WO2016174063A1 - Verfahren und vorrichtung zur lokal definierten bearbeitung an oberflächen von werkstücken mittels laserlicht - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zur lokal definierten bearbeitung an oberflächen von werkstücken mittels laserlicht Download PDF

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partial beams
focusing optics
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Udo Klotzbach
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Andreas Gehner
Peter Dürr
Alexander Mai
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    • B23K26/36—Removing material
    • B23K26/361—Removing material for deburring or mechanical trimming

Definitions

  • the invention relates to a method and apparatus for locally defined machining on surfaces of workpieces by means of laser light.
  • Method is particularly for the formation of markings, for structuring, for structural modification or for material removal on surfaces of
  • Workpieces or similar structures suitable may be defined locally on the surface, due to material modification, e.g. a color change or a change of the structure or the lattice structure of the material from which a workpiece or a coating formed on the surface is formed, patterns are formed. Likewise, the formation of patterns and structures is also possible by a locally defined material removal.
  • the laser material processing can basically between the direct writing (punctiform processing) and a surface treatment of a Component are distinguished.
  • the direct writing is usually done by means of focused laser beam and by the corresponding relative movement of the laser beam focal spot and workpiece. But an increased amount of time is required because the entire contour must be traversed at least once with the focal spot of a laser beam.
  • the laser beam is focused in the simplest case so that power densities are achieved in the focal spot on the surface to be machined of a workpiece, which are large enough to a corresponding material heating or a
  • the processing can also be flat. done in parallel.
  • two methods for forming the desired planar pattern can be distinguished for this purpose. These are a) mask projection method and b) diffractive optical element (DOE) pattern generation.
  • DOE diffractive optical element
  • the real image of the imaging mask takes place in the actual working plane of the workpiece.
  • diffraction takes place at the phase-shifting structures of the DOE and the decomposition into the respective spatial frequencies.
  • a modification of the pattern or the intensity distribution on the workpiece to be machined, both using DOEs and in the mask projection can be done only by the replacement of the respective imaging element.
  • many processes require fast and flexible change of intensity profiles or rapid contour changes.
  • Classic examples of this are labeling applications, where a constantly fast change of a structural image to be formed or a defined
  • the projection of the imaging mask into the actual working plane takes place.
  • a reduction of the imaging structures realized by the projection allows in the
  • programmable masks for planar pattern formation have also been used for some time in the so-called light valve principle in a wide variety of fields. Examples of this are u.a. the
  • the light valve principle used here implies that the electromagnetic radiation impinging on the imaging element is determined pixel by pixel
  • Hide in its intensity is modulated.
  • a disadvantage of this principle is the loss of the part of the impinging electromagnetic radiation which has been blanked out to produce the contrast. Especially in applications that require high radiation power and a fast material throughput, this loss of hidden radiation represents a significant disadvantage. It can not use all the available radiant energy become.
  • imaging element introduced a pure phase modulation in the incident wavefront of the electromagnetic radiation.
  • rigid DOEs in glass, quartz or plastics as well
  • programmable elements are used. Such programmable DOEs are based on very different designs, e.g. on the principle of SenkLitematrizen or on liquid crystal elements. Both
  • Liquid crystal elements are distinguished between so-called reflective Liquid Crystal on Silicon (LCOS) and transmissive Liquid Crystal (LC) microdisplays.
  • programmable DOEs are i.a. in ophthalmology, adaptive wavefront correction in dynamic media or in the field of laser material processing.
  • Pattern training requires the use of coherent radiation.
  • a disadvantage of using programmable DOEs is also that very many very small pixels are needed here, the production of which is correspondingly expensive. Also, huge amounts of data are needed for their control and a correspondingly large effort in the
  • this object is achieved by a method having the features of claim 1.
  • the claim 14 relates to a device for carrying out the method.
  • reflected partial beams are focused on the surface of a workpiece arranged in the focal plane of a focusing optical system and impinge on different, adjustable ones
  • a locally defined change of the workpiece material and / or a locally defined material removal with a predefinable geometry is / are achieved simultaneously in a region of the workpiece that is near the surface.
  • Focusing optics should be arranged and configured with respect to the surface of the workpiece so that the focused partial beams impinge on the surface of the workpiece arranged in the focal plane.
  • a translational movement of the workpiece can be performed to adjust the distance between the surface of the workpiece and the focusing optics used accordingly.
  • the focusing optics if necessary
  • the amount of energy introduced into the workpiece at the respective points can be influenced by the number of partial beams incident on the respective point.
  • An inserted focusing optics should preferably in the beam path of
  • micro-mirror pivot angle By adjusting the micro-mirror pivot angle can be a free
  • Positioning of the partial beams in the focal plane of the focusing optics and thus on the surface of the respective workpiece can be achieved.
  • the generation of a single pixel within the entirety of the pattern to be formed can be achieved by a desired placement of a single partial beam or the incoherent superimposition of two or more partial beams.
  • the pivoting of one or more micromirrors can be changed very quickly or maintained over a certain time.
  • new patterns can be realized very quickly or alternatively maintained, so that a high degree of flexibility can be achieved. Free control of the intensity distribution of a laser beam profile generated by means of SLM is possible for forming patterns.
