WO2005032756A1 - Verfahren zum glätten und polieren oder zum strukturieren von oberflächen mit modulierter laserstrahlung - Google Patents

Verfahren zum glätten und polieren oder zum strukturieren von oberflächen mit modulierter laserstrahlung Download PDF

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WO2005032756A1
WO2005032756A1 PCT/EP2004/010256 EP2004010256W WO2005032756A1 WO 2005032756 A1 WO2005032756 A1 WO 2005032756A1 EP 2004010256 W EP2004010256 W EP 2004010256W WO 2005032756 A1 WO2005032756 A1 WO 2005032756A1
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WO
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laser radiation
remelting
processing
modulation
polishing
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PCT/EP2004/010256
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Kurt Wissenbach
Edgar Willenborg
Thomas Kiedrowski
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Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V.
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Publication date
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    • C21—METALLURGY OF IRON
    • C21D—MODIFYING THE PHYSICAL STRUCTURE OF FERROUS METALS; GENERAL DEVICES FOR HEAT TREATMENT OF FERROUS OR NON-FERROUS METALS OR ALLOYS; MAKING METAL MALLEABLE, e.g. BY DECARBURISATION OR TEMPERING
    • C21D1/00—General methods or devices for heat treatment, e.g. annealing, hardening, quenching or tempering
    • C21D1/06—Surface hardening
    • C21D1/09—Surface hardening by direct application of electrical or wave energy; by particle radiation
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
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    • B23K26/03—Observing, e.g. monitoring, the workpiece
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    • B23K26/3576—Diminishing rugosity, e.g. grinding; Polishing; Smoothing
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
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    • C21D—MODIFYING THE PHYSICAL STRUCTURE OF FERROUS METALS; GENERAL DEVICES FOR HEAT TREATMENT OF FERROUS OR NON-FERROUS METALS OR ALLOYS; MAKING METAL MALLEABLE, e.g. BY DECARBURISATION OR TEMPERING
    • C21D2201/00—Treatment for obtaining particular effects

Definitions

  • the invention relates to a method for smoothing and polishing or structuring surfaces with laser radiation according to the preamble of claim 1.
  • Preferred areas of application are those in which components of high surface quality are produced.
  • EP 0 819 036 B1 discloses a method for polishing any three-dimensional shaped surfaces by means of a laser, in which the contour of the workpiece to be machined is first measured and then the machining strategy and the machining parameters are derived from the predetermined target shape and the measured actual shape , The smoothing and polishing will realized by an ablation process.
  • An area of low laser intensity is proposed for laser polishing, since a large material removal is not desired in this application.
  • processing strategies or processing parameters in order to achieve an optimal degree of smoothing in this publication are no further information on processing strategies or processing parameters in order to achieve an optimal degree of smoothing in this publication.
  • the essence of the proposed method is rather to detect the deviation of the actual shape from the target shape by scanning the surface using a 3D contour measuring device, to calculate and use suitable machining parameters from this deviation and to repeat these steps until the actual shape is reached.
  • a 3D contour measuring device to calculate and use suitable machining parameters from this deviation and to repeat these steps until the actual shape is reached.
  • the use of an SD contour measuring device required in this case is complex and associated with very high costs due to the required measuring accuracy.
  • a method for smoothing and polishing surfaces is known from DE 197 06 833 A1. With this method, the surface is briefly melted with pulsed laser radiation with a pulse duration between 10 ns and 10 ⁇ s at a depth of 2 to 3 ⁇ m with each laser pulse. The melt newly generated with each laser pulse solidifies again before the next laser pulse arrives.
  • the method is only suitable for smoothing surfaces with very low initial surface roughness of at most 3 ⁇ m.
  • German patent application DE10228743 A1 A generic method for smoothing and polishing surfaces by processing with laser radiation is proposed in German patent application DE10228743 A1.
  • the surface to be smoothed is remelted in a first processing step using the laser radiation with first processing parameters at least once to a first remelting depth that is greater than a structure depth of structures to be smoothed and ⁇ 100 ⁇ m.
  • the process enables any three-dimensional surface to be polished quickly and cost-effectively in an automated manner.
  • the surfaces often have a certain waviness after polishing. This limits the minimum possible roughness depths.
  • the ripple can result from the laser beam polishing process itself and is caused by process instabilities or disturbance variables such as eg inhomogeneities of the material or the degree of absorption.
  • it can also result from a ripple which is already present in the initial surface, for example due to coarse milling grooves or the formation of two milling paths, which cannot be eliminated by the laser beam polishing process.
  • the invention is therefore based on the object of specifying a method for smoothing and polishing and / or structuring surfaces by processing with laser radiation, with which a particularly low surface roughness can be achieved and / or with which, in particular if necessary, a defined structuring of the surface can be done.
  • the surface to be smoothed or structured is remelted one or more times in succession along a processing path to a first remelting depth using the laser radiation with first machining parameters, which is greater than a structure depth of structures of the surface to be smoothed or structured and ⁇ 500 ⁇ m.
