DE10133341A1

DE10133341A1 - Laserschneiden

Info

Publication number: DE10133341A1
Application number: DE10133341A
Authority: DE
Inventors: Peter Hering; Thomas Mitra; Mikhail Ivanenko
Original assignee: Stiftung Caesar Center of Advanced European Studies and Research
Current assignee: Stiftung Caesar Center of Advanced European Studies and Research
Priority date: 2001-07-12
Filing date: 2001-07-12
Publication date: 2003-01-23

Abstract

Verfahren zur automatisierten Erzeugung eines Schnittes in die Oberfläche eines aus hartem Material bestehenden Objektes mittels eines durch ein Fokussiermittel fokussierten Laserstrahles, wobei der Schnitt eine Schnittachse, eine Schnittbreite und eine Schnittiefe aufweist, wobei das Objekt wiederholt entlang der Schnittachse mit dem Fokus des Laserstrahles überstrichten wird, wobei die Breite des Schnittes durch eine Bewegung des Fokus vertikal zur Schnittachse aufgeweitet wird und wobei der Strahl bei Vergrößerung der Schnittiefe durch selbsttätige Justierung das Fokussiermittel auf den Boden des Schnittes nachfokussiert wird.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur automatisierten Erzeugung eines Schnittes in die Oberfläche eines aus hartem Material bestehenden Objektes mittels eines durch ein Fokussiermittel fokussierten Laserstrahles, wobei der Schnitt eine Schnittachse, eine Schnittbreite und eine Schnittiefe aufweist, wobei das Objekt wiederholt entlang der Schnittachse mit dem Fokus des Laserstrahles überstrichen wird und wobei die Breite des Schnittes durch eine Bewegung des Fokus vertikal zur Schnittachse aufgeweitet wird. Die Erfindung betrifft auch ein System insbesondere zur Durchführung des Verfahrens.
Allgemein spielt das Laserschneiden in einigen Gebieten eine zunehmend wichtige Rolle. Beispielsweise wird das Laserschneiden bei der Bearbeitung von metallischen Werkstücken eingesetzt. Auch im Bereich der Medizin, beispielsweise bei der Behandlung kariöser Zähne, werden Laserstrahlen zur Materialentfernung benutzt. Entsprechend der Vielzahl der Einsatzgebiete sind verschiedene Verfahren und Vorrichtungen zum Laserschneiden bekannt. Trotz der vielen Vorteile beim Einsatz von Lasern gehen die angewandten Techniken auch mit einer Reihe von Nachteilen einher. Gerade bei der Erzeugung vergleichsweise tiefer Schnitte treten die meisten Nachteile auf.
Zur Durchführung derart tiefer Schnitte ist es nötig, eine hohe Leistung im Schnitt zu gewährleisten, um eine maximal zerstörerische Wirkung bei minimaler Schädigung der Schnittrandzonen zu erzielen. Die Erzeugung tiefer Schnitte wird wesentlich durch die Energieverluste an den schrägen Schnittwänden und die Lichtabsorption im abgetragenen Material behindert. Diese unerwünschten Effekte können durch ein periodisches Schwenken des Strahles senkrecht zur Schnittachse stark vermindert werden. Beim Schwenken entsteht ein verbreiteter Schnittkanal mit steifen Wänden, so daß der Lichtstrahl nur wenig abgeschwächt auf den Schnittboden kommt. Die beim Schneiden entstandenen Abfallprodukte lassen sich gut aus dem künstlich verbreiterten Schnittkanal austreiben, da sie in einem größeren räumlichen Winkel austreten können. Somit kann das vom Strahl abgehobene Material effektiv beseitigt werden und die Leistung des Lasers im Schnitt wird nicht durch Absorption gemindert.
Ein weiterer die Schnittiefe und die Schnittgeschwindigkeit beeinflussender Faktor ist die Strahldivergenz und der damit verbundene Intensitätsabfall in der Tiefe. Bei einigen speziellen Anwendungen, die wegen der zum Schneiden benötigten hohen Leistung kleine Fokallängen nutzen, ist es jedoch problematisch, daß die Laserleistung stark mit der Schnittiefe variiert und dadurch die mögliche Effektivität begrenzt ist.
Aufgabe der Erfindung ist es nunmehr, ein Verfahren zu schaffen, mit dem auf einfache und kostengünstige Weise große Schnittiefen in verschiedenen Materialien möglich sind. Gleichzeitig ist es Aufgabe der Erfindung, eine zuverlässige, einfache und kostengünstig zu realisierende Vorrichtung zur Anfertigung derartiger Schnitte zu schaffen.