  • SLM surface light modulator
  • laser processing of the surface can be carried out both over a larger area and at different positions of the workpiece.
  • micromirrors which can be used in the invention can be referred to as a surface light modulator or also as a micromirror SLM, a subgroup of the so-called MOEMS (Micro-Opto-Electro-Mechanical System).
  • the individual micromirrors are attached to a frame via torsion and / or bending springs and can be pivoted by means of electrodes, which should preferably be arranged below the individual micromirrors.
  • electrodes By selective control of the electrodes, the individual mirrors can optionally by one or two axes, which parallel to
  • reflective surface are arranged to be pivoted. Consequently For example, part of the laser light impinging on the SLM can be reflected by the correspondingly angled reflecting surface as a partial beam at a certain angle.
  • Micromirrors reflected partial beams can thus be directed at different angles in the direction of the surface to be machined of a workpiece.
  • micromirrors with their reflective surfaces possible. This can be achieved by simultaneous control of several electrodes with the same electrical voltage. However, such a lowering of one or more micromirrors does not have any significant influence on the method described here, since the partial beams are incoherent with each other. As a result, essentially only one change in the phase position can be achieved.
  • the partial beams reflected by the reflecting surfaces of the micromirrors can be directed through a plane field or F-theta objective in a simple or telecentric design onto a surface of the respective workpiece in a focused form.
  • the goal is the
  • focusing elements for example microscope objectives or individual lenses, in the design as biconvex lens, plano-convex lens, best-shaped lens or asphere.
  • the laser beam impinges on the reflective surfaces of all micromirrors and the partial beams, which are reflected by all micromirrors, simultaneously impinge on the surface of the respective workpiece for locally defined laser processing.
  • micromirrors should be pivoted in such a way that there is no interference of partial beams on the surface of the workpiece to be machined.
  • any laser material processing such as eg ultrashort pulse lasers, pulsed Nd: YAG lasers, pulsed fiber lasers, pulsed C02 lasers, C02-TEA lasers or excimer lasers.
  • the laser beam should strike the reflecting surfaces of the micromirrors as parallel as possible with little divergence.
  • at least one suitable beam-shaping element can be used.
  • the wavefront of focused laser radiation can be adaptively changed so that secondary occurring wavefront changes due to the influence of the optics by the laser beam itself, which in particular lead to focal length changes, can be corrected.
  • the present invention assumes that trainees markings or patterns are formed directly after passing through the laser radiation by a focusing optics in the focal plane on the surface of a workpiece with the predeterminable by the electronic control geometry.
  • a focusing optics in the focal plane on the surface of a workpiece with the predeterminable by the electronic control geometry.
  • bundles of partial beams are generated, which impinge at different angles on a SLM downstream focusing optics.
  • the position of the pixels in the focal plane of the focusing optics depends on correspondingly incoherent light and idealized optical beam paths, corresponding to the geometric optics, only by the tangent of the angle with which the
  • Partial beams are reflected on the reflective surfaces of the micromirrors, multiplied by the focal length of the focusing optics.
  • Material influencing or marking can be done. It is possible a locally differentiated energy input into the workpiece surface, for example, leads to a locally defined material removal or modification of the material. It can therefore be formed, for example with a box-shaped intensity profile by relative movement of the laser beam and workpiece a trench with a rectangular profile.
  • Pattern formation, beam shaping and beam positioning within a defined image field A possible use lies in nearly all areas of the
  • Laser material processing both in areal structuring and in direct writing with focused single beam.
  • the SLM can act as a programmable imaging element. Any change of the imaging element is eliminated. Thus, you can
  • Focusing optics done. Thereby, the number of necessary optical elements that must be arranged in the beam path of the laser beam can be reduced.
  • the beam steering technology with SLM allows the modulation of the Intensity in the working plane. This results in possible applications in almost all areas of laser material processing. Due to the locally defined energy input, a marking can be made with each
  • the material removal should be achieved as completely as possible by ablation.
  • flexible exposures e.g. be realized by photoresists.
  • the flexible and fast modulation of the intensity can be applied very advantageously for a planar structuring.
  • the SLM acts as a programmable imaging element and has the potential to replace rigid masks and DOEs of previously established methods.
  • interesting applications are e.g. in tasks of microstructuring or labeling which require a rapid pattern change.
  • Conceivable are the labeling of cable sheathing or packaging means with serial numbers, time or dates.
  • the volume removal also receives new
  • Machining patterns in different planes can be realized in 2D and 3D structures (but only without undercuts).
  • the technology enables free shaping and positioning of the beam profile and thus control of the registered temperature profile.
  • FIG. 1 in schematic form an example of an arrangement which in the
  • the focusing optics 5 is arranged between the SLM 3 and the image plane (focal plane of the focusing optics) 6.
  • a collimated laser beam 1 is directed by a laser radiation source 2 onto a surface light modulator (SLM) 3.
  • SLM 3 represents a planar arrangement of many micromirrors.
  • the micromirrors can be pivoted individually and independently of one another about two mutually perpendicular axes.
  • Workpiece and the focal plane of the focusing optics 6 are arranged in the same plane.
  • Each individual micromirror is pivoted so that its partial beam 4 impinges on a predetermined position.