  • first machining parameters which is greater than a structure depth of structures of the surface to be smoothed or structured and ⁇ 500 ⁇ m.
  • the intensity of the laser radiation striking the surface and / or its interaction time with the surface along the processing path is specifically modulated.
  • the intensity of the laser radiation striking the surface to be smoothed and / or its interaction time with the surface can be modulated, for example, by modulating the laser power, the feed rate or the beam diameter along the processing path. Several of these parameters can also be modulated.
  • the intensity of the laser radiation striking the surface and / or its interaction time with the surface can in particular be modulated along the processing path in such a way that the occurrence of an undesired waviness of the surface is avoided, or that an already existing undesired waviness of the surface is reduced or eliminated , In this way, an optimal result can be achieved with regard to minimizing the surface roughness.
  • the intensity of the laser radiation striking the surface and / or its interaction time with the surface can, however, also be modulated along the processing path in such a way that a desired structuring of the surface is obtained.
  • a desired structuring of the surface Apart from the desired structure, an otherwise smooth surface with low surface roughness can be produced. It is therefore possible to carry out the smoothing and polishing of the surface together with the structuring of the surfaces by means of a single process, in particular also within the same process step or the same remelting process.
  • a specific structure or waviness of an otherwise smooth surface, which is desired for decorative or technical applications, can thus be achieved in a particularly simple, cost-effective and time-saving manner.
  • the intensity of the laser radiation striking the surface and / or its interaction time with the surface along the machining path in a wave-like or sinusoidal manner train. This applies in particular if the unevenness of the surface itself is wave-shaped or if a desired structure of the surface has a wave-shaped profile.
  • the modulation must be designed in such a way that the modulation frequency, or its wavelength, is adapted to the wavelength of the structure to be removed or generated.
  • the control or regulation of the modulation can take place depending on a detection of the molten bath temperature, the molten bath shape or the surface profile.
  • the measurement of the molten bath temperature can e.g. done using pyrometry, the evaluation of the molten bath shape using videography (e.g. CCD camera) and the measurement of the surface profile e.g. through optical or mechanical sensors.
  • the modulation can be regulated online for at least one of the measurements mentioned. This enables a particularly precise regulation of the modulation.
  • a simple possibility is also to have the modulation regulation or control for a remelting process take place as a function of a measurement carried out during a previous, in particular the immediately preceding remelting process.
  • a second processing stage is preferably carried out using the laser radiation with second processing parameters, in which after the first processing stage micro-roughness remaining on the surface by remelting to a second remelting depth, which is less than the first remelting depth, and by evaporating Roughness peaks can be leveled.
  • This preferred embodiment of the present method is therefore based on a multi-stage machining process which can be divided into rough and fine machining.
  • the first machining step also referred to below as rough machining, the surface to be smoothed is remelted one or more times to a first remelting depth in an edge layer using the laser radiation with first machining parameters.
  • a second processing step which is also referred to as fine machining in the following, laser beams are then used with the second Processing parameters after the first processing stage leveled micro roughness remaining on the surface.
  • the second machining stage of the fine machining thus includes a combined removal and remelting process, in which the thickness of the remelted edge layer is however less than the thickness of the remelted edge layer in the first machining stage.
  • the surface is processed in two processing stages, it is possible that remelting, in which the intensity of the laser radiation striking the surface and / or its interaction time with the surface is modulated, either exclusively within the first processing stage or exclusively in the second Processing stage or in both processing stages.
  • Continuous laser radiation is preferably used in the first processing stage in order to achieve the one or more remelting of the boundary layer to the first remelting depth.
  • the process causes a continuous melting process of the surface, which leads to a real remelting and thus to smoothing even larger surface roughness.
  • pulsed laser radiation with a long pulse duration> 100 ⁇ s.
  • the laser power is typically in a range from 5 to 400 W, preferably in a range from 70 to 140 W.
  • pulsed laser radiation with a pulse duration of ⁇ 5 ⁇ s is preferably used in order to obtain the data required for the combined remelting and removal process to produce the required higher intensities.
  • the surface is preferably only remelted to a second remelting depth of at most 5 ⁇ m, while the greater first remelting depth in the first machining stage is in the range 5 between 5 ⁇ m and 500 ⁇ m, preferably between 10 ⁇ m and 80 ⁇ m.
  • This first remelting depth in the first machining stage depends on the size of the macro roughness that the workpiece to be smoothed has. The greater the macro roughness to be smoothed, the greater the first remelting depth must be selected in order to achieve a sufficient leveling of the macro roughness.
  • Optimal smoothing results are achieved in the present method if the surface of the workpiece is remelted several times in succession in the first machining stage, preferably with the first remelting depth decreasing from remelting to remelting.
  • the processing with 5 the laser radiation is carried out, as in the second processing stage, in a known manner by scanning the surface by means of the laser beam. This scanning takes place in parallel paths, whereby the individual paths, which are defined by the diameter of the laser beam in the width, should partially overlap.