Diese Aufgaben werden mit einem Verfahren nach Anspruch 1 und einer Vorrichtung nach Anspruch 12 gelöst.
Bei den üblichen Schneideverfahren verhindern die Ränder des Schnittes (der Bohrung) die Verlagerung des Strahls in die Tiefe. Der Grundgedanke der Erfindung liegt also darin, den Strahl nicht nur zu schwenken, sondern ihn mit zunehmender Schnittiefe auf den Boden des Schnittes oder auf den momentanen Bearbeitungsort automatisch nachzufokussieren, so daß jederzeit die maximale Intensität auf minimaler Schnittfläche zum Schneiden zur Verfügung steht. Die selbsttätige Justierung erfolgt durch das Fokussiermittel, das beispielsweise durch Verschiebung der Optik oder Änderung der optischen Eigenschaften die Fokuslänge sukzessive vergrößert. Die selbsttätige Justierung läßt sich dabei auf verschiedene Weise erzielen: So ist eine Verschiebung der optischen Elemente in Richtung des Objekts oder eine Änderung der Brennweite möglich. Außerdem können zusätzliche optische Elemente eingesetzt werden, die die Laserstrahlparameter (Strahldurchmesser und -divergenz) vor dem Fokussiermittel ändern.
Die Vorteile der Erfindung liegen dabei auf der Hand. Durch die Konzentration der Leistung ist ein besonders schonendes Schneiden möglich, da die Leistung zum Abtragen und nicht nur zum Aufwärmen des Materials genutzt wird. Gleichzeitig lassen sich durch das Nachjustieren des Fokus größere Schnittiefen erzielen. Das Nachfokussieren bringt gerade bei den Anwendungen Vorteile, wo mit einer im Vergleich zur gewünschten Schnittiefe kleinen Länge des Fokus (Rayleighlänge) gearbeitet wird. Mit diesem Verfahren können Schnittiefen von bis zu 10 mm erreicht werden.
Dabei ist es besonders vorteilhaft, den der Fokus in einer oszillierenden Vertikalbewegung senkrecht zur Schnittachse zu schwenken, so daß der Fokus im zeitlichen Mittel etwas länger an den Rändern des Schnittes als in der Schnittachse verweilt. Das Verweilen des Fokus am Rande kann ergänzend durch entsprechende Vorkehrungen verzögert werden. Das Verschieben des Fokus geschieht im Idealfalle möglichst synchron zur Änderung der momentanen Schnittiefe. Die Geschwindigkeit der Verschiebung sollte zumindest nahezu der Geschwindigkeit der Vergrößerung der Schnittiefe entsprechen.
Die Synchronisation der Geschwindigkeiten läßt sich dadurch realisieren, daß die Änderung der Schnittiefe anhand einer Messung erfolgt und das Fokussiermittel entsprechend nachjustiert wird. Ein Maß für die Güte der Justage sind die Lautstärke der Mikroexplosionen und Intensität des dabei entstehenden Lichts. Beide Effekte begleiten den Ablationsprozess. Sinkt die Energiedichte der Laserstrahlung am momentanen Bestrahlungsort beispielsweise dadurch, daß die Schnittiefe bereits die Größenordnung der Fokuslänge erreicht hat, so nehmen sowohl das akustische als auch das optische Signal ab. Somit läßt sich die Fokusposition durch Rückkopplung auf ein maximales optisches oder akustisches Signal regeln. Die Regelung kann dabei durch Standard-Algorithmen, wie z. B. ein P-T₂-Glied, erfolgen. Lautstärke und Frequenz des akustischen Signals können dabei mit einem preiswerten Mikrophon auf oder nahe an dem Objekt aufgenommen werden und mit einer einfachen Elektronik ausgewertet werden. Ähnliche Verfahren sind als Einkoppelkontrolle von Laserlicht in Lichtleiter bekannt. Die Intensität des Lichts, das den Ablationsprozess begleitet, kann beispielsweise mit einer Photodiode gemessen werden. Bei Materialien, die aus Schichten unterschiedlicher Zusammensetzung bestehen, ist weiterhin eine spektroskopische Analyse des Ablationsfunken möglich, um auf die Schnittiefe zu schließen.
