloch hindurchtretenden Reststrahlung durch ein an der Unterseite des bearbeiteten Werkstücks strömendes Fluid, vorzugsweise eine die Laserstrahlung ausreichend stark absorbierende Flüssig- keit, geschützt.
Durch diesen umfangreichen Komplex von Verfahrensschritten wird sicher gestellt, dass das gesamte der C02 -Lasertechnik innewohnende Potential für das Bohren feinster Löcher, insbe- sondere Löcher mit einem Durchmesser von weniger als 100 μm, abgerufen und im Hinblick auf die Ziele der Erfindung, insbesondere höchste Qualität und Variabilität der Bohrlochparameter bei hoher Effizienz, also hoher Bearbeitungsgeschwindigkeit und minimalen Kosten, umgesetzt werden kann. Vorausset- zung dafür ist die Nutzung eines C02 -Lasers höchster Strahlqualität, dessen Ausgangsleistung - gepulst oder kontinuierlich - ausreichend groß für die jeweilige Bearbeitungsaufgabe ist. Damit ein C02-Laser höchste Strahlqualität aufweist, sollte die Strahlqualitätskennzahl K möglichst > 0,8 sein. Weiterhin muss die Leistung für typische Bearbeitungsaufgaben, z. B. Bohren von 1 mm dickem CrNi-Stahl, in der Größenordnung 1 kW liegen. Das externe Formen der Strahlungsimpulse bzw. der Strahlungs- impulsfolgen dient im Wesentlichen zwei Zielen: Formung von Impulsen, die optimal für den Bohrprozess geeignet sind, bei - Erhaltung der hohen Strahlqualitat .
Die Realisierung dieser beiden Ziele ist nicht trivial und insbesondere auch nicht durch die Leistungssteuerung des
C02 -Lasers allein realisierbar. Dies hat folgende Grunde. Ers- tens ist aus Grundlagenuntersuchungen bekannt, dass für den
Bohrprozess mit C02 -Laserstrahlung Pulse besonders gut geeignet sind, deren Dauer in der Größenordnung 10"5 s, aber auf alle Falle unter 100 μs liegt. Solche Impulse besitzen einerseits bei Impuls-Spitzenleistungen im kW-Bereich, die effi- zient und flexibel mit C02-Lasern erzeugt werden können, eine Energie, bei der Abtragsraten beim Bohren z. B. von Stahlen erreichbar sind, die einen zugigen Bohrprozess sichern. Andererseits sind sie bereits kurz genug, um ganz entscheidend die Bildung von unerwünschten hohen Schmelzanteilen zu verhindern und somit eine hohe Oberflachenqualitat des Bohrlochs sicherzustellen. Pulse der gewünschten Dauer können mit der elektrischen Ansteuerung üblicher C02 -Laser nicht realisiert werden. Dort liegt die Grenze bei etwa 100 μs .
Ganz wesentlich ist in diesem Zusammenhang jedoch auch die
Tatsache, dass bei der Erzeugung relativ kurzer Strahlungsimpulse mit der Steuerung des C02 -Lasers selbst keine optimale Strahlqualitat erreicht werden kann. So wurde nachgewiesen, dass z. B. die K-Zahl der Strahlung in den ersten 100 μs eines elektrisch erzeugten Pulses wesentlich niedriger ist als beispielsweise die K-Zahl des eingeschwungenen Lasers, insbesondere des kontinuierlich strahlenden Lasers. Aus diesen Gründen ist die Realisierung der externen Erzeugung der Strahlungsimpulse und Strahlungsimpulsfolgen in bevorzugter Weise gemäß Patentanspruch 6 dadurch möglich, dass die Formung der Strahlungsimpulse mittels eines Strahlungsmodulators erfolgt, der außerhalb des Laserresonators angeordnet ist, und im Prinzip so funktioniert, dass er entweder aus der kontinuierlichen Laserstrahlung oder aus den Strahlungsimpulsen, die der elektrisch gepulste C02 -Laser abgibt, Impulse „herausschneidet", die den Forderungen einer optimalen Wechselwirkung Laserstrahlung-Werkstoff beim Bohrprozess entsprechen. Solche Impulse sind vorzugsweise durch Symmetrie im Zeitverlauf der Leistung und relativ kleine Impulsdauern Timp im Größenordnungsbereich 1 μs < τj.mp < 100 μs charakterisiert.
Als Strahlungsmodulatoren, mit denen diese Forderungen realisiert werden können, eignen sich unterschiedliche Systeme, beispielsweise in der bevorzugten Ausführung gemäß Patentanspruch 7 akustooptische Modulatoren oder Interferenz- Laserstrahlungsmodulatoren. Speziell letztere haben sich für die in Frage stehende Impulsformung sehr gut bewährt und sollen deshalb im folgenden weiter betrachtet werden.
Die Formung der Impulse mit diesen Modulatoren kann z. B. ge- maß Patentanspruch 8 auf folgende Weise realisiert werden: Sowohl der C02 -Laser als auch der Interferenz- Laserstrahlungsmodulator werden mittels synchronisierter Steuerimpulse aus einem gemeinsamen Taktgeber so angesteuert, dass zeitsynchron elektrisch gepulste Strahlung des C02 -Lasers er- zeugt und andererseits der Modulator über seine Transmissionscharakteristik durchgestimmt wird. Diese beiden gleichzeitig ablaufenden Prozesse sind nun so zu synchronisieren, dass das Leistungsmaximum der „herausgeschnittenen" verkürzten Impulse, also das Überfahren des Transmissionsmaximums des Interferenz- Laserstrahlungsmodulators, genau mit dem Leistungsmaximum der elektrisch erzeugten Ausgangsimpulse des C02 -Lasers zusammenfällt. Dies kann über eine entsprechende Zeitverschiebung der Steuerimpulse für das Steuergerät des C02 -Lasers einerseits und die Modulatoransteuerung andererseits erfolgen. Auf diese Weise können die durch die externe Formung der Strahlungsimpulse und der Strahlungsimpulsfolgen geforderten Ziele dadurch optimal erfüllt werden, dass das Erreichen des Leistungsmaxi- mums der elektrischen Impulse durch entsprechende Ansteuerung von vornherein so gewählt werden kann, dass es 100 bis 300 μs nach dem Anschwingen des Lasers erfolgt, also in einem Zeitbereich liegt, bei dem schon eine gute Strahlqualität des Lasers erreicht und die „irreguläre" Einschwingphase des Lasers vor- über ist. Es ist von großer Bedeutung, dass die Strahlanteile mit niedriger Strahlqualität, also die etwa ersten 100 μs des elektrisch angesteuerten Strahlungsimpulses, durch den externen Modulator ausgesondert werden und damit nicht die Fokus- sierung der Gesamtstrahlung insofern beeinträchtigen, dass speziell diese Strahlungsanteile, die ja schlechter fokussiert werden, z. B. zu einem unerwünschten Aufheizen und eventuell sogar Anschmelzen des Bohrlochrandes führen.
Im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrensschrittes der exter- nen Formung von Strahlungsimpulsen und Strahlungsimpulsfolgen ist auch noch eine weitergehende besonders bevorzugte Formung des Leistungsverlaufes während des gesamten Bohrprozesses anzusiedeln, nämlich die Variation der Spitzenleistung der jeweiligen Einzelimpulse des die Bohrung realisierenden Impuls- zuges in solch einer Weise, dass der Bohrprozess optimal abläuft (vgl. Patentanspruch 9). Dies bedeutet, dass gemäß Patentanspruch 10 der Bohrprozess im Hinblick auf den zeitlichen Leistungsverlauf in drei Abschnitte unterteilt wird. In einem ersten Startabschnitt, welcher aus einer oder mehreren Serien von Pulsen, vorzugsweise 10 bis 100 Pulsen besteht, besitzt der erste Impuls eine Spitzenleistung, die der Abtragsschwelle des jeweiligen bearbeiteten Werkstoffes entspricht, während die Spitzenleistungen der folgenden Pulse sukzessiv erhöht werden. Auf diese Weise entsteht in dem ersten Bohrabschnitt eine Startbohrung von wenigen Zehntel mm Tiefe unter Vermeidung von Schmelzperlen und Debris .
In einem an den Startabschnitt anschließenden Bohrabschnitt werden eine oder mehrere Serien von Impulsen, vorzugsweise bestehend aus 10 bis 100 Impulsen, erzeugt, deren Spitzenleis- tungen so weit über denen des Startabschnitts liegen, dass ein Bohrloch in die Tiefe und bis zur Durchbohrung vorangetrieben wird.
An den Bohrabschnitt schließt sich ein Bohrlochformungsabschnitt an, der durch eine Weiterführung des Bohrprozesses mit maximaler Spitzenleistung gekennzeichnet ist. Die maximale Spitzenleistung ist derart charakterisiert, dass die in den vorangegangenen Startabschnitten und Bohrabschnitten gebildete Lochoberkante nicht wieder aufgeschmolzen wird, wobei die kombinierte Bewegung aus Rotation des Strahlenbündels um die Sys- temachse und des Strahlprofils um die Strahlachse verwendet wird, um die vorgegebene Lochform, beispielsweise einen nach unten erweiterten Konus, zu erzielen.
Bei modernen Systemen sind hier gemäß Patentanspruch 9 Leis- tungssteuerungen im Intervall zwischen 10% und 100% der maximalen Laserleistung möglich, was völlig ausreicht, um einen optimalen Verlauf der Spitzenleistung der Einzelimpulse für den gesamten Bohrprozess wie zuvor beschrieben zu sichern. Die Leistungssteuerung kann dabei mittels einer elektrischen Ansteuerung des C02-Lasers oder mittels eines zweiten Laserstrahlungsmodulators erfolgen.
