DE102015202195A1

DE102015202195A1 - Laserstrahlung auslenkendes Element

Info

Publication number: DE102015202195A1
Application number: DE102015202195.5A
Authority: DE
Inventors: Jan Hannweber; Steffen Bonss; Moises Alberto Ortega Delgado; Andreas Wetzig; Patrick Herwig
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2015-02-06
Filing date: 2015-02-06
Publication date: 2016-08-11
Also published as: DE202016100593U1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Laserstrahlung auslenkendes Element, das in einer Niederdruckatmosphäre betreibbar ist und eine Laserstrahlung reflektierende Fläche an einer Oberfläche eines Körpers aufweist. Der Körper ist an einem Rahmen mittels mindestens einem Federelement so befestigt ist, dass eine Verschwenkung des Körpers um mindestens eine Achse mittels eines elektrischen Antriebes erreichbar ist. Die der reflektierenden Fläche abgewandte Fläche des Körpers ist mit einer die Oberfläche vergrößernden Oberflächenstruktur ausgebildet. Allein oder zusätzlich kann die der reflektierenden Fläche abgewandte Fläche des Körpers mit einer elektromagnetische Strahlung im Wellenlängenbereich des nahen und des Infrarotlichts mit mindestens 50% emittierenden Beschichtung versehen sein.

