DE102008038395B3 - Use of laser to polish even extremely-hard substrate surfaces, including diamond-like carbon and materials with glass inclusions, adjusts pulse repetition frequency for roughing then polishing - Google Patents

Abstract

The beam emitted from a laser (4) is directed onto part of the substrate (2) surface (1). A first stage of roughing is followed by a second stage of polishing. During polishing, the pulse repetition frequency of the laser equals or exceeds 45 kHz. Roughing takes place at 4 kHz or more. The maximum output power of the laser is at least 20 W and the output power is reduced or raised. The substrate is silicon nitrite, silicon carbide, hardened steel or a hard material. The laser is moved in space relative to the substrate surface. It is moved simultaneously in all three axial directions (XYZ). Alternatively the movements occur successively, starting with one axial direction and ending with a last axial direction. The laser is operated continuously, or is a pulsed solid body laser, e.g. a YAG-laser or a fiber laser. The YAG laser is flash-pumped, or diode-pumped. Alternatively the fiber laser is diode-pumped and pulsing is achieved by mode coupling or through Q-switching. The laser has a mode aperture with an opening of 0.35 - 2 mm in size. The mode aperture is polished.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Glätten der Oberfläche eines Substrates unter Verwendung eines Lasers, wobei die Oberfläche in einem ersten Schritt durch Schruppen und in einem zweiten Schritt durch Polieren geglättet wird.The The invention relates to a method for smoothing the surface of a Substrate using a laser, the surface in a first Step by roughing and in a second step by polishing smoothed becomes.

Beschichtungen lassen sich auf nahezu allen Grundmaterialien und auf verschiedenste Formen homogen aufbringen. Es ist bekannt, dass eine diamantähnliche Beschichtung mit einer entsprechenden Härte von bis zu 10.000 Vickers in einem Niedertemperaturverfahren bei beispielsweise 80°C aufgetragen werden kann. Insbesondere ist es auch möglich, die Innenbeschichtung von Hohlkörpern erfolgreich mit hoher Haftung und Homogenität durchzuführen.coatings can be applied to almost all basic materials and to a wide variety of materials Apply forms homogeneously. It is known that a diamond-like Coating with a corresponding hardness of up to 10,000 Vickers applied in a low temperature process at, for example, 80 ° C can be. In particular, it is also possible, the inner coating of hollow bodies successfully perform with high adhesion and homogeneity.

Dazu wird aus einer gasförmigen Kohlenstoffquelle, wie Methan, mit Hilfe eines Plasmas, d. h. mit Hilfe eines elektrisch angeregten Gases, und durch Prozessparameter, die auf die Beschichtung abgestimmt sind, wie beispielsweise Druck, Leistung, Art der Einspeisung, Gasfluss usw., eine diamantartige Kohlenstoffschicht (diamond like carbon-Schicht, im Folgenden als DLC-Schicht bezeichnet) auf dem Substrat erzeugt. Eine DLC-Schicht ist aufgrund ihrer charakteristischen Eigenschaften u. a. optimal für die Beschichtung von Objekten geeignet, die hoher Reibung und abrasiven Kräften ausgesetzt werden. Dies können beispielsweise Kolben oder andere Motorenteile, Gewindeformer sowie weitere Werkzeuge zur Metallbearbeitung sein.To becomes from a gaseous Carbon source, such as methane, with the aid of a plasma, d. H. With Help of an electrically stimulated gas, and by process parameters, which are tailored to the coating, such as pressure, Power, type of feed, gas flow, etc., a diamond-like Carbon layer (diamond like carbon layer, hereinafter referred to as DLC layer) generated on the substrate. A DLC layer is due to their characteristic properties u. a. optimal for the coating suitable for objects exposed to high friction and abrasive forces become. This can For example, pistons or other engine parts, thread formers and be another tools for metalworking.

Eine DLC-Schicht kann derart modifiziert werden, dass sie einerseits eine wesentlich bessere Haftung zum Substrat erhält und andererseits eine hohe Dehnung unbeschadet zulässt. Durch ein homogenes Verfahren kann ein gleichmäßiger Schichtaufbau gewährleistet werden, so dass bei einer beispielsweise hochglanzpolierten Hartmetalloberfläche eine ebenso glänzende und glatte Oberfläche entsteht. Eine solche DLC-Schicht verringert die Reibung, selbst unter sparsamem Einsatz von Kühl-, Hilfs- bzw. Schmierstoffen.A DLC layer can be modified such that it on the one hand a much better adhesion to the substrate receives and on the other hand a high Elongation without damage allows. By a homogeneous process, a uniform layer structure can be ensured be, so that in a highly polished carbide surface, for example just as shiny and smooth surface arises. Such a DLC layer reduces the friction itself with the sparing use of refrigeration, auxiliary or lubricants.

Es ist äußerst problematisch, eine einwandfreie Polierung extrem harter Materialien zu gewährleisten. Beispielsweise entstehen durch den Einsatz von Laser „Kantenaufwürfe” beim Eingravieren von Nuten in einem für eine Gleitringdichtung gedachten Gleitring. Solche „Verunreinigungen” der Oberfläche müssen beseitigt werden, um eine einwandfreie Funktion einer solchen Dichtung zu gewährleisten.It is extremely problematic to ensure a perfect polishing of extremely hard materials. For example, the use of laser creates "edge drops" when engraving of grooves in one for a mechanical seal imaginary slip ring. Such "contamination" of the surface must be eliminated to ensure proper functioning of such a seal guarantee.