Die extern erzeugte linear polarisierte Strahlung des
C02 -Lasers wird wie aus dem Stand der Technik prinzipiell bekannt durch geeignete Elemente in zirkulär polarisierte Strahlung umgewandelt. Bekanntlich beeinflusst die Polarisation der Strahlung bei der Lasermaterialbearbeitung ganz wesentlich das Absorptionsverhalten. Insbesondere bestehen merkliche Unterschiede in der Strahlungsabsorption für die senkrecht und parallel zur absorbierenden Oberfläche polarisierte Laserstrahlung. Dies würde speziell beim Bohren runder Löcher bedeuten, dass beim Einsatz linear polarisierter Strahlung unweigerlich elliptische Querschnitte entstehen, die natürlich unzulässig sind, da sie im allgemeinen außerhalb der geforderten Rundheitstoleranzen der Bohrungen liegen. Dieses Problem wird durch das Erzeugen zirkulär polarisierter Strahlung vermieden.
Eine zentrale Rolle in der vorliegenden Erfindung spielt die
Sicherung der absoluten Rundheit der erzeugten Bohrung auch für den Fall, dass eventuell das Strahlprofil des eingesetzten C02 -Lasers nicht 100%ig die dafür erforderliche Rotationssymmetrie aufweist. Aus der Praxis ist bekannt, dass dieser Fall meistens vorliegt und deswegen das Bohren mit dem „Rohstrahl" des Lasers unweigerlich zu mehr oder weniger starken Deformationen des Bohrlochs, die von der jeweiligen Verzerrung des Intensitätsprofils der Strahlung abhängen, führt.
Zur Vorbereitung der optimalen Wirkung der Verfahrensschritte, welche das Intensitätsprofil des Strahlenbündels um seine Strahlachse sowie das gesamte Strahlenbündel um die Systemachse rotieren, die diesen Effekt verhindern sollen, dient der Einsatz optischer Elemente, vorzugsweise gemäß Patentanspruch 5 einer Teleskopanordnung, zur optimalen Anpassung von Durchmesser und Divergenz des Strahlenbündels. Dies ist eine ganz wesentliche Voraussetzung dafür, dass das gesamte Strahlenbün- del sauber in einem Fokusspot fokussiert wird und damit also auch tatsächlich die kleinstmöglichen Lochdurchmesser erreicht werden können.
Die Rotation des Intensitätsprofils des Strahlenbündels um seine Strahlachse wird durch eine geeignete Einheit realisiert. Das Ziel dieser Maßnahme ist klar: Die praktisch immer vorhandenen Einflüsse einer Abweichung des Intensitätsprofils von der Rotationssymmetrie können auf diese Weise beseitigt werden, wenn man voraussetzt, dass die Rotation des Intensi- tätsprofils um seine eigene Achse so schnell erfolgt, dass die Umlaufzeit klein ist gegen die Gesamtbohrzeit.
Die zweite Bedingung zur hohen Wirksamkeit des Verfahrens im Hinblick auf eine möglichst optimale rotationssymmetrische Verteilung der gesamten Strahlungsenergie des Impulszuges, der das Bohrloch generiert, ist die, dass zeitlich möglichst viele Pulse auf eine einzelne „Umdrehung" des Intensitätsprofils um seine Achse fallen, d. h. die Impulsfolgefrequenz sollte groß gegen die Rotationsfrequenz des Intensitätsprofils sein. Da letztere mittels einer mechanisch relativ großen Einheit realisiert wird, sollten dafür nicht mehr als größenordnungsmäßig 10 s"1 angesetzt werden, so dass bei Impulsfolgefrequenzen größer ca. 200 Hz diese Bedingung gut zu erfüllen ist. Setzt man ferner für die Bohrzeit des Loches wenige Sekunden an - diese Zeit erfüllt die Anforderungen einer effizienten industriellen Fertigung - ist auch die erste Bedingung, dass möglichst viele (> 10) Rotationen des Intensitätsprofils um seine Achse während des gesamten Bohrprozesses erfolgen sollen, gut erfüllt. Hat man die optimale „Rundheit" des Bohrlochs durch die vorstehend beschriebenen Verfahrensschritte prinzipiell gesichert, kann man sich in den aufeinander abgestimmten Schritten der Formung des Lochquerschnitts, also der Rotation des gesamten Strahlenbündels um die Systemachse mit anschließender Fokussierung des so geformten Strahlenbündels, beispielsweise einer definierten, zum Strahlaustritt hin erweiterten konischen Form zuwenden. Im Normalfalle, d.h. beim Bohren eines annähernd zylindrischen Loches, wird i. a. der Fokus der
Strahlung auf die Oberfläche des Werkstückes gelegt. Durch die spezielle Wechselwirkung der Strahlung mit den Bohrlochwänden, insbesondere die Wellenleiterfunktion dieser Wände, entsteht dann ein Bohrloch, welches nicht etwa die Divergenz der Strah- lung nach Passieren des Fokus' bei der üblichen Fokussierung widerspiegelt, sondern es entsteht ein mehr oder weniger präzise zylindrisches Loch. Wegen des Leistungsverlustes der Strahlung in Richtung größerer Tiefen im Werkstück ist es sogar typischerweise so, dass der Lochdurchmesser am Strahlaus- tritt geringer ist als am Strahleintritt. Will man nun eine zum Strahlaustritt hin erweiterte konische Form erzeugen, ist es erforderlich, die Strahlachse nicht senkrecht zur Werkstückoberfläche zu positionieren, sondern auf einem Kegel mit einem definierten Öffnungswinkel, um das Lot auf der Werk- Stückoberfläche rotieren zu lassen. Häufig wird dies dadurch realisiert, dass das Werkstück unter diesem definierten Winkel schräg gestellt wird und selbst rotiert. In vielen Fällen, z. B. auch bei den hier betrachteten Einspritzdüsen, ist diese Variante jedoch technologisch sehr ungünstig bzw. in der Pra- xis überhaupt nicht realisierbar. Dann muss der definierte Winkel der Strahlachse zum Lot auf die Werkstückoberfläche durch die optischen Mittel der Strahlformung und Fokussierung erzeugt werden. Zunächst ist dafür zu sorgen, dass eine Rota- tion des gesamten Strahlenbündels um die Systemachse mit definiertem, aber frei einstellbarem Abstand sowie Winkel zwischen der Achse des Strahlenbündels und der Systemachse realisiert wird und zwar dergestalt, dass bei der anschließenden Fokus- sierung des so geformten Strahlenbündels mittels der Fokus- sieroptik auf die gewünschte Bearbeitungsstelle gewährleistet ist, dass einerseits alle Strahlanteile im Fokusspot an der Werkstückoberfläche vereinigt werden und andererseits die Divergenz der Strahlung nach Passieren des Fokusspots so ange- passt ist, dass die gewünschte Lochform, z. B. eben eine zum Strahlaustritt hin erweiterte konische Form, entsteht. Bei diesem Grundprinzip ist dafür zu sorgen, dass alle Strahlanteile des rotierenden Bündels, die die Linse treffen, aus einem gemeinsamen virtuellen Gegenstandspunkt kommen, so dass sie durch die Linse auch wieder sauber in einem definierten Bildpunkt, nämlich dem Fokusspot, gesammelt werden. Dazu ist es notwendig, dass die Parameter Abstand und Winkel zwischen der Achse des Strahlenbündels und der Systemachse einerseits sowie Divergenz des Strahlenbündels andererseits aufeinander abgestimmt sind. Diesem Zwecke dient die vorgesehene Divergenzanpassung durch geeignete optische Elemente, z. B. eine Teleskopanordnung .
Dieses Grundprinzip kann nun auf verschiedenste Weisen reali- siert werden. Z. B. können durch ein komplexes Rotationsmodul die Rotation des Intensitätsprofils des Strahlenbündels um seine Strahlachse einerseits und die Rotation des gesamten Strahlenbündels um die Systemachse andererseits zusammenge- fasst werden. Dazu kann in einer bevorzugten Ausgestaltung ge- maß Patentanspruch 12 bzw. 24 eine drehbar gelagerte
5-Spiegel-Anordnung dienen, die als eine Art „optisches Getriebe" wirkt und in einer bevorzugten Ausführungsvariante gemäß Patentanspruch 13 bzw. 25 die Rotation des Intensitätspro- fils um die Strahlachse mit der doppelten Rotationsgeschwindigkeit 2α>ι des Rotationsmoduls und die wahlweise einstellbare Rotation des Strahlenbündels um die Systemachse mit der einfachen Rotationsgeschwindigkeit α>ι des Rotationsmoduls bewirkt.
Ein gewisser Nachteil ist hierbei jedoch die feste Relation zwischen diesen beiden Rotationsgeschwindigkeiten. Besitzt das Strahlenbündel eine merklich von der Rotationssymmetrie abweichende Intensitätsverteilung, kann dies dazu führen, dass über Schwebungseffekte zwischen den beiden Rotationsgeschwindigkeiten Welligkeiten in der Bohrlochwand entstehen und die gewünschte absolute Rundheit des Bohrloches wesentlich beeinträchtigt wird. Aus diesem Grunde ist es vorteilhaft, alternativ gemäß Patentanspruch 13 bzw. 28 die beiden Einheiten zur Rotation des Intensitätsprofils um die Strahlachse einerseits und die Rotation des Strahlenbündels um die Systemachse andererseits voneinander zu trennen und die beiden Rotationsgeschwindigkeiten so aufeinander abzustimmen, dass sie inkommensurabel sind, so dass solche Schwebungseffekte und damit Un- rundheiten der Bohrlochwand, die darauf zurückzuführen sind, vermieden werden. Ein weiterer Vorzug der Trennung der beiden Rotationen voneinander, d.h. deren Realisierung durch zwei getrennte Einheiten, ist der, dass weitgehende Freizügigkeit im Hinblick speziell auf die Realisierung der Rotation des gesa - ten Strahlenbündels um die Systemachse, besteht. Dies kann z. B. erforderlich sein, wenn besonders große Winkel zwischen der Strahlachse und der Systemachse am Orte des Fokusspots erforderlich sind, wenn also ein konisches Loch mit besonders großem Öffnungswinkel erzeugt werden muss.