Description

Die Erfindung betrifft ein Laserstrahlung auslenkendes Element, das in einer Niederdruckatmosphäre betreibbar ist und eine Laserstrahlung reflektierende Fläche an einer Oberfläche eines Körpers aufweist. Der Körper ist an einem Rahmen mittels mindestens eines Federelements so befestigt, dass eine Verschwenkung des Körpers um mindestens eine Achse mittels eines elektrischen Antriebes erreicht werden kann. Dabei handelt es sich um Torsionsfederelemente.
Solche Laserstrahlung reflektierenden und in ihrer Strahlungsrichtung verändernden Elemente sind aus der Mikromechanik bekannt und fallen unter den Begriff mikromechanische Elemente. Sie werden üblicherweise bei sehr kleinen Laserleistungen als Scanner oder für andere abbildende Anwendungen eingesetzt.
Bei vielen Anwendungen bei der Laserbearbeitung sind aber höhere Laserleistungen erforderlich, was zu einer erheblichen Erhöhung der an den reflektierenden Elementen auftretenden Temperaturen führt, da eine 100-%-ige Reflexion der Laserstrahlung nicht erreichbar ist. Erhöhte Temperaturen wirken sich als unerwünschte Verformungen aus, die zu einer Veränderung der Strahlrichtung führen. Außerdem können sich das Widerstandsmoment und damit die Federcharakteristik von Federelementen verändern, was sich ebenfalls nachteilig auswirken kann, da sich beispielsweise die Resonanzfrequenzen temperaturabhängig verändern können.
Häufig werden diese reflektierenden Elemente im Resonanzbereich betrieben, um die erforderliche Leistung für eine Auslenkung oder Verschwenkung gering zu halten. Daher ist es bekannt, reflektierende Elemente in einem abgeschlossenen Raum anzuordnen, in dem ein reduzierter Innendruck bis hin zu Vakuumbedingungen eingehalten wird. Bei solchen Bedingungen bereitet die Wärmeabfuhr wegen des reduzierten Drucks zusätzliche Probleme.
Für eine Kühlung solcher reflektierenden Elemente ist es aus DE 10 2012 005 546 A1 bekannt, Mikrokanäle in einem solchen Mikrospiegel auszubilden, durch die ein Kühlmedium geführt werden kann, um die Temperaturen zu reduzieren. Die Herstellung von Elementen mit Mikrokanälen für eine Kühlung ist aber sehr aufwändig, wenn sie bei Herstellungsverfahren für mikromechanische Elemente ausgebildet werden sollen. Da die Mikrokanäle durch oder entlang von Federelementen geführt werden müssen, wird deren Festigkeit reduziert und ihre Federcharakteristiken werden dadurch verändert. Eine reproduzierbare Herstellung ist so sehr schwierig.
Für Laserbearbeitungen, wie das Laserschweißen, -schneiden, die Modifikation von Werkstückoberflächen, insbesondere das Härten von Werkstückoberflächen sind Laserleistungen von mehreren hundert Watt bis hin zu mehreren Kilowatt erforderlich, so dass sich entsprechend hohe Intensitäten auf der reflektierenden Oberfläche bei den erforderlichen Brennfleckgrößen auf diesen Oberflächen ergeben. Die Intensitäten können dabei oberhalb 100 W/cm² liegen. Bisher werden daher entsprechend großformatige so genannte Scannerspiegel eingesetzt, bei deren Größen eine Kühlung relativ einfach realisiert werden kann. Diese Scannerspiegel können aber aufgrund ihrer Größe nur in einem unteren Frequenzbereich mit entsprechend geringen Geschwindigkeiten verschwenkt werden. Dadurch ist natürlich auch die Auslenk- bzw. Vorschubgeschwindigkeit des durch Reflexion ausgelenkten Laserstrahls limitiert.
Bei vielen Anwendungen ist aber eine extrem schnelle Bewegung eines Laserbrennflecks bei der Bearbeitung gewünscht, um mit hohen Laserstrahlintensitäten bei gleichzeitig geringem Wärmeeintrag in ein zu bearbeitendes Werkstück arbeiten zu können. Dazu bieten sich aber Mikrospiegel, wie sie aus der Mikromechanik bekannt sind, an. Bei diesen tritt aber das bereits erwähnte Temperaturproblem auf.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, Möglichkeiten für die Laserbearbeitung anzugeben, bei der eine Auslenkung eines Laserstrahls mit einem diese Strahlung mit hoher Geschwindigkeit und/oder Beschleunigung reflektierenden Element, auch bei erhöhten Intensitäten mit denen ein Laserstrahl auf eine reflektierende Oberfläche auftrifft, erreichbar sind, ohne dass eine nachteilige Beeinflussung infolge erhöhter Erwärmung auf die Laserstrahlauslenkung oder gar eine Beschädigung auftritt.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit einem Laserstrahlung auslenkenden Element, das die Merkmale des Anspruchs 1 aufweist, gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung können mit in untergeordneten Ansprüchen bezeichneten Merkmalen realisiert werden.