Eine Verunreinigung kann beispielsweise auch ein Glaskorn im verwendeten Material sein. Da ein Gleitring meist ein Hartmetall umfasst, ist der Einsatz von konventionellen Polierverfahren sehr problematisch, denn eine optimal oder homogen geglättete Oberfläche eines Substrates kann damit nicht erzielt werden.A For example, contamination can also be a glass grain in the used Be material. Since a slip ring usually includes a carbide is the use of conventional polishing processes is very problematic, because an optimally or homogeneously smoothed surface of a Substrate can not be achieved with it.

Im Stand der Technik wird dazu meist ein Sandstrahlgebläse eingesetzt. Dies ist ein technisches Gerät, das auf der Grundlage der Strahlpumpe basiert, und mit dem durch Druckluft ein Strahlmittel, wie beispielsweise Sand, auf Gegenstände geblasen wird, um sie von Rost, Farbe, Unebenheiten und Verunreinigungen oder Ähnlichem zu befreien oder sie aufzurauen. Die Anwendung dieses Gerätes nennt man auch „Sandstrahlen”. Angewendet zum Beseitigen der „Kantenaufwürfe” liefert das Sandstrahlen jedoch unbefriedigende Ergebnisse, denn durch Einsatz von Sandstrahlen entsteht „Lochfraß”, so dass die weggestrahlte Fläche nicht homogen verläuft. Des Weiteren entstehen beim Sandstrahlen weitere Verunreinigungen, die mit den konventionellen Verfahren kaum zu beseitigen sind. Da viele Strahlmittel hygroskopisch sind, d. h. Feuchtigkeit bzw. auch Luftfeuchtigkeit aufnehmen, wird bei Sandstrahlgebläsen und Sandstrahlkesseln trockene Luft benötigt. Die von einem Kompressor bereitgestellte Druckluft kann daher nur zum Sandstrahlen verwendet werden, wenn sie zuvor gekühlt und getrocknet wurde. Sandstrahlen erzeugt eine hohe Staubbelastung für das Strahlpersonal wie auch für die Umwelt. Dadurch besteht die Gefahr einer gesundheitlichen Beeinträchtigung für das Strahlpersonal.in the In most of the prior art, a sandblast blower is used for this purpose. This is a technical device that is based on the jet pump, and with that through Compressed air a blasting medium, such as sand, is blown onto objects, to remove them from rust, paint, bumps and impurities or the like to free or roughen her. The application of this device is called also "sand blasting". Applied to eliminate the "edge drops" supplies However, the sandblasting unsatisfactory results, because by use from sandblasting creates "pitting", so that the blasted surface not homogeneous. Of Furthermore arise during sandblasting further impurities, the can hardly be eliminated with the conventional methods. Since many Blasting agents are hygroscopic, d. H. Humidity or humidity becomes dry with sandblast blowers and sand blasting boilers Air needed. The provided by a compressor compressed air can therefore only used for sandblasting when previously cooled and dried has been. Sandblasting creates a high dust load for the blasting personnel as well as for the environment. There is a risk of health impairment for the Ray personnel.

Wie oben erwähnt, kann alternativ die Materialbearbeitung durch einen Laser durchgeführt werden. Das Abtragen von Material von einer Oberfläche eines Substrats bei Beschuss mit gepulster Laserstrahlung wird als Laserablation bezeichnet. Bei Laserpulsen im Nanosekundenbereich führt die Energie des Lasers zu einer Aufheizung der Oberfläche während des Laserpulses, im Sinne von thermischen Bewegungen der Atome. Da die Wärmeleitung nur einen langsamen Energietransport ins Volumen ermöglicht, wird die eingestrahlte Energie auf eine sehr dünne Schicht konzentriert, beispielsweise auf ca. 1 μm bei 10 ns Pulslänge. Daher erreicht die Oberfläche sehr hohe Temperaturen und es kommt zum schlagartigen Verdampfen des Materials. Durch Ionisation, wie beispielsweise thermisch, durch das Laserlicht oder durch Elektronenstöße, entsteht bei hoher Leistungsdichte des Lasers ein Plasma aus Elektronen und Ionen des abgetragenen Materials. Die Ionen können in diesem Plasma auf Energien bis über 100 eV beschleunigt werden. Laserablation kann zum gezielten Abtragen von Materialien verwendet werden, beispielsweise anstelle von mechanischem Gravieren harter Materialien oder zum Bohren sehr kleiner Löcher. Laserablation kann auch zum Abtragen von dünnen Schichten verschiedener Verunreinigungen eingesetzt werden. Dabei wird nur die oberste Schicht, die einige Nanometer bis mehrere Mikrometer dick ist, stark erhitzt, wobei das Werkstück als Ganzes kalt bleibt.As mentioned above, alternatively, the material processing may be performed by a laser. The removal of material from a surface of a substrate under pulsed laser radiation is referred to as laser ablation. With laser pulses in the nanosecond range, the energy of the laser leads to a heating of the surface during the laser pulse, in the sense of thermal movements of the atoms. Since the heat conduction allows only a slow energy transport into the volume, the radiated energy is concentrated on a very thin layer, for example, to about 1 micron at 10 ns pulse length. Therefore, the surface reaches very high temperatures and it comes to the sudden evaporation of the material. By ionization, such as thermal, by the laser light or by electron collisions, arises at high power density of the laser, a plasma of electrons and ions of the removed material. The ions can be accelerated to energies up to more than 100 eV in this plasma. Laser ablation can be used for targeted removal of materials, for example, instead of mechanically engraving hard materials or drilling very small holes. Laser ablation can also be used to remove thin layers of various contaminants. In this case, only the top layer, which is a few nanometers to several microns thick, heated strongly, the workpiece as Whole stays cold.