Hat man auf diese Weise die prinzipielle Form des Bohrloches definiert, dienen die weiteren erfindungsgemäßen Verfahrensschritte gemäß Patentanspruch 1 der Sicherung einer optimalen Kantenqualitat an Loch-ober- und -Unterseite sowie dem Schutz der das Loch umgebenen Werkstuckoberflache vor Materialspritzern, rekondensierendem Materialdampf sowie unerwünschtem War- meeinfluss .
Der Einsatz eines geeigneten Arbeits- und Schutzgases für den Bohrprozess zum Beblasen der Umgebung des Fokusspots ist für die Erzielung einer hohen Oberflachenqualitat der Bohrlochwan- de unerlasslich. Als Arbeits- und Schutzgas können Inertgase, Sauerstoff oder Gemische aus beiden dienen. Ihre Wirkung beruht beim Sauerstoff z. B. im Einbringen einer zusätzlichen Energiequelle durch die exotherme Reaktion des Gases beispielsweise mit Eisenwerkstoffen oder im Falle von Inertgasen in einer glattenden Wirkung des heißen Plasmas, welches aus dem Arbeitsgas durch die intensive Laserstrahlung gebildet wird und direkten Kontakt mit der Werkstuckoberflache besitzt.
Besonders bevorzugt sind gemäß Patentanspruch 3 Gasmischungen aus Sauerstoff und einem Edelgas, beispielsweise Argon, die beide Effekte optimal miteinander verknüpfen. Durch die Sauerstoffbeigabe wird vor allen Dingen erreicht, dass die unvermeidlichen Schmelzanteile durch den großen Energieeintrag und die rasche Oxidation der heißen Schmelze daran gehindert werden, größere Schmelzperlen und Schmelzablagerungen zu bilden, so dass sowohl die Bohr-lochinnenwande als auch die Oberflachen an Lochober- und -Unterseite von größeren Schmelzruck- standen freigehalten werden. Die Optimierung des Arbeitsgases spielt gerade bei der Herstellung von Prazisionsbohrungen wie denen in Kraftstoffeinspritzdusen eine ganz entscheidende Rol- le, da die Beeinflussung der Oberflachenqualitat der Bohrung selbst und ihrer Umgebung durch Schmelzanteile unbedingt auf ein Minimum reduziert werden muss . In Kombination mit dem dreistufigen Bohrprozess wird gemäß Patentanspruch 11 eine Anpassung des Drucks, mit welchem das Arbeitsgas auf die Umgebung des Fokusspots geblasen wird, an die verschiedenen Stufen des Bohrprozesses bevorzugt . Im Startab- schnitt des Bohrprozesses sind die einzelnen Impulsserien durch einen niedrigen Gasdruck im Bereich zwischen 0 und 1 bar charakterisiert. In den Bohrpausen werden Debris und unerwünschte Schmelzanteile bei hohem Gasdruck im Bereich von 1 bis 20 bar ausgeblasen. Zusatzlich sind der Bohr- und der Bohrlochformungsabschnitt durch ein stetiges Anwachsen des Drucks vom Anfangsdruck, welcher im Startabschnitt des Bohrprozesses verwendet wird, bar bis auf Endwerte von bis zu maximal 20 bar charakterisiert.
Auch die effiziente Unterdrückung der Strahlungsruckkopplung zwischen Werkstuck und C02 -Laser mittels einer wellenlangense- lektiven Entkopplungseinheit dient der Sicherung der hohen Bohrlochqualitat . Da der Laser auf der einen und das Werkstuck auf der anderen Seite ein strahlungsgekoppeltes System dar- stellen, wird bekanntlich die Laserfunktion durch die Strahlungsruckkopplung stark beeinträchtigt, so dass das System zu parasitären Oszillationen neigt. Diese sind besonders am Anfang der Bearbeitung, wenn das Werkstuck als quasi-ebener Spiegel wirkt, und beim elektrisch gepulsten Betrieb des La- sers sehr intensiv. Die bekannten und bisher eingesetzten Maßnahmen für diese Entkopplung basieren auf der Kopplung zwischen einem λ/4 -Phasenschieber und einem ATFR-Spiegel im Strahlengang. Da die Wirkung des ATFR-Spiegels jedoch wellenlangen- abhangig ist, zeigten sich immer wieder Mangel in der Wirkung dieses Systems dadurch, dass der C02-Laser auf andere Wellen- langenbereiche ausweicht, z.B. auf die 9,2 oder 9,6 μm-Bande. Daher wird erfindungsgemaß nach Patentanspruch 38 zusatzlich ein wellenlangenselektives (und somit frequenzselektives) Ele- ment in den Strahlengang eingebracht, welches ein derartiges Ausweichen verhindert .
In einer bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Ver- fahrens gemäß Patentanspruch 1 bzw. der erfindungsgemäßen Vorrichtung gemäß Patentanspruch 20 wird zur Sicherung einer optimalen Kantenqualität an der Lochoberseite sowie zum Schutz der das Loch umgebenden Werkstückoberfläche vor Materialspritzern, rekondensierendem Materialdampf sowie unerwünschtem Wär- meeinfluss zusätzlich eine eng an der Oberfläche des Werkstückes anliegenden Schutzfolie, vorzugsweise eine metallische Schutzfolie, besonders bevorzugt eine Aluminium- oder Kupferfolie, verwendet. Die Dicke der Schutzfolie ist dabei so anzupassen, dass für ihre Durchbohrung nur ein kleiner Bruchteil der in einem einzelnen Strahlungsimpuls zur Verfügung stehenden Energie erforderlich ist. Bevorzugt beträgt dazu gemäß Patentanspruch 36 die Dicke der Schutzfolie 10 bis 20 μm.
Je nach den technologischen Anforderungen kann diese Schutzfo- lie für einen ganzen Impulszug stationär gehalten werden, so dass stets das gleiche Durchschussloch genutzt wird. Da in diesem Fall nach mehrere Impulsen der Schutzeffekt der Schutzfolie jedoch verringert wird, wird in einer bevorzugten Ausführung gemäß Patentanspruch 15 der Erfindung die Schutzfolie so schnell während des Bohrprozesses von Puls zu Puls weiterbewegt, dass die Strahlung jeweils auf ein noch nicht mit Strahlung beaufschlagtes Flächenelement dieser Folie trifft, d. h. jeder Puls bohrt sich durch die Schutzfolie wieder neu sein Durchtrittsloch.
Das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Vorrichtung sind nachstehend anhand der Figuren 1 bis 16 näher erläutert . Figur 1 zeigt die Gesamtanordnung zum Bohren feinster Löcher mittels C02 -Laser gemäß der vorliegenden Erfindung.
Figur 2 illustriert die Pulsformung mittels synchroner Ansteuerung von C0 -Laser und Interferenz-Laserstrahlungsmodulator .
Figur 3 veranschaulicht das Prinzip des Bohrens mit rotierendem Strahlbündel.
Figur 4 illustriert den schematischen Strahlengang im Rotationsmodul zur simultanen Realisierung einer Rotation des Intensitätsprofils des Strahlenbündels um seine Strahlachse und einer Rotation des gesamten Strahlenbündels um die Systemachse mit definiertem Abstand und Winkel zwischen der Achse des Strahlenbündels und der Systemachse.
Figur 5 zeigt das Prinzip der Justierung von Lage und Richtung des ausgekoppelten Strahls im Rotationsmodul.
Figur 6 und Figur 7 zeigen eine Ausführungsform des Rotationsmoduls in zwei verschiedenen Ansichten.
Figur 8 illustriert das Bohren mit einer Kombination aus Rota- tionsmodul und rotierenden Bearbeitungskopf.
Figur 9 illustriert das bekannte Prinzip des definierten Strahlversatzes durch eine planparallele Platte.
Figur 10 veranschaulicht die Erzeugung einer Rotation des Strahlbündels mittels einer planparallelen Platte. Figur 11 zeigt die Erzeugung einer Rotation des Strahlbündels mittels einer Kombination aus Taumelspiegel und Axicon in einer ersten Ausführungsform.
Figur 12 zeigt die Erzeugung einer Rotation des Strahlbündels mittels einer Kombination aus Taumelspiegel und Axicon in einer zweiten Ausführungsform.
Figur 13 veranschaulicht die Erzeugung einer Rotation des Strahlbündels mittels einer Kombination aus x-y-Scanner und Axicon.
Figur 14 veranschaulicht das Prinzip des Schutzes der Lochoberseite mittels einer bewegten Schutzfolie.
Figur 15 illustriert den Schutz von dem Bohrloch gegenüberliegenden Wänden mittels strömenden absorbierenden Fluids.
Figur 16 zeigt eine Ausführung des Schutzes gegenüberliegender Wände mittels absorbierenden Fluids beim Bohren von Einspritzdüsen.
