WO2003018248A1

WO2003018248A1 - Verfahren und vorrichtung zur mikrobearbeitung eines werkstücks mit laserstrahlung

Info

Publication number: WO2003018248A1
Application number: PCT/DE2002/002958
Authority: WO
Inventors: Henning Hanebuth; Eberhard Kull; Günter KAMLAGE
Original assignee: Siemens AG; Siemens Corp
Current assignee: Siemens AG; Siemens Corp
Priority date: 2001-08-17
Filing date: 2002-08-12
Publication date: 2003-03-06
Anticipated expiration: 2004-02-17
Also published as: DE10140533A1; EP1420917A1; DE10140533B4

Abstract

Bei einem Verfahren zur Mikrobearbeitung eines Werkstücks (3), insbesondere zum Erzeugen einer Bohrung in dem Werkstück (3), mittels ultrakurzgepulster Laserstrahlung, wird eine Opferschicht (7) fest auf eine Oberfläche des Werkstücks (3) aufgelegt. Anschliessend werden ultrakurze Laserpulse erzeugt, die die Opferschicht (7) durchdringen und Material des Werkstücks (3) abtragen. Nach ausreichendem Abtrag von Material des Werkstücks (3) wird die Opferschicht (7) abgenommen.

Description

Beschreibung

Verfahren und Vorrichtung zur Mikrobearbeitung eines Werkstucks mit Laserstrahlung

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Mikrobearbeitung eines Werkstucks, insbesondere zum Erzeugen einer Bohrung in dem Werkstuck, mittels ultrakurzgepulster Laserstrahlung.

Aus C. Momma et al. „Präzise Mikro-Bearbeitung mit Femtose- kunden-Laserpulsen" , Laser und Optoelektronik 29(3/1997) sind ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Mikrobearbeitung von Werkstucken mittels Laserstrahlung, insbesondere zum Bilden von rotationssymmetrischen Ausnehmungen in Werkstucken, bekannt. Bei diesem Verfahren wird Laserstrahlung aus einem ultrakurzgepulsten Laser, beispielsweise aus einem im Fe to- sekundenbereich gepulsten Laser, auf ein Werkstuck gerichtet, um in diesem beispielsweise eine im wesentlichen rotations- symmetrische Ausnehmung, z. B. eine Bohrung, zu bilden.

Aus der DE 197 44 368 AI ist der Einsatz eines Femtosekunden- lasers in Verbindung mit einem Mittel zum Drehen der Polari- sationsemrichtung bekannt.

Andererseits ist es bekannt, dass beim Bohren mit einem fo- kussierten Laserstrahl strahlemtrittsseitig eine Kantenverrundung nicht vermeidbar ist. Der Radius der Verrundung wird dabei im wesentlichen durch die Strahlkaustik im Brennpunkt- bereich beemflusst, d. h. je scharfer die Strahlung fokus- siert wird, desto großer ist der Verrundungsradius an der 0- berflache des Werkstucks. Der minimale Brennpunktdurchmesser sowie der Divergenzwinkel werden hauptsächlich durch die Wel- lenlange der verwendeten Laserstrahlung, den Durchmesser des aus dem Laser heraustretenden Laserlichts sowie durch die Brennweite der Fokussieroptik bestimmt.

Zusätzlich haben sowohl die Pulsenergie als auch die Pulszahl Emfluss auf die Kantengeometrie des zu bearbeitenden Werkstucks. Beim Perkussionsbohren, d. h. beim Bohren mit einem starren Laserstrahl und einem unbewegten Werkstuck ist mit steigender Pulszahl und steigender Pulsenergie eine Zunahme der Verrundung an der Eintrittskante des Laserlichts auf dem Werkstuck zu beobachten.

Ein weiteres Problem besteht darin, dass die beim Bohren abgetragenen Partikel aus dem Werkstuck sich im Laufe des Bohr- prozesses in der Nahe des Bohrlochs ablagern und bei der Fortsetzung des Bohrvorgangs störend wirken. Die Partikel können an der Oberflache haften bleiben und müssen dann nachtraglich entfernt werden.