  • Partial beams 4 which are reflected at the same angle by the SLM 3 and impinge on a common point in the image plane, should overlay incoherently.
  • all sub-beams 4 impinge on the respective surface in a locally defined manner, so that a predetermined image of a specific, predetermined geometry, which is not shown by the electronic control, is achieved.
  • the laser radiation source 2 may be pulsed and operated with appropriate power and wavelength depending on the type of machining desired and taking into account the particular material of a tool or coating formed thereon.
  • FIG. 1 in schematic form an example of an arrangement which in the
  • the focusing optics 5 is arranged between the laser radiation source 2 and the SLM 3.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur lokal definierten Bearbeitung an Oberflächen von Werkstücken. Dabei wird ein von einer Laserstrahlungsquelle (2) emittierter Laserstrahl (1) auf die reflektierenden Oberflächen einer Vielzahl, einzeln mit einer elektronischen Steuerung ansteuerbarer, um mindestens eine Achse verschwenkbarer, nebeneinander angeordneter Mikrospiegel (auf SLM 3) gerichtet. Von den reflektierenden Oberflächen der jeweils definiert verschwenkten Mikrospiegel reflektierte Teilstrahlen (4) treffen fokussiert auf die in der Brennebene (6) der Fokussieroptik (5) angeordnete Oberfläche eines Werkstücks an unterschiedlichen, einstellbaren Positionen auf, so dass in einem oberflächennahen Bereich des Werkstücks gleichzeitig eine lokal definierte Veränderung des Werkstückwerkstoffs und/oder ein lokal definierter Werkstoffabtrag mit vorgebbarer Geometrie erreicht wird. Im Fall, dass mehrere Teilstrahlen (4) gemeinsam auf dieselbe Position in der Brennebene (6) der Fokussieroptik (5) auftreffen, überlagern sich diese Teilstrahlen (4) inkohärent.

Description

Verfahren und Vorrichtung zur lokal definierten Bearbeitung an Oberflächen von Werkstücken mittels Laserlicht
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und Vorrichtung zur lokal definierten Bearbeitung an Oberflächen von Werkstücken mittels Laserlicht. Das
Verfahren ist besonders zur Ausbildung von Markierungen, zur Strukturierung, zur Gefügeänderung oder zum Werkstoffabtrag auf Oberflächen von
Werkstücken oder ähnliche Strukturen geeignet. Es können dabei an der Oberfläche lokal definiert, infolge einer Werkstoffmodifizierung, z.B. einem Farbumschlag bzw. einer Veränderung des Gefüges oder der Gitterstruktur des Werkstoffs aus dem ein Werkstück oder eine auf der Oberfläche ausgebildete Beschichtung gebildet ist, Muster ausgebildet werden. Ebenso ist eine Ausbildung von Mustern und Strukturen auch durch einen lokal definierten Werkstoffabtrag möglich.
In der Lasermaterialbearbeitung kann grundsätzlich zwischen dem direkten Schreiben (punktförmige Bearbeitung) und einer flächigen Bearbeitung eines Bauteils unterschieden werden.
Das direkte Schreiben erfolgt in der Regel mittels fokussiertem Laserstrahl und durch die entsprechende Relativbewegung von Laserstrahlbrennfleck und Werkstück. Dabei ist aber ein erhöhter Zeitaufwand erforderlich, da die gesamte Kontur mindestens einmal mit dem Brennfleck eines Laserstrahls abgefahren werden muss.
Bei der Bearbeitung mittels direktem Schreiben wird der Laserstrahl im einfachsten Fall so fokussiert, dass Leistungsdichten im Brennfleck auf der zu bearbeitenden Oberfläche eines Werkstücks erreicht werden, die ausreichend groß sind, um eine entsprechende Materialerwärmung oder einen
Materialabtrag zu ermöglichen. Bei vielen Applikationen reicht das jedoch nicht aus, da auf dem Werkstück mit einer über die Gaußform hinaus gehenden Intensitätsverteilung des Strahles geschrieben werden soll. Durch den Einsatz von diffraktiv-optischen Elementen (DOEs) können hier alternative Intensitätsverteilungen im schreibenden Laserstrahl erreicht werden.
Nur für wenige Applikationen des direkt schreibenden Verfahrens existieren derzeit adaptive, schnell steuerbare Strahlformungsmethoden. Um den Energieeintrag über dem Querschnitt des Brennflecks beim Abfahren der auszubildenden Kontur zu beeinflussen, werden beispielsweise
Schwingspiegel (Scanner) im Strahlengang eingesetzt, die senkrecht zur eigentlichen Schreibbewegung eine schnelle Verschwenkbewegung (häufig Wobble genannt) überlagern. Die gezielte Ansteuerung dieser
Laserstrahlauslenkbewegung erlaubt dabei eine schnelle angepasste
Steuerung des Energieeintragsprofils.
Neben der sequentiellen Bearbeitung eines Werkstücks mit dem fokussierten Laserstrahl kann die Bearbeitung auch flächig d.h. parallel erfolgen. Hierfür können prinzipiell zwei Verfahren zur Ausbildung des gewünschten flächigen Musters unterschieden werden. Dies sind a) Maskenprojektionsverfahren und b) eine Mustererzeugung mittels diffraktivem optischen Element (DOE).
