DE68906793T2 - Ein einen laserstrahl benutzendes verfahren zur mikrobearbeitung der fläche eines werkstücks. - Google Patents

Description

• Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Mikrobearbeiten einer Werkstückfläche unter Verwendung eines pulsierenden Laserbündels, das senkrecht auf die Fläche gerichtet ist, und sie bezieht sich insbesondere auf ein Verfahren zum Mikrofräsen einer derartigen Fläche.
• In der Praxis sind mehrere Verfahren der Oberflächenbearbeitung mittels eines Lasers bekannt. Beispielsweise wird beim Schweißen mit einem Laserbündel das Material zum Schmelzen gebracht, aber Verformung der anzuordnenden Bauteile und Abtragung von Material findet nicht statt. Beim Bohren und Schneiden mit Hilfe eines Laserbündels wird tatsächlich Material abgetragen und durch den auf diese Weise entstandenen Schnitt abgeführt. Es ist dafür zu sorgen, daß diese Methode der Materialabtragung möglichst schnell erfolgt und dazu sind schnelle Verdampfung und Entfernung des Materials erforderlich. Zu diesem Zweck wird eine hohe Leistungsdichte, die nicht notwendigerweise nachher neueingestellt wird, beim Einleiten des Schneidverfahrens am Werkstück benötigt.
• Bei den meisten Methoden der Lasermarkierung, Lasercodierung oder Laserstrukturierung und bei Laserstrahlung zum Abgleichen elektronischer Bauteile wird eine dünne Materialschicht sehr örtlich abgetragen. Diese sehr dünne Schicht hat eine große Absorptionsfähigkeit für die Laserstrahlung, und die unterliegende Trägerschicht besteht aus einem anderen Material mit einer sehr niedrigen Absorptionsfähigkeit, oder sie reflektiert die Laserstrahlung. Die Strahlungsdauer wird derart eingestellt, daß das unterliegende andere Material durch übertragene Wärmeenergie nicht angegriffen werden kann.
• In der europäischen Patentanmeldung EP-A-200089 ist ein Verfahren zum Abtragen eines dünnen Metallfilms auf einer synthetischen Harzfolie als Substrat beschrieben. (Gemäß dieser Anmeldung werden zum Erhalten eines metallfreien Streifens auf der Folie überlappende Laserimpulse verwendet. Jeder einzelne Laserimpuls entfernt im Bereich des Laserflecks vollständig den Metallfilm, wonach zum Abkülen der synthetischen Harzfolie eine Abkühlzeit eingelegt wird. Der Metalldampf wird durch einen inerten Gasfluß weggeblasen.
• In der amerikanischen Patentschrift US-A-4 114 018, auf der der Oberbegriff des Anspruch 1 basiert, ist ein Verfahren zum Durchlochen eines Metallwerkstücks mit einem Impuls eines Laserbündels beschrieben. Abhängig von dem zu bearbeitenden Metall wird eine Impulsform des Laserbündels gewählt. Die Erzeugung einer Dampffahne wird vermieden.
• Beim Härten von Metalloberflächen wird das Material an der Oberfläche erhitzt und es wird eine Umwandlungshärtung erzeugt. Bei dieser Härtung auf der Härtungstemperatur darf das Material nicht schmelzen. Mit anderen Oberflächenbearbeitungsverfahren, beispielsweise Legierung von Metallen (Legierung und Verkleidung), wird das Material selbst oder eine abgelagerte Materialschicht zum Schmelzen gebracht, und beispielsweise werden Pulver in das Schmelzbad eingegeben.
• Verfahren zum Feinbearbeiten von Werkstoffen sind ebenfalls bekannt, zum Beispiel Funkenerosion, Ultraschallbearbeiten und Ätzen. Bei Funkenerosion ist eine Elektrode zu verwenden und kann nur leitendes Material an der Oberfläche bearbeitet werden. In diesem Zusammenhang gibt sich das Problem, daß die Elektrode wiederholt ersetzt werden muß. In Ultraschallverfahren ist nur eine grobe Fertigbearbeitung möglich und in einem Mikrobearbeitungsverfahren ist eine Elektrode auf Mikrogröße erforderlich. Beim Ätzen kann nur eine beschränkte Tiefe erreicht werden und dabei tritt das Problem der Ober- und Unterätzung auf.
• Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Mikrobearbeiten oder Feinbearbeiten von Oberflächen eines Werkstücks aus einem Material, beispielsweise Metall, synthetischem Harz, Keramik u.dgl. anzugeben, in dem ein genau steuerbarer Mikrofräsvorgang in einem örtlichen Teil der Oberfläche erforderlichenfalls mit einer großen oder einer sehr geringen Tiefenwirkung unabhängig von der Art des benutzten Materials möglich ist.
• Mit einem Verfahren der eingangs erwähnten Art wird dies dadurch erreicht, daß das Laserbündel in bezug auf die Oberfläche derart fokussiert ist, daß der Brennpunkt nahe bei der Oberfläche liegt, daß das Laserbündel und das Werkstück einer relativen Reziprok-Abtastbewegung in einer Richtung parallel zur Oberfläche mit einer verhältnismäßigen Bewegung in kleineren Schritten als der Durchmesser des Brennpunkts unterworfen werden, das Laserbündel auf überlappende Weise und bei gleichzeitiger Anstrahlung sich über dasselbe Stück des Oberflächenbereichs bewegt, und daß die Impulsdauer und die Leistungsdichte des Laserbündels und seine verhältnismäßige Bewegung in bezug auf das Werkstück so abgeglichen werden, daß bei jedem Impuls eine Materialdampf- oder Materialplasmafahne auf der Oberfläche gebildet wird.