  • a common size of the beam diameter o lies in a range between 100 and 1000 ⁇ m.
  • the method can be used in particular for smoothing three-dimensional metal surfaces. It has been found that the method is suitable for smoothing and polishing workpieces made from steels 1.2343, 1.2767 and 1.2311 as well as from titanium materials. Of course, the present method5 can also be used with other metals and non-metals, such as workpieces made of plastics.
  • the person skilled in the art only has to adapt the machining parameters to the materials to be machined in order to achieve the conditions for the first and possibly the second machining stage.
  • the choice of suitable laser parameters for remelting an edge layer or for combined remelting and removal of an edge layer that is thinner than the first processing stage does not represent a major problem for the person skilled in the art.
  • the first processing parameters are preferably chosen so that no or only as little removal as possible of material takes place, since the smoothing in this first processing stage takes place solely by remelting the surface layer to the first remelting depth. When smoothing and polishing plastics, only the first processing stage is sufficient to achieve excellent smoothing results.
  • the method is particularly well suited for polishing porous materials, such as those that occur in metal injection molding (MIM) or investment casting.
  • MIM metal injection molding
  • the remelting removes or closes the pores to the remelting depth. Due to the high cooling speeds that occur, a fine-grained structure is formed.
  • conventional mechanical or electrochemical polishing can further improve the surface quality. In the case of purely conventional ablation-based processes, however, new pores in the material are repeatedly exposed during polishing.
  • Fig. 1 shows schematically how a desired wave or sinusoidal surface structure can be generated.
  • 1 (a) shows a smooth initial surface in the form of a function z (x), ie by the surface profile z of the initial state as a function of the location x.
  • Fig. 1 (b) shows a variation over time of the power of the laser radiation applied to the surface, represented by the laser power P as a function of time t.
  • the function has a sinusoidal shape.
  • the average laser power is 100 W, the amplitude is approximately 15 W.
  • the laser beam is guided along the machining path at a constant speed.
  • the intensity of the laser radiation striking the surface is modulated in a wave-like or sinusoidal manner along the processing path.
  • the application of the modulated laser radiation from FIG. 1 (b) to the surface profile from FIG. 1 (a) results in a wavy or sinusoidal surface profile as shown in FIG. 1 (c).
  • the function z (x) describes the processed surface profile as a function of the location x.
  • FIG. 2 shows schematically how an undesirable waviness present in the surface profile can be reduced or eliminated.
  • a wavy surface is shown in Fig. 2 (a) in the form of a function z (x), i.e. by the surface profile z of the initial state as a function of the location x.
  • FIG. 2 (b) shows a sinusoidal variation over time of the power of the laser radiation with which the surface is acted upon, again represented by the laser power P as a function of time t.
  • the intensity of the laser radiation striking the surface is thereby modulated in a wave-like or sinusoidal manner along the processing path.
  • the wavelength of the intensity curve along the processing path is adapted to the wavelength of the initial ripple of the surface profile.
  • the ripples are out of phase, so that due to the overlay, i.e. Interference, the output ripple is reduced or eliminated, as shown in Fig. 1 (c).
  • the function z (x) describes the processed and thus smoothed surface profile as a function of the location x.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Glätten und Polieren oder zum Strukturieren von Oberflächen durch Bearbeitung mit Laserstrahlung, bei dem die zu glättende oder zu strukturierende Oberfläche in einer ersten Bearbeitungsstufe unter Einsatz der Laserstrahlung mit ersten Bearbeitungsparametern einmal oder mehrmals nacheinander entlang einer Bearbeitungsbahn bis zu einer ersten Umschmelztiefe umgeschmolzen wird, die größer als eine Strukturtiefe von zu Strukturen der zu glättenden oder zu strukturierenden Oberfläche und <= 500 µm. Dabei wird die Intensität der auf die Oberfläche treffenden Laserstrahlung und/oder deren Wechselwirkungszeit mit der Oberfläche bei mindestens einem Umschmelzvorgang entlang der Bearbeitungsbahn gezielt moduliert.

Description

VERFAHREN ZUM GLÄTTEN UND POLIEREN ODER ZUM STRUKTURIEREN VON OBERFLÄCHEN MIT MODULIERTER LASERSTRAHLUNG
Anmelderin: Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V.
Technisches Anwendungsgebiet
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Glätten und Polieren oder zum Strukturieren von Oberflächen mit Laserstrahlung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Bevorzugte Anwendungsgebiete sind solche, bei denen Bauteile hoher Oberflächenqualität hergestellt werden.
Stand der Technik
Die Endbearbeitung von Werkzeugen und Formen erfolgt heutzutage zum überwiegenden Teil durch manuelles Polieren. Die Handarbeit wird dabei durch elektrisch und pneumatisch angetriebene Geräte mit bis zu Ultraschall reichenden Arbeitsfrequenzen unterstützt. Zur Erreichung der Endpolierstufe werden die Arbeitsgänge Grobschleifen, Feinschleifen und Polieren mit immer feineren Polierpasten bis hin zur Diamantpaste abgearbeitet. Typische Polierzeiten liegen bei 30 min/cm2. Es sind Rautiefen von Ra < 0,01 μm erreichbar.