Bei der Maskenprojektion a) erfolgt die reale Abbildung der bildgebenden Maske in die eigentliche Bearbeitungsebene des Werkstücks. Bei der Musterausbildung mittels DOE b) erfolgt Beugung an den phasenschiebenden Strukturen des DOE und die Zerlegung in die jeweiligen Ortsfrequenzen.
Eine Abänderung des Musters bzw. der Intensitätsverteilung auf dem zu bearbeitenden Werkstück, kann sowohl bei Verwendung von DOEs als auch bei der Maskenprojektion nur durch den Austausch des jeweils bildgebenden Elements erfolgen. Viele Prozesse erfordern aber schnelle und flexible Wechsel der Intensitätsprofile bzw. schnelle Konturänderungen. Klassische Beispiele hierfür sind Beschriftungsanwendungen, wo ein ständig schneller Wechsel eines auszubildenden Strukturbildes oder einer definierten
Bearbeitungsgeometrie erforderlich ist.
Beim Maskenprojektionsverfahren a) erfolgt die Projektion der bildgebenden Maske in die eigentliche Bearbeitungsebene. Eine durch die Projektion realisierte Verkleinerung der bildgebenden Strukturen ermöglicht in der
Bearbeitungsebene sowohl die Ausbildung kleinerer Strukturen als auch die Realisierung höherer Leistungsdichten als auf der eigentlichen Maske. Weit verbreitet ist noch immer der Einsatz von starren Masken aus Glas, Ouarz oder Metall für Anwendungen z.B. in der Photolithographie oder der
Lasermaterialbearbeitung. Der Nachteil solch starrer Masken ist die fehlende
Flexibilität und die Notwendigkeit des Maskenwechsels, um Änderungen des projizierten Musters zu erreichen.
Neben den starren Masken werden seit einiger Zeit auch programmierbare Masken zur flächigen Musterausbildung im so genannten Lichtventilprinzip in verschiedensten Bereichen eingesetzt. Beispiele hierfür sind u.a. die
Bildprojektion bei Kinoprojektoren, die DUV-Mikrolithographie, die digitale Druckplattenbelichtung oder der 3D-Druck mittels DLP®. Das hierbei angewendete Lichtventilprinzip beinhaltet, dass die auf das bildgebende Element auftreffende elektromagnetische Strahlung durch pixelweises
Ausblenden in ihrer Intensität moduliert wird. Ein Nachteil dieses Prinzips ist der Verlust des zur Kontrasterzeugung ausgeblendeten Teils der auftreffenden elektromagnetischen Strahlung. Besonders bei Anwendungen, die hohe Strahlungsleistungen und einen schnellen Materialdurchsatz erfordern, stellt dieser Verlust der ausgeblendeten Strahlung einen deutlichen Nachteil dar. Es kann so nicht die gesamte zur Verfügung stehende Strahlungsenergie genutzt werden.
Bei der flächigen Musterausbildung mittels DOE b) wird durch das
bildgebende Element eine reine Phasenmodulation in die auftreffende Wellenfront der elektromagnetischen Strahlung eingebracht. Hierbei kommen sowohl starre DOEs in Glas, Quarz oder Kunststoffen als auch
programmierbare Elemente zum Einsatz. Solch programmierbare DOEs basieren auf ganz unterschiedlichen Bauformen, wie z.B. auf dem Prinzip von Senkspiegelmatrizen oder auf Flüssigkristallelementen. Bei den
Flüssigkristallelementen unterscheidet man zwischen so genannten reflektiven Liquid Crystal on Silicon (LCOS) und transmissiven Liquid Crystal (LC) Mikrodisplays. Bereits realisierte Anwendungen für die
programmierbaren DOEs liegen u.a. in der Augenheilkunde, der adaptiven Wellenfrontkorrektur in dynamischen Medien oder auch im Bereich der Lasermaterialbearbeitung. Für die Anwendung dieses Prinzips der
Musterausbildung ist der Einsatz von kohärenter Strahlung zwingend erforderlich. Nachteilig beim Einsatz programmierbarer DOEs ist auch, dass hier sehr viele, sehr kleine Pixel benötigt werden, deren Herstellung entsprechend aufwändig ist. Auch werden zu deren Ansteuerung riesige Datenmengen benötigt und ein entsprechend großer Aufwand in der
Adresselektronik muss betrieben werden.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, Möglichkeiten für die Laserbearbeitung an Oberflächen von Werkstücken anzugeben, mit denen eine flexible und schnelle Ausbildung unterschiedlicher Muster vollzogen werden kann und dabei eine nahezu vollständige Nutzung der Strahlungsenergie möglich wird.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit einem Verfahren, das die Merkmale des Anspruchs 1 aufweist, gelöst. Der Anspruch 14 betrifft eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens. Vorteilhafte Ausgestaltungen und
Weiterbildungen der Erfindung können mit in untergeordneten Ansprüchen bezeichneten Merkmalen realisiert werden.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird ein von einer
Laserstrahlungsquelle emittierter Laserstrahl auf die reflektierenden
Oberflächen einer Vielzahl von einzeln mit einer elektronischen Steuerung ansteuerbarer, um mindestens eine Achse verschwenkbarer, nebeneinander angeordneter Mikrospiegel gerichtet.