Aus der DE 101 44 008 A1 sind ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Erzeugen einer Bohrung in einem Werkstück mit Laserstrahlung bekannt. Dabei wird mit einem ersten Laser in einem ersten Schritt eine Bohrung mit einem ersten Durchmesser gebohrt, der geringer ist als der endgültig zu erreichende Durchmesser. Dieser wird dann mit einem zweiten Laser in einem zweiten Schritt oder in weiteren Schritten auf den zu erreichenden Durchmesser aufgeweitet. Die Bohrung wird in einem ersten Schritt durch Schruppen und in einem zweiten Schritt oder in weiteren Schritten durch Schlichten und/oder Polieren gebildet. Hierbei kommt ein Laser mit einer Pulswiederholfrequenz zwischen 1 bis maximal 100 Hz zum Einsatz. Aus der DE 21 21 155 ist ferner eine Vorrichtung zum Anreißen der Oberfläche von Gegenstän den bekannt. Hierbei kommt ein bei einer Wellenlänge von 1064 nm emittierender YAG-Laser zum Einsatz. Der anzureißende Gegenstand ist ein Halbleiterplättchen.From the DE 101 44 008 A1 For example, a method and apparatus for producing a bore in a workpiece with laser radiation is known. In this case, with a first laser in a first step, a bore having a first diameter is drilled, which is less than the final diameter to be achieved. This is then expanded with a second laser in a second step or in further steps to the diameter to be reached. The bore is formed in a first step by roughing and in a second step or in further steps by sizing and / or polishing. Here, a laser with a pulse repetition frequency between 1 and a maximum of 100 Hz is used. From the DE 21 21 155 Furthermore, a device for scribing the surface of the objects is known. Here, a YAG laser emitting at a wavelength of 1064 nm is used. The object to be applied is a semiconductor chip.

Die DE 103 42 750 A1 beschreibt ein Verfahren zum Glätten der Oberfläche eines Substrats mittels eines Laserstrahls, bei dem die zu glättende Oberfläche zunächst in einen ersten Bearbeitungsschritt bis zu einer ersten Umschmelztiefe umgeschmolzen wird, und die dabei auf der Oberfläche verbliebenen Mikrorauhigkeiten in einem zweiten Bearbeitungsschritt durch Umschmelzen bis zu einer zweiten, kleineren Umschmelztiefe eingeebnet werden. Während dieser beiden Bearbeitungsschritte werden Laserstrahlen mit unterschiedlichen Parametern verwendet, wobei im ersten Bearbeitungsschritt kontinuierliche Laserstrahlung oder gepulste Laserstrahlung mit einer Pulsdauer ≥ 100 μs, im zweiten Bearbeitungsschritt Laserstrahlung mit einer Pulsdauer ≤ 5 μs eingesetzt wird.The DE 103 42 750 A1 describes a method for smoothing the surface of a substrate by means of a laser beam, in which the surface to be smoothed is first remelted in a first processing step to a first remelting depth, and the remaining on the surface micro roughness in a second processing step by remelting to a second to be flattened to a smaller remelting depth. During these two processing steps, laser beams with different parameters are used, wherein in the first processing step, continuous laser radiation or pulsed laser radiation with a pulse duration ≥ 100 μs, in the second processing step laser radiation with a pulse duration ≤ 5 μs is used.

Aus der DE 101 62 379 A1 ist ferner ein Verfahren zur Erzeugung einer Mikrobohrung bekannt, bei dem in einem ersten Bearbeitungsschritt eine Schruppbearbeitung und in einem zweiten Schritt eine Schlichtbearbeitung durchgeführt wird, bei der die Innenwand der Bohrung geglättet wird. Für beide Bearbeitungsschritte wird ein Nd:YAG-Laser mit einer Pulswiederholfrequenz von etwa 10 kHz verwendet.From the DE 101 62 379 A1 Furthermore, a method for producing a microbore is known, in which a roughing in a first processing step and in a second step, a finishing is performed, in which the inner wall of the bore is smoothed. For both processing steps, an Nd: YAG laser with a pulse repetition frequency of about 10 kHz is used.

Problematisch ist im Stand der Technik eine optimal geglättete Oberfläche eines Substrats zu gewährleisten, vor allem wenn es sich dabei nun extrem harte Materialien, wie um Hartmetalle, handelt. Dabei soll das Material der Oberfläche unbeschadet bleiben bzw. zumindest geschont werden.Problematic In the prior art, an optimally smoothed surface of a To ensure substrate especially if it is now extremely hard materials, such as Hard metals, acts. The material of the surface should not be damaged stay or at least be spared.

Allgemein bezeichnet man bei spanenden Fertigungsverfahren das Abheben von Werkstoff mit großem Spanvolumen als Schruppen. Schruppverfahren werden üblicherweise beim Drehen und Fräsen angewendet und dienen dazu, innerhalb möglichst kurzer Bearbeitungszeit das Werkstück der Endkontur soweit wie möglich anzunähern. Der Schruppvorgang hinterlässt meist raue Oberflächen mit geringer Maßgenauigkeit.Generally one refers to the lifting of Material with large Chip volume as roughing. Roughing processes usually become when turning and milling applied and serve, within the shortest possible processing time the workpiece the final contour as far as possible to approach. The roughing process leaves behind mostly rough surfaces with low dimensional accuracy.