Figur 1 illustriert zunächst das Zusammenwirken aller relevanten Komponenten für die Durchführung der Verfahrensschritte des erfindungsgemäßen Verfahrens. Ein in einem leistungsstarken C02 -Laser 1 mit einer hohen Strahlqualitätskennzahl K nahe 1 erzeugter C02 -Laserstrahl 2 wird durch einen Interferenz- Strahlungsmodulator 3 so geformt, dass die für den Bohrprozess erforderlichen optimalen Impulse entstehen. Anschließend pas- siert der C02 -Laserstrahl 2 eine symbolisch dargestellte Einheit 4 zur wellenlängenselektiven Unterdrückung der Strahlungsrückkopplung, die aus einem wellenlängenselektiven optischen Element 5 und einem ATFR-Spiegel 6 besteht. Das wellen- längenselektive Element 5 kann dabei beispielsweise aus einem Prisma, einem Gitter oder einem oder mehreren wellenlängen- und somit frequenzselektiven Spiegeln gebildet werden. Die Position der Elemente 5 und 6 im Strahlengang ist nicht fest vorgeschrieben, so dass sie wie in Figur 1 dargestellt außerhalb des C02 -Lasers 1 angeordnet, aber auch in den C02 -Laser 1 integriert werden können. Ein darauf folgender λ/4 -Phasenschieber 7 hat eine Doppelfunktion: Er dient erstens der Umformung der linear polarisierten Laserstrahlung 2 in zirkulär polarisierte und zweitens im Zusammenwirken mit der Einheit 4 der wellenlängenselektiven Unterdrückung der Strahlungsrückkopplung. Im Anschluss an den λ/4-Phasenschieber 7 folgt ein weiterer Umlenkspiegel 8. Ein anschließend durchstrahltes Teleskop 9 dient der Anpassung insbesondere von Durchmesser und Divergenz des Strahlenbündels an den dynamischen Prozess seiner Fokussierung auf ein Werkstück 14, dem eine Einheit 10 zur Rotation des Intensitätsprofils um die Strahlachse und eine Einheit 11 zur Rotation des so geformten Strahlenbündels um die Systemachse mit definiertem, aber frei einstellbarem Abstand sowie Winkel zwischen der Achse des
Strahlenbündels und der Systemachse vorgelagert sind. Die Reihenfolge der Einheiten 10 und 11 ist dabei beliebig. Eine Fo- kussierlinse 12 vereinigt die Strahlungsanteile in einem Fokusspot 26 (vgl. Figur 3) an der Werkstückoberfläche, wobei zum Schutz dieser Werkstückoberfläche eine Schutzfolie 13 dient. Eine an der Werkstückunterseite entlangströmende Flüssigkeit 15 dient dazu, die durch das Bohrloch hindurchtretende C02 -Laserstrahlung 2 zu absorbieren und damit die dem Bohrloch gegenüberliegende Wand vor unerwünschten thermischen Effekten zu schützen.
Figur 2 illustriert die Erzeugung von Strahlungsimpulsen definierter Form in dem Interferenz-Laserstrahlungsmodulator 3 ge- maß dem erfindungsgemäßen Verfahren. Das Grundprinzip dieser Formung ist folgendes: Von einem gemeinsamen Taktgeber 17 werden synchronisierte Steuerimpulse sowohl für ein Steuergerät 18 des C02 -Lasers 1 und als auch für eine Modulatoransteuerung 19 des Interferenz-Laserstrahlungsmodulators 3 abgegeben. Über das Steuergerät 18 wird der C02 -Laser 1 elektrisch gepulst und zur Abgabe von Impulsen mit einem typischen Zeitverlauf 16 angeregt. Aus diesen Impulsen wird mittels des Interferenz- Laserstrahlungsmodulators 3 ein wesentlich schmalerer Bereich mit einem zeitlichen Leistungsverlauf 21 herausgeschnitten, der einerseits lediglich Strahlungsanteile guter Strahlqualität enthält und andererseits in seiner Pulsdauer so angepasst ist, dass eine optimale Wechselwirkung mit dem Werkstück im Bohrprozess gesichert wird.
Dazu werden sowohl der C02 -Laser 1 als auch der Interferenz- Laserstrahlungsmodulator 3 mittels synchronisierter Steuerimpulse aus dem gemeinsamen Taktgeber 17 so angesteuert, dass zeitsynchron elektrisch gepulste Strahlung des C02 -Lasers 1 erzeugt und andererseits der Interferenz-
Laserstrahlungsmodulator 3 über seine Transmissionscharakteristik durchgestimmt wird. Diese beiden gleichzeitig ablaufenden Prozesse sind nun so zu synchronisieren, dass das Leistungsmaximum der „herausgeschnittenen" verkürzten Impulse, al- so das Überfahren des Transmissionsmaximums des Interferenz- Laserstrahlungsmodulators, genau mit dem Leistungsmaximum der elektrisch erzeugten Ausgangsimpulse des C02 -Lasers 1 zusammenfällt. Dies kann über eine entsprechende Zeitverschiebung der Steuerimpulse für das Steuergerät 18 des C02 -Lasers 1 ei- nerseits und die Modulatoransteuerung 19 andererseits erfolgen. Auf diese Weise können die durch die externe Formung der Strahlungsimpulse und der Strahlungsimpulsfolgen geforderten Ziele dadurch optimal erfüllt werden, dass das Erreichen des Leistungsmaximums der elektrischen Impulse durch entsprechende Ansteuerung von vornherein so gewählt werden kann, dass es 100 bis 300 μs nach dem Anschwingen des C02 -Lasers 1 erfolgt, also in einem Zeitbereich liegt, bei dem schon eine gute Strahlqua- litat des Lasers erreicht und die „irreguläre" Einschwingphase des C02 -Lasers 1 vorüber ist. Es ist von großer Bedeutung, dass die Strahlanteile mit niedriger Strahlqualitat, also die etwa ersten 100 μs des elektrisch angesteuerten Strahlungsimpulses, durch den Interferenz-Laserstrahlungsmodulator 3 aus- gesondert werden und damit nicht die Fokussierung der Gesamtstrahlung insofern beeinträchtigen, dass speziell diese Strahlungsanteile, die ja schlechter fokussiert werden, z. B. zu einem unerwünschten Aufheizen und eventuell sogar Anschmelzen des Bohrlochrandes fuhren. Dazu ist, wie in Figur 2 darge- stellt, der Interferenz-Laserstrahlungsmodulator 3 außerhalb des Resonators des C02 -Lasers 1 angeordnet. Im Ergebnis liefert der Interferenz-Laserstrahlungsmodulator 3 einen gepulsten C02-Laserstrahl 20.
In den Figuren nicht dargestellt ist die bevorzugte Pulsfolge für ein optimales Bohren eines Bohrlochs 28. Bevorzugt wird der Bohrprozess in drei Abschnitte gegliedert, in welchen die Spitzenleistungen der jeweiligen Emzelimpulse variiert werden, um den Bohrloch zu optimieren.
Der Bohrprozess beginnt mit einem Startabschnitt, welcher aus einer oder mehreren Serien von Pulsen, vorzugsweise in jeder Serien aus 10 bis 100 Pulsen besteht. Der erste Impuls weist eine Spitzenleistung auf, die der Abtragsschwelle des jeweili- gen bearbeiteten Werkstoffes entspricht, wahrend die Spitzenleistungen der folgenden Pulse sukzessiv erhöht werden. Auf diese Weise entsteht in dem ersten Bohrabschnitt eine Start- bohrung von wenigen Zehntel mm Tiefe unter Vermeidung von Schmelzperlen und Debris.
In einem an den Startabschnitt anschließenden Bohrabschnitt werden eine oder mehrere Serien von Impulsen, wobei jede Serie vorzugsweise ebenfalls aus 10 bis 100 Impulsen besteht, erzeugt, deren Spitzenleistungen so weit über denen des Startabschnitts liegen, dass ein Bohrloch in die Tiefe und bis zur Durchbohrung vorangetrieben wird.
An den Bohrabschnitt schließt sich ein Bohrlochformungsabschnitt an, der durch eine Weiterführung des Bohrprozesses mit maximaler Spitzenleistung gekennzeichnet ist. Die maximale Spitzenleistung ist derart charakterisiert, dass die in den vorangegangenen Startabschnitten und Bohrabschnitten gebildete Lochoberkante nicht wieder aufgeschmolzen wird, wobei die kombinierte Bewegung aus Rotation des Laserstrahls um die Systemachse und des Strahlprofils um die Strahlachse verwendet wird, um die vorgegebene Lochform, beispielsweise einen nach unten erweiterten Konus, zu erzielen.
Die Spitzenleistung der jeweiligen Einzelimpulse des die Bohrung realisierenden Impulszuges kann entweder mittels der e- lektrischen Ansteuerung 18 des C02-Lasers 1 oder mittels eines nicht dargestellten zweiten Interferenz-Laserstrahlmodulators im Intervall zwischen 10% und 100% der maximalen Laserleistung geregelt werden.
Figur 3 illustriert einen ganz entscheidenden Faktor beim Boh- ren eines Bohrlochs 28 definierter Form mit einem rotierenden Laserstrahl 23 in das Werkstück 14. Um zu erreichen, dass alle Strahlanteile des C02-Laserstrahls 2, unabhängig von ihrem jeweiligen Auftreffort auf einer Fokussierlinse 24, auch präzise in einem fokussierten Laserstrahl 25 im Fokusspot 26 gesammelt werden, ist dafür zu sorgen, dass die Divergenz der Strahlanteile des rotierenden Laserstrahls 23 so beschaffen ist, dass scheinbar alle Strahlanteile aus einem virtuellen Ausgangs- punkt 27 der Laserstrahlung kommen. Dieser Punkt ist dann der Gegenstandspunkt der Fokussierlinse 24, der durch die Fokus- sierlinse 24 sauber in den Fokusspot 26 abgebildet wird. In dieser Darstellung wurde angenommen, dass die Erzeugung einer Rotation des Intensitätsprofils um die Strahlachse und einer Rotation des Strahlenbündels um die Systemachse gemeinsam in einem Rotationsmodul 22 realisiert werden.
Die Wirkungsweise dieses Rotationsmoduls 22 mit seiner kombinierten Wirkung zur Rotation des C02-Laserstrahls 2 sowohl um seine eigene Achse als auch um die Systemachse wird in der schematischen Darstellung in Figur 4 näher erläutert. Er besteht aus fünf Spiegeln 40, 41, 42, 46, 47, wobei die ersten drei Spiegel 40, 41, 42 in einer ersten Funktionsebene 36 angeordnet sind, die senkrecht zur Strahlachse 38 eines einfal- lenden Strahls 39 angeordnet sind. Bei dem einfallenden Strahl 39 handelt es sich um den mittels des Interferenz- Laserstrahlungsmodulators 3 gepulsten C02-Laserstrahl 20. Die Strahlachse 38 des einfallenden Strahls 39 definiert dabei eine Rotationsachse 45 des Rotationsmoduls 22.