Ausgehend von den reflektierenden Oberflächen der jeweils definiert verschwenkten Mikrospiegel werden reflektierte Teilstrahlen fokussiert auf die in der Brennebene einer Fokussieroptik angeordnete Oberfläche eines Werkstücks gerichtet und treffen an unterschiedlichen, einstellbaren
Positionen auf.
Dadurch wird/werden in einem oberflächennahen Bereich des Werkstücks gleichzeitig eine lokal definierte Veränderung des Werkstückwerkstoffs und/oder ein lokal definierter Werkstoffabtrag mit vorgebbarer Geometrie erreicht.
Im Fall, dass mehrere Teilstrahlen gemeinsam auf dieselbe Position in der Brennebene der Fokussieroptik auftreffen, so überlagern sich diese
Teilstrahlen inkohärent.
Eine Fokussieroptik sollte in Bezug zur Oberfläche des Werkstücks so angeordnet und ausgebildet sein, dass die fokussierten Teilstrahlen auf die in der Brennebene angeordnete Oberfläche des Werkstücks auftreffen.
Um zu erreichen, dass die Oberfläche des Werkstücks und die Brennebene in derselben Ebene angeordnet sind, kann eine translatorische Bewegung des Werkstücks durchgeführt werden, um den Abstand zwischen der Oberfläche des Werkstücks und der eingesetzten Fokussieroptik entsprechend anzupassen. Allein oder zusätzlich kann auch die Fokussieroptik, ggf.
gemeinsam mit den Mikrospiegeln und der Laserstrahlungsquelle
entsprechend translatorisch bewegt werden.
Die in den jeweiligen Punkten in das Werkstück eingetragene Energiemenge kann durch die Anzahl der auf den jeweiligen Punkt auftreffenden Teilstrahlen beeinflusst werden.
Eine eingesetzte Fokussieroptik sollte bevorzugt im Strahlengang der
Laserstrahlung nach dem Flächenlichtmodulator (SLM) angeordnet se dass die einzelnen Teilstrahlen fokussiert werden. Es besteht aber auch die Möglichkeit die Fokussieroptik im Strahlengang vor dem SLM zu platzieren. In beiden Fällen stimmen jedoch die Werkstückoberfläche und die Brennebene der Fokussieroptik überein.
Durch die Einstellung der Mikrospiegelschwenkwinkel kann eine freie
Positionierung der Teilstrahlen in der Brennebene der Fokussieroptik und somit auf der Oberfläche des jeweiligen Werkstücks erreicht werden. Die Generierung eines einzelnen Bildpunktes innerhalb der Gesamtheit des auszubildenden Musters kann durch gewünschte Platzierung eines einzelnen Teilstrahls bzw. der inkohärenten Überlagerung zweier oder mehrerer Teilstrahlen erreicht werden. Durch entsprechende Ansteuerung kann die Verschwenkung einer oder mehrerer Mikrospiegel sehr schnell verändert oder auch über eine bestimmte Zeit beibehalten werden. Somit können neue Muster sehr schnell realisiert oder wahlwiese auch beibehalten werden, so dass ein hohes Maß an Flexibilität erreichbar ist. Es ist eine freie Steuerung der Intensitätsverteilung eines mittels SLM erzeugten Laserstrahlprofils zur Ausbildung von Mustern möglich.
Es kann vorteilhaft ein Flächenlichtmodulator (SLM) eingesetzt werden, bei dem die Mikrospiegel in einer Reihen- und Spaltenanordnung angeordnet sind.
Durch eine Relativbewegung zwischen SLM und dem jeweiligen Werkstück kann eine Laserbearbeitung der Oberfläche sowohl großflächiger als auch an verschiedenen Positionen des Werkstücks durchgeführt werden.
Eine bei der Erfindung einsetzbare Anordnung von Mikrospiegeln kann als Flächenlichtmodulator oder auch als Mikrospiegel-SLM, eine Untergruppe der sog. MOEMS (Micro-Opto-Electro-Mechanical-System) bezeichnet werden. Die einzelnen Mikrospiegel sind dabei über Torsions- und/oder Biegefedern an einem Rahmen befestigt und können mittels Elektroden, die bevorzugt unterhalb der einzelnen Mikrospiegel angeordnet sein sollten, verschwenkt werden. Durch gezielte Ansteuerung der Elektroden können die einzelnen Spiegel wahlweise um eine oder zwei Achsen, welche parallel zur
reflektierenden Oberfläche angeordnet sind, verschwenkt werden. Somit kann ein Teil des auf den SLM auftreffenden Laserlichts von der entsprechend in einem Winkel verschwenkten reflektierenden Oberfläche als Teilstrahl mit einem bestimmten Winkel reflektiert werden. Die von verschiedenen
Mikrospiegeln reflektierten Teilstrahlen können somit in unterschiedlichen Winkeln in Richtung der zu bearbeitenden Oberfläche eines Werkstücks gelenkt werden.