Beim Polieren, das grundsätzlich das Verteilen, jedoch nicht das Abtragen von Material umfasst, wird die glättende Wirkung in der Regel mit zwei Mechanismen erreicht. Zum einen werden Rauhigkeitsspitzen der Oberflächenstruktur plastisch und teilplastisch verformt und so geebnet. Zum anderen erfolgt je nach Art der Politur ein kleinster bis überhaupt kein Werkstoffabtrag. Die damit erreichte Oberfläche ist aufgrund der Glätte oft glänzend. Zusammenfassend kann man das Polieren als ein glättendes Feinbearbeitungsverfahren bezeichnen, das für verschiedenste Materialien einsetzbar ist.At the Polishing, that basically distributing but not removing material is becoming the smoothing Effect is usually achieved with two mechanisms. For one thing Roughness peaks of the surface structure plastically and partially plastically deformed and leveled. On the other hand Depending on the type of polish is a little to none at all Material removal. The surface reached with it is often due to the smoothness glittering. In summary, polishing can be used as a smoothing finishing process denote that for Various materials can be used.

Es lässt sich festhalten, dass es sehr problematisch ist und mit viel Aufwand verbunden ist, eine einwandfreie geglättete Oberfläche eines Substrats bereitzustellen. Insbesondere ist das Entstehen von Kantenaufwürfen beim Eingravieren von Nuten in Gleitringen aus Hartmetall problematisch, denn eine homogen geglättete Oberfläche kann mit den konventionellen Schrupp- und Polierverfahren nicht gewährleistet werden.It let yourself Note that it is very problematic and with a lot of effort is connected, a perfect smoothed surface of a Substrate provide. In particular, the emergence of Kantenaufwürfen is Engraving grooves in sliding rings made of carbide problematic, because a homogeneously smoothed surface can not with the conventional roughing and polishing processes guaranteed become.

Es ist die Aufgabe der Erfindung, eine Möglichkeit bereitzustellen, die Oberfläche von Substraten von Verunreinigungen zu befreien und eine optimal geglättete Oberfläche bereitzustellen.It the object of the invention is to provide a possibility the surface from substrates to get rid of impurities and optimal smoothed surface provide.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, dass ein Verfahren zum Glätten der Oberfläche eines Substrats bereitgestellt wird, gemäß dem der Ausgangsstrahl eines Lasers auf wenigstens ein Teilbereich der Oberfläche gerichtet und das Glätten der Oberfläche in einem ersten Schritt durch Schruppen und in einem zweiten Schritt durch Polieren durchgeführt wird, wobei das Polieren bei einer Pulswiederholfrequenz des Lasers von ≥ 45 kHz erfolgt. Somit wird eine einwandfreie glatte Substratoberfläche auch extrem harter Materialien erreicht.These Task is solved by that a method for smoothing the surface of a substrate according to which the output beam of a Laser aimed at at least a portion of the surface and smoothing the Surface in a first step by roughing and in a second step is performed by polishing, wherein the polishing takes place at a pulse repetition frequency of the laser of ≥ 45 kHz. Thus, a perfectly smooth substrate surface also becomes reached extremely hard materials.

Der Teilbereich der Oberfläche ist vorzugsweise ein bestimmter Bereich auf der Substratoberfläche. Der Teilbereich kann lediglich einem Punkt auf der Oberfläche entsprechen oder mehrere Punkte auf der gesamten Oberfläche umfassen.Of the Part of the surface is preferably a certain area on the substrate surface. Of the Partial area can only correspond to one point on the surface or more points on the entire surface.

Das Schruppen erfolgt vorzugsweise bei einer Pulswiederholfrequenz des Lasers von ≥ 4 kHz. Dadurch wird die Oberfläche des Substrats soweit wie möglich an den Endzustand angenähert, wobei eine raue Oberfläche zurückbleibt. Gemäß anderen bevorzugten Ausführungsbeispielen erfolgt das Schruppen bei ≥ 5.5 kHz. Die obere Grenze der Pulswiederholfrequenz des Lasers liegt vorzugsweise bei 12 kHz. Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel erfolgt das auf das Schruppen folgende Polieren bei ≥ 58 kHz.The roughing is preferably carried out at a pulse repetition frequency of the laser of ≥ 4 kHz. As a result, the surface of the substrate is brought closer to the final state as much as possible, leaving a rough surface. According to other preferred embodiments, the roughing is done at ≥5.5 kHz. The upper limit of the pulse repetition frequency of the laser is preferably 12 kHz. According to a preferred embodiment, the polishing following the roughing takes place at ≥ 58 kHz.

Die maximale Ausgangsleistung des Lasers beträgt vorzugsweise mindestens 20 Watt und die eingestellte Ausgangsleistung wird vorzugsweise beim Schruppen und/oder beim Polieren reduziert oder auch erhöht. Die Änderung der eingestellten Ausgangsleistung erfolgt vorzugsweise in beiden Schritten, d. h. beim Polieren und beim Glätten, kann aber auch nur in einem Schritt oder in keinem der Schritte erfolgen, d. h. die einmal eingestellte Ausgangsleistung bleibt in diesem letzten Fall die gesamte Zeit über unverändert.The maximum output power of the laser is preferably at least 20 watts and the set output power is preferably at Roughing and / or polishing reduced or increased. The change the set output power is preferably carried out in both steps, d. H. polishing and smoothing, But it can only be done in one step or in no steps take place, d. H. once the output power remains set in this last case the whole time is unchanged.

Gemäß einem anderen bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung umfasst das Substrat wenigstens ein Material aus Siliziumnitrit, Siliziumcarbid, gehärteten Stahl und ein Hartmetall. Vorzugsweise umfasst das Hartmetall Wolframnitrit oder Wolframcarbid.According to one another preferred embodiment According to the invention, the substrate comprises at least one silicon nitride material, Silicon carbide, hardened Steel and a carbide. Preferably, the cemented carbide comprises tungsten nitrite or tungsten carbide.