Bislang wird das Problem der Kantenverrundung dadurch gelost, dass die zu bearbeitende Oberflache des Werkstucks galvanisch mit einer Opferschicht aus Kupfer beschichtet wird, damit sich in dieser die für das Laserbohren typische strahlein- trittsseitige Kantenprofil ausbilden kann. Der Einsatz der Opferschicht hat außerdem den Vorteil, dass auch die beim

Bohren gelosten Werkstoffpartikel auf der Oberflache der Opferschicht abgelagert werden und bei Entfernung der Opferschicht zusammen mit dieser entfernt werden.

Nach dem Bohrvorgang wird die Opferschicht wieder entfernt, indem sie durch eine Saure abgeatzt wird. Dieser Vorgang ist sehr aufwendig. Die Abatzdauer muss so festgelegt werden, dass das Werkstuck selber nicht durch die Saure angegriffen wird. Ferner entsteht beim Abatzen Wasserstoff, der in die 0- berflache des Werkstucks eindringt und dieses versprödet. Bei einem sehr hoch druckbelasteten metallischen Werkstoff, wie er beispielsweise in einer Dieseleinspritzduse eingesetzt wird, besteht durch die Wasserstoffversprodung die Gefahr von

Brüchen.

Ein weiteres Problem bei der Bearbeitung mit konventionellen gepulsten Lasern besteht darin, dass bei Laserpulsen im Nano- Sekundenbereich durch die Laserenergie eine Verschmelzung im Ubergangsbereich zwischen der Opferschicht und dem Werkstuck stattfindet, die zu plastischen Verformungen im Ubergangsbereich zwischen der Opferschicht und dem Werkstuck fuhren. Nach Entfernung der Opferschicht bleibt dann ein unerwunsch- ter Grat zurück.

Es ist die Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur Mikrobearbeitung zu schaffen, bei dem die Nachteile des Standes der Technik vermieden werden.

Erfmdungsgemaß wird diese Aufgabe bei einem der Verfahren der eingangs genannten Art dadurch gelost, dass eine Opferschicht fest auf eine Oberflache des Werkstucks aufgelegt wird, dass anschließend ultrakurze Laserpulse erzeugt werden, die die Opferschicht durchdringen und Material des Werkstucks abtragen, und dass nach ausreichendem Abtrag von Material des Werkstucks die Opferschicht abgenommen wird.

Dadurch, dass erfmdungsgemaß die Opferschicht nicht chemisch fest mit dem zu bearbeitenden Werkstuck verbunden wird, lasst sich die Opferschicht nach der Laserbearbeitung leicht entfernen. Dazu muss die Opferschicht lediglich weggeschoben o- der abgehoben werden. Zusammen mit der Opferschicht werden auch die von dem Werkstück abgetragenen Partikel, die sich auf der freien Oberfläche der Opferschicht abgelagert haben, entfernt. Das durch die Laserstrahlung hervorgerufene strahl- eintrittsseitige Kantenprofil mit der Kantenverrundung ist in der Opferschicht ausgebildet und wird mit dieser entfernt. Dadurch wird eine scharfkantige Kontur am Übergang zwischen der Oberfläche des Werkstücks und der durch die Laserstrahlung hervorgerufenen Vertiefung oder Bohrung erzeugt.

Erfindungsgemaß wird durch ultrakurze Laserpulse ein schmelzfreies Abtragen ermöglicht, d h. ein Verschmelzen der Opferschicht mit dem Werkstuck wird vermieden. Dadurch, dass die Opferschicht spaltfrei auf dem Werkstuck aufliegt, wird ein exakter Materialabtrag von dem Werkstück ohne Kantenverrun- düngen erreicht. Vielmehr werden scharfkantige Rander an

Bohrlochern oder anderen durch die Laserpulse erzeugten Vertiefungen in dem Werkstück erreicht.

Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteran- spruchen und aus der Beschreibung.

