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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Laserabtragprozess nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 und eine für die Durchführung des Verfahrens vorgesehene Vorrichtung nach Patentanspruch 10.
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Stand der Technik
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Beim Laserbohren als Laserabtragsprozess wird mittels eines fokussierten Laserstrahls Energie in ein Werkstück eingebracht. Durch geeignete Einstellung der Eigenschaften des Laserfokus kann hierbei innerhalb des Werkstücks ein Materialabtrag hervorgerufen werden, wobei vorzugsweise metallisches Material aufgeschmolzen und/oder verdampft wird. Der Abtransport des Materials wird durch Prozessgas beschleunigt. Dieser Prozess ist mit einem Prozessleuchten verbunden. Die Intensität und die spektrale Ausprägung dieses Prozessleuchtens wird durch eine Vielzahl von Parametern beeinflusst, zum Beispiel durch die Energie des Laserpulses, durch dreidimensionale Eigenschaften des Laserfokus, wie dessen Form, seine Intensität oder seine Polarität. Dabei ist insbesondere zu berücksichtigen, dass ein Laserfokus, insbesondere dessen räumliche Intensität nicht ideal homogen sind. Weitere einflussnehmende Parameter ergeben sich aus der Beschaffenheit des abgetragenen Materials, aus der Art bzw. dem Druck des Prozessgases oder dem zeitlichen Ablauf des Prozesses.
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Diese Parameter beeinflussen ebenfalls die entstehende Bohrlochgeometrie. Man versucht die Parameter deshalb möglichst konstant zu halten. Doch aufgrund des komplexen Abtragprozesses streuen die entstehenden Bohrlochgeometrien selbst bei konstanten Prozessparametern in einem bestimmten Bereich.
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Je nach Anforderung sind verschiedene Laserbohrverfahren bekannt: (a) Hochgeschwindigkeitsbohren, (b) Perkussieren, (c) Trepanieren, (d) Wendelbohren.
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Dabei entsteht das Bohrloch entweder durch einen Laserpuls (a), durch viele Laserpulse (b), oder durch viele Laserpulse bei sich bewegendem Laser (c, d). In der angegebenen Reihenfolge erhöht sich zwar die erreichbare Präzision eines Bohrergebnisses, allerdings ist auch mit einer Verlängerung der Bohrzeit zu rechnen. Ein Bohrprozess kann in eine Durchbohrphase und in eine Nachbohrphase unterteilt werden. In der Nachbohrphase werden die Bohrlochränder und -wände nachgeformt. Diese Phase ist starken Streuungen unterworfen, dies spiegelt sich insbesondere in der Ausprägung des Prozessleuchtens wieder.
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Momentan werden Laserbohrverfahren so geführt, dass der Laserfokus an der Bearbeitungsstelle permanent auf abzutragendes Material trifft oder in der Nachbohrphase an den Bohrlochwänden streift. Man versucht somit die maximal mögliche Abtragrate zu erreichen. Aufgrund der nichtlinearen Eigenschaften des Bohrprozesses und Inhomogenitäten des Laserfokus, wie beispielsweise kleinen Schwingungen des Laserfokus gegenüber dem Bohrloch treten insbesondere in der Endphase des Bohrprozesses Schwankungen auf.
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Momentan ist man darum bemüht, durch Überwachung des Prozessleuchtens die Beschaffenheit der Bohrlochgeometrie nachzuvollziehen, um somit unter anderem die Ergebnisse der Nachbohrphase zu stabilisieren. Doch aufgrund der vielen Einflüsse auf das Prozessleuchten und dem statistischen Verhalten des Prozesses in der Nachbohrphase ist eine zuverlässige Auswertung des Prozessleuchtens nicht möglich.
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Die
DE 195 16 376 A1 beschreibt ein Verfahren Und eine Vorrichtung, mittels welcher die Brennfleckposition bezüglich einer Werkstückoberfläche bei einer Laserstrahlbearbeitung definiert eingestellt und konstant gehalten wird. Hierzu wird dem Laserstrahl eine geringe, die Prozessstabilität und Bearbeitungsqualität nicht beeinträchtigende Brennfleckoszillation aufgeprägt und eine Abweichung der Fokuslage von einer Fokus-Optimallage ermittelt. Die Fokuslage wird dann entsprechend nachgeführt.
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Die
DE 196 17 388 C1 offenbart ein Verfahren zur Nachführung von Prozessparametern bei der Strukturierung von Metalloberflächen, wobei ein Laserstrahl eine vorbestimmte Struktur abfährt und an jeder Position eine zum Start einer exothermen Oxidation des abzutragenden Metalls unter Sauerstoffzufuhr ausreichende Energiemenge einbringt, das Metalloxid durch Sublimation verdampft und gleichzeitig vom Bearbeitungsort als gasförmiges Metalloxid entfernt. Die Reaktion ist mit einem Prozessleuchten verbunden, dessen jeweils zur oxidierten Metallmenge proportionale Intensität ermittelt und zur Nachreglung von Prozessparametern auf vorgegebene Sollwerte verwendet wird.
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Die Erfindung soll ermöglichen, die Beschaffenheit einer dreidimensionalen Abtraggeometrie sicher überprüfen zu können. Außerdem soll durch geeignete Verfahrensvarianten der Abtragprozess zuverlässig geregelt werden können. Die Erfindung soll auch für das Laserbohren geeignet sein.
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Dieses Ziel wird erreicht mit. einem Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruches 1 sowie einer Vorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruches 10.