Gemäß einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung wird der Laser relativ zur Oberfläche des Substrats im Raum verfahren. Dabei bleibt der Laser die ganze Zeit über angeschaltet, wodurch diese Technik im Folgenden als „On-The-Fly-Technik” bezeichnet wird. Alternativ wird der Laser relativ zur Oberfläche des Substrats zeitlich nacheinander, beginnend mit einer ersten Achsenrichtung und endend mit einer letzten Achsenrichtung, beispielsweise dritten Achsenrichtung, im Raum verfahren.According to one another preferred embodiment According to the invention, the laser is moved in space relative to the surface of the substrate. At the same time, the laser stays on all the time, which causes it to turn off Technique hereinafter referred to as "on-the-fly technique" becomes. Alternatively, the laser is relative to the surface of the Substrate in succession, starting with a first axis direction and ending with a last axis direction, for example third Axis direction, move in space.

Durch „Absetzen” und „Anfahren” des Lasers können „Gräben” im Material entstehen. Dies geschieht meist dadurch, dass der Laser beim Wiederanfahren typischerweise mindestens in einer Breite des Laserstrahles bezogen auf einen Teilbereich auf der Oberfläche des Substrats überlappt, wobei die Breite des Laserstrahls auch als „Dotpoint” bezeichnet wird. In dem Dotpoint würde in diesem Fall der doppelte Abtrag des Substrates stattfinden und zu Gräben im Material führen.By "settling" and "starting" the laser can "trenches" in the material arise. This is usually done by the laser when restarting typically based at least in a width of the laser beam overlaps on a partial area on the surface of the substrate, wherein the width of the laser beam is also referred to as "Dotpoint". In the dotpoint would in In this case, the double erosion of the substrate take place and to trenches in the material to lead.

Solche Gräben werden gemäß dem bevorzugten Ausführungsbeispiel durch die On-The-Fly-Technik vermieden. Diese Technik funktioniert folgendermaßen: Alle Achsen im Raum arbeiten vorzugsweise im programmierten Verhältnis zueinander. So ist ein Teilapparat bzw. eine Drehachse vorzugsweise auf einem Verfahrtisch montiert, wobei der Verfahrtisch vorzugsweise in einer Ebene im Raum bewegbar ist. Der Verfahrtisch wird auch als „Kreuzsupport-Einheit” bezeichnet und steuert vorzugsweise die Drehachse bei gleichzeitigem Drehen des Teilapparates in den Fokus des Lasers. Der Laser an sich ist vorzugsweise auch selbst auf einem zweiten Verfahrtisch montiert, wobei der zweite Verfahrtisch vorzugsweise im Raum bewegbar ist. Dadurch können auch bei extrem feinen und zusammenhängenden Laserarbeiten alle Achsen zueinander und/oder alle Achsen einzeln angesteuert werden, so dass ein Absetzen und/oder ein Ausschalten des Lasers nicht notwendig ist. Somit können Oberflächen von Substraten einwandfrei gelasert werden.Such trenches be according to the preferred embodiment through the on-the-fly technique avoided. This technique works like this: All Axes in space preferably work in programmed relationship to each other. Thus, a divider or a rotation axis is preferably on one Traveling mounted, the travel table preferably in a Level is movable in space. The traversing table is also referred to as the "Cross Support Unit" and preferably controls the axis of rotation while rotating the Dividing apparatus in the focus of the laser. The laser itself is preferably Also mounted on a second traversing table, with the second Traversing preferably in space is movable. This can also be done at extremely fine and coherent Laser work all axes to each other and / or all axes individually be controlled so that settling and / or off the Laser is not necessary. Thus, surfaces of substrates can be flawless be lasered.

Gemäß einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung wird in einem ersten Schritt die zu behandelnde Oberfläche des Substrates geschruppt. Dabei wird vorzugsweise ein voreingestellter Wert für den Fokus des Lasers übernommen. In einem zweiten Schritt wird, vorzugsweise mit dem gleichen Fokus des Lasers wie im ersten Schritt und mit anderen Parameter des Lasers, wie die Pulswiederholfrequenz, die Oberfläche des Substrats poliert. Gemäß anderen bevorzugten Ausführungsbeispielen wird weiter in einem dritten Schritt die Oberfläche des Substrats geschliffen. Die Zeiten zwischen dem ersten und zweiten Schritt bzw. zwischen dem zweiten und dritten Schritt können einige Millisekunden bis zu Tagen betragen. Mit anderen Worten ist die Qualität der geglätten Oberfläche unabhängig von diesen Zeiten. Vorzugsweise wird gleich nach dem ersten Schritt bzw. dem Schruppschritt der zweite Schritt bzw. der Polierschritt durchgeführt, d. h. zwischen beiden Schritten findet vorzugsweise keine merkliche Pause statt. Gemäß anderen bevorzugten Ausführungsbeispielen findet eine merkliche Pause zwischen den ersten beiden Schritten statt. Während dieser Pause wird die Ausgangsstellung des Lasers bzw. des Substrates eingestellt. Die Suche nach der Ausgangstellung aller Achsen zueinander wird auch als „Nullphase” bezeichnet. Vorzugsweise finden sich alle Achsen in dem so definierten „Nullpunkt” ein. Danach wird gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel erst der Polierschritt durchgeführt.According to one another preferred embodiment the invention is in a first step, the surface to be treated of Substrates roughed. It is preferably a preset Value for taken over the focus of the laser. In a second step, preferably with the same focus the laser as in the first step and with other parameters of the laser, like the pulse repetition frequency, the surface of the substrate is polished. According to others preferred embodiments is further ground in a third step, the surface of the substrate. The times between the first and second step or between the second and third steps may take a few milliseconds to days. In other words, the quality of the smoothed surface is independent of these times. Preferably, it will be immediately after the first step or the roughing step, the second step or the polishing step carried out, d. H. between the two steps is preferably no noticeable Break instead. According to others preferred embodiments finds a noticeable break between the first two steps instead of. During this Pause the initial position of the laser or the substrate is set. The search for the starting position of all axes to each other is also referred to as "zero phase". Preferably, all axes find themselves in the "zero point" defined in this way. After that will according to one preferred embodiment only the polishing step performed.