In einer bevorzugten Ausfuhrungsform des Verfahrens wird das Werkstuck mit Laserpulsen bestrahlt, die eine Lange von weniger als 500 Pikosekunden Dauer, insbesondere von weniger als 1 Pikosekunde, haben.

Als Materialien für die Opferschicht kommen viele verschiedene Materialien in Betracht, insbesondere solche, die aus einem weichen, an die Oberflachenform des Werkstucks anpassba- ren und in seinen Eigenschaften dem Material des Werkstucks ahnlichen Material bestehen. Beispielsweise ist auch ein entsprechend hitzebestandiger Kunststoff geeignet. Bevorzugt wird eine Schicht aus einem weichen Metall als Opferschicht eingesetzt, da die Oberflache des weichen Metalls leicht an die Oberflache des Werkstucks angepasst werden kann. Als weiches Metall lasst sich Blei einsetzen.

Als Metall ist besonders Kupfer geeignet. Bevorzugt wird eine Kupferschicht von wenigen Hundert Mikrometern Starke eingesetzt, etwa mit einer Dicke von 200 μm.

Die Erfindung bezieht sich ebenfalls auf eine Vorrichtung mit einem ultrakurzgepulsten Laser zur Durchfuhrung eines der o- ben gekennzeichneten Verfahren.

Bei der erf dungsgemaßen Vorrichtung sind Mittel zur Fokus- sierung des Laserstrahls vorhanden. Durch diese Mittel lassen sich präzise mikrobearbeitete Werkstucke herstellen.

Bevorzugt sind bei der Vorrichtung Mittel zur Drehung der Polarisationsrichtung des Laserstrahls und des Werkstucks rela- tiv zueinander wahrend des Bearbeitungsvorgangs um eine zur

Polarisationsebene des Laserstrahls im wesentlichen senkrechte Achse vorgesehen. Auch durch diese Maßnahme wird die Präzision bei der Mikrobearbeitung erhöht.

Durch das erfmdungsgemaße Verfahren lassen sich Einspritzdüsen für die Kraftstoffeinspritzung, Kuhlbohrungen in Turbi- nenschaufein, Steuerdrosseln für Hydraulikanwendungen und Spinndüsen herstellen.

Nachstehend wird die Erfindung m Ausfuhrungsbeispielen anhand der Zeichnungen naher erläutert. Diese zeigen: Fig. 1 eine schematische Seitenansicht einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens,

Fig. 2a - c Raster-Elektronenmikroskop-Aufnahmen von mit einem Verfahren gemäß dem Stand der Technik erzeugten Bohrungen (a und b) und einer erfindungsgemäß hergestellten Bohrung (c) und

Fig. 3 eine Düsenkuppe einer Einspritzdüse mit Spritzlöchern.

Ein erfindungsgemäßes Lasersystem 1 (Fig. 1) weist einen ult- rakurzgepulsten Laser auf, der Laserimpulse im Femtosekunden- bereich erzeugt. Der Laser ist beispielsweise ein Ti: Saphir- System, das Pulse mit einer Wellenlänge von 775 nm emittiert. Im Ausbreitungsweg der durch das Lasersystem 1 erzeugten, linear polarisierten Laserstrahlung ist eine Halbwellenplatte 2 angeordnet, die koplanar zur Polarisationsebene der Laserstrahlung angeordnet ist. Die Polarisationsebene der Laserstrahlung liegt senkrecht zur Zeichnungsebene und verläuft in diese hinein, was durch eine Linie P gekennzeichnet ist. Die Halbwellenplatte 2 dient zur Drehung der Polarisationsrichtung der Laserstrahlung. Hierzu ist die Halbwellenplatte 2 mit einer hier nicht dargestellten Drehantriebseinrichtung ausgestattet, die sie um eine zu der Polarisationsebene im wesentlichen senkrechte Drehachse dreht.

