DE10062706C1

DE10062706C1 - Verfahren zum Herstellen einer flächigen Ausnehmung in einem Werkstück mit einem Laserstrahl

Info

Publication number: DE10062706C1
Application number: DE10062706A
Authority: DE
Inventors: Peter Wrba; Roland Mayerhofer; Reinhard Ferstl
Original assignee: Carl Baasel Lasertechnik GmbH and Co KG
Current assignee: Carl Baasel Lasertechnik GmbH and Co KG
Priority date: 2000-12-06
Filing date: 2000-12-15
Publication date: 2002-07-18
Anticipated expiration: 2020-12-16

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Herstellen einer Vertiefung (8) in einem Werkstück (2) mit einem Laserstrahl (L). Gemäß der Erfindung wird zumindest entlang eines Teils einer die Vertiefung (8) umgebenden Außenkontur zunächst ein schmaler linienförmiger Einschnitt (6a, b) derart erzeugt, dass eine Formgebung seiner Seitenwände (62a, b) unter Ausnutzung der Reflexion des Laserstrahls (L) innerhalb des Einschnitts (6a, b) erfolgt. Anschließend wird neben dem Einschnitt (6b) verbleibendes Material (20, 22) abgetragen.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Herstellen einer Vertiefung (Gesenk oder Kavität) in einem Werkstück mit einem Laserstrahl.

Zum Herstellen Vertiefungen oder von dreidimensionalen Struk turen in der Oberfläche eines Werkstücks ist es bekannt, den hierzu erforderlichen Materialabtrag mit einem fokussierten Laserstrahl vorzunehmen. Vertiefungen oder Kavitäten, deren Abmessungen größer als der Durchmesser des Laserstrahls sind, werden dabei durch Relativbewegungen zwischen dem Laserstrahl und dem Werkstück, beispielsweise durch paralleles Aneinan derreihen mehrerer Spuren, erzeugt, wobei je nach Tiefe des Abtrags eine mehrlagige Bearbeitung erfolgt.

Beim Materialabtrag mit einem Laserstrahl besteht nun das Problem, dass sich bei senkrechtem Einfall des Laserstrahls auf die Oberfläche des Werkstücks tiefere Ausnehmungen mit senkrechten oder hinterschnittenen Seitenwänden nicht her stellen lassen. Dies ist im wesentlichen darauf zurückzufüh ren, dass die Leistungsdichte im Strahlquerschnitt zum Rand hin abnimmt. Dies führt dazu, dass sich bei senkrechtem Ein fall auf die Oberfläche des Werkstücks ein materialbedingter und von der Leistungsdichteverteilung des Laserstrahls abhän gender Kantenwinkel ausbildet und die Seitenwand nicht senk recht zur Werkstückoberfläche, sondern mit einer Neigung zu dieser verläuft. Um bei tiefen Gesenken senkrechte Seitenwän de oder Hinterschnitte zu erzeugen, ist es deshalb erforder lich, die Laserstrahlachse unter einem Winkel auf die Ober fläche des Werkstücks auszurichten. Dies ist beispielsweise die Oberfläche des Werkstücks auszurichten. Dies ist bei spielsweise in der Handbuchreihe "Laser in der Materialbear beitung", Band 7, "Abtragen, Bohren, und Trennen mit Festkör perlasern", S. 174ff, Hrsg. VDI-Technologiezentrum Physikali sche Technologien, ISBN 3-00-002233-3, näher erläutert.

Um die Herstellung einer Kavität zu ermöglichen, deren ge genüberliegende Seitenflächen senkrecht zur Werkstückober fläche verlaufen oder hinterschnitten sind, ist aus der DE 39 23 356 C1 bekannt, den Laserstrahl in Kombination mit einer Hin- und Herbewegung des Werkstückes pendelförmig zu verschwenken. Die Schwenkbewegung der Laserstrahlachse relativ zur Werkstückoberfläche ist jedoch mit einem zusätzlichen ap parativen Aufwand zur Strahlführung oder Werkstückbewegung verbunden, der die Wirtschaftlichkeit von Laserabtragsverfah ren in einer Reihe von Anwendungsfällen in Frage stellt.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Herstellen einer flächigen Ausnehmung in einem Werkstück mit einem Laserstrahl anzugeben, bei dem die vorstehend ge nannten Nachteile vermieden sind und mit dem die Herstellung senkrechter oder hinterschnittener Seitenwände auch bei senk rechtem Einfall des Laserstrahls auf die Oberfläche des Werk stücks möglich ist.

Die genannte Aufgabe wird gemäß der Erfindung gelöst mit einem Abtragsverfahren gemäß Patentanspruch 1. Bei dem erfindungsge mäßen Abtragsverfahren zum Herstellen einer flächigen Ausneh mung in einem Werkstück mit einem Laserstrahl wird zunächst entlang einer die Ausnehmung umgebenden Außenkontur ein li nienförmiger Einschnitt derart erzeugt, dass eine Formgebung der Seitenwände in einer senkrecht zur Außenkontur verlaufen den Ebene unter Ausnutzung der Reflexion des Laser strahls an den Seitenwänden innerhalb des Einschnitts erfolgt, wobei anschließend neben dem Einschnitt verbleibendes Material abgetragen wird.