Maschinelle Polierverfahren haben den Nachteil, dass die bekannten Verfahren bei komplexen dreidimensionalen Geometrien der zu polierenden Oberflächen nicht angewendet werden können oder nur unzureichende Ergebnisse liefern.
Weiterhin ist aus der EP 0 819 036 B1 ein Verfahren zum Polieren von beliebigen dreidimensionalen Formflächen mittels eines Lasers bekannt, bei dem die Kontur des zu bearbeitenden Werkstückes zuerst vermessen wird und dann aus der vorgegebenen Sollform und der gemessenen Istform die Bearbeitungsstrategie und die Bearbeitungsparameter abgeleitet werden. Das Glätten und Polieren wird durch einen abtragenden Prozess realisiert. Für das Laserpolieren wird ein Bereich niedriger Laserintensität vorgeschlagen, da ein großer Materialabtrag bei dieser Anwendung nicht gewünscht ist. Weitere Hinweise auf Bearbeitungsstrategien oder Bearbeitungsparameter zur Erreichung eines optimalen Glättungsgrades finden sich in dieser Druckschrift jedoch nicht. Der Kern des vorgeschlagenen Verfahrens besteht vielmehr darin, durch Abtasten der Oberfläche mittels einer 3D-Konturmesseinrichtung die Abweichung der Istform von der Sollform zu erkennen, aus dieser Abweichung geeignete Bearbeitungsparameter zu errechnen und einzusetzen und diese Schritte zu wiederholen, bis die Istform erreicht ist. Der hierbei erforderliche Einsatz einer SD- Konturmesseinrichtung ist jedoch aufwändig und durch die erforderliche Messgenauigkeit mit sehr hohen Kosten verbunden.
Aus der DE 197 06 833 A1 ist ein Verfahren zum Glätten und Polieren von Oberflächen bekannt. Bei diesem Verfahren wird die Oberfläche mit gepulster Laserstrahlung mit einer Pulsdauer zwischen 10 ns und 10 μs in einer Tiefe von 2 bis 3 μm mit jedem Laserpuls kurz aufgeschmolzen. Die mit jedem Laserpuls neu erzeugte Schmelze erstarrt dabei wieder, bevor der nächste Laserpuls eintrifft. Das Verfahren eignet sich jedoch nur für die Glättung von Oberflächen mit sehr geringen Ausgangs-oberflächenrauhigkeiten von höchstens 3 μm.
Ein gattungsgemäßes Verfahren zum Glätten und Polieren von Oberflächen durch Bearbeitung mit Laserstrahlung wird in der deutschen Patentanmeldung DE10228743 A1 vorgeschlagen. Dabei wird die zu glättende Oberfläche in einer ersten Bearbeitungsstufe unter Einsatz der Laserstrahlung mit ersten Bearbeitungsparametern zumindest einmal bis zu einer ersten Umschmelztiefe umgeschmolzen, die größer als eine Strukturtiefe von zu glättenden Strukturen der zu glättenden Oberfläche und < 100 μm ist. Das Verfahren ermöglicht es, beliebige dreidimensionale Oberflächen schnell und kostengünstig automatisiert zu polieren.
Bei diesem Verfahren weisen die Oberflächen nach dem Polieren allerdings häufig eine gewisse Welligkeit auf. Dadurch sind die minimal erreichbaren Rautiefen begrenzt. Die Welligkeit kann zum Einen aus dem Laserstrahlpolierprozess selbst resultieren und Ihre Ursache haben in Prozessinstabilitäten bzw. Störgrößen, wie z.B. Inhomogenitäten des Werkstoffes oder des Absorptionsgrades. Zum Anderen kann sie auch aus einer in der Ausgangsoberfläche, z.B. aufgrund grober Fräsriefen oder Ansätzen von zwei Fräsbahnen bereits vorhandenen Welligkeit herrühren, welche durch das Laserstrahlpolierverfahren nicht beseitigt werden können.
Neben dem Glätten und Polieren von Oberflächen bzw. zusätzlich dazu gibt es für viele Anwendungen einen Bedarf, die Oberfläche mit einer bestimmten erwünschten Strukturierung zu versehen. Um dies zu erreichen wird im Allgemeinen nach dem Glätten und Polieren ein gesondertes Verfahren verwendet.
Der Erfindung liegt also die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Glätten und Polieren und/oder Strukturieren von Oberflächen durch Bearbeitung mit Laserstrahlung anzugeben, mit dem eine besonders geringe Oberflächenrauheit erzielbar ist und/oder bei dem, insbesondere bei Bedarf zusätzlich, eine definierte Strukturierung der Oberfläche erfolgen kann.