Neben der Verschwenkung ist auch eine überlagerte translatorische
Auslenkung der Mikrospiegel mit ihren reflektierenden Oberflächen möglich. Dies kann durch gleichzeitige Ansteuerung mehrerer Elektroden mit derselben elektrischen Spannung erreicht werden. Eine solche Absenkung einzelner oder mehrerer Mikrospiegel hat aber keinen wesentlichen Einfluss auf das hier beschriebene Verfahren, da die Teilstrahlen jeweils inkohärent zueinander sind. Es ist dadurch im Wesentlichen nur eine Veränderung der Phasenlage erreichbar.
Vorteilhaft können die von den reflektierenden Oberflächen der Mikrospiegel reflektierten Teilstrahlen durch ein Planfeld- oder F-Theta Objektiv in einfacher oder telezentrischer Auslegung hindurch auf eine Oberfläche des jeweiligen Werkstücks in fokussierter Form gerichtet sein. Das Ziel ist die
Erzeugung möglichst beugungsbegrenzter Bildpunkte. Es können aber auch andere fokussierende Elemente beispielsweise Mikroskopobjektive oder Einzellinsen in der Ausführung als Bikonvexlinse, Plankonvexlinse, Linse bester Form oder Asphäre eingesetzt werden.
Bei der Erfindung ist es besonders vorteilhaft, wenn der Laserstrahl auf die reflektierenden Oberflächen aller Mikrospiegel auftrifft und die Teilstrahlen, die von allen Mikrospiegeln reflektiert werden, gleichzeitig zur lokal definierten Laserbearbeitung auf die Oberfläche des jeweiligen Werkstücks auftreffen.
Die Mikrospiegel sollten möglichst so verschwenkt werden, dass keine Interferenz von Teilstrahlen an der zu bearbeitenden Oberfläche des jeweiligen Werkstücks auftritt.
Als Laserstrahlungsquelle können beliebige Laser der Materialbearbeitung wie z.B. Ultrakurzpulslaser, gepulste Nd:YAG-Laser, gepulste Faserlaser, gepulste C02-Laser, C02-TEA-Laser oder Excimerlaser eingesetzt werden.
Der Laserstrahl sollte möglichst parallel mit geringer Divergenz auf die reflektierenden Oberflächen der Mikrospiegel auftreffen. Dafür kann mindestens ein geeignetes strahlformendes Element eingesetzt werden.
Durch den Einsatz von Flächenlichtmodulatoren kann die Wellenfront fokussierter Laserstrahlung adaptiv so geändert werden, dass sekundär auftretende Wellenfrontänderungen infolge der Beeinflussung der Optik durch den Laserstrahl selbst, die insbesondere zu Brennweitenänderungen führen, korrigiert werden können.
Die Erfindung betrifft also prinzipiell den Einsatz eines mikrospiegelbasierten Flächenlichtmodulators (SLM) als programmierbares bildgebendes Element zur Musterausbildung, Strahlformung und Strahlpositionierung für
Anwendungen im Bereich der Lasermaterialbearbeitung.
Im Gegensatz zu früheren Ansätzen geht die vorliegende Erfindung davon aus, dass auszubildende Markierungen oder Muster direkt nach Durchlauf der Laserstrahlung durch eine Fokussieroptik in deren Brennebene auf der Oberfläche eines Werkstücks mit der durch die elektronische Steuerung vorgebbaren Geometrie ausgebildet werden. Hierfür werden durch gezielte Verschwenkung aller Mikrospiegel der Anordnung, auf die ein Laserstrahl auftrifft, Bündel von Teilstrahlen generiert, die mit unterschiedlichen Winkeln auf eine dem SLM nachgelagerte Fokussieroptik auftreffen. Die Lage der Bildpunkte in der Brennebene der Fokussieroptik hängt bei entsprechend inkohärentem Licht und idealisierten optischen Strahlengängen, entsprechend der geometrischen Optik, nur vom Tangens des Winkels, mit dem die
Teilstrahlen auf den reflektierenden Oberflächen der Mikrospiegel reflektiert werden, multipliziert mit der Brennweite der Fokussieroptik ab. Mit
Spezialobjektiven, sogenannten F-Theta Objektiven ist sogar eine lineare Abhängigkeit vom Winkel erreichbar. Auf diesem Weg lässt sich in der Brennebene eine freie Pixelgrafik ausbilden. Die Intensität bzw.
Leistungsdichte in einem Bildpunkt, also eines Teilstrahls an einer bestimmten Position, hängt dabei von der Anzahl der entsprechend gleich ausgelenkten Mikrospiegel ab.
In der Fokalebene können gewünschte Laserstrahlintensitätsverteilung erreicht werden mit denen spezielle Formen des Abtrags, der
Materialbeeinflussung oder der Markierung erfolgen kann. Es ist ein lokal differenzierter Energieeintrag in die Werkstückoberfläche möglich, der beispielsweise zu einem lokal definiertem Werkstoffabtrag oder einer Modifizierung des Werkstoffs führt. Es kann daher beispielsweise mit einem kastenförmigen Intensitätsprofil durch Relativbewegung von Laserstrahl und Werkstück ein Graben mit rechteckigem Profil ausgebildet werden.