Die Erfindung beruht dabei auf der Erkenntnis, dass es bei der Herstellung relativ schmaler Einschnitte oder beim Schneiden mittels eines Laserstrahls aufgrund der innerhalb des Ein schnitts an den Seitenflächen entstehenden Reflexionen möglich ist, senkrechte Seitenwände oder auch Hinterschnitte zu erzeu gen. Durch solche mehrfachen Reflexionen wird ein Teil des einfallenden Laserstrahls zwischen den Seitenwänden hin- und herreflektiert, so dass der Abtrag quer zur Laserstrahlachse verbessert und der vorstehend erläuterte Kantenwinkeleffekt kompensiert wird. Bei geeigneter Wahl der Fokussierbedingungen des Laserstrahles, d. h. Leistungsdichteverteilung, Strahlform und Fokuslage, können auch hinterschnittene Seitenflächen er zeugt werden.

Aus der JP-OS 06-304769 ist es zwar zur Herstellung einer er habenen Struktur mit einem Laserstrahl bereits bekannt, diese zunächst an einer Außenkontur mit einem Laserstrahl mit klei nem Spotdurchmesser zu umfahren, um dann den seitlichen Mate rialabtrag mit einem Laserstrahl mit höherer Leistung und grö ßerem Spotdurchmesser durchzuführen. Dieses bekannte Verfahren bezieht sich jedoch nicht auf die Formung der Seitenwand in einer Ebene senkrecht zur Außenkontur sondern dient lediglich zur Erhöhung der Prozessgeschwindigkeit.

Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht ohne Verschwenken des Laserstrahles die Herstellung von flächigen Ausnehmungen, deren Seitenwände am gesamten Umfang eine einheitliche Aus richtung zur Werkstückoberfläche aufweisen.

In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung trifft der Laserstrahl senkrecht auf die Oberfläche des Werkstücks auf.

Vorzugsweise wird der Einschnitt hergestellt, bevor Material neben dem Einschnitt abgetragen wird. Durch diese Maßnahme ist der Prozessablauf vereinfacht.

Alternativ hierzu kann auch in einem ersten Verfahrensschritt eine innenliegende Ausnehmung hergestellt werden, neben der in einem zweiten Verfahrensschritt der Einschnitt hergestellt und bei dem anschließend zwischen dem Einschnitt und der innenlie genden Ausnehmung verbleibendes Material abgetragen wird.

Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird auf die Ausfüh rungsbeispiele der Zeichnung verwiesen. Es zeigen:

Fig. 1-5 den Prozessablauf bei einem erfindungsgemäßen Abtragsverfahren in schematischen Prinzipdar stellungen,

Fig. 6-9 und 10-13 jeweils alternative Abtragsstrate gien ebenfalls anhand von schematischen Prin zipdarstellungen.

Gemäß Fig. 1 wird in ein Werkstück 2 mit einem annähernd senkrecht auf seine Oberfläche 4 auftreffenden Laserstrahl L entlang einer Außenkontur ein linienförmiger, relativ schma ler Einschnitt 6a erzeugt, der zu Prozeßbeginn eine annähernd konische Gestalt hat. Durch mehrfache Reflexion an den Sei tenwänden 62a des konischen Einschnitts 6a werden bei fort schreitender Bearbeitung die Seitenwände 62a quer zur Strahl achse des Laserstrahls L abgetragen, wobei die seitliche Ab tragsgeschwindigkeit im Bodenbereich aufgrund der durch Mehr fachreflexion dort vorliegenden höheren Leistungsdichte grö ßer ist als am Randbereich des Einschnitts 6a. Dies verur sacht eine Verringerung des Kantenwinkels α, so dass der fer tiggestellte Einschnitt 6b Seitenwände 62b aufweist, die im Beispiel gemäß Fig. 2 rechtwinklig (α = 0) zur Oberfläche 4 des Werkstücks 2 verlaufen.

Je nach Fokustiefe und Querschnitt des Laserstrahls L können auch nach innen geneigte Seitenwände, d. h. Hinterschneidungen mit einem negativen Kantenwinkel α erzeugt werden, wie sie in Fig. 2 gestrichelt angedeutet sind.

Die äußeren Seitenwände 62b des Einschnittes 6b bilden die Seitenwand der herzustellenden und in Fig. 1, 2 und 4 jeweils gestrichelt dargestellten Vertiefung 8.

In der Draufsicht auf die Oberfläche 4 des Werkstücks 2 gemäß Fig. 3 ist zu erkennen, dass im Ausführungsbeispiel durch den fertiggestellten Einschnitt 6b eine rechteckförmige Außenkon tur erzeugt ist, innerhalb derer Material 20 verbleibt.

Nach Fertigstellung der Einschnitte bis zur Endtiefe t_E wird das neben ihnen liegende, im Ausführungsbeispiel von diesen umgebene, innenliegende Material 20 gemäß Fig. 2 und 4 Lage für Lage abgetragen, so dass sich die gewünschte, im Ausfüh rungsbeispiel quaderförmige Vertiefung 8 gemäß Fig. 4 ergibt.