• Mit diesem erfindungsgemäßen Verfahren kann eine geregelte Materialmenge in einem großen Tiefenbereich unabhängig von der Materialsorte abgetragen werden, wobei der Vorgang des Abtragens selbstgesteuert vor sich geht.
• In diesem erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel wird ein pulsierendes Laserbündel, beispielsweise aus einem Nd-YAG-Laser, mit kurzen Impulsen mit einer Dauer von 0,2 bis 0,3 ms. und einer Spitzenenergie bis zu 2.000 W verwendet. Im Laserbündel wird die Energie im wesentlichen auf Gaußsche Weise auf den Querschnitt verteilt, so daß eine höhere Energiedichte erhalten wird. Das Bündel wird mit einer Linse oder eines Spiegelsystems fokussiert. Das Konzentrationsgebiet (Brennpunkt) liegt in der Z-Richtung gegen die Oberfläche, die derart zu bearbeiten ist, daß durch die Anstrahlung mit der Laserenergie sich eine Materialdampf- und/oder Materialplasmafahne mit einer bestimmten Länge und Breite über der Oberfläche als leuchtende Erscheinung bildet. An diesem Zeitpunkt ist die für den Bearbeitungsvorgang geeignete Energiedichte erreicht.
• Ausführungsbeispiel der Erfindung werden nachstehend anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen
• Fig. 1 einige Beispiele von Abtastmustern, und
• Fig. 2 eine schematische Ansicht der sich beim Anstrahlen bildenden Fahne.
• Ein wichtiger Punkt bei der Bestrahlung ist das sog. Vorheizen des Materials. In den Standardverfahren, beispielsweise Bohren und Schneiden, ist eine Überdosis an Energie erforderlich. Beim Anfang des Impulses wird ein großer Teil des Lichts zurückgeworfen. Jedoch erhöht sich die Absorption/Kopplung bedeutend zum Zeitpunkt der Bildung eines Dampfes oder Plasmas. Dadurch läßt sich der Bohr- bzw. Schneidvorgang erheblich beschleunigen, und dies ist beim Bohren bzw. Schneiden auch nicht ernsthaft, da die Energie durch die gebildete Öffnung verschwindet.
• Beim Mikrobearbeiten oder Mikrofräsen muß eine beschränkte und geregelte Menge der gelieferten Energie absorbiert werden, und dieser Vorgang wird durch das Vorheizen des Materials stark begünstigt. Das Ergebnis der Vorheizung des Materials ist, daß nur ein geringer Temperaturunterschied überbrückt werden muß, um die Oberfläche das örtliche Verdampfen anfangen zu lassen. Auf diese Weise sind nur kleine Energiepakete für eine äußerst geringe Reduzierung des Materials erforderlich. Ein weiterer Vorteil ist, daß die Absorption wahrscheinlich bei einer höheren Temperatur ansteigt, und eine größere Absorption im Festkörper bedeutet eine homogenere Absorption während des Vorgangs. Dadurch sind hohe Spitzenenergien zum Koppeln allein überflüssig. Die verhältnismäßig höheren Energiedichten, die zum Abtragen des Materials bei jedem Impuls vorwiegend bei Verdampfung erforderlich sind, können dadurch niedriger sein.
• Erfindungsgemäß wird die Weise des Vorheizens durch eine schnelle Reziprokbewegung des Laserbündels über die Oberfläche erhalten. Dies erfolgt in Schritten, die kleiner sind als der Durchmesser des Brennfelcks, wodurch das Laserbündel auf überlappende Weise sich über dasselbe Oberflächenstück bewegt und dieses anstrahlt. Die Position des Brennflecks wird dabei auf vorgegebene Weise und gemäß eines vorgegebenen Rezepts geändert, und die mittlere Position des Werkstücks in bezug auf den Brennpunkt verfolgt einen gewünschten geradlinigen oder krummlinigen Weg in der Richtung oder senkrecht auf die Reziprokbewegung.
• In Fig. 1 sind einige Beispiele der schnellen Reziprokbewegung und der langsameren Vorwärts-Hauptbewegung dargestellt.
• In diesem Fall wird die Tiefe der Mikrobearbeitung oder des Mikrofräsens durch die Anzahl der Durchgänge der Reziprokbewegung über denselben Teil der Oberfläche mit Neuabgleich der Stelle des Brennpunkts in bezug auf die ursprüngliche Fläche bestimmt. Der Brennpunkt muß den zu berbeitenden Oberflächenteil verfolgen.
• Das Erscheinen einer Fahne bei der vorgenannten Mikrobearbeitung nach Fig. 2 ist äußerst wichtig. Die aus Materialdampf und/oder Materialplasma bestehende Fahne absorbiert eine wesentlichen Teil des Laserlichts, und dies wird größer, wenn durch die Vorheizung im vorangehenden Impuls die Oberflächentemperatur und die Verdampfung des Werkstücks ansteigen. Der restliche Teil des Laserlichts wird in das Material absorbiert. Durch die Vorheizung wird der Temperaturunterschied in bezug auf die erwünschte Arbeitstemperatur niedriger und die Versorgung mit einem folgenden Energiepaket genügt zum Erhöhen der Temperatur in jenen Gebieten, in denen die Oberfläche wieder derart angestrahlt wird, daß Vrerdampfung und daher eine geringe Menge an abgetragenem Material auftritt.