Die sogenannte beam-steering Technologie mit Flächenlichtmodulator erlaubt eine schnelle und flexible Möglichkeit der Markierungs- bzw.
Musterausbildung, Strahlformung und Strahlpositionierung innerhalb eines definierten Bildfelds. Ein möglicher Einsatz liegt in nahezu allen Gebieten der
Lasermaterialbearbeitung, sowohl bei flächenhafter Strukturierung als auch beim direkten Schreiben mit fokussiertem Einzelstrahl.
Der SLM kann hierbei als programmierbares bildgebendes Element fungieren. Jeglicher Wechsel des bildgebenden Elements entfällt. Somit können
Änderungen an Markierungen oder Mustern, Strahlprofil oder -position sehr schnell und flexibel durch eine Steuerung des Schwenkwinkels eines oder mehrerer Mikrospiegel realisiert werden. Durch die Anwendung eines neuen Abbildungsprinzips werden
Energieverluste vermieden. Es erfolgt keine teilweise Ausblendung der elektromagnetischen Strahlung des auftreffenden Laserlichts zur Ausbildung der gewünschten Strukturen, wie beim bisher üblichen Lichtventilprinzip. Die gesamte vom SLM, also den Mikrospiegeln reflektierte Leistung der eingesetzten Laserstrahlung kann zur Bearbeitung des Werkstücks genutzt werden. Die Musterausbildung kann direkt in der Brennebene der
Fokussieroptik erfolgen. Dadurch kann die Anzahl der notwendigen optischen Elemente, die im Strahlengang des Laserstrahls angeordnet werden müssen, verringert werden.
Die beam-steering-Technologie mit SLM ermöglicht die Modulation der Intensität in der Bearbeitungsebene. Hieraus ergeben sich mögliche Einsätze in nahezu allen Gebieten der Lasermaterialbearbeitung. Durch den lokal definierten Energieeintrag kann eine Markierung mit der jeweils
vorgegebenen Geometrie durch Phasen- oder Gefügeumwandlung, wie auch durch Farbänderung des jeweiligen bearbeiteten Werkstoffs erreicht werden. Ebenso ist eine Direktstrukturierung durch den Abtrag von
Werkstückwerkstoff möglich. Hierbei sollte der Werkstoffabtrag möglichst vollständig durch Ablation erreicht werden. Darüber hinaus können auch flexible Belichtungsvorgänge z.B. von Fotolacken realisiert werden.
Die flexible und schnelle Modulation der Intensität kann sehr vorteilhaft für eine flächenhafte Strukturierung angewendet werden. Der SLM fungiert als programmierbares bildgebendes Element und besitzt das Potential starre Masken und DOEs bisher etablierter Verfahren zu ersetzen. Interessante Anwendungen liegen z.B. bei Aufgaben der Mikrostrukturierung oder Beschriftung, die einen schnellen Musterwechsel erfordern. Denkbar sind die Beschriftung von Kabelummantelungen oder Verpackungsmitteln mit laufenden Nummern, Zeit- oder Datumsangaben. Neben der flächigen Strukturierung erhält auch der Volumenabtrag neue
Realisierungsmöglichkeiten. Mittels Anpassung von Stahlprofil oder
Bearbeitungsmuster in verschiedenen Ebenen können 2D- und 3D-Strukturen (allerdings nur ohne Hinterschneidungen) realisiert werden.
Im Bereich des direkten Schreibens ermöglicht die Technologie eine freie Formung und Positionierung des Strahlprofils und somit eine Steuerung des eingetragenen Temperaturprofils.
Nachfolgend soll die Erfindung beispielhaft erläutert werden. Dabei zeigt:
Figur 1 in schematischer Form ein Beispiel einer Anordnung, die bei der
Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens eingesetzt werden kann. In der hier gezeigten Variante ist die Fokussieroptik 5 zwischen dem SLM 3 und der Bildebene (Brennebene der Fokussieroptik) 6 angeordnet. Dabei wird ein kollimierter Laserstrahl 1 von einer Laserstrahlungsquelle 2 auf einen Flächenlichtmodulator (SLM) 3 gerichtet. Der SLM 3 stellt eine flächige Anordnung vieler Mikrospiegel dar. Die Mikrospiegel sind bei diesem Beispiel jeweils um zwei senkrecht zueinander ausgerichtete Achsen einzeln und unabhängig voneinander verschwenkbar.
Die von den einzelnen reflektierenden Oberflächen aller Mikrospiegel reflektierten Teilstrahlen 4 (hier sind der Übersichtlichkeit halber nur einige wenige dargestellt) treffen auf die Fokussieroptik 5, welche in diesem Beispiel durch eine einfache fokussierende Linse angedeutet ist. Die Teilstrahlen 4 werden dabei auf die Oberfläche eines Werkstücks gerichtet, die hier mit der Brennebene der Fokussieroptik 6 angedeutet ist. Die Oberfläche des
Werkstücks und die Brennebene der Fokussieroptik 6 sind in derselben Ebene angeordnet.