Während des gesamten Vorgangs wird der Laser vorzugsweise kontinuierlich betrieben. Dies bedeutet, dass der Laser die ganze Zeit über angeschaltet bleiben kann und/oder ohne eine Unterbrechung angeschaltet bleibt. Dabei ist der Laser vorzugsweise als gepulster Festkörperlaser ausgestaltet. Der gepulste Festkörperlaser ist vorzugsweise weiter als YAG-Laser oder als Faserlaser ausgestaltet. Dabei wird der YAG-Laser vorzugsweise blitzlampengepumpt oder diodengepumpt bzw. der Faserlaser vorzugsweise diodengepumpt betrieben und die Pulsierung erfolgt vorzugsweise durch Modenkopplung oder durch Güteschaltung.During the entire process, the laser is preferably operated continuously. This means that the laser can stay on all the time and / or remains switched on without interruption. It is the laser is preferably designed as a pulsed solid-state laser. Of the pulsed solid-state lasers is preferably further configured as a YAG laser or as a fiber laser. The YAG laser is preferably flash lamp pumped or diode pumped or the fiber laser is preferably operated diode-pumped and the pulsation is preferably done by mode coupling or by Q-switching.

In einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung weist der Laser eine Modenblende auf. Vorzugsweise weist die Modenblende eine Öffnung von ≥ 0,35 mm und ≤ 2 mm auf. Dabei ist die Öffnung der Modenblende vorzugsweise poliert.In a further preferred embodiment According to the invention, the laser has a mode diaphragm. Preferably the mode panel has an opening of ≥ 0.35 mm and ≤ 2 mm up. Here is the opening the mode aperture preferably polished.

Vorzugsweise ist das Substrat auf einer Montiereinheit angeordnet. Dabei dient die Montiereinheit zum Halten des Substrats und ist vorzugsweise im Raum bewegbar. Der Laser ist vorzugsweise auf einer Kreuzsupport-Einheit befestigt. Die Kreuzsupport-Einheit wird gemäß der internationalen Organisation für Normung (ISO) auch Kreuztisch oder Verfahrtisch ge nannt. Die Dreh- bzw. Montiereinheit, die vorzugsweise auf dem Verfahr- bzw. Kreuztisch montiert ist, wird auch als Teilapparat bzw. als Drehachse bezeichnet.Preferably the substrate is arranged on a mounting unit. It serves the mounting unit for holding the substrate and is preferably movable in space. The laser is preferably on a cross-support unit attached. The Cross Support Unit will be according to the international organization for standardization (ISO) also called cross table or traversing table. The turning or Assembly unit, preferably on the movement or cross table is also referred to as a dividing attachment or as a rotation axis.

Durch das erfindungsgemäße Verfahren wird eine optimal geglättete Oberfläche eines Substrats gewährleistet. Typischerweise verläuft die geglättete Oberfläche nach Verwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens vollkommen oder nahezu homogen, zudem wird das Material des Substrats so schonend behandelt, dass weder Löcher noch Verschmelzungen auf der Oberfläche entstehen.By the inventive method will be an optimally smoothed surface a substrate ensured. Typically, it runs the smoothed surface after Use of the method according to the invention perfect or nearly homogeneous, moreover, the material of the substrate treated so gently that neither holes nor merges on the surface arise.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die Zeichnungen weiter im Detail erläutert.following The invention is based on a preferred embodiment with reference explained in detail on the drawings.

1 zeigt einen Laser, dessen Ausgangsstrahl auf die Oberfläche eines Substrats gerichtet ist, gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung; und 1 shows a laser whose output beam is directed to the surface of a substrate, according to an embodiment of the invention; and

2 zeigt schematisch die einzelnen Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. 2 shows schematically the individual steps of the inventive method according to an embodiment of the invention.

Wie in 1 zu erkennen ist, wird der Ausgangsstrahl eines Lasers 4 auf wenigstens einen Teilbereich der Oberfläche 1 eines Substrates 2 gerichtet. Gemäß diesem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung erfolgt das Schruppen bei 5,5 kHz mit 60% Laserauslastung, d. h. die maximale Ausgangsleistung des Lasers wird nicht eingestellt, sondern ein um 40% niedrigerer Wert. Die maximale Ausgangsleistung des Lasers beträgt in diesem Ausführungsbeispiel 20 W, so dass ein Wert von 12 W eingestellt wird. Das Substrat 2 ist gemäß diesem Ausführungsbeispiel auf einer Montiereinheit 3 angeordnet, die an einer Wand befestigt ist. Jedoch kann die Montiereinheit 3 gemäß anderen bevorzugten Ausführungsbeispielen der Erfindung auf dem Boden angeordnet sein. Die Montiereinheit 3 zum Halten des Substrats 2 ist gemäß diesem Ausführungsbeispiel in einer Ebene des Raums bewegbar. Der Laser 4 ist gemäß diesem Ausführungsbeispiel auf einer Kreuzsupport-Einheit 5 befestigt.As in 1 can be seen, the output beam of a laser 4 on at least a portion of the surface 1 of a substrate 2 directed. According to this preferred embodiment of the invention, roughing occurs at 5.5 kHz with 60% laser utilization, ie the maximum output power of the laser is not set, but a 40% lower value. The maximum output power of the laser in this embodiment is 20 W, so that a value of 12 W is set. The substrate 2 is on a mounting unit according to this embodiment 3 arranged, which is attached to a wall. However, the mounting unit 3 be arranged on the ground according to other preferred embodiments of the invention. The assembly unit 3 for holding the substrate 2 is movable according to this embodiment in a plane of the room. The laser 4 is on a cross-support unit according to this embodiment 5 attached.