Darstellung der Erfindung
Die Lösung dieses technischen Problems erfolgt durch das Verfahren gemäß des unabhängigen Anspruches 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen werden durch die abhängigen Ansprüche angegeben oder lassen sich aus der nachfolgenden Beschreibung und den Ausführungsbeispielen entnehmen.
Beim vorliegenden Verfahren zum Glätten bzw. Polieren oder zum Strukturieren von Oberflächen durch Bearbeitung mit Laserstrahlung wird die zu glättende oder zu strukturierende Oberfläche in einer ersten Bearbeitungsstufe unter Einsatz der Laserstrahlung mit ersten Bearbeitungsparametern einmal oder mehrmals nacheinander entlang einer Bearbeitungsbahn bis zu einer ersten Umschmelztiefe umgeschmolzen, die größer als eine Strukturtiefe von Strukturen der zu glättenden oder zu strukturierenden Oberfläche und < 500 μm ist. Dabei wird zumindest bei einem Umschmelzvorgang die Intensität der auf die Oberfläche treffenden Laserstrahlung und/oder deren Wechselwirkungszeit mit der Oberfläche entlang der Bearbeitungsbahn gezielt moduliert. Die Intensität der auf die zu glättende Oberfläche treffenden Laserstrahlung und/oder deren Wechselwirkungszeit mit der Oberfläche kann beispielsweise dadurch moduliert werden, dass man die Laserleistung, die Vorschubgeschwindigkeit oder den Strahldurchmesser entlang der Bearbeitungsbahn moduliert. Es können auch mehrere dieser Parameter moduliert werden. Durch die Modulation der Intensität der auf die Oberfläche treffenden Laserstrahlung und/oder deren Wechselwirkungszeit mit der Oberfläche wird die Größe und Form des Schmelzbades und somit auch die Erstarrungsfront beeinflusst. Es wurde erkannt, dass durch diese Beeinflussung die Oberflächentopographie gezielt verändert werden kann.
Die Intensität der auf die Oberfläche treffenden Laserstrahlung und/oder deren Wechselwirkungszeit mit der Oberfläche kann insbesondere derart entlang der Bearbeitungsbahn moduliert werden, dass das Auftreten einer unerwünschten Welligkeit der Oberfläche vermieden wird, bzw. dass eine schon vorhandene unerwünschte Welligkeit der Oberfläche reduziert oder beseitigt wird. Auf diese Weise lässt sich hinsichtlich der Minimierung der Oberflächenrauheit ein optimales Ergebnis erzielen.
Die Intensität der auf die Oberfläche treffenden Laserstrahlung und/oder deren Wechselwirkungszeit mit der Oberfläche kann aber auch derart entlang der Bearbeitungsbahn moduliert werden, dass man eine erwünschte Strukturierung der Oberfläche erhält. Dabei kann eine abgesehen von der erwünschten Struktur ansonsten glatte Oberfläche niedriger Oberflächenrauheit erzeugt werden. Es ist also möglich, das Glätten und Polieren der Oberfläche zusammen mit dem Strukturieren der Oberflächen mittels eines einzigen Verfahrens, insbesondere auch innerhalb des selben Verfahrensschrittes bzw. des selben Umschmelzvorgangs durchzuführen. Somit kann eine bestimmte, für dekorative oder technische Anwendungen erwünschte Struktur oder Welligkeit einer ansonsten glatten Oberfläche auf besonders einfache, kosten- und zeitsparende Weise erzielt werden.
Es ist in vielen Fällen vorteilhaft, die Modulation der Intensität der auf die Oberfläche treffenden Laserstrahlung und/oder deren Wechselwirkungszeit mit der Oberfläche entlang der Bearbeitungsbahn wellenförmig bzw. sinusförmig auszubilden. Insbesondere gilt dies, wenn die Unebenheit der Oberfläche selbst wellenförmig ausgebildet ist oder wenn eine angestrebte Struktur der Oberfläche ein wellenförmiges Profil besitzt. Die Modulation muss derart ausgelegt werden, dass die Modulationsfrequenz, bzw. ihre Wellenlänge, der Wellenlänge der zu beseitigenden oder zu erzeugenden Struktur angepasst wird.
Die Steuerung bzw. Regelung der Modulation kann in Abhängigkeit einer Erfassung der Schmelzbadtemperatur, der Schmelzbadform oder des Oberflächenprofils erfolgen. Die Messung der Schmelzbadtemperatur kann z.B. mittels Pyrometrie geschehen, die Auswertung der Schmelzbadform mittels Videographie (z.B. CCD-Kamera) und die Messung des Oberflächenprofils z.B. durch optische oder mechanische Sensoren. Insbesondere kann eine Regelung der Modulation online zu mindestens einer der genannten Messungen erfolgen. Dies ermöglicht eine besonderes genaue Regelung der Modulation. Eine einfache Möglichkeit besteht aber auch darin, die Modulationsregelung bzw. -steurerung für einen Umschmelzvorgang in Abhängigkeit einer während eines vorausgegangenen, insbesondere des unmittelbar vorausgegangenen Umschmelzvorganges vorgenommenen Messung erfolgen zu lassen.