Jeder einzelne Mikrospiegel ist so verschwenkt, dass sein Teilstrahl 4 auf eine vorgegebene Position auftrifft. Teilstrahlen 4, die mit gleichem Winkel vom SLM 3 reflektiert werden und auf einen gemeinsamen Punkt in der Bildebene auftreffen, sollen sich inkohärent überlagern. Dabei treffen alle Teilstrahlen 4 gleichzeitig lokal definiert auf die jeweilige Oberfläche auf, so dass eine vorgegebene Abbildung einer bestimmten, durch die nicht dargestellte elektronische Steuerung, vorgebbaren Geometrie erreicht wird.
Die Laserstrahlungsquelle 2 kann gepulst und mit je nach Art der gewünschten Bearbeitung und unter Berücksichtigung des jeweiligen Werkstoffs eines Werkzeugs oder einer darauf ausgebildeten Beschichtung geeigneten Leistung sowie Wellenlänge betrieben werden.
Figur 2 in schematischer Form ein Beispiel einer Anordnung, die bei der
Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens eingesetzt werden kann. In der hier gezeigten Variante ist die Fokussieroptik 5 zwischen der Laserstrahlungsquelle 2 und dem SLM 3 angeordnet.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur lokal definierten Bearbeitung an Oberflächen von
Werkstücken, bei dem
ein von einer Laserstrahlungsquelle (2) emittierter Laserstrahl (1) auf die reflektierenden Oberflächen einer Vielzahl, einzeln mit einer elektronischen Steuerung ansteuerbarer, um mindestens eine Achse verschwenkbarer, nebeneinander angeordneter Mikrospiegel gerichtet wird und von den reflektierenden Oberflächen der jeweils definiert
verschwenkten Mikrospiegel reflektierte Teilstrahlen (4) fokussiert auf die in der Brennebene (6) der Fokussieroptik (5) angeordnete
Oberfläche eines Werkstücks an unterschiedlichen, einstellbaren Positionen auftreffen, so dass in einem oberflächennahen Bereich des Werkstücks gleichzeitig eine lokal definierte Veränderung des Werkstückwerkstoffs und/oder ein lokal definierter Werkstoffabtrag mit vorgebbarer Geometrie erreicht wird; wobei im Fall, dass mehrere Teilstrahlen (4) gemeinsam auf dieselbe Position in der Brennebene (6) der Fokussieroptik (5) auftreffen, sich diese Teilstrahlen (4) inkohärent überlagern.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein
Flächenlichtmodulator (SLM) (3), bei dem die Mikrospiegel in einer Reihen- und Spaltenordnung angeordnet sind, eingesetzt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Mikrospiegel und das Werkstück relativ zueinander bewegt werden.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Laserstrahl (1) auf die reflektierenden Oberflächen aller Mikrospiegel auftrifft und die Teilstrahlen (4), die von allen Mikrospiegeln reflektiert werden, gleichzeitig zur lokal definierten Laserbearbeitung auf die Oberfläche des jeweiligen Werkstücks auftreffen.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass die Mikrospiegel so verschwenkt werden, dass Teilstrahlen (4), die in der Brennebene (6) der Fokussieroptik (5) aufeinander treffen, dabei nicht interferieren sondern sich inkohärent überlagern.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass die Fokussieroptik (5) zwischen dem
Flächenlichtmodulator (3) und der Oberfläche des Werkstücks angeordnet wird.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass die Fokussieroptik (5) zwischen
Laserstrahlungsquelle (2) und Flächenlichtmodulator (3) angeordnet wird.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass als Fokussieroptik (5) Einzellinsen in der Ausführung als Bikonvexlinse, Plankonvexlinse, Linse bester Form oder Asphäre oder Objektive in der Ausführung als Mikroskopobjektiv, Planfeldobjektiv oder F-Theta-Objektiv in einfacher oder
telezentrischer Auslegung eingesetzt werden.
9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass als Laserstrahlungsquelle (2) Ultrakurzpulslaser, gepulste Nd:YAG-Laser, gepulste Faserlaser, gepulste C02-Laser, C02- TEA-Laser oder Excimerlaser eingesetzt werden.
10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mit der lokal definierten Laserbearbeitung jeweils mindestens eine Markierung als Muster ausgebildet wird.
11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass durch Einsatz von Flächenlichtmodulatoren (3) die Wellenfront fokussierter Laserstrahlung adaptiv so geändert wird, dass sekundär auftretende Wellenfrontänderungen infolge der Beeinflussung der Optik durch den Laserstrahl selbst, die insbesondere zu Brennweitenänderungen führen, korrigiert werden.
12. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der
vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein von einer Laserstrahlungsquelle (2) emittierter Laserstrahl (1) auf mehrere nebeneinander angeordnete Mikrospiegel, die um mindestens eine Achse verschwenkbar sind, gerichtet ist, und
von Mikrospiegeln reflektierte Teilstrahlen (4) auf unterschiedliche Positionen der Oberfläche fokussiert auftreffen; wobei im Strahlengang der Laserstrahlung eine Fokussieroptik (5) so angeordnet und ausgebildet ist, dass die fokussierten Teilstrahlen (4) auf die in der Brennebene (6) angeordnete Oberfläche des Werkstücks auftreffen und im Fall, dass mehrere Teilstrahlen (4) gemeinsam auf dieselbe Position auftreffen, sich diese Teilstrahlen (4) inkohärent überlagern.
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