Der erste Spiegel 40 lenkt den einfallenden Strahl 39 um 90° in einem Strahlelement 43 auf den zweiten Spiegel 41, dieser lenkt das von dem ersten Spiegel 40 reflektierte Strahlelement
43 wieder um 90° in einem Strahlelement 44 auf den dritten Spiegel 42 und zwar so, dass die beiden Strahlelemente 43 und
44 des Laserstrahls in dieser ersten Funktionsebene 36 liegen. Der dritte Spiegel 42 lenkt das einfallende Strahlelement 44 wieder um 90° senkrecht aus der ersten Funktionsebene 36 her- aus in Richtung einer zweiten Funktionsebene 37 des Rotationsmoduls 22. Diese Funktionsebene 37 steht ebenfalls senkrecht zur ursprünglichen Strahlachse 38 und damit auch zur Rotationsachse 45 des Rotationsmoduls 22. In dieser Funktionsebene 37 befinden sich der vierte Spiegel 46 und der fünfte Spiegel 47, welcher im folgenden auch als AuskoppelSpiegel 47 des Rotationsmoduls 22 bezeichnet wird. Der vierte Spiegel 46 reflektiert den von dem dritten Spiegel 42 reflektierten Strahl wieder um 90° in einem Strahlelement 67 innerhalb dieser zwei- ten Funktionsebene 37 in Richtung der Rotationsachse 45 auf den Auskoppelspiegel 47, wobei letzterer so angeordnet ist, dass er das vom vierten Spiegel 45 reflektierte Strahlelement 67 um 90° oder wahlweise einen anderen Winkel aus dem Rotationsmodul 22 in einen ausgekoppelten Strahl 48 lenkt.
Liegt der Auskoppelspiegel 47 auf der Rotationsachse 45 und somit auf der Strahlachse 38 des einfallenden Strahls 39 und wird das vom vierten Spiegel 45 reflektierte Strahlelement 67 von dem Auskoppelspiegel 47 um 90° in den ausgekoppelten Strahl 48 gelenkt, stimmen die Achsen 38 des einfallenden
Strahls 39 und die Achse des ausgekoppelten Strahls 48 überein, so dass eine Drehung des Rotationsmoduls 22 um die Rotationsachse 45 mit einer Kreisfrequenz ωl eine Drehung des ausgekoppelten Strahls 48 um seine eigene Achse mit der Kreisfre- quenz 2ωl bewirkt (vgl. auch Figur 5) . Der AuskoppelSpiegel 47 hat eine Justiermöglichkeit 49 (vgl. Figur 5) von Lage und Richtung des ausgekoppelten Strahls 48. Eine zusätzliche Rotation des ausgekoppelten Strahls 48 um die Systemachse, wenn diese Systemachse nicht identisch mit der Strahlachse des aus- gekoppelten Strahls ist, wird durch diese Justiermöglichkeit 49 des Auskoppelspiegels 47 ermöglicht. Figur 5 illustriert die Wirkung dieser Justiermöglichkeit 49 von Lage und Richtung des ausgekoppelten Strahls 48 im Rotationsmodul 22 etwas genauer. Die entscheidenden Größen für die Wirkung des Strahlenbündels bei der Fokussierung sind eine Verschiebung z und ein Winkel α. Z ist die Verschiebung der Achse des aus dem Rotationsmodul 22 ausgekoppelten Strahls 48 gegen die Systemachse, α ist die Richtungsänderung des aus dem Rotationsmodul 22 ausgekoppelten Strahls 48. Wird der Auskoppelspiegel 47 um die Verschiebung z verschoben und um den Win- kel gekippt, erhält man einen in Lage und Richtung ausgelenkten ausgekoppelten Strahl 50.
Die Figuren 6 und 7 zeigen zwei verschiedenen Ansichten einer spezielle Ausführungsform des in Figur 4 beschriebenen Rotati- onsmoduls 22 in dreidimensionaler Darstellung. Gleiche Teile werden dabei mit gleichen Bezugsziffern gekennzeichnet. Die erforderlichen Antriebselemente zur Rotation dieses Systems um seine Rotationsachse 45 sind in diesen Darstellungen nicht enthalten. Um die anhand von Figur 4 beschriebenen Umlenkungen des einfallenden Strahls 39 zu erreichen, ist in den Figuren 6 und 7 ersichtlich, dass die Spiegel 40, 41, 42 in der ersten Funktionsebene 36, die Spiegel 46 und 47 in der zweiten Funktionsebene 37 des Rotationsmoduls angeordnet, jedoch gegen die Funktionsebenen 36 bzw. 37 geneigt sind.
Es ist ersichtlich, dass das Rotationsmodul 22 eine beträchtliche Masse besitzt (allein schon wegen der fünf erforderlichen Spiegel 40, 41, 42, 46, 47) und deswegen seine Rotation bei vernünftigem Aufwand nur mit moderaten Geschwindigkeiten erfolgen kann. Kreisfrequenzen ωx des Systems in der Größenordnung 10 s"1 sind jedoch problemlos realisierbar. Die Erzeugung konischer Locher nach dem in Figur 3 dargestellten Grundprinzip stoßt an Grenzen, wenn der Konuswinkel relativ groß, beispielsweise großer als 20°, sein muss. Dann ist eine solch große Verschiebung z der Achse des aus dem Rotati- onsmodul 22 ausgekoppelten Strahls 48 gegen d e Systemachse erforderlich, dass beim Prozess der Fokussierung mittels der Fokussierlinse 24 in hohem Maße die Abbildungsfehler der Fo- kuss erlmse 24 zum Tragen kommen, so dass die Fokussierung merklich verschlechtert und damit der erreichbare minimale Bohrlochdurchmesser in unerwünschter Weise vergrößert wird.
Ein weiterer Nachteil des Rotationsmoduls 22 mit seiner kombinierten Wirkung zur Rotation des C02-Laserstrahls 2 sowohl um seine eigene Achse als auch um die Systemachse, welches somit die Einheit 10 zur Rotation des Intensitatsproflls und die Einheit 11 zur Rotation des Strahlenbundels um die Systemachse kombiniert, liegt darin, dass die Kreisfrequenz 2cθχ der Rotation des C02-Laserstrahls 2 um seine eigene Achse ein Vielfaches (das Doppelte) der Kreisfrequenz ωx des Rotationsmoduls ist, welche in dieser Ausgestaltung der Kreisfrequenz des C02- Laserstrahls 2 um die Systemachse entspricht, was Schwebungseffekte hervorrufen kann, welche die Rundheit des Bohrlochs 28 beeinträchtigen. Um diesen Effekt zu vermeiden, ist eine Trennung der beiden Einheiten 10 und 11 vonnoten.
Für solche Falle zeigt Figur 8 einen Ausweg. Hier wird das Rotationsmodul 22 nur benutzt, um das Intensitatsprofll des Laserstrahls 23 um seine Achse mit der Kreisfrequenz cύi rotieren zu lassen, so dass das Rotationsmodul 22 als Einheit 10 zur Rotation des Intensitatsproflls fungiert. Die Rotation des ge- samten rotierenden Laserstrahls 23 um die Systemachse wird jedoch mittels eines mit einer Kreisfrequenz ω2 rotierenden Bearbeitungskopfes 51 realisiert, welcher somit die Einheit 11 zur Rotation des Strahlenbündels um die Systemachse bildet. Der Bearbeitungskopf 51 besteht aus zwei Umlenkspiegeln 52 und 53 sowie der Fokussierlinse 24. Die Abbildung 8 zeigt, wie durch Rotation des Bearbeitungskopfes 51 auch sehr große Winkel zwi- sehen dem Lot auf das Werkstück 14 im Fokusspot 26 und der Einstrahlachse des fokussierten Laserstrahls 25 realisiert werden können, ohne dass sich Abbildungsfehler der Linse 24 auswirken. Somit sind große Öffnungswinkel des Bohrlochs 28 realisierbar. Auch hier ist natürlich wieder zu beachten, dass insgesamt relativ große Massen rotieren, so dass das ω2 keine allzu großen Werte annehmen sollte. Auch hier sind jedoch Rotationsgeschwindigkeiten möglich, die für das Verfahren vollkommen ausreichend sind, z. B. wieder ca. 10 Umdrehungen/s .
Die Figuren 9 bis 13 zeigen weitere Ausführungsformen zur Rotation des Strahlbündels um die Systemachse separiert von der Vorrichtung zur Rotation des Intensitätsprofils.
Dabei illustrieren zunächst die Figuren 9 und 10 das Prinzip der Erzeugung einer solchen Rotation mittels einer planparallelen Platte 54 einer Dicke d aus transparentem Material, welches durch eine Brechzahl n charakterisiert ist . In Figur 9 ist zunächst das an sich bekannte Prinzip eines definierten Strahlversatzes Δ durch die planparallele Platte 54 darge- stellt. Der Strahlversatz Δ zwischen einem unter einem Einfallswinkel γ auf die Platte 54 einfallenden Strahl 55 und einem versetzten Strahl 57 berechnet sich dabei aus den Plattenparametern d (Plattendicke) und n (Brechzahl des optischen Mediums) und dem Einstrahlwinkel γ in Bezug auf das Einfallslot 56 gemäß folgender Beziehung: n -\
Δ « n ■ d ■ tan γ
Die Figur 10 zeigt die Anwendung dieses Prinzips in einer Vorrichtung, bei der die geneigte planparallele Platte 54 mit der Kreisfrequenz ω2 um eine Achse 59 des einfallenden Strahls rotiert, wodurch erreicht wird, dass ein versetzter Strahl 60 um die Achse 59 rotiert, welcher in dem fokussierten Laserstrahl 25 über die Fokussierlinse 24 in den Fokusspot 26 fokussiert wird. Da der Versatz Δ des einfallenden Strahls 55 ist auch bei relativ dicken Platten 54 vergleichsweise klein ist, lassen sich nur relativ kleine Öffnungswinkel der konischen Bohrung 28 in dem Werkstück 14 erreichen. Vorteile dieser Anordnung sind jedoch der vergleichsweise einfache Aufbau, die sehr präzise Einstellmöglichkeit des Versatzes Δ und damit letzt- lieh der Form des erzeugten Loches 28 und schließlich auch die Tatsache, dass man durch den kleinen Strahlversatz Δ im mm-Bereich praktisch immer im Bereich relativ guter Abbildung der Fokussierlinse 24 bleibt, so dass die Linsenfehler nur unwesentlich ins Gewicht fallen.