Anstelle einer Fertigstellung der Einschnitte 6b bis zur ge wünschten Endtiefe t_E und eines anschließenden Abtrags des innenliegenden Materials 20 kann auch eine Herstellung der Einschnitte 6b bis zu einer vorgegebenen Anfangstiefe t_A er folgen, wie dies in der Fig. 6 veranschaulicht ist. Breite und Anfangstiefe t_A des Einschnitts müssen dabei so bemessen sein, dass die gewünschte Formung der Wandkontur durch Refle xion des Laserstrahls L innerhalb der Einschnitte 6b erfolgt. Anschließend wird gemäß Fig. 7 das innenliegende Material 20 bis zu einer Zwischentiefe t₁ abgetragen, die kleiner oder gleich t_A ist (Doppelpfeil a). Im nächsten Prozessschritt werden die Einschnitte (Randspur) 6b gemäß Fig. 8 um Δt ver tieft (t_A + Δt). Ein mehrmaliges Wiederholen führt dann gemäß Fig. 9 zu einer schrittweisen Zunahme der Abtragtiefe. Nach Erreichen der Endtiefe t_E der Einschnitte 6b wird dann in ei nem abschließenden Abtragsprozess nur noch das restliche in nenliegende Material 20 abgetragen (Doppelpfeil b).

Alternativ zu den in Fig. 1-9 beschriebenen Verfahrensabläu fen kann auch eine Abtragsstrategie vorgesehen sein, bei der zunächst in einem ersten Verfahrensschritt ein innerhalb der vorgesehenen Vertiefung 8 liegender Bereich in herkömmlicher Weise gemäß Fig. 10 abgetragen ist, so dass eine innenlie gende Vertiefung 8a entsteht, deren Seitenwände 82a die bei senkrechtem Einfall des Laserstrahls L entstehende Neigung mit den vom Werkstoff des Werkstücks 2 abhängigen Kantenwinkel b aufweist. Neben dieser innenliegenden Vertiefung 8a werden dann in einem zweiten Verfahrensschritt gemäß Fig. 11 und 12 Einschnitte 6a bzw. 6b erzeugt, deren Seitenwände 62b im Endzustand gemäß Fig. 12 beispielsweise rechtwinklig zur Oberfläche 4 des Werkstücks 2 verlaufen. Nach Fertigstellung des Einschnitts 6b, der wie der Draufsicht gemäß Fig. 13 ent nommen werden kann, im Ausführungsbeispiel eine rechteckige Außenkontur festlegt, verbleibt innerhalb dieser Außenkontur Material 22, das die innenliegende Vertiefung 8a rahmenförmig umgibt. Dieses Material 22 wird dann in einem nächsten Pro zessschritt abgetragen, so dass sich die gewünschte Vertie fung 8 gemäß Fig. 14 ergibt.

Anstelle der im Ausführungsbeispiel dargestellten Vertiefung mit umlaufendem Einschnitt ist je nach Erfordernis an die Seitenwandstruktur der Vertiefung auch vorstellbar, dass der Einschnitt nur entlang einem Teil der Außenkontur vorgenommen wird, so dass dieser nur einen Teil der Seitenwand bildet. Dies ist dann ausreichend, wenn nur bei diesem Teil der Sei tenwand eine Hinterschneidung oder ein rechtwinkliger Verlauf gefordert ist.

Bezugszeichenliste

2

Werkstück

4

Oberfläche
6a, b Einschnitt

8

Vertiefung

8

a innenliegende Vertiefung

20

,

22

Material
62a, b Seitenwand

82

a Seitenwand
α, β Kantenwinkel
L Laserstrahl
a, b Doppelpfeil
t_A

, t₁

, t_E

Anfangstiefe, Zwischentiefe, Endtiefe

Claims

1. Verfahren zum Herstellen einer flächigen Ausnehmung (8) in einem Werkstück (2) mit einem Laserstrahl (L), bei dem zumin dest entlang eines Teils einer die Ausnehmung (8) umgebenden Außenkontur zunächst ein linienförmiger Einschnitt (6a, b) der art erzeugt wird, dass eine Formgebung seiner Seitenwän de (62a, b) in einer senkrecht zur Außenkontur verlaufenden E bene unter Ausnutzung der Reflexion des Laserstrahls (L) in nerhalb des Einschnitts (6a, b) erfolgt, und bei dem anschlie ßend neben dem Einschnitt (6b) verbleibendes Material (20,22) abgetragen wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem der Laserstrahl (L) senkrecht auf die Oberfläche (4) des Werkstücks (2) auftrifft.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem in einem ersten Verfahrensschritt eine innenliegende Ausnehmung (8a) herge stellt wird, neben der in einem zweiten Verfahrensschritt der Einschnitt (6b) hergestellt und bei dem anschließend zwischen dem Einschnitt (6b) und der innenliegenden Ausnehmung (8a) verbleibendes Material (22) abgetragen wird.