Das erfindungsgemäße Laserstrahlung auslenkende Element wird in Niederdruckatmosphäre betrieben und es weist eine Laserstrahlung reflektierende Fläche an einer Oberfläche eines Körpers auf. Der Körper ist an einem Rahmen mittels mindestens eines Federelements so befestigt, dass eine Verschwenkung des Körpers um mindestens eine Achse mittels eines elektrischen Antriebes erreichbar ist.
Die der reflektierenden Fläche abgewandte Fläche des Körpers ist in einer erfindungsgemäßen Alternative mit einer die Oberfläche vergrößernden Oberflächenstruktur ausgebildet. Bei einer weiteren Alternative ist die der reflektierenden Fläche abgewandte Oberfläche des Körpers mit einer elektromagnetische Strahlung im Wellenlängenbereich des nahen und des Infrarotlichts mit mindestens 50% emittierenden Beschichtung versehen. Beide Alternativen können allein aber auch gemeinsam realisiert sein.
Für einen Betrieb in einer Niederdruckatmosphäre, also bei einem gegenüber dem normalen Atmosphärendruck in der Umgebung kleineren Innendruck, kann der Rahmen oder ein Gehäuse entsprechend ausgebildet sein, so dass der erniedrigte Druck eingehalten werden kann. Zumindest die Oberfläche, durch die ein Laserstrahl auf die reflektierende Fläche auftreffen und durch die der reflektierte Laserstrahl wieder austreten kann, ist dabei für die eingesetzte Laserstrahlung transparent. Der an der Oberfläche reflektierte und absorbierte Anteil der Laserstrahlung sollte so klein wie möglich gehalten werden und maximal 5% betragen.
Da erwärmte Oberflächen eine Wärmestrahlung in Richtung kleinerer Temperaturen emittieren kann eine vergrößerte Oberfläche, wie sie mit einer ausgebildeten Oberflächenstruktur erreichbar ist, eine erhöhte Wärmemenge emittieren und so kann die Temperatur des Körpers mit dem daran angreifendem mindestens einen Federelement reduziert werden.
Dieser Effekt kann auch mit einer elektromagnetische Strahlung im Wellenlängenbereich des nahen und des Infrarotlichts mit mindestens 50% emittierenden Beschichtung erreicht werden. Die Beschichtung kann mit Kohlenstoffnanoröhrchen, Graphit, AlTiN, oder NiCr gebildet sein. Kohlenstoffnanoröhrchen sollten dabei aber in einer Matrix eingebettet sein, die aus einem Werkstoff gebildet ist, der für die von der Beschichtung emittierte elektromagnetische Strahlung entsprechend transparent ist, so dass die 50% eingehalten werden können. Graphit, AlTiN oder NiCr können als eine Schicht allein genutzt werden.
Vorteilhaft ist es auch, wenn die reflektierende Fläche die jeweilige Laserstrahlung zu mehr als 95% reflektiert. Dadurch kann die Erwärmung des Körpers und des/der Federelemente(s) begrenzt werden, da nur ein geringer Anteil der Laserstrahlung absorbiert wird.
Besonders vorteilhaft sollte in einem Abstand zur mit der Beschichtung versehenen Oberfläche, an der Seite an der die Beschichtung und/oder die Oberflächenstruktur ausgebildet ist, mindestens ein Kühlelement angeordnet, am Rahmen oder an einem Gehäuse ausgebildet sein. Durch den so erreichbaren Temperaturgradienten zwischen der entsprechenden Oberfläche des Körpers, von der die Emission erfolgt und dem mindestens einen Kühlelement kann die Wärmeabfuhr erhöht und so die Temperatur des Körpers mit dem/den Federelement(en) besser verringert werden. Der Abstand sollte jedoch mindestens so groß sein, dass eine Berührung des Körpers beim Verschwenken am Kühlelement vermieden werden kann. Ansonsten sollte der Abstand so klein, wie möglich gehalten werden und möglichst maximal 10% größer sein, als der Abstand, bei der eine Berührung des Körpers am Kühlelement beim Verschwenken auftreten würde.
Eine die Oberfläche vergrößernde Oberflächenstruktur kann vielfältig ausgebildet sein. So können beispielsweise Erhebungen und Vertiefungen nebeneinander ausgebildet oder angeordnet sein. Besonders vorteilhaft ist es aber, wenn der Körper im Bereich mindestens einer Torsionsachse eine parallel zur jeweiligen Torsionsachse ausgerichtete Erhebung, die die Schichtdicke und die Oberfläche an der der reflektierenden Schicht abgewandten Seite vergrößert, am Körper ausgebildet ist. Dadurch kann das Trägheitsmoment bei Verschwenkungsbewegungen um die jeweilige Torsionsachse kleiner gehalten werden, als dies bei Erhebungen, die weiter weg von einer Torsionsachse angeordnet sind, der Fall ist. Bei einem Körper, der in Bezug zu zwei senkrecht zueinander ausgerichteten Torsionsachsen verschwenkbar ist, können Erhebungen entlang beider Torsionsachsen vorhanden sein und sich senkrecht schneiden. Die Erhebung(en) kann/können konvex gekrümmt sein.
An einem erfindungsgemäßen Element sollten die nachfolgenden Parameter eingehalten werden. Dies trifft auf mindestens einen aber auch auf mehrere beliebig miteinander kombinierbare Parameter zu:

– das Element sollte zur Reflexion von Laserstrahlung, die mit einer Energiedichte von mindestens 100 W/cm² auf die reflektierende Oberfläche auftrifft,
– für eine Auslenkung bei einer Verschwenkung um mindestens 0,01° und maximal 5° um eine Mittenlage,
– für eine Verschwenkung um eine Mittenlage mit einer Frequenz von mindestens 3 kHz,
– mit einer reflektierenden Fläche mit einem Durchmesser oder einer kleinsten Flächendiagonale von mindestens 5 mm

Die reflektierende Beschichtung kann mit einer metallischen Grundschicht aus Al, Au oder Ag, die unmittelbar auf einer Oberfläche des Körpers ausgebildet ist, sowie einem auf der Grundschicht ausgebildeten Mehrschichtsystem bestehen. Das Mehrschichtsystem kann mit alternierend angeordneten Schichten aus TiO, MgO oder SiO₂ gebildet sein. So kann ein Mehrschichtsystem, bei dem immer eine Schicht aus SiO₂ zwischen zwei Schichten aus mindestens einem der beiden anderen genannten Oxide angeordnet ist, eingesetzt werden. Die Schichtdicken können unter Berücksichtigung der jeweiligen Wellenlänge der Laserstrahlung so gewählt werden, dass ein Interferenzschichtsystem gebildet ist.
Das Kühlelement kann als Flüssigkeits- und/oder Luftkühlelement ausgebildet sein. Allein oder zusätzlich kann es in Richtung auf die mit der Beschichtung versehene Oberfläche mit einer konkav gekrümmten Oberfläche ausgebildet sein. Mit einer solchen Krümmung kann die nutzbare Oberfläche vergrößert werden. Außerdem kann die Verschwenkbewegung ohne ein Anstoßen des Körpers sicherer durchgeführt werden.
Nachfolgend soll die Erfindung beispielhaft näher erläutert werden.
Dabei zeigen:
1 ein Beispiel eines auslenkbaren Elements mit einem verschwenkbaren Körper, an dem zwei Federelemente vorhanden sind;
2 einen Körper mit einer reflektierenden Fläche und einer dieser abgewandten Fläche, an der eine Oberflächenstrukturierung ausgebildet ist und
3 in einer schematischen Darstellung die Funktion eines Beispiels für ein erfindungsgemäßes Laserstrahlung auslenkendes Element.
In 1 ist stark schematisiert und vereinfacht ein Körper 1 an dem zwei Federelemente 2 ausgebildet sind, dargestellt. Der Körper 1 wird mittels der Federelemente 2, die als Torsionsfederelemente wirken an einem nicht dargestellten Rahmen oder Gehäuse gehalten. Der Körper 1 kann um die mit der Ausrichtung der Federelemente 2 vorgegebene Achse verschwenkt werden. Körper 1 und Federelemente 2 sind wie auch ein geeigneter Rahmen aus Silizium gebildet.
Der Körper 1 weist eine reflektierende Fläche 1.1 auf, auf die ein Laserstrahl 4 gerichtet und mit einer gezielten Verschwenkung des Körpers 1 um seine Rotatationsachse definiert entlang einer Achse ausgelenkt werden kann. Bei einer nicht gezeigten Ausführung, bei der zusätzlich zwei weitere Federelemente, die senkrecht zu den gezeigten Federelementen 2 ausgerichtet sein können, kann eine zweidimensionale Auslenkung des von der Fläche 1.1 reflektierten Laserstrahls 4 erreicht werden.
In einem Abstand zur der reflektierenden Fläche 1.1 abgewandten Fläche 1.2 ist ein Kühlelement 3 angeordnet, bei dem eine kleinere Temperatur als der Betriebstemperatur des Körpers 1 eingehalten ist. Je größer die Temperaturdifferenz, umso größer ist die erreichbare Kühlwirkung am Körper 1.
Auf der Oberfläche des Körpers 1 auf die der Laserstrahl 4 auftrifft ist zuerst eine Grundschicht aus Silber aufgebracht. Darüber ist ein Mehrschichtsystem aus alternierend übereinander angeordneten Einzelschichten aus TiO und SiO₂ mit insgesamt 10 Schichtpaaren ausgebildet, um die Reflektivität sicher oberhalb 95% zu halten.
Die reflektierende Fläche 1.1 hat einen Außendurchmesser von 4,5 mm, so dass der Brennfleck des auftreffenden Laserstrahls 4 auch bei größeren Verschwenkwinkeln sicher auf die reflektierende Fläche 1.1 auftrifft. Der Körper 1 hat eine Dicke von 2 mm.
Das Kühlelement 3 kann mit kalter Flüssigkeit oder kaltem Gas gekühlt werden, wobei dies mit Kanälen erreichbar ist, die durch sein Inneres geführt sind. Die flächige Ausdehnung des Körpers 1 sollte kleiner als die Fläche des Kühlelements 3 sein, die der Fläche 1.2 zugewandt ist.
In 2 ist der Körper 1 aus zwei unterschiedlichen Richtungen gezeigt. So zeigt die linke Darstellung die reflektierende Fläche 1.1 auf die ein Laserstrahl 4 auftreffen kann. Die rechte Darstellung zweigt die der reflektierenden Fläche 1.1 abgewandte Fläche 1.2. Auf der Fläche 1.2 ist eine Oberflächenstrukturierung mit regelmäßig nebeneinander angeordneten Erhebungen und Vertiefungen in einer Reihen- und Spaltenanordnung gezeigt. Mit einer Oberflächenstrukturierung unabhängig von der konkreten Ausführung sollte die Oberfläche um mindestens 25% gegenüber einer ebenen planaren Fläche vergrößert sein.
Allein oder zusätzlich kann die Fläche 1.2 auch mit einer Schicht aus AlTiN beschichte sein. Mit einer solchen oder einer mit einem anderen dazu geeigneten Werkstoffgebildeten Schicht, kann deutlich mehr elektromagnetische Strahlung mit geeigneten Wellenlängen in Richtung eines Kühlelements 3 emittiert und dadurch der Körper 1 besser gekühlt werden. Dies ist schematisch in 3 veranschaulicht.
In nicht dargestellter Form können der Körper 1 mit den Federelementen 2, mindestens ein Kühlelement 3 sowie Antriebselemente eines elektrostatischen Antriebs in einem Gehäuse aufgenommen sein, in dem ein gegenüber der Umgebung kleinerer Innendruck eingehalten ist. Dadurch kann der Luftwiderstand des sich verschwenkenden Körpers 1 verringert werden, wodurch wiederum die erforderlichen Antriebskräfte verringert und die Geschwindigkeit sowie die Beschleunigung der Verschwenkbewegung erhöht werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102012005546 A1 [0005]