Die Figuren 11 und 12 zeigen zwei Ausführungsformen zur Rotation des Strahlbündels um die Systemachse mittels einer Kombination aus einem Taumelspiegel 61, welcher durch einen Keil- winkel ß charakterisiert ist, und einem Axicon 64 in Verbindung mit der Fokussierlinse 24. Diese Anordnungen haben den Vorzug, dass sie sehr kompakt gehalten werden können und die Bündelrotation durch ein sehr simples und damit sehr funktionssicheres Reflexionsprinzip am Taumelspiegel 61, welcher durch einen Motor 62 zu einer Rotation um eine Rotationsachse 63 angetrieben wird, erfolgt. Das erfindungsgemäße Neue an diesen Anordnungen ist die Tatsache, dass der große Öffnungswinkel des Strahlen- kegels, der aus dem einfallenden Strahl 55 mittels des Taumel - spiegeis 61 erzeugt wird, durch das Axicon 64 mit entsprechendem brechenden Winkel kompensiert wird, so dass die wichtige Bedingung, dass alle Strahlen des fokussierenden Strahl 25 durch die im Anschluss an das Axicon 64 angeordnete Fokussierlinse 24 im gemeinsamen Fokusspot 26 gesammelt werden müssen, sehr gut erfüllbar ist.
Ein besonderer Vorzug der in Figur 12 gezeigten Anordnung, die ebenfalls sehr kompakt aufgebaut werden kann, ist die Tatsache, dass der einfallende Strahl 55 zunächst mit sehr geringen Abbildungsfehlern durch die Fokussierlinse 24 fokussiert und erst anschließend auf dem Weg zum Fokusspot durch den Taumelspiegel 61 in Rotation versetzt und der Offnungswinkel des ro- tierenden Bundeis durch das Axicon 64 kompensiert wird. Auf diese Art und Weise lassen sich sehr große Offnungswinkel und damit also auch sehr große Winkel des Bohrlochs 28 erreichen, ohne dass Bundelverzerrungen durch Abbildungsfehler der Fokus- sieroptik auftreten.
Universell im Hinblick auf die erzeugte Form des Bohrloches 28 ist die Anordnung nach Figur 13. Hier wird anstelle des Taumelspiegels 61 ein x-y-Scanner 65 eingesetzt, mit dem im Prinzip neben der einfachen Rotation des einfallenden Strahls 55 auch völlig andere geometrische Wege des abgelenkten Strahls erzeugt werden können, also z. B. Vierecke, Ellipsen usw. Auch hier wird letztendlich die durch den x-y- Scanner 65 erzeugte große Auslenkung des Strahls durch das Axicon 64 kompensiert, wobei allerdings bei Formen, die vom Kreis abweichen, gewisse Kompromisse eingegangen werden müssen. In dieser Ausfuhrungsform ist die Fokussierlinse 24 wiederum dem Axicon 64 nachgeordnet . In Figur 14 wird eine mögliche prinzipielle Anordnung zur Führung der Schutzfolie 13 über die Oberfläche des Werkstückes 14 dargestellt. Kernstück sind hierbei zwei kleine Andruckrollen 66 , die einerseits dafür sorgen, dass die Schutzfolie 13 fest an der Oberfläche des Werkstückes 14 anliegt, die andererseits aber auch die Möglichkeit lassen, diese Folie 13 so schnell am Bearbeitungsort des zu bohrenden Bohrlochs 28 vorbeizubewegen, dass jeder einzelne Impuls oder bestimmte ausgewählte Impulsfolgen des fokussierten Strahls 25 jeweils eine neue von Strahlung noch nicht beaufschlagte Fläche der Schutzfolie 13 vorfinden und auf diese Weise der Bohrprozess und der Schutz der Oberfläche des Werkstücks 14 gegen Beaufschlagung mit verdampftem Material oder Schmelze optimiert werden kann. In dieser Darstellung ist auch schon angedeutet, dass an der Rück- seite des Bohrlochs 28 eine absorbierende Flüssigkeit 15 strömt, die dafür sorgt, dass eine dem Bohrloch gegenüberliegende Wand 31 nicht mit Reststrahlung 29, die eventuell durch das Bohrloch 28 hindurchtritt, beaufschlagt wird.
Diesen ganz wichtigen Faktor beim Präzisionsbohren kleiner Werkstücke wie z. B. Kraftstoffeinspritzdüsen, illustrieren detailliert die Figuren 15 und 16.
In Figur 15 ist noch einmal das Grundprinzip dargestellt, d. h. nach Bohren des definierten Bohrloches 28 durch die fo- kussierte Laserstrahlung 25 in das Werkstück 14 würde ohne besondere Vorkehrungen eine gewisse Reststrahlung 29 auf die gegenüberliegende Wand 31 fallen und dort einen Bereich 30 beaufschlagen. In der Endphase der Lochentstehung, wenn also die Austrittsöffnung weitgehend ausgebildet ist, kann diese Reststrahlung 29 so stark sein, dass dieser mit Strahlung beaufschlagte Bereich 30 stark erhitzt, aufgeschmolzen oder gar verdampft wird, so dass eine Beschädigung der Wand 31 droht. Um dies zu verhindern, wird zwischen das Werkstuck 14 und die dem Bohrloch 28 gegenüberliegende Wand 31 die die Laserreststrahlung 29 absorbierende Flüssigkeit 15 geschickt, die so schnell strömt, dass sie durch die Reststrahlung 29, die durch das Bohrloch 28 hindurchtritt, nicht etwa so weit verdampft wird, dass eine Beschädigung der gegenüberliegenden Wand 31 erfolgen kann, sondern dass tatsachlich die gesamte Reststrahlung 29 in der Flüssigkeit 15 absorbiert wird. Da in dem er- findungsgemaßen Verfahren ein C02-Laser verwendet wird, kann als absorbierende Flüssigkeit 15 Wasser verwendet werden, welches gegebenenfalls mit Mitteln zur Verhinderung von Korrosion versetzt ist, da die Wellenlange der vom C02-Laserausgesandeten Strahlung in Wasser absorbiert wird. Die Verwendung von Wasser als absorbierende Flüssigkeit ist besonders kostensparend.
Figur 16 zeigt diese Verhaltnisse für den Fall des Bohrens von Kraftstoffeinspritzdusen in einen Einspritzdusenkorper 32 mittels des durch die Fokussierlinse 24 fokussierter Laserstrahl 25. Ein Bohrloch 33 wurde bereits fertig gestellt, an dem Bohrloch 28 wird vorliegend gearbeitet. In diesem Fall lasst sich eine vorteilhafte Ausfuhrungsform in der Weise realisieren, dass mittels einer Düse 35 die absorbierende Flüssigkeit 15 so in den Einspritzdusenkorper 32 gespritzt wird, dass die Flüssigkeit 15 auf die feste Wand am Oberteil der Einspritzdu- se 32 prallt, die keine Bohrung enthalt, und von dort in der dargestellten Weise so in ihrer Strömung 34 beeinflusst wird, dass sie links und rechts an den für die Bohrung 28 relevanten Wanden entlang strömt. Auf diese Weise kann auf einfache und effiziente Weise sichergestellt werden, dass die eventuell durch das Bohrloch 28 hindurchtretende Reststrahlung 29 auf gar keinen Fall die gegenüberliegende Wand an der Stelle 30 verletzt . In den Figuren nicht dargestellt ist eine Vorrichtung zum Beblasen des Fokusspots 26 und der Umgebung der Oberseite des Bohrlochs 28, mit welcher ein Arbeits- und Schutzgas, beispielsweise Sauerstoff, Inertgase oder Mischungen aus beiden, beispielsweise eine Mischung aus Sauerstoff und Argon, in den Arbeitsbereich eingeblasen wird.