In Ausbreitungsrichtung hinter der Halbwellenplatte 2 ist im Ausbreitungsweg der Laserstrahlung eine diffraktive Optik angeordnet, die eine Einrichtung zur Erzeugung einer bestimmten Intensitatsverteilung auf einem zu bearbeitenden Werkstück 3 bildet und bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel durch ein Hologramm 4 gebildet ist. Das Werkstück 3 ist als ebene Platte ausgebildet. Das Hologramm 4 ist auf einem Positioniertisch angeordnet, der in Fig. 1 durch einen Pfeil 5 symbolisiert ist und zur genauen Einstellung des Abstands zwischen dem Hologramm 4 und dem zu bearbeitenden Werkstuck 3 dient. Das Hologramm 4 ist in ein transparentes Material aus Kunststoff, aus einem Polymer, aus Glas , Quarz oder einem Salz eingebracht. Anstelle des Hologramms 4 lasst sich auch ein Linsensystem zur Beugung des Strahls der Laserpulse einsetzen.

Das Werkstuck 3 ist ebenfalls an einem Positioniertisch angeordnet, der in Fig. 1 durch einen Pfeil 6 angedeutet ist und zur genauen Einstellung des Bereichs des Werkstucks 3 dient, der bearbeitet werden soll.

Vor dem Werkstuck 3 ist eine Opferschicht 7 als Platte ohne Spaltbildung aufgelegt. Zur Herstellung einer losbaren Verbindung zwischen dem Werkstuck 3 und der Opferschicht dienen hier nicht dargestellte Befestigungsmittel, im einfachsten Fall ein Klebeband oder eine Schraubzwinge.

Das Hologramm 4 ist beispielsweise ein Doughnut-Hologramm, so dass sich bei Betrieb des Lasersystems 1 eine kreisrmgformi- ge Intensitatsverteilung auf der Opferschicht 7 und nach Ab- tragung des entsprechenden Bereichs auf der Opferschicht 7 auf dem Werkstück 3 selbst einstellt.

Zur Bildung einer rotationssymmetrischen Bohrung in dem Werkstuck 3 wird die Laserstrahlung des Lasersystems 1 über die Halbwellenplatte 2 und das Hologramm 4 auf die Opferschicht 7 und somit auch auf das Werkstuck 3 gerichtet, so dass sich die kreisrmgfor ige Intensitatsverteilung einstellt. Wahrend des Bearbeitungsvorgangs wird die Halbwellenplatte 2 durch die Drehantriebsvorrichtung kontinuierlich drehangetrieben, so dass die Polarisationsrichtung der Laserstrahlung wahrend des Bearbeitungsvorgangs kontinuierlich in einer einheitlichen Drehrichtung in der Polarisationsebene P gedreht wird. Durch die Laserstrahlung wird gemäß der kreisrmgformigen Intensitatsverteilung Material von der Opferschicht 7 und dann von dem Werkstuck 3 selbst abgetragen. Dabei wird entweder eine Sacklochbohrung erzeugt, oder es wird eine durchgehende Bohrung gebildet, so dass die Laserstrahlung auf der einem Eintrittsbereich 8 (Fig. 2c) abgewandten Austrittsseite 9 des Werkstucks 3 wieder heraustritt.

Anstelle der linear polarisierten Laserstrahlung lasst sich auch zirkulär polarisierte Laserstrahlung einsetzen. In die- sem Fall wird anstelle der drehantreibbaren Halbwellenplatte 2 eine ortsfeste λ/4-Platte verwendet, die die Laserstrahlung zirkulär polarisiert.

Aus Fig. 2c ist ersichtlich, dass durch das Auflegen der Op- ferschicht im Eingangsbereich 8 em verrundungsfreier, präziser und scharfkantiger Übergang von einer der Opferschicht 7 zugewandten Oberflache 10 des Werkstucks 3 und einer Bohrung 11 erzeugt wird.