Oft ist eine solche "On-Line" Messung der Tiefe jedoch aufwendig und unpraktikabel. In den Fällen, in denen sich diese Art der Regelung nicht oder nur schwer realisieren läßt, ist es vorteilhaft, wenn die Schneidgeschwindigkeit des Strahles für ein bestimmtes Material und für spezifizierte Strahlparameter zunächst experimentell ermittelt und als empirischer Wert registriert wird. Dieser Wert dient dann beim späteren Schneiden dazu, die Justierung der Fokussiermittel zu steuern. Auch wenn damit keine sonderlich hohe Präzision der Fokussierung erzielt wird, so ist es in der Praxis ausreichend, den Strahl entsprechend des empirisch ermittelten Wertes nachzufokussieren. Dieses Verfahren, das einer einfachen Steuerung entspricht, läßt sich einfach und kostengünstig umsetzen.
Das Verfahren läßt sich beispielsweise mit einer Vorrichtung (Laserhandstück) zur Einbringung eines Schnittes in ein Objekt mittels eines Laserstrahles umsetzen, die ein System zur Strahlführung aufweist. Dieses System umfaßt einerseits Mittel zur Fokussierung des Laserstrahles und andererseits Mittel, die eine Auslenkung des Laserstrahles um eine in der Strahlführung befindliche Achse oder eine Auslenkung in der Art einer Parallelverschiebung ermöglichen. Weiterhin umfaßt das System eine elektronische Regelung der Fokusposition mittels eines Detektors, der das optische oder akustische Signal bei der Ablation aufnimmt.
In der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist beispielsweise durch das Gehäuse des Strahlführungssystems ein Referenzpunkt definiert, der während der Einbringung des Schnittes einen gleichbleibenden Abstand zur nicht vom Strahl beaufschlagten Oberfläche des Objektes hat. Erfindungsgemäß weist die Vorrichtung justierbare Mittel zur Fokussierung des Laserstrahls auf, die eine Verschiebung des Fokus gegenüber dem Referenzpunkt in Strahlrichtung entsprechend der sich ändernden Schnittiefe ermöglichen. Das bedeutet, daß ein Teil der Vorrichtung einen festen Abstand zum Objekt hat, während der Fokus im Verhältnis zu der Vorrichtung verschieblich ist.
Eine solche Vorrichtung läßt sich besonders vorteilhaft im medizinischen Bereich als "Laserskalpell" einsetzen. So ist es mit dem erfindungsgemäßen Laserskalpell, das sich beispielsweise eines gütegeschalteten CO₂-Lasers oder TEA-CO₂-Lasers bedient, möglich, Schnitte von 10 mm Tiefe in Knochengewebe einzubringen. Die Pulsdauer des gütegeschalteten CO₂-Lasers liegt dabei im Bereich von 200 ns bei einer Frequenz von 5000 Hz und einer Energiedichte von 9 J/cm² im Fokus. Ein solches Laserskalpell läßt sich daher besonders vorteilhaft zum Öffnen der Schädeldecke einsetzen, da damit der sonst beim mechanischen Sägen übliche im Gehirn verbleibende Abrieb der Sägeblätter vermieden wird, der Artefakte auf diagnostischen Kontroll-Aufnahmen erzeugt.
Bei einer solchen Vorrichtung ist es vorteilhaft, Distanzmittel vorzusehen, die einen gleichbleibenden Abstand zwischen dem Referenzpunkt und der Oberfläche des Objektes gewährleisten. Im Falle des Laserskalpells für kleine Eingriffe kann das Distanzmittel direkt durch den Kopf eines Laserhandstücks gebildet werden oder als Sonde auf diesem angebracht sein. Dieses Laserhandstück ist vorteilhafterweise ähnlich wie ein Schreibgerät mit einem Griff ausgestattet. Es ist vorteilhaft, bei großen Eingriffen, wie beispielsweise beim Öffnen einer Schädeldecke, das Laserskalpell nach Vorgaben von bildgebenden Diagnostikverfahren durch einen Rechner zu führen und zu steuern.
In der Figur ist das Nachjustieren eines Laserstrahles schematisch gezeigt.
Gezeigt ist ein Laserstrahl 1, der auf den Boden 2 eines Schnittes in einem aus harn Material bestehenden Objekt fokussiert ist. Der Laserstrahl ist durch ein nicht gezeigtes Fokussiermittel fokussiert, wobei der Schnitt eine Schnittachse 4, eine Schnittbreite 5 und eine Schnittiefe 6 aufweist. Das Objekt wird wiederholt entlang der Schnittachse 4 mit dem Fokus des Laserstrahles 1 überstrichen wird und die Breite des Schnittes wird durch eine pendelnde Bewegung 7 des Fokus vertikal zur Schnittachse 4 aufgeweitet. Zur Vergrößerung der Schnittiefe 6 wird der Strahl 1 durch selbsttätige Justierung des Fokussiermittels auf den Boden 2 des Schnittes in einer axialen Bewegung 8 nachfokussiert.