Vorzugsweise wird anschließend an die erste Bearbeitungsstufe eine zweite Bearbeitungsstufe unter Einsatz der Laserstrahlung mit zweiten Bearbeitungsparametern durchgeführt, in der nach der ersten Bearbeitungsstufe auf der Oberfläche verbleibende Mikrorauhigkeiten durch Umschmelzen bis zu einer zweiten Umschmelztiefe, die kleiner als die erste Umschmelztiefe ist, und durch Verdampfen von Rauhigkeitsspitzen eingeebnet werden. Diese bevorzugte Ausführungsform des vorliegenden Verfahrens beruht somit auf einem mehrstufigen Bearbeitungsprozess, der in eine Grob- und eine Feinstbearbeitung unterteilt werden kann. In der im Folgenden auch als Grobbearbeitung bezeichneten ersten Bearbeitungsstufe wird die zu glättende Oberfläche unter Einsatz der Laserstrahlung mit ersten Bearbeitungsparametern ein oder mehrmals bis zu einer ersten Umschmelztiefe in einer Randschicht umgeschmolzen. Bei diesem Umschmelzprozess werden Makrorauhigkeiten, die bspw. aus einem vorangegangenen Fräs- bzw. Erodierprozess stammen können, beseitigt. In einer im Folgenden auch als Feinstbearbeitung bezeichneten zweiten Bearbeitungsstufe werden anschließend unter Einsatz der Laserstrahlung mit zweiten Bearbeitungsparametern nach der ersten Bearbeitungsstufe auf der Oberfläche verbleibende Mikrorauhigkeiten eingeebnet. Die zweite Bearbeitungsstufe der Feinstbearbeitung beinhaltet somit einen kombinierten Abtrag- und Umschmelzprozess, bei dem die Dicke der umgeschmolzenen Randschicht jedoch geringer als die Dicke der in der ersten Bearbeitungsstufe umgeschmolzenen Randschicht ist.
Wenn die Bearbeitung der Oberfläche in zwei Bearbeitungsstufen erfolgt, ist es möglich, dass ein Umschmelzen, bei dem die Intensität der auf die Oberfläche treffenden Laserstrahlung und/oder deren Wechselwirkungszeit mit der Oberfläche moduliert wird, entweder ausschließlich innerhalb der ersten Bearbeitungsstufe oder ausschließlich in der zweiten Bearbeitungsstufe oder aber in beiden Bearbeitungsstufen erfolgt.
Vorzugsweise wird in der ersten Bearbeitungsstufe kontinuierliche Laserstrahlung eingesetzt, um das ein- oder mehrmalige Umschmelzen der Randschicht bis zur ersten Umschmelztiefe zu erreichen. Das Verfahren bewirkt dabei einen kontinuierlichen Schmelzprozess der Oberfläche, der zu einem echten Umschmelzen und somit zur Glättung auch größerer Oberflächenrauhigkeiten führt. Möglich ist aber auch der Einsatz von gepulster Laserstrahlung mit einer großen Pulsdauer > 100 μs.
Durch den Einsatz eines kontinuierlichen Laserstrahls bzw. eines gepulsten Laserstrahls mit langen Pulslängen wird bei dieser Grobbearbeitung der ersten Bearbeitungsstufe ein Abdampfen von Material aus der Oberfläche weitestgehend vermieden. Dadurch kann der Polierprozess mit deutlich geringerer Energie durchgeführt werden als bei Anwendungen, bei denen die Makrorauhigkeiten abgetragen werden. Weiterhin werden lokale Überhitzungen im Schmelzbad, die zu einem Materialabtrag und zu unerwünschten Schmelzbadbewegungen und damit zu einer Verschlechterung der Oberflächenrauhigkeit führen, weitestgehend vermieden. Die Laserleistung liegt typischerweise in einem Bereich von 5 bis 400 W, vorzugsweise in einem Bereich von 70 bis 140 W.
In der zweiten Bearbeitungsstufe wird vorzugsweise gepulste Laserstrahlung mit einer Pulsdauer von < 5 μs eingesetzt, um die für den kombinierten Umschmelz- und Abtragprozess erforderlichen höheren Intensitäten zu erzeugen. Die Oberfläche wird bei dieser zweiten Bearbeitungsstufe vorzugsweise lediglich bis zu einer zweiten Umschmelztiefe von maximal 5 μm umgeschmolzen, während die größere erste Umschmelztiefe in der ersten Bearbeitungsstufe im Bereich 5 zwischen 5 μm und 500 μm, vorzugsweise zwischen 10 μm und 80 μm liegt. Diese erste Umschmelztiefe in der ersten Bearbeitungsstufe ist von der Größe der Makrorauhigkeiten abhängig, die das zu glättende Werkstück aufweist. Je größer die zu glättenden Makrorauhigkeiten sind, desto größer muss auch die erste Umschmelztiefe gewählt werden, um eine ausreichende Einebnung der0 Makrorauhigkeiten zu erreichen.