Im Unterschied hierzu gelingt es mit einer nach dem Stand der Technik durchgeführten Laserbestrahlung mit einem Nd:YAG- Laser mit Pulsen im Nanosekundenbereich bei einer zunächst aufgelegten und dann entfernten Opferschicht nicht, eine scharfe Kante zwischen einer Bohrung 13 (Fig. 2a) und einer Oberflache 14 herzustellen. Vielmehr entsteht em Bereich, in dem das Material des Werkstucks mit dem Material der Opferschicht verschmilzt. Beim Entfernen der Opferschicht entsteht durch das gewaltsame Abreißen der Opferschicht eine gratfor- mige Zone 15 mit einer plastischen Verformung am Werkstuck. Auch bei Einsatz eines Femtosekundenlasers wird, wenn nach einem herkömmlichen Laserbestrahlungsverfahren keine Opferschicht eingesetzt wird, kein präziser Übergang zwischen einer Bohrung 16 (Fig. 2b) und einer Oberflache 17 eines Werkstucks erzeugt. Vielmehr entsteht eine trichterförmige Verbreiterung der Bohrung, die zudem noch eine Riefenstruktur aufweist .

Erst durch den erfmdungsgemaßen Einsatz ultrakurzgepulster Laserstrahlung in Verbindung mit der auf das Werkstuck 3 aufgelegten Opferschicht 7 wird der hochgenaue, in Fig. 2c dargestellte Übergang erzielt. Das Werkstuck 3 besteht bei- spielsweise aus einem emsatzgeharteten Stahl, einem Nitrierstahl oder einem Edelstahl.

In einem anderen Ausfuhrungsbeispiel (Fig. 3) weist eine Du- senkuppe 18 einer Einspritzdüse für einen Dieselmotor Spritz- locher 19 und 20 auf, die durch das Lasersystem 1 erzeugt werden, wenn dessen Laserpulse von außen auf die Dusenkuppe 18 gerichtet werden. Erfindungsgemaß wird dabei eine Opferschicht 21 aus Kupfer aufgelegt, die beispielsweise von einer Rolle abgewickelt wird. Nachdem das jeweilige Spritzloch 19 oder 20 gebildet worden ist, wird die Rolle weitergewickelt, so dass von dem Band des Opfermaterials wieder neues Materials auf der Dusenkuppe 18 aufliegt, das dann als Opferschicht 21 dient. Die Spritzlocher 19, 20 haben einen Durchmesser von 100 bis 200 μm und eine Tiefe im Millimeterbereich . Mit dem Lasersystem 1 lassen sich jedoch auch Bohrungen mit einem Durchmesser von nur 50 μm erzielen.

Claims

Patentansprüche

1. Verfahren zur Mikrobearbeitung eines Werkstucks (3), insbesondere zum Erzeugen einer Bohrung in dem Werkstuck (3) , mittels ultrakurzgepulster Laserstrahlung, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass eine Opferschicht (7) fest auf eine Oberflache des Werkstucks (3) aufgelegt wird, dass anschließend ultrakurze Laserpulse erzeugt werden, die die Opferschicht (7) durchdrin- gen und Material des Werkstucks (3) abtragen, und dass nach ausreichendem Abtrag von Material des Werkstucks (3) die Opferschicht (7) abgenommen wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Werkstuck (3) von Laserpulsen mit einer Lange von weniger als 500 Pikosekunden Dauer, insbesondere von weniger als 1 Pikosekunde, bestrahlt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass als Opferschicht (7) eine Schicht aus einem weichen, an die Oberflachenform des Werkstücks (3) anpassbaren und in seinen Eigenschaften dem Material des Werkstucks (3) ahnlichen Material gewählt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass als Opferschicht (7) eine Schicht aus einem weichen Metall eingesetzt wird.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass als Metall Kupfer verwendet wird.

6. Vorrichtung mit einem ultrakurzgepulsten Laser (1) zur

Durchführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 5, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass Mittel (4) zur Fokussierung des Laserstrahls vorhanden sind.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass Mittel (2) zur Drehung der Polarisationsrichtung des Laser- Strahls und des Werkstücks (3) relativ zueinander während des Bearbeitungsvorgangs um eine zur Polarisationsebene des Laserstrahls im wesentlichen senkrechte Achse vorhanden sind.