Gemäß diesem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung erfolgt in dem zweiten Schritt das Polieren bei einer Pulswiederholfrequenz des Lasers 4 von 58 kHz. Der eingestellte Wert der Laserausgangsleistung beträgt nunmehr 8 W, d. h. ein um 60% niedrigerer Wert als die Ausgangsleistung des Lasers 4.According to this preferred embodiment of the invention, in the second step, the polishing takes place at a pulse repetition frequency of the laser 4 of 58 kHz. The set value of the laser output power is now 8 W, ie 60% lower than the output power of the laser 4 ,

2 zeigt schematisch die durchgeführten Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung. In einem ersten Schritt 6 wird die Oberfläche 1 des Substrats 2 aus 1 mit dem Laser 4 geschruppt. Während dieses Schruppschritts 6 wird die Oberfläche 1 des Substrats 2 soweit von Verunreinigungen befreit, dass die Oberfläche 1 nahezu an ihren Endzustand angenähert wird. Gemäß diesem bevorzugten Ausführungsbeispiel umfasst das Material des Substrats 2 Siliziumcarbid. Nach dem Schruppschritt 6 ist die Oberfläche 1 des Substrats 2 relativ rau. In einem nachfolgenden zweiten Schritt 7 erfolgt nunmehr das Polieren mit dem Laser 4, so dass das Material auf der Oberfläche 1 des Substrats 2 gleichmäßig verteilt wird. Gemäß diesem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung ist nach dem Polierschritt 7 die Oberfläche 1 homogen geglättet. Gemäß diesem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im Schruppschritt 6 und im Polierschritt 7 nur ein Teilbereich der Oberfläche 1 des Substrats 2 vom Laser 4 angefahren, da nur in diesem Teilbereich eine Verunreinigung bzw. eine Unebenheit auf der Oberfläche 1 vorliegt. Der Ausgangsstrahl des Lasers 4 wird damit nur auf diesen Teilbereich gerichtet. Gemäß einem anderen bevorzugten Ausführungsbeispiel wird die gesamte Oberfläche eines Substrats mit Laserstrahlung bestrahlt. Gemäß wieder einem anderen bevorzugten Ausführungsbeispiel wird nur ein Punkt auf der Substratoberfläche angefahren. 2 schematically shows the steps performed by the method according to the invention according to a preferred embodiment of the invention. In a first step 6 becomes the surface 1 of the substrate 2 out 1 with the laser 4 scrubbed. During this roughing step 6 becomes the surface 1 of the substrate 2 so far from contaminants that the surface 1 is approximated to its final state. According to this preferred embodiment, the material of the substrate comprises 2 Silicon carbide. After the roughing step 6 is the surface 1 of the substrate 2 relatively rough. In a subsequent second step 7 Polishing with the laser now takes place 4 so that the material on the surface 1 of the substrate 2 is evenly distributed. According to this preferred embodiment of the invention, after the polishing step 7 the surface 1 homogeneously smoothed. According to this preferred embodiment of the invention, in the roughing step 6 and in the polishing step 7 only a part of the surface 1 of the substrate 2 from the laser 4 approached, since only in this sub-area contamination or unevenness on the surface 1 is present. The output beam of the laser 4 is thus addressed only to this subarea. According to another preferred embodiment, the entire surface of a substrate is irradiated with laser radiation. According to yet another preferred embodiment, only one point on the substrate surface is approached.

Im Ergebnis kann damit auf einfache, verlässliche und sichere Weise eine optimal geglättete Oberfläche eines Substrats erzielt werden. Dabei wird die Oberfläche des Substrats so schonend behandelt, dass weder Löcher noch Verschmelzungen entstehen können. Nicht nur bei weichen Materialien sondern auch bei harten bzw. extrem harten Materialien, wie beispielsweise bei Hartmetallen, liefert das Verfahren sehr gute Ergebnisse.in the The result can be an easy, reliable and secure way optimally smoothed surface of a Substrate can be achieved. The surface of the substrate is so gentle treated that neither holes still mergers can arise. Not only for soft materials but also for hard or extreme Hard materials, such as hard metals, supplies the procedure gives very good results.