Optimale Glättungsergebnisse werden beim vorliegenden Verfahren erreicht, wenn die Oberfläche des Werkstückes in der ersten Bearbeitungsstufe mehrmals nacheinander, vorzugsweise mit von Umschmelzvorgang zu Umschmelzvorgang abnehmender erster Umschmelztiefe, umgeschmolzen wird. Die Bearbeitung mit5 der Laserstrahlung wird dabei, wie auch in der zweiten Bearbeitungsstufe, in bekannter Weise durch Abrastern der Oberfläche mittels des Laserstrahls durchgeführt. Diese Abrasterung erfolgt in parallelen Bahnen, wobei sich die einzelnen durch den Durchmesser des Laserstrahls in der Breite festgelegten Bahnen teilweise überlappen sollten. Eine übliche Größe des Strahldurchmessers o liegt in einem Bereich zwischen 100 bis 1000 μm.
Das Verfahren lässt sich insbesondere zum Glätten von dreidimensionalen Metalloberflächen einsetzen. Es hat sich herausgestellt, dass das Verfahren zum Glätten und Polieren von Werkstücken aus den Stählen 1.2343, 1.2767 und 1.2311 sowie aus Titanwerkstoffen geeignet ist. Selbstverständlich lässt sich das5 vorliegende Verfahren auch bei anderen Metallen und Nichtmetallen, wie bspw. bei Werkstücken aus Kunststoffen, einsetzen. Der Fachmann muss hierbei lediglich die Bearbeitungsparameter den zu bearbeitenden Werkstoffen anpassen, um die Bedingungen für die erste und gegebenenfalls zweite Bearbeitungsstufe zu erreichen. Die Wahl geeigneter Laserparameter zum Umschmelzen einer0 Randschicht bzw. zum kombinierten Umschmelzen und Abtragen einer gegenüber der ersten Bearbeitungsstufe dünneren Randschicht stellen für den Fachmann kein größeres Problem dar. Die ersten Bearbeitungsparameter werden dabei vorzugsweise so gewählt, dass keine oder nur eine möglichst geringe Abtragung von Material stattfindet, da das Glätten in dieser ersten Bearbeitungsstufe alleine durch das Umschmelzen der Randschicht bis zur ersten Umschmelztiefe erfolgt. Beim Glätten und Polieren von Kunststoffen ist die Durchführung nur der ersten Bearbeitungsstufe bereits ausreichend, um hervorragende Glättungsergebnisse zu erreichen.
Besonders gut eignet sich das Verfahren auch für das Polieren poröser Werkstoffe, wie sie etwa beim Metal-Injection-Molding (MIM) oder beim Feinguss auftreten. Durch das Umschmelzen werden die Poren bis zur Umschmelztiefe beseitigt bzw. verschlossen. Durch die dabei auftretenden hohen Abkühlgeschwindigkeiten wird ein feinkörniges Gefüge ausgebildet. Abschließend kann eine konventionelle mechanische oder elektrochemische Politur die Oberflächenqualität weiter verbessern. Bei rein konventionellen, auf Abtragung basierenden Verfahren werden beim Polieren dagegen immer wieder neue im Werkstoff vorhandene Poren freigelegt.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Fig. 1 skizziert die erfindungsgemäße Erzeugung einer definierten Struktur
Fig. 2 beschreibt die erfindungsgemäße Reduzierung einer Welligkeit beim Polieren mit Laserstrahlung
Wege zur Ausführung der Erfindung
Fig. 1 zeigt schematisch, wie eine gewünschte wellen- bzw. sinusförmige Oberflächenstruktur erzeugt werden kann. In Fig 1 (a) ist eine glatte Ausgangsoberfläche dargestellt in Form einer Funktion z(x), d.h. durch das Oberflächenprofil z des Ausgangszustands als Funktion des Ortes x. Fig. 1 (b) zeigt eine zeitliche Variation der Leistung der Laserstrahlung, mit der die Oberfläche beaufschlagt wird, dargestellt duch die Laserleistung P als Funktion der Zeit t. Die Funktion hat einen sinusförmigen Verlauf. Die mittlere Laserleistung beträgt 100 W, die Amplitude ca. 15 W. Der Laserstrahl wird entlang der Bearbeitungsbahn mit konstanter Geschwindigkeit geführt. Die Intensität der auf die Oberfläche treffenden Laserstrahlung ist auf diese Weise entlang der Bearbeitungsbahn wellenförmig bzw. sinusförmig moduliert. Dadurch wird die Größe und Form des Schmelzbades und somit auch der Erstarrungsfront beeinflusst. Die Beaufschlagung des Oberflächenprofils aus Fig 1. (a) mit der modulierten Laserstrahlung aus Fig. 1 (b) resultiert in einem wellenförmigen bzw. sinusförmigen Oberflächenprofil wie in Fig. 1 (c) dargestellt. Dabei beschreibt die Funktion z(x) das bearbeitete Oberflächenprofil als Funktion des Ortes x.