Bei Verwendung des dreistufigen Bohrprozesses wird auch der Gasdruck entsprechend dem zeitlichen Verlauf des Bohrprozesses variiert, um ein optimales Bohrergebnis zu erzielen. Im Startabschnitt des Bohrprozesses sind die einzelnen Impulsserien durch einen niedrigen Gasdruck im Bereich zwischen 0 und 1 bar charakterisiert. In den Bohrpausen werden Debris und unerwünschte Schmelzanteile bei hohem Gasdruck im Bereich von 1 bis 20 bar ausgeblasen. Zusätzlich sind der Bohr- und der Bohrlochformungsabschnitt durch ein stetiges Anwachsen des Drucks von dem Anfangsdruck, welcher im Startabschnitt des Bohrprozesses verwendet wird, bis auf Endwerte von bis zu maximal 20 bar charakterisiert.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren und der erfindungsgemäßen Vorrichtung können Löcher gebohrt werden, welche einen Durchmesser von etwa 70 μm bei einer Tiefe von 1 mm aufweisen, scharfkantige Ein- und Austrittsränder sowie glatte Lochflan- ken besitzen und von einfach konischer Gestalt sind. Schmelzrückstände und thermisch bedingte Gefügeveränderungen im angrenzenden Material treten nicht auf. Die geometrischen Toleranzen der Bohrungen liegen bei wenigen Prozent. Bezugszeichenliste
1 - C02 -Laser 2 - C02 -Laserstrahl 3 - Interferenz-Laserstrahlungsmodulator 4 - Einheit zur wellenlängenselektiven Unterdrückung der Strahlungsrückkopplung 5 - wellenlängenselektives optisches Element 6 - ATFR-Spiegel 7 - λ/4 -Phasenschieber 8 - Umlenkspiegel 9 - Teleskop
10 - Einheit zur Rotation des Intensitätsprofils 11 - Einheit zur Rotation des Strahlenbündels um die Systemachse
12 - Fokussieroptik
13 - Schutzfolie
14 - Werkstück 15 - die Laserstrahlung absorbierende Flüssigkeit
16 - zeitlicher Leistungsverlauf der elektrisch gepulsten C02 -Laserstrahlung
17 - Taktgeber für synchronisierte Steuerimpulse
18 - Steuergerät für C02 -Laser 19 - Modulator-Ansteuerung
20 - Modulator-gepulster C02 -Laserstrahl
21 - zeitlicher Leistungsverlauf der verkürzten Laserimpulse
22 - Rotationsmodul
23 - rotierender Laserstrahl 24 - Fokussierlinse
25 - fokussierter Laserstrahl
26 - Fokusspot (Bildpunkt der Linse 24) - virtueller Ausgangspunkt der Laserstrahlung (Gegenstands- punkt der Fokussierlinse 24) - Bohrloch definierter Form - durch Bohrloch hindurchtretende Reststrahlung - mit Strahlung beaufschlagter Bereich der gegenüberliegenden Wand - dem Bohrloch gegenüberliegende Wand - Einspritzdusenkorper - bereits gefertigtes Bohrloch - strömende Absorberflüssigkeit - Düse für Absorberflüssigkeit - erste Funktionsebene des Rotationsmoduls - zweite Funktionsebene des Rotationsmoduls - Strahlachse des einfallenden Strahles - einfallender Strahl - erster Spiegel - zweiter Spiegel - dritter Spiegel - Strahlelement - Strahlelement - Rotationsachse des Rotationsmoduls - vierter Spiegel - Auskoppelspiegel des Rotationsmoduls (fünfter Umlenkspiegel) - ausgekoppelter Strahl - Justiermöglichkeit für Auskoppelspiegel - in Lage und Richtung ausgelenkter ausgekoppelter Strahl - rotierender Bearbeitungskopf - Umlenkspiegel - Umlenkspiegel - planparallele Platte aus transparentem Material - einfallender Strahl - Einfallslot 57 - versetzter Strahl
59 - Achse des einfallenden Strahls und der Plattenrotation
60 - versetzter Strahl
61 - Taumelspiegel 62 - Motor
63 - Rotationsachse
64 - Axicon
65 - x-y-Scanner
66 - Andruckrolle 67 - Strahlelement d - Dicke der planparallelen Platte n - Brechzahl der planparallelen Platte P - Laserleistung t - Zeit z - Verschiebung der Achse des aus dem Rotationsmodul ausgekoppelten Strahls gegen die Systemachse α - Richtungsänderung des aus dem Rotationsmodul ausgekoppelten Strahls ß Keilwinkel des Taumelspiegels γ - Einfallswinkel des Strahlenbündels auf planparallele Platte Δ - Versatz des Strahlenbündels durch planparallele Platte (Di - Kreisfrequenz des Rotationsmoduls ω2 - Kreisfrequenz der Rotation des Gesamtstrahls um die Systemachse

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum Bohren von Löchern mit C02 -Laserimpulsen unter Verwendung eines C02 -Lasers (1) umfassend die Schritte: a) Umformung der linear polarisierten Strahlung des C02 -Lasers (1) in zirkulär polarisierte Strahlung; b) Einsatz optischer Elemente zur Anpassung von Durchmesser und Divergenz des Strahlenbündels; c) Rotation des Intensitätsprofils des Strahlenbündels um seine Strahlachse; d) Rotation des gesamten Strahlenbündels um die Systemachse mit definiertem, aber frei einstellbarem Abstand sowie Winkel zwischen der Achse des Strahlenbündels und der Systemachse dergestalt, dass bei der anschließenden Fokussierung des so geformten Strahlenbündels mittels der Fokussieroptik (12) auf die gewünschte Bearbeitungsstelle gewährleistet ist, dass einerseits alle Strahlanteile in diesem Fokusspot (26) vereinigt werden und andererseits die Divergenz der Strahlung nach Passieren des Fokusspots (26) so angepasst ist, dass die gewünschte Lochform entsteht ; d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass e) die Formung von Strahlungsimpulsen bzw. Strahlungsimpuls- folgen aus der Strahlung (2) des C02 -Lasers (1) außerhalb des Laserresonators erfolgt; f) die Umgebung des Fokusspots (26) mit einem Arbeits- und Schutzgas beblasen wird; g) die Strahlungsrückkopplung zwischen Werkstück und C02 - Laser (1) durch eine wellenlängenselektive Entkopplungseinheit (4) unterdrückt wird und h) dem Bohrloch (28) gegenüberliegende konstruktive Elemente des Bauteils vor unerwünschten Wirkungen der durch das Bohrloch hindurchtretenden Reststrahlung (29) durch eine an der Unterseite des bearbeiteten Werkstücks strömende Flüssigkeit (15) geschützt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass eine Schutzfolie (13), vorzugsweise eine metallische Schutzfolie (13), auf der Oberfläche des Bauteils (14) angeordnet ist .
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2 , d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass zum Beblasen der Umgebung des Fokusspots (26) ein Gemisch aus Sauerstoff und einem Inertgas, vorzugsweise Argon, ver- wendet wird.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass eine die Laserstrahlung ausreichend stark absorbierende Flüs- sigkeit (15) als Flüssigkeit verwendet wird.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass als optische Elemente zur Anpassung von Durchmesser und Di- vergenz des Strahlenbündels eine Teleskopanordnung (9) verwendet wird.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Formung der Strahlungsimpulse außerhalb des Laserresonators derart erfolgt, dass entweder aus der kontinuierlichen Laserstrahlung oder aus den Strahlungsimpulsen (16) des elektrisch gepulsten C02 -Lasers (1) Impulse (21) „he- rausgeschnitten" werden, die durch Symmetrie im Zeitverlauf der Leistung und Impulsdauern τιmp im Größenordnungsbereich 1 μs < Timp < 100 μs charakterisiert sind.
7. Verfahren nach Anspruch 6 , d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Erzeugung der Strahlungsimpulse mittels eines außerhalb des Laserresonators angeordneten akustooptischen oder Interferenz-Laserstrahlungsmodulators (3) erfolgt.
8. Verfahren nach Anspruch 7 , d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Erzeugung der elektrisch gepulsten Strahlung des C02 - Lasers (1) und die Formung dieser Impulse durch den In- terferenz-Laserstrahlungsmodulator (3) mittels synchronisierter Steuerimpulse aus einem gemeinsamen Taktgeber (17) so erfolgt, dass das Leistungsmaximum der „herausgeschnittenen" verkürzten Impulse (21) genau mit dem Leistungsmaximum der Ausgangsimpulse (16) des C02 -Lasers (1) zusammenfällt.
9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass mittels einer elektrischen Ansteuerung (18) des C02 -Lasers (1) oder mittels eines zweiten Strahlungsmodulators die Spitzenleistung der jeweiligen Einzelimpulse (21) des die Bohrung realisierenden Impulszuges im Intervall zwischen 10% und 100% der maximalen Laserleistung während des Bohrprozesses geregelt wird.
10. Verfahren nach Anspruch 9, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass sich der Bohrprozess in drei Abschnitte gliedert, nämlich ei- nen Startabschnitt, einen Bohrabschnitt und einen Bohrlochformungsabschnitt, wobei der Startabschnitt eine oder mehrere Serien von Impulsen, vorzugsweise 10 bis 100 Impulsen, aufweist, wobei der erste Impuls eine Spitzen- leistung besitzt, die der Abtragssschwelle des zu bearbeiteten Werkstoffs entspricht, und die folgenden Impulse durch eine sukzessive Erhöhung der Spitzenleistung charakterisiert sind, wobei der Bohrabschnitt eine oder mehrere Serien von Impulsen, vorzugsweise 10 bis 100 Impul- sen, aufweist, deren Spitzenleistung so weit über denen des Startabschnitts liegen, dass das Bohrloch in die Tiefe und bis zur Durchbohrung vorangetrieben wird, und der Lochformungsabschnitt Impulsserien aufweist, deren Spitzenleistungen so gewählt sind, dass die Lochoberkante nicht wieder aufgeschmolzen wird, und wobei die kombinierte Bewegung aus Rotation des Strahlenbundels um die Systemachse und des Strahlprofils um die Strahlachse verwendet wird, um die vorgegebene Lochform, beispielsweise einen nach unten erweiterten Konus, zu erzielen.
11. Verfahren nach Anspruch 10, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass der Gasdruck des Arbeits- und Schutzgases auf den zeitlichen Verlauf des Bohrprozesses abgestimmt ist, vorzugsweise derart, dass im Startabschnitt ein Gasdruck zwischen 0 und 1 bar, in den Bohrpausen ein Gasdruck im Bereich von 1 bis 20 bar und sowohl im Bohrabschnitt als auch im Lochformungsabschnitt ein sich ändernder Gasdruck verwendet wird, welcher von dem Anfangsdruck, welcher im Start- abschnitt verwendet wird, auf einen Gasdruck von bis zu maximal 20 bar ansteigt.
12. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Rotation des Intensitätsprofils des Strahlenbündels und des Strahlenbündels mittels einer drehbar gelagerten 5- Spiegel -Anordnung, dem Rotationsmodul (22) , realisiert werden, die als eine Art „optisches Getriebe" wirkt und die Rotation des Intensitätsprofils um die Strahlachse mit der doppelten Rotationsgeschwindigkeit 2ωλ des Rotationsmoduls (22) und die wahlweise einstellbare Rotation des Strahlenbündels um die Systemachse mit der einfachen Rotationsgeschwindigkeit cc>ι des Rotationsmoduls (22) bewirkt .
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Rotationsgeschwindigkeit (ωx) der Einheit (10) und die Rotationsgeschwindigkeit (ω2) der Einheit (11) inkommensurabel sind.
14. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass zur Realisierung von Winkel > 10° zwischen der Strahlachse und der Systemachse am Orte des Fokusspots (26) eine Kombination aus einer Einheit zur Rotation des Intensitätspro- fils (10) , vorzugsweise dem Rotationsmodul (22) , und einer Einheit zur Rotation des Strahlenbündels um die Systemachse (11) genutzt wird.
15. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 14, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Schutzfolie (13) während des Bohrprozesses von Impuls zu Impuls oder von Impulszug zu Impulszug so weiterbewegt wird, dass die Strahlung jeweils auf ein noch nicht mit Strahlung beaufschlagtes Flachenelement dieser Folie trifft.
16. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die wellenlangenselektive Entkopplungseinheit (4) einen ATFR- Spiegel (6) aufweist und an weitgehend beliebiger Stelle im Strahlengang zwischen dem Resonatorendspiegel des La- sers und dem Rotationsmodul (22) wenigstens ein frequenzselektives Element (5) angeordnet wird.
17. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass als absorbierende Flüssigkeit (15) Wasser verwendet wird.
18. Verfahren nach Anspruch 17, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass das Wasser mit Mitteln zur Verhinderung von Korrosion ver- setzt ist.
19. Vorrichtung zum Bohren von Lochern, insbesondere zur Durchfuhrung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 18 mit - einem leistungsstarken C02 -Laser (1) mit einer Strahl - qualitatskennzahl K > 0,8, - Mitteln zur Umformung der linear polarisierten Strahlung des Lasers in zirkulär polarisierte Strahlung, - Mitteln zur Anpassung der Divergenz des Strahlenbundels an den dynamischen Prozess seiner Fokussierung auf das Werkstuck (14), - einer Einheit (10) zur Erzeugung einer Rotation des Intensitatsprofils um die Strahlachse und einer Einheit (11) zur Realisierung einer Rotation des so geformten Strahlenbündels um die Systemachse mit definiertem, aber frei einstellbarem Abstand sowie Winkel zwischen der Achse des Strahlenbündels und der Systemachse, - einem außerhalb des Laserresonators angeordneten Interferenz-Laserstrahlungsmodulator (3) zur Formung definierter Strahlungsimpulse (21) aus der ursprünglichen Laserstrahlung (2) , - einer wellenlängenselektiven Einheit (4) zur Unterdrü- ckung der Strahlungsrückkopplung zwischen Werkstück (14) und C02 -Laser (1) sowie - einer an der Werkstückunterseite entlang strömenden Flüssigkeit (15), welche die durch das Bohrloch hindurchtretende C0 -Laserstrahlung absorbiert.
20. Vorrichtung nach Anspruch 19, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass eine Schutzfolie (13) , vorzugsweise eine metallische Schutzfolie (13), an der Oberseite des Werkstücks (14) angeordnet ist.
21. Vorrichtung nach Anspruch 19 oder 20, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass zur Umformung der linear polarisierten Strahlung des Lasers (1) in zirkulär polarisierte Strahlung ein λ/4- Phasenschieber (7) , vorzugsweise eine λ/4-Platte aus für die C02 -Laserstrahlung (2) transparentem Material oder ein λ/4 -Phasenschieberspiegel, dient.
22. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 19 bis 21, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass zur Anpassung der Divergenz des Strahlenbündels an den dyna- mischen Prozess seiner Fokussierung auf das Werkstück (14) ein Teleskop (9) , vorzugsweise ein Teleskop vom Ga- lilei,sehen Typ, eingesetzt wird.
23. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 19 bis 22, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass zur kombinierten Rotation des Intensitätsprofil der Laserstrahlung um die Strahlachse sowie der Rotation des gesamten Strahlenbündels um die Systemachse ein Rotations- modul (22) eingesetzt wird.
24. Vorrichtung nach Anspruch 23, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass das Rotationsmodul (22) aus fünf Spiegeln (40, 41, 42, 46, 47) besteht, wobei die ersten drei Spiegel (40, 41, 42) in einer ersten Funktionsebene (36) senkrecht zur Strahlachse (38) des einfallenden Strahl (39) so angeordnet sind, dass der erste Spiegel (40) das Bündel um 90° auf den zweiten Spiegel (41) umlenkt, dieser das Bündel wie- der um 90° auf den dritten Spiegel (42) so umlenkt, dass die beiden Strahlelemente (43) und (44) in der ersten Funktionsebene (36) liegen und der dritte Spiegel (42) das Bündel wieder um 90° senkrecht aus der ersten Funktionsebene (36) heraus in Richtung der zweiten Funktions- ebene (37), die ebenfalls senkrecht zur ursprünglichen Strahlachse (38) und damit auch zur Rotationsachse (45) des Rotationsmoduls (22) steht, auf den in dieser Ebene befindlichen vierten Spiegel (46) reflektiert, der den Strahl wieder um 90° in dieser zweiten Funktionsebene (37) in Richtung der Rotationsachse (45) auf den „Auskoppelspiegel" (47) des Rotationsmoduls (22) spiegelt, wobei letzterer so angeordnet ist, dass er das Bündel um 90° aus dem Rotationsmodul (22) in den weiteren Strahlengang lenkt und dieser Spiegel Mittel zur Justierung (49) zur Lage und Richtung des ausgekoppelten Strahls (48) besitzt .
25. Vorrichtung nach Anspruch 24, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass der fünfte Spiegel (47) so angeordnet ist, dass der ausgekoppelte Strahl (48) genau in der Verlängerung der Strahlachse (38) des einfallenden Strahls (39) verläuft und das Rotationsmodul (22) so als eine Art „optisches Getriebe" fungiert, dass bei einer Umdrehung des Rotationsmoduls (22) um seine Achse (45) das Intensitätsprofil des ausgekoppelten Strahls (48) zweimal um seine Strahlachse rotiert .
26. Vorrichtung nach Anspruch 24 oder 25, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass der fünfte Spiegel (47) in Richtung des Strahlelements (67) , also senkrecht zur Strahlachse (38) des einfallenden Strahls bzw. zur Rotationsachse (45) des Rotationsmoduls (22), verschiebbar ist, so dass beliebige Abstände (z) zwischen der Strahlachse (38) des einfallenden Strahls und der Achse des ausgekoppelten Strahls (48) einstellbar sind.
27. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 24 bis 26, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass durch die Justiermöglichkeiten (49) des Auskoppelspiegels (47) Winkel (α) im Bereich zwischen 0° und 20° einstellbar sind.
28. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 19 bis 22, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass zwei getrennte Einheiten (10, 11) zur Rotation des Intensitätsprofils (10) und des Strahlenbündels um die Systemachse (11) eingesetzt werden, die unterschiedliche, vorzugsweise inkommensurable, Kreisfrequenzen (ωi und co2) ih- rer Rotation aufweisen.
29. Vorrichtung nach einem Ansprüche 19 bis 22 oder 28, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Einheit (11) zur Rotation des Strahlenbündels um die Sys- temachse durch einen rotierenden Bearbeitungskopf (51) , der zwei Umlenkspiegel (52) und (53) sowie die Fokussierlinse (24) enthält und mit der Kreisfrequenz (ω2) rotiert, gebildet wird.
30. Vorrichtung nach einem Ansprüche 19 bis 22 oder 28, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Einheit (11) zur Rotation des Strahlenbündels um die Systemachse durch eine um den Winkel (γ) gegen die Systemachse geneigte und mit der Kreisfrequenz (ω2) rotierende planparallele Platte der Dicke (d) gebildet wird.
31. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 19 bis 22 oder 28, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Einheit (11) durch eine Kombination aus einem Taumelspie- gel (61) , der durch einen Keilwinkel (ß) charakterisiert und durch einen Motor (62) mit einer Kreisfrequenz (ω2) so angetrieben wird, dass aus dem einfallenden Strahl (55) mit raumstabiler Strahlachse ein kreisförmig umlaufendes Bündel entsteht, und einem Axicon (64) unmittelbar vor der Fokussierlinse (24) gebildet wird.
32. Vorrichtung nach Anspruch 31, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Fokussierlinse (24) dem System Taumelspiegel (61) - Axicon (64) vorgelagert ist.
33. Vorrichtung nach Anspruch 31 oder 32, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass anstelle des Taumelspiegels (61) ein schneller x-y-Scanner (65) eingesetzt wird.
34. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 20 bis 33, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Schutzfolie (13) durch Andruckrollen (66) straff aber beweglich auf die Oberseite des Werkstücks (14) ange- drückt und durch eine Vorrichtung während des Bohrprozesses rasch so weiterbewegt wird, dass jeder einzelne Bearbeitungsimpuls ein vorher noch nicht mit Strahlung beaufschlagtes Flächenelement der Schutzfolie (13) vorfindet.
35. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 20 bis 34, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Schutzfolie (13) metallisch ist.
36. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 20 bis 35, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Schutzfolie (13) eine Dicke von etwa 10 bis 20 μm aufweist .
37. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 19 bis 36, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die die Laserstrahlung absorbierende Flüssigkeit (15) mittels eines Injektionssystems, vorzugsweise einer Düse (35), so in den Raum zwischen der Unterseite des Bohrlochs defi- nierter Form (28) und dem Bereich der gegenüberliegenden Wand (30) gebracht wird, dass die strömende Absorberflüssigkeit (34) die Laserstrahlung vollständig absorbiert.
38. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 19 bis 37, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Einheit (4) zur wellenlängenselektiven Unterdrückung der Strahlungsrückkopplung zwischen Werkstück (14) und C02 -Laser (1) realisiert wird durch drei Komponenten, nämlich den λ/4-Phasenschieber (7) , einen ATFR-Spiegel (6) und wellenlängenselektive optische Elemente (5).
39. Vorrichtung nach Anspruch 38, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die wellenlängenselektiven optischen Elemente (5) im Bereich des Strahlweges zwischen dem Endspiegel des C02 -Lasers (1) und der Einheit (10) zur Rotation des Intensitätsprofils angeordnet sind.
40. Vorrichtung nach Anspruch 38 oder 39, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass als wellenlängenselektives Element (5) ein Prisma oder ein Gitter dient.
41. Vorrichtung nach Anspruch 38 oder 39, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass ein oder mehrere frequenzselektive Spiegel zur Frequenzselektion dienen.
42. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 38 bis 41, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass wenigstens eine Komponente der Einheit (4) zur wellenlän- genselektiven Unterdrückung außerhalb des Laserresonators angeordnet ist.
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