• Daher bildet die Fahne gleichsam ein selbststeuerndes Element der Kopplungsgröße, bei der die Laserstrahlung teilweise in die Fahne absorbiert und eine selbststeuernde Arbeitstiefe gebildet wird. Wenn in dem sich ergebenden Gleichgewicht mehr Energie eingeführt wird, erhöht sich die Oberflächentemperatur und vergrößert sich die Verdampfung, wodurch die Abmessungen der Fahne ebenfalls größer werden und also die Energiemenge, die das Werkstück erreicht, abnimmt. Hierdurch verringert sich die Verdampfung, usw. Wenn ungenügender Metalldampf entsteht, verschwindet also die Fahne. Hierdurch kann die Fahne zum Steuern des Vorgangs benutzt werden. Die Fahne erlischt schließlich nach jedem Impuls. Es verdampft bei jedem folgenden Impuls weniger Material und also ist die Absorption durch die Fahne geringer, die kleiner und kleiner wird, bis der Vorgang sich einstellt. Der hohe Gasdruck in der Fahne hat einen Glättungseffekt auf die Oberfläche des Materials.
• Zum Durchführen der genauen Mikrobearbeitung beim Erscheinen einer Fahne, muß der Brennpunkt in oder nahe bei der Oberfläche des Werkstücks liegen. Bei-spielsweise zum Herstellen einer Höhlung mit einem flachen Boden muß der Brennpunkt wenige Millimeter über dem Boden liegen. Dieser Abstand muß so sein, daß durch die niedrige Energiedichte und die Fahne kein oder im wesentlichen kein Material abgetragen wird.
• Durch den selbststeuernden Effekt der Fahne ist es möglich, einen Mikrobearbeitungs- oder Mikrofräsvorgang bis zu einer zuvor bestimmten Tiefe durchzuführen. Zu diesem Zweck wird der Brennpunkt des Laserbündels auf eine vom Prozeß bestimmten Tiefe unter der Oberfläche eingestellt. Räumlich bleibt der Brennpunkt beim Anstrahlen auf derselben Höhe und die Materialabtragung geht weiter, bis das bearbeitete Oberflächenstück eine solche Tiefe unter dem Brennpunkt erreicht, daß die Verdampfung des Materials und die Abtragung immer geringer wird und ganz stoppt.
• Die gewünschten verhältnismäßigen Bewegungen des Werkstücks und des Laserbündels lassen sich mechanisch am Arbeitstisch oder optisch mit einem spiegelgesteuerten Laserbündel oder durch eine Kombination der beiden verwirklichen. Das sog. Rezept schließlich für das Steuerprogramm versorgt eine wiederholte Anstrahlung eines Stücks des Oberflächenbereichs durch eine relative REziprokbewegung des Laserbündels gegen die Oberfläche des Materials. Diese relative Bewegung des Laserbündels und des Werkstücks ist immer so, daß sie kleiner als der Durchmesser des fokussierten Laserbündels ist.
• Wie bereits erwähnt kann ein pulsierender Laser, beispielsweise ein Nd- YAG-Laser oder jeder andere geeignete Laser, mit einer Energiedichte auf der Oberfläche von 100 MW/cm² benutzt werden, die so hoch ist, daß die Laserenergie sich leicht in das Material einkoppelt. Die Dauer des Laserimpulses wurde derart gewählt, daß zum Verdampfen einer geringen Materialmenge genügend Energie geliefert wird. Die Impulsdauer ist auch kurz genug, d.h. 0,2 bis 3 ms., damit verhindert wird, daß benachbartes Material durch Wärmeübertragung derart erhitzt wird, daß es zum Schmelzen anfängt. Die benutzte Impulsenergie liegt in einem Bereich von 0,05 bis 1 J.
• Die Mikrobearbeitung oder Mikrofräsbearbeitung kann beispielsweise in drei Schritten erfolgen:
• (die angegebenen Werte sind ein Beispiel der Verwendung eines Nd-YAG-Lasers)
• 1. ein schneller Vorbearbeitungsschritt mit einer Impulsdauer von etwa 3 ms., einer Impulsenergie von etwa 1 J und einer Impulsfolgefrequenz von etwa 40 Hz. In einer kurzen Zeit wird viel Wärmeenergie geliefert und es können eine Tiefe von 1 mm/min und ein Oberflächenbereich von 15 mm²/min erhalten werden.
• 2. ein Arbeitsschritt mit einer Impulsdauer von 0,2 bis 0,3 ms, einer Impulsenergie von etwa 0,05 J und einer Impulsfolgefrequenz von 100 Hz. Die abzutragende Tiefe ist im wesentlichen auf Null einstellbar. die Arbeitsgeschwindigkeit im Schritt beträgt beispielsweise 0,15 mm³/min.
• 3. ein Nachbearbeitungsschritt: richtiges Glätten, wobei die Bearbeitung mit einer Impulsdauer von etwa 3 ms., einer Impulsenergie von etwa 0,8 J und einer Impulsfolgefrequenz von etwa 50 Hz erfolgt.
• Die Erfindung findet ihre Anwendung insbesondere bei der Herstellung durchgehender Löcher, blinder Löcher, Rillen oder Nuten mit den zuvor bestimmten Formen und Abmessungen und von Oberflächenstrukturen in Metall, synthetischen Harzen oder Kermik. Die Erfindung kann speziell auch mit Herstellungsverfahren für Werkzeuge, Formen, Stempel und Präzisionsbauteile benutzt werden.

