DE102020000078B3

DE102020000078B3 - Verfahren zum Glätten wenigstens eines Bereichs einer Oberfläche eines Körpers sowie Verwendung eines im Burst-Modus betriebenen Lasers zum Glätten

Info

Publication number: DE102020000078B3
Application number: DE102020000078.9A
Authority: DE
Inventors: Steffen Weissmantel; Peter Lickschat; Daniel Metzner; Christian Kreisel; Tommy Knebel; Ronny Menzel; Gerhard Kimmel
Original assignee: Hochschule Mittweida FH
Current assignee: Hochschule Mittweida FH
Priority date: 2020-01-07
Filing date: 2020-01-07
Publication date: 2021-06-24
Anticipated expiration: 2040-01-08

Abstract

Die Erfindung betrifft Verwendungen eines im Burst-Modus betriebenen Lasers, Verfahren zum Glätten wenigstens eines Bereichs einer Oberfläche eines Körpers und Körper mit wenigstens einer Mikrostruktur. Mit einer Verwendung des Lasers weist wenigstens ein Bereich einer Oberfläche des Körpers eine geringe Oberflächenrauheit auf. Dazu wird das mit dem ersten Puls im Burst erzeugte Plasma, das mit den weiteren Pulsen im Burst weiter erhitzte und/oder ionisierte Plasma, ein daraus resultierender oberflächennaher Schmelzfilm wenigstens eines Bereichs eines Körpers und die Dynamik des Schmelzfilms und/oder das auf den Schmelzfilm drückende Plasma während des Erstarrens des Schmelzfilms zum Glätten der Oberfläche des Bereichs des Körpers verwendet. Beim Verfahren zum Glätten wenigstens eines Bereichs einer Oberfläche eines Körpers wird der Bereich mit Laserstrahlung eines im Burst-Modus betriebenen Lasers beaufschlagt.