Claims

Laserstrahlung auslenkendes Element, das in einer Niederdruckatmosphäre betreibbar ist und eine Laserstrahlung reflektierende Fläche (1.1) an einer Oberfläche eines Körpers (1) aufweist, und der Körper an einem Rahmen mittels mindestens einem Federelement (2) so befestigt ist, dass eine Verschwenkung des Körpers (1) um mindestens eine Achse mittels eines elektrischen Antriebes erreichbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass die der reflektierenden Fläche (1.1) abgewandte Fläche (1.2) des Körpers (1) mit einer die Oberfläche vergrößernden Oberflächenstruktur ausgebildet ist und/oder die der reflektierenden Fläche (1.1) abgewandte Fläche (1.2) des Körpers (1) mit einer elektromagnetische Strahlung im Wellenlängenbereich des nahen und des Infrarotlichts mit mindestens 50% emittierenden Beschichtung versehen ist.
Element nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung mit Kohlenstoffnanoröhrchen, Graphit, AlTiN, oder NiCr gebildet ist, wobei Kohlenstoffnanoröhrchen in einer Matrix eingebettet sind, und/oder die reflektierende Fläche (1.1) die jeweilige Laserstrahlung zu mehr als 95% reflektiert.
Element nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in einem Abstand zur mit der Beschichtung versehenen Oberfläche, an der Seite an der die Beschichtung und/oder die Oberflächenstruktur ausgebildet ist, mindestens ein Kühlelement (3) angeordnet, am Rahmen oder an einem Gehäuse ausgebildet ist.
Element nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Körper (1) im Bereich mindestens einer Torsionsachse eine parallel zur jeweiligen Torsionsachse ausgerichtete Erhebung, die die Schichtdicke und die Oberfläche an der der reflektierenden Schicht abgewandten Seite vergrößert, am Körper (1) ausgebildet ist.
Element nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Element zur Reflexion von Laserstrahlung, die mit einer Energiedichte von mindestens 100 W/cm² auf die reflektierende Oberfläche auftrifft, und/oder für eine Auslenkung bei einer Verschwenkung um mindestens 0,01° und maximal 5° um eine Mittenlage und/oder für eine Verschwenkung um eine Mittenlage mit einer Frequenz von mindestens 3 kHz und/oder die reflektierende Fläche (1.1) mit einem Durchmesser oder einer kleinsten Flächendiagonale von mindestens 5 mm ausgebildet ist.
Element nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die reflektierende Beschichtung mit einer metallischen Grundschicht aus Al, Au oder Ag, die unmittelbar auf einer Oberfläche des Körpers (1) ausgebildet ist, sowie einem auf der Grundschicht ausgebildeten Mehrschichtsystem, das mit alternierend angeordneten Schichten aus TiO, MgO oder SiO₂ gebildet ist, besteht.
Element nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlelement (3) als Flüssigkeits- und/oder Luftkühlelement und/oder in Richtung auf die mit der Beschichtung versehene Fläche (1.2) mit einer konkav gekrümmten Oberfläche ausgebildet ist.