Claims (4)

1. Verfahren zum Mikrobearbeiten einer Fläche eines Werkstücks aus einem Material unter Verwendung eines pulsierenden Laserbündels, das auf die Fläche gerichtet ist, wobei das Laserbündel auf die Materialoberfläche fokussiert wird, dadurch gekennzeichnet, daß

a) der Brennpunkt des Laserbündels nahe bei der Fläche eingestellt wird,

b) das Laserbündel und das Werkstück einer relativen Reziprok-Abtastbewegung werden in einer Richtung parallel zur Fläche mit einer relativen Bewegung in Schritten unterworfen, die kleiner als der Durchmesser des Brennpunkts sind, wobei sich das Laserbündel auf überlappende Weise über dasselbe Stück des Flächengebiets bewegt und dieses gleichzeitig anstrahlt,

c) die Impulsdauer und die Energiedichte des Laserbündels und die relative Bewegung sind derart eingestellt, daß sich bei jedem Impuls eine Materialdampf- oder Materialplasmafahne auf der Oberfläche bildet.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei der Abtastbewegung die Fahne als selbststeuerndes Element derart benutzt wird, daß der Brennpunkt abhängig von der erwünschten Mikrobearbeitung auf eine Tiefe unterhalb der Fläche eingestellt wird, und räumlich an dieser Stelle gehalten wird, während die Strahlung fortgesetzt wird, bis das bearbeitete Stück des Oberflächenbereichs eine solche Tiefe unter dem Brennpunkt erreicht hat, daß die Verdampfung oder das Material immer weniger wird und ganz aufhört.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Reziprok-Abtastbewegung mit einer geradlinigen oder krummlinigen Bewegung verknüpft wird, wobei gleichzeitig das Bewegungsrezept gebildet wird, das die Form der Oberfläche, die bearbeitet ist, und die Geschwindigkeit bestimmt, mit der die Oberfläche bearbeitet wurde.

4. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, unter Verwendung beispielsweise eines Nd-YAG-Lasers, dadurch gekennzeichnet, daß die Impulsdauer, die Impulsenergie und die Impulsfolgefrequenz des pulsierenden Laserbündels auf 0,2...3 ms., 0,05...1 Joule bzw. 30...100 Hz eingestellt werden.