Description

Die Erfindung betrifft Verfahren zum Glätten wenigstens eines Bereichs einer Oberfläche eines Körpers.
Durch die Verwendung verhältnismäßig langer Pulse mit Pulsdauern im Nanosekunden-Bereich tritt beim Umschmelzen eine hohe wärmebeeinflusste Zone im Wechselwirkungsbereich auf. Dabei werden kleine Strukturen mit umgeschmolzen und dreidimensionale Strukturen in ihren Strukturmaßen beeinflusst. So ist durch die Druckschrift DE 603 12 826 T2 ein Verfahren zum Umschmelzen bzw. Auftragsschweißen mittels Laser von einer Werkstückoberfläche bekannt. Dabei werden Zonen eingeschmolzen, die bis zu 500 µm unter die Oberfläche reichen. Weiterhin wird darauf hingewiesen, dass größere Eindringtiefen durch Reduzieren der Verarbeitungsgeschwindigkeit oder durch Vorwärmen des Objekts vor dem Schmelzen der Oberfläche erreichbar sind.
Die Druckschrift DE 10 2019 103 960 A1 offenbart ein Verfahren zum Polieren und zum Glätten einer Werkstückoberfläche mittels Laserstrahlung. Dabei wird die Oberfläche eines Körpers mit einer Mikrostruktur durch bereichsweises Beaufschlagen mit Laserstrahlung eines im Burst-Modus betriebenen Lasers geglättet.
Der im Patentanspruch 1 angegebenen Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, wenigstens einen Bereich mindestens einer Oberfläche von Körpern so zu bearbeiten, dass dieser eine möglichst geringe Oberflächenrauheit aufweist.
Diese Aufgabe wird mit den im Patentanspruch 1 aufgeführten Merkmalen gelöst.
Die Verfahren zum Glätten wenigstens eines Bereichs einer Oberfläche eines Körpers zeichnen sich insbesondere dadurch aus, dass mit Verwendung des Lasers wenigstens ein Bereich einer Oberfläche des Körpers eine geringe Oberflächenrauheit aufweist.
Beim Verfahren zum Glätten wenigstens eines Bereichs einer Oberfläche eines Körpers wird der Bereich mit Laserstrahlung eines im Burst-Modus betriebenen Lasers so beaufschlagt, dass mit dem ersten Puls im Burst ein Plasma erzeugt wird, dass mit den weiteren Pulsen im Burst das Plasma weiter erhitzt und/oder ionisiert wird und ein oberflächennaher Schmelzfilm wenigstens des Bereichs der Oberfläche des Körpers erzeugt wird und dass mit der Dynamik des Schmelzfilms und/oder mit dem auf den Schmelzfilm drückenden Plasma während des Erstarrens des Schmelzfilms die Oberfläche des Bereichs des Körpers geglättet wird. Das Verfahren eignet sich insbesondere vorteilhafterweise zum Glätten von Mikrostrukturen von Körpern.
Der Burst-Modus ist eine Lasertechnik, bei der Pulsgruppen mit einer definierten Anzahl an Pulsen pro Gruppe (eine Pulsgruppe ist ein Burst) und einer definierten Anzahl an Pulsenergie pro Puls in einer Gruppe mit der Materialoberfläche wechselwirken. Durch die hohe Pulswiederholfrequenz im Burst entsteht ein sehr hoher Temperaturgradient, der einen sehr dünnen, oberflächennahen Schmelzfilm erzeugt. Bei Pulswiederholfrequenzen im GHz-Bereich wird zusätzlich ein hochionisiertes Plasma induziert, was auf den Schmelzfilm wirkt und die Oberflächenrauheit positiv beeinflusst. Die resultierende Oberflächenrauheit ist von unterschiedlichen Parametern, wie der Anzahl an Pulsen, Pulsdauer, Fluenz im Burst und Überfahrtenanzahl, abhängig. Aufgrund des hohen Temperaturgradienten in Kombination mit ultrakurz gepulster Laserstrahlung kühlt der Schmelzfilm nach der Wechselwirkung mit dem laserinduzierten Plasma sehr schnell ab, so dass eine hohe wärmebeeinflusste Zone nach der Bearbeitung verhindert wird und auch feine definierte Strukturen im Mikrometerbreich erhalten bleiben.
Damit sind vorteilhafterweise sehr glatte Oberflächen realisierbar, auch wenn die Oberfläche, die Schicht, eine Struktur oder eine Mikrostruktur vor der Bearbeitung eine wesentlich höhere Oberflächenrauheit aufweist. Dieser Glättungseffekt ist nur im Burst-Modus und in einem materialspezifischen Parameterbereich möglich. Weiterhin wird vorteilhafterweise nur ein geringer Betrag an Material abgetragen, wodurch die Sollwerte der Bearbeitungsgeometrie erhalten bleiben oder weitestgehend erhalten bleiben. Es erfolgt nur eine geringe Veränderung der Stöchiometrie. Beispielsweise ist die chemische Zusammensetzung einer Legierung sowie die Konzentration der einzelnen Legierungspartner nicht verändert.
Ein weiterer wesentlicher Vorteil besteht in einer sehr geringen wärmebeeinflussten Zone nach der Bearbeitung des Körpers.
Der Körper mit wenigstens einer Mikrostruktur ist damit so ausgebildet, dass wenigstens ein Bereich der Mikrostruktur eine durch Beaufschlagung mit Laserstrahlung eines im Burst-Modus betriebenen Lasers geglättete Oberfläche aufweist.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Patentansprüchen 2 bis 10 angegeben.
Mit Verwendung des im Burst-Modus betriebenen Lasers weist der mit Laserstrahlung beaufschlagte Bereich der Oberfläche des Körpers eine geringe Oberflächenrauheit auf.
Dazu wird

- das mit dem ersten Puls im Burst erzeugte Plasma,
- das mit den weiteren Pulsen im Burst weiter erhitzte und/oder ionisierte Plasma,
- ein daraus resultierender oberflächennaher Schmelzfilm wenigstens eines Bereichs eines Körpers und
- die Dynamik des Schmelzfilms und/oder das auf den Schmelzfilm drückende Plasma während des Erstarrens des Schmelzfilms