Fig. 2 zeigt schematisch, wie eine unerwünschte, im Oberflächenprofil vorhandene Welligkeit reduziert bzw. beseitigt werden kann. In Fig 2 (a) ist eine derartige wellige Oberfläche dargestellt in Form einer Funktion z(x), d.h. durch das Oberflächenprofil z des Ausgangszustands als Funktion des Ortes x. Fig. 2 (b) zeigt eine sinusförmige zeitliche Variation der Leistung der Laserstrahlung, mit der die Oberfläche beaufschlagt wird, wiederum dargestellt duch die Laserleistung P als Funktion der Zeit t. Die Intensität der auf die Oberfläche treffenden Laserstrahlung ist dadurch entlang der Bearbeitungsbahn wellenförmig bzw. sinusförmig moduliert. Dabei ist die Wellenlänge des Intensitätsverlaufs entlang der Bearbeitungsbahn an die Wellenlänge der Ausgangswelligkeit des Oberflächenprofils angepasst. Die Welligkeiten sind gegenphasig, so dass es durch die Überlagerung, d.h. Interferenz, zu einer Reduzierung bzw. Beseitigung der Ausgangswelligkeit kommt, wie in Fig. 1 (c) dargestellt. Die Funktion z(x) beschreibt dabei das bearbeitete und dadurch geglättete Oberflächenprofil als Funktion des Ortes x.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum Glätten und Polieren oder zum Strukturieren von Oberflächen durch Bearbeitung mit Laserstrahlung, bei dem die zu glättende oder zu strukturierende Oberfläche in einer ersten Bearbeitungsstufe unter Einsatz der Laserstrahlung mit ersten Bearbeitungsparametern einmal oder mehrmals nacheinander entlang einer Bearbeitungsbahn bis zu einer ersten Umschmelztiefe umgeschmolzen wird, die größer als eine Strukturtiefe von Strukturen der zu glättenden oder zu strukturierenden Oberfläche und < 500 μm, dadurch gekennzeichnet, dass die Intensität der auf die Oberfläche treffenden Laserstrahlung und/oder deren Wechselwirkungszeit mit der Oberfläche bei mindestens einem Umschmelzvorgang entlang der Bearbeitungsbahn gezielt moduliert wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Modulation der Intensität der auf die Oberfläche treffenden Laserstrahlung und/oder deren Wechselwirkungszeit mit der Oberfläche entlang der Bearbeitungsbahn durch Modulation mindestens eines der Parameter Laserleistung, Vorschubgeschwindigkeit oder Strahldurchmesser erfolgt.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Modulation der Intensität der auf die Oberfläche treffenden Laserstrahlung und/oder deren Wechselwirkungszeit mit der Oberfläche entlang der Bearbeitungsbahn derart ausgebildet ist, dass eine vorhandene unerwünschte Welligkeit der Oberfläche reduziert oder beseitigt wird.
4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Modulation der Intensität der auf die Oberfläche treffenden Laserstrahlung und/oder deren Wechselwirkungszeit mit der Oberfläche entlang der Bearbeitungsbahn derart ausgebildet ist, dass eine erwünschte Strukturierung der Oberfläche erzeugt wird.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch geteoπaeiietaet, dass eine Regelung bzw. Steuerung der Modulation der Intensität der auf die Oberfläche treffenden Laserstrahlung und/oder deren Wechselwirkungszeit mit der Oberfläche entlang der Bearbeitungsbahn abhängig von einer Messung der Schmelzbadtemperatur, der Schmelzbadform oder des Oberflächenprofils erfolgt.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass eine Modulationsregelung online zur Messung geschieht.
7. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Modulation für einen Umschmelzvorgang in Abhängigkeit der während einer beim unmittelbar vorausgegangenen Umschmelzvorgang vorgenommenen Messung erfolgt.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Modulation entlang der Bearbeitungsbahn wellenförmig ausgebildet ist.
9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Wellenlänge der Modulation der Wellenlänge der zu erzeugenden bzw. zu beseitigenden Struktur angepasst wird.
10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in einer zweiten Bearbeitungsstufe unter Einsatz der Laserstrahlung mit zweiten Bearbeitungsparametern nach der ersten Bearbeitungsstufe auf der Oberfläche verbleibende Mikrorauigkeiten durch Umschmelzen bis zu einer zweiten Umschmelztiefe, die kleiner als die erste Umschmelztiefe ist, und Verdampfen von Rauigkeitsspitzen eingeebnet werden.
11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in der ersten Bearbeitungsstufe kontinuierliche Laserstrahlung oder gepulste Laserstrahlung mit einer Pulsdauer > 100 μs eingesetzt wird.
12. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten Bearbeitungsparameter so gewählt werden, dass kein Abtrag von Material erfolgt.
13. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Umschmelztiefe bei jedem erneuten Umschmelzvorgang geringer gewählt wird als beim jeweils vorangehenden Umschmelzvorgang.
14. Verwendung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche zum Polieren poröser Werkstoffe.
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