Claims

1. Verfahren zur automatisierten Erzeugung eines Schnittes in die Oberfläche eines aus hartem Material bestehenden Objektes mittels eines durch ein Fokussiermittel fokussierten Laserstrahles, wobei der Schnitt eine Schnittachse, eine Schnittbreite und eine Schnittiefe aufweist, wobei das Objekt wiederholt entlang der Schnittachse mit dem Fokus des Laserstrahles überstrichen wird und wobei die Breite des Schnittes durch eine Bewegung des Fokus vertikal zur Schnittachse aufgeweitet wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Strahl bei Vergrößerung der Schnittiefe durch selbsttätige Justierung das Fokussiermittel auf den Boden des Schnittes nachfokussiert wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Fokus in einer oszillierenden Vertikalbewegung über die Schnittachse gewedelt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Objekt wiederholt entlang der Schnittachse mit dem Fokus überstrichen wird, wobei der Strahl bei jedem Durchgang senkrecht zur Schnittachse leicht verstellt wird, um einen erweiterten Schnitt zu erzeugen.

4. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Strahl durch eine Verschiebung des Fokussiermittels, insbesondere einer Fokussierlinse oder eines Fokussierspiegels, in Richtung des Objektes nachfokussiert wird, wobei die Geschwindigkeit der Verschiebung zumindest nahezu der Geschwindigkeit der Vergrößerung der Schnittiefe entspricht.

5. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Geschwindigkeit der Vergrößerung der Schnittiefe für ein Material und für eine Strahlqualität experimentell ermittelt und als empirischer Wert registriert wird.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Strahl entsprechend des empirischen Wertes nachfokussiert wird.

7. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Geschwindigkeit der Vergrößerung der Schnittiefe während des Schneidens gemessen wird und der Strahl entsprechend dem Meßwertes nachfokussiert wird.

8. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Schnittiefe oder die Güte der Justage durch Messung des akustischen oder optischen Signals, das bei der Ablation entsteht, bestimmt wird.

9. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Laserstrahl dynamisch auf die momentan zu bearbeitende Stelle fokussiert wird, um ein vorgebbares Schnittprofil zu erzeugen oder um die Fokusposition auf die Unebenheiten des Objektes anzupassen.

10. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Schwenkgeschwindigkeit und damit die örtliche Bestrahlungszeit variiert wird, um ein vorgebbares Schnittprofil zu erzeugen.

11. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Objekt mit einem Wasserspray befeuchtet wird.

12. Vorrichtung zur Einbringung eines Schnittes in die Oberfläche eines Objektes mittels eines Laserstrahles, insbesondere zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorherigen Ansprüche, mit einem Strahlführungssystem, das Mittel zur Fokussierung des Laserstrahls und Mittel zur Auslenkung des Laserstrahls aufweist, wobei das Strahlführungssystem einen Referenzpunkt aufweist, der bei der Einbringung des Schnittes einen gleichbleibenden Abstand zur nicht vom Strahl beaufschlagten Oberfläche des Objektes hat, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zur Fokussierung des Laserstrahls eine Verschiebung des Fokus gegenüber dem Referenzpunkt in Strahlrichtung entsprechend der sich ändernden Schnittiefe erlauben.

13. Vorrichtung nach Anspruch 12, gekennzeichnet durch Distanzmittel, die einen gleichbleibenden Abstand zwischen dem Referenzpunkt und der Oberfläche des Objektes gewährleisten.

14. Vorrichtung nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Distanzmittel durch den Kopf eines Laserhandstückes gebildet werden oder auf dem Kopf angebracht sind und während des Schneidens auf die Oberfläche aufsetzbar sind.

15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zur Fokussierung des Laserstrahls im Laserhandstück angeordnet sind.

16. Vorrichtung nach Anspruch 12 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß das Laserhandstück einen Griff aufweist, der eine manuelle Handhabung ermöglicht.

17. Vorrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zur Fokussierung des Laserstrahls im Laserhandstück angeordnet sind.

18. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß das Laserhandstück einen Zerstäuber aufweist, über den Wasserspray auf und in den Schnitt sprühbar ist.

19. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 18, gekennzeichnet durch Mittel, die eine Messung der Schnittiefe oder der Justage anhand eines akustischen oder optischen Signales, das bei der Ablation entsteht, ermöglichen.