Zur Beaufschlagung wenigstens einer Oberfläche des Körpers und damit zum Glätten von Oberflächen von Bereichen des Körpers wird insbesondere eine Laserstrahlung mit mehreren Bursts in Form von Pulsgruppen verwendet. Dabei kann der Körper bewegt und/oder die Laserstrahlung beispielsweise mit einem Scanner abgelenkt werden.
Zum Glätten der Oberfläche des Körpers kann gepulste Laserstrahlung im GHz-Burst-Modus verwendet werden.
Zum Glätten der Oberfläche des Körpers können Pulsgruppen mit jeweils einer Pulswiederholfrequenz größer 1 GHz verwendet werden.
Zum Glätten der Oberfläche des Körpers können Pulsgruppen mit jeweils einer Pulsdauer kleiner 1 ns verwendet.
Zum Glätten der Oberfläche des Körpers wird optional mit einem Scanner abgelenkte Laserstrahlung verwendet.
Zum Glätten der Oberfläche des Körpers wird in einer Ausführungsform eine Antriebsvorrichtung mit dem Körper verwendet, so dass der Körper in wenigstens einer Richtung in einer Ebene bewegbar ist.
Der im Burst-Modus betriebene Laser kann insbesonder zum Glätten wenigstens eines Bereichs des Körpers mit einer Mikrostruktur verwendet werden.
Der im Burst-Modus betriebene Laser wird vorteilhafterweise zum Glätten wenigstens eines Bereichs des Körpers aus einem Metall, einem Halbleiter, einer Keramik oder einem Verbundstoff an sich oder einer Schicht aus einem Metall, einem Halbleiter oder einer Keramik verwendet werden.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Zeichnungen jeweils prinzipiell dargestellt und wird im Folgenden näher beschrieben.
Es zeigen:

1 eine Einrichtung zum Glätten wenigstens eines Bereichs einer Oberfläche eines Körpers und
2 ein Glätten einer Oberfläche eines Körpers mit einer Verwendung eines im Burst-Modus betriebenen Lasers.

Eine Einrichtung zum Glätten wenigstens eines Bereichs einer Oberfläche eines Körpers 1 besteht im Wesentlichen aus einem Laser 2, einem Scanner 4, einer Antriebsvorrichtung 5 und einem Datenverarbeitungssystem 6.
Die 1 zeigt eine Einrichtung zum Glätten wenigstens eines Bereichs einer Oberfläche eines Körpers 1 in einer prinzipiellen Darstellung.
In Strahlrichtung nach dem im Burst-Modus betriebenen Laser 2 sind der Scanner 4 zur Ablenkung der Laserstrahlung 3 und der Körper 1 angeordnet. Der Körper 1 befindet sich auf der Antriebsvorrichtung 5, die vorteilhafterweise einen Träger zum Platzieren und Befestigen des Körpers 1 besitzt. Die Antriebsvorrichtung 5 kann dazu insbesondere eine xy-Positioniervorrichtung sein, so dass der Körper 1 in zwei Richtungen in einer Ebene bewegbar ist. Der Laser 2, der Scanner 4 und die Antriebsvorrichtung 5 sind mit dem Datenverarbeitungssystem 6 verbunden, so dass wenigstens ein Bereich der Oberfläche des Körpers 1 mit der Laserstrahlung beaufschlagbar ist.
Zum Glätten wenigstens eines Bereichs einer Oberfläche eines Körpers 1 wird somit der Bereich des Körpers 1 mit Laserstrahlung 3 eines im Burst-Modus betriebenen Lasers 2 so beaufschlagt, dass mit dem ersten Puls im Burst ein Plasma 7 erzeugt wird, dass mit den weiteren Pulsen im Burst das Plasma 7 weiter erhitzt und/oder ionisiert wird und ein oberflächennaher Schmelzfilm wenigstens des Bereichs der Oberfläche des Körpers 1 erzeugt wird und dass mit der Dynamik des Schmelzfilms und/oder mit dem auf den Schmelzfilm drückenden Plasma 7 während des Erstarrens des Schmelzfilms die Oberfläche des Bereichs des Körpers 1 geglättet wird.
Die 2 zeigt ein Glätten einer Oberfläche eines Körpers 1 mit einer Verwendung eines im Burst-Modus betriebenen Lasers 2 in einer prinzipiellen Darstellung.
Zum Glätten wenigstens eines Bereichs der Oberfläche des Körpers 1 wird der im Burst-Modus betriebene Laser 2 verwendet. Dabei wird

- ein mit dem ersten Puls im Burst erzeugtes Plasma 7,
- das mit den weiteren Pulsen im Burst weiter erhitztes und/oder ionisiertes Plasma 7,
- ein daraus resultierender oberflächennaher Schmelzfilm wenigstens eines Bereichs eines Körpers und
- die Dynamik des Schmelzfilms und/oder das auf den Schmelzfilm drückende Plasma 7 während des Erstarrens des Schmelzfilms

3

Der Körper 1 kann insbesondere eine Mikrostruktur aufweisen, wobei durch Verwendung des im Burst-Modus betriebenen Lasers 1 wenigstens ein Bereich der Mikrostruktur geglättet wird. Der Körper 1 besitzt damit wenigstens eine Mikrostruktur mit wenigstens einem geglätteten Oberflächenbereich. Der Körper 1 kann aus einem Metall, einem Halbleiter, einer Keramik oder einem Verbundstoff an sich bestehen oder eine Schicht aus einem Metall, einem Halbleiter oder einer Keramik aufweisen.