Im genannten Ausführungsbeispiel der Erfindung ist der Laser 4 als diodengepumpter YAG-Laser ausgestaltet. Gemäß anderen bevorzugten Ausführungsbeispielen der Erfindung ist der Laser als Faserlaser ausgestaltet. Allgemein wird ein Laser 4 eingesetzt, der einem gepulsten Festkörperlaser entspricht. Typischerweise werden 30 Laserpulse pro μm Querschnitt für eine einzugravierende Nut in einen Gleitring eingesetzt. Es können aber auch mehr oder weniger Laserpulse eingesetzt werden. Gemäß dem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung weist der YAG-Laser eine sogenannte Modenblende mit einer polierten Öffnung von größer als 0,35 mm auf. Die polierte Öffnung des Lasers beträgt bis zu 2 mm gemäß anderen bevorzugten Ausführungsbeispielen der Erfindung. Es ist bemerkenswert, dass der Laser sehr unempfindlich bezüglich seiner eingestellten Ausgangsleistung reagiert, um eine optimal geglättete Oberfläche bereitzustellen. Wichtig sind hierbei v. a. die anderen Parameter, wie beispielsweise die Pulswiederholfrequenz des Lasers, der typischerweise auf einen Wert von 45 kHz oder darüber einzustellen ist. Durch die Homogenität des Verfahrens ist ein Lappen der Oberfläche des Substrats nicht notwendig.In the mentioned embodiment of the invention, the laser 4 designed as a diode-pumped YAG laser. According to other preferred embodiments of the invention, the laser is designed as a fiber laser. Generally, a laser 4 used, which corresponds to a pulsed solid-state laser. Typically, 30 laser pulses per μm of cross section are used for a groove to be engraved in a sliding ring. However, it is also possible to use more or fewer laser pulses. According to the preferred embodiment of the invention, the YAG laser has a so-called mode aperture with a polished aperture of greater than 0.35 mm. The polished opening of the laser is up to 2 mm according to another preferred embodiment play the invention. It is noteworthy that the laser responds very insensitive to its adjusted output power to provide an optimally smoothed surface. Important here are above all the other parameters, such as the pulse repetition frequency of the laser, which is typically set to a value of 45 kHz or above. Due to the homogeneity of the method, a flap of the surface of the substrate is not necessary.

Claims (12)

Verfahren zum Glätten der Oberfläche (1) eines Substrates (2), wobei der Ausgangsstrahl eines Lasers (4) auf wenigstens ein Teilbereich der Oberfläche (1) gerichtet wird, und das Glätten der Oberfläche (1) in einem ersten Schritt durch Schruppen und in einem zweiten Schritt durch Polieren erfolgt, wobei das Polieren bei einer Pulswiederholfrequenz des Lasers (4) von ≥ 45 kHz erfolgt.Method for smoothing the surface ( 1 ) of a substrate ( 2 ), wherein the output beam of a laser ( 4 ) on at least a portion of the surface ( 1 ), and smoothing the surface ( 1 ) in a first step by roughing and in a second step by polishing, wherein the polishing at a pulse repetition frequency of the laser ( 4 ) of ≥ 45 kHz. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Schruppen bei einer Pulswiederholfrequenz des Lasers (4) von ≥ 4 kHz erfolgt.The method of claim 1, wherein the roughing at a pulse repetition frequency of the laser ( 4 ) of ≥ 4 kHz. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die maximale Ausgangsleistung des Lasers (4) wenigstens 20 W beträgt und die Ausgangsleitung des Lasers (4) reduziert oder erhöht wird.Method according to one of the preceding claims, wherein the maximum output power of the laser ( 4 ) is at least 20 W and the output line of the laser ( 4 ) is reduced or increased. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Substrat (2) wenigstens ein Material aus Siliziumnitrit, Siliziumcarbid, gehärtetem Stahl und ein Hartmetall umfasst.Method according to one of the preceding claims, wherein the substrate ( 2 ) comprises at least one of silicon nitride, silicon carbide, hardened steel and a cemented carbide. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Laser (4) relativ zur Oberfläche (1) des Substrats (2) zeitlich gleichzeitig in alle drei Achsenrichtungen im Raum verfahren wird oder der Laser (4) relativ zur Oberfläche (1) des Substrats (2) zeitlich nacheinander, beginnend mit einer ersten Achsenrichtung und endend mit einer letzten Achsenrichtung, im Raum verfahren wird.Method according to one of the preceding claims, wherein the laser ( 4 ) relative to the surface ( 1 ) of the substrate ( 2 ) is moved simultaneously in time in all three axis directions in space or the laser ( 4 ) relative to the surface ( 1 ) of the substrate ( 2 ) in time, beginning in a first axis direction and ending with a last axis direction, is moved in space. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Laser (4) kontinuierlich betrieben wird.Method according to one of the preceding claims, wherein the laser ( 4 ) is operated continuously. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Laser als gepulster Festkörperlaser ausgestaltet ist.Method according to one of the preceding claims, wherein the laser as a pulsed solid-state laser is designed. Verfahren nach Anspruch 7, wobei der gepulste Festkörperlaser weiter als YAG-Laser oder als Faserlaser ausgestaltet ist.The method of claim 7, wherein the pulsed solid-state laser further configured as a YAG laser or as a fiber laser. Verfahren nach Anspruch 8, wobei der YAG-Laser blitzlampengepumpt oder diodengepumpt ist bzw. der Faserlaser diodengepumpt ist und die Pulsierung durch Modenkopplung oder durch Güteschaltung erfolgt.The method of claim 8, wherein the YAG laser is flash lamp pumped or diode-pumped or the fiber laser is diode pumped and the Pulsation done by mode coupling or by Q-switching. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Laser (4) eine Modenblende aufweist.Method according to one of the preceding claims, wherein the laser ( 4 ) has a mode aperture. Verfahren nach Anspruch 10, wobei die Modenblende eine Öffnung von ≥ 0,35 mm und ≤ 2 mm aufweist.The method of claim 10, wherein the mode aperture an opening of ≥ 0.35 mm and ≤ 2 mm. Verfahren nach Anspruch 11, wobei die Öffnung der Modenblende poliert ist.The method of claim 11, wherein the opening of the Fashion cover is polished.