Claims

Verfahren zum Glätten wenigstens eines Bereichs einer Oberfläche eines Körpers (1), dadurch gekennzeichnet, dass der Bereich des Körpers (1) mit Laserstrahlung (3) eines im Burst-Modus betriebenen Lasers (2) so beaufschlagt wird, dass mit dem ersten Puls im Burst ein Plasma (7) erzeugt wird, dass mit den weiteren Pulsen im Burst das Plasma (7) weiter erhitzt und/oder ionisiert wird und ein oberflächlicher Schmelzfilm wenigstens des Bereichs der Oberfläche des Körpers (1) erzeugt wird und dass mit der Dynamik des Schmelzfilms und/oder mit dem auf den Schmelzfilm drückenden Plasma (7) während des Erstarrens des Schmelzfilms die Oberfläche des Bereichs des Körpers (1) geglättet wird.
Verwendung des im Burst-Modus betriebenen Lasers (2) zum Glätten wenigstens des Bereichs der Oberfläche des Körpers (1) mit dem Verfahren nach Patentanspruch 1, wobei der Bereich des Körpers (1) mit Laserstrahlung (3) des im Burst-Modus betriebenen Lasers (2) beaufschlagt wird, dadurch gekennzeichnet, dass ein mit dem ersten Puls im Burst erzeugtes Plasma (7), dass mit den weiteren Pulsen im Burst weiter erhitztes und/oder ionisiertes Plasma (7), dass ein daraus resultierender oberflächlicher Schmelzfilm des Bereichs des Körpers (1) und dass die Dynamik des Schmelzfilms und/oder das auf den Schmelzfilm drückende Plasma (7) während des Erstarrens des Schmelzfilms zum Glätten der Oberfläche des Bereichs des Körpers (1) verwendet wird.
Verwendung nach Patentanspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass zur Beaufschlagung wenigstens einer Oberfläche des Körpers (1) und damit zum Glätten von Oberflächen von Bereichen des Körpers (1) eine Laserstrahlung (3) mit mehreren Bursts in Form von Pulsgruppen verwendet wird.
Verwendung nach den Patentansprüchen 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, dass zum Glätten der Oberfläche des Körpers (1) gepulste Laserstrahlung (3) im GHz-Burst-Modus verwendet wird.
Verwendung nach den Patentansprüchen 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass zum Glätten der Oberfläche des Körpers (1) Pulsgruppen mit jeweils einer Pulswiederholfrequenz innerhalb eines Bursts (Pulsgruppe) größer/gleich 1 GHz verwendet werden.
Verwendung nach den Patentansprüchen 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass zum Glätten der Oberfläche des Körpers (1) Pulsgruppen mit jeweils einer Pulsdauer kleiner 1 ns verwendet werden.
Verwendung nach den Patentansprüchen 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass zum Glätten der Oberfläche des Körpers (1) mit einem Scanner (4) abgelenkte Laserstrahlung (3) verwendet wird.
Verwendung nach den Patentansprüchen 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass zum Glätten der Oberfläche des Körpers (1) eine Antriebsvorrichtung (5) mit dem Körper (1) verwendet wird, so dass der Körper (1) in wenigstens einer Richtung in einer Ebene bewegbar ist.
Verwendung nach Patentanspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der im Burst-Modus betriebene Laser (2) zum Glätten wenigstens eines Bereichs des Körpers (1) mit einer Mikrostruktur verwendet wird.
Verwendung nach Patentanspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der im Burst-Modus betriebene Laser (2) zum Glätten wenigstens eines Bereichs des Körpers (1) aus einem Metall, einem Halbleiter, einer Keramik oder einem Verbundstoff an sich oder einer Schicht aus einem Metall, einem Halbleiter oder einer Keramik verwendet wird.