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Vorteile der Erfindung
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Bei einem Laserabtragprozess wird ein Bereich eines Werkstücks durch relative Bewegung eines Laserfokus mit Laserenergie beaufschlagt. Dies geht mit einem Materialabtrag innerhalb des beaufschlagten Bereiches der Abtragstelle einher, was zur Entstehung einer Abtraggeometrie führt. Der Materialabtrag ist von Prozessleuchten begleitet. Zur Regelung des Laserabtragprozesses wird erfindungsgemäß durch einen Sensor wenigstens ein Parameter des Prozessleuchtens gemessen. Unter Berücksichtigung der Bewegung des Laserfokus wird dieser Parameter ausgewertet und hieraus die Abtraggeometrie ermittelt. Auf diese Weise wird eine sichere Prüfung der dreidimensionalen Abtraggeometrie durch das Prozessleuchten ermöglicht. Durch Automatisierung des erfindungsgemäßen Verfahrens lässt sich die Reproduzierbarkeit dreidimensionaler Abtraggeometrien erhöhen. Desweiteren lässt sich der Laserabtragprozess dadurch optimieren, dass man aufgrund der gewonnenen Kenntnisse über den Zustand der Abtraggeometrie die Bewegung und/oder die Eigenschaften des Laserfokus steuert.
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Erfindungsgemäß ist vorgesehen, zur Beurteilung des Abtragprozesses und/oder der Abtraggeometrie den zeitlichen Verlauf des Messsignals des Prozessleuchtens zu messe. Eine Berücksichtigung oder Auswertung des zeitlichen Verlaufs des Messsignals erfolgt in Korrelation mit der Bewegung des Laserfokus relativ zum Werkstück und/oder einer Abtragfläche und/oder Eigenschaften des Laserfokus. Somit erhält man aussagekräftige Informationen darüber, was an welchem Ort des Werkstücks zu welchem Zeitpunkt durch Beaufschlagung durch den Laserfokus geschieht. Es lässt sich z. B. nachvollziehen, wo noch Materialabtrag erfolgt oder nicht. Durch gezielte Bewegung des Laserfokus kann man auch die Struktur einer Abtragfläche ausmessen.
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In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, einen zeitlichen und/oder absoluten Verlauf eines Messsignals eines Parameters des Prozessleuchtens zu verwenden. In weiterer Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, den Parameter des Prozessleuchtens innerhalb eines begrenzten spektralen Bereiches der Prozessemission zu messen oder auszuwerten. Hierbei bringt die Beschränkung auf nur eine einzige Spektrallinie, z. B. die 406 nm-Linie, entscheidende Vorteile. Bei Berücksichtigung des zeitlichen Ablaufs des Messsignals, kann man beurteilen, wann es zu einer Änderung des Prozessverlaufs kommt. Dies ist insbesondere unter Bezugnahme auf die aktuelle Bewegung des Laserfokus relativ zum Werkstück von Vorteil. Bei Berücksichtigung des absoluten Verlaufs des Messsignals, insbesondere der Intensität, lässt sich, sobald diese den Wert 0 erreicht, darauf schließen, dass kein Materialabtrag erfolgt und demnach innerhalb des Werkstücks ein Durchbruch vorhanden ist. Indem man sich nur auf einen engen Spektralbereich oder idealerweise nur auf eine Spektrallinie konzentriert, werden andere störende Emissionen, die möglicherweise für die Beurteilung des Zustandes eines Laserabtragprozesses wenig aufschlussreich sind, herausgefiltert.
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Den Laserabtragprozess und somit auch das verfahren zur Regelung des Laserabtragprozesses beeinflussende Eigenschaften des Laserfokus sind die Energie eines Laserpulses und/oder die Länge eines Laserpulses und/oder die Intensität eines Laserpulses und/oder die Polarisation der Strahlung eines Laserpulses und/oder die dreidimensionale Geometrie eines Laserfokus. Dabei kann die Polarisation der Strahlung eine lineare oder zirkulare Polarisation umfassen. Aus unterschiedlich eingestellten Parametern erfolgt ein unterschiedlich starker Materialabtrag, der sich wiederum auf das Prozessleuchten auswirkt. Mittels der erfindungsgemäßen Regelung kann eine vorteilhafte, vorzugsweise automatisierte Steuerung dieser Parameter realisiert werden. Genaue Kenntnisse über diese Eigenschaften des Laserfokus sind von Vorteil, da hieraus die unmittelbare, auch räumliche Auswirkung des Laserfokus auf das Material des Werkstücks nachvollziehbar wird. Somit wird ein schneller und reproduzierbarer gleichmäßiger Abtrag durch den Laserfokus ermöglicht.
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Die Bewegung des Laserfokus kann erfindungsgemäß eine Rotation um eine Achse parallel zur Laserfokusachse und/oder eine Rotation um die eigene Laserfokusachse umfassen. Durch erstgenannte Rotation wird beispielsweise das Trepanieren ermöglicht. Dies wird durch geeignete Drehung des Laserstrahls durch die Laseroptik während des Materialabtrags durch den Laser realisiert. Der Radius dieser ersten Rotationsbewegung des Laserfokus wird erfindungsgemäß so groß gewählt, dass während der Regelung des erfindungsgemäßen Laserabtragprozesses oder während der Prüfung der Abtraggeometrie die Intensität des Messsignals zyklisch auf den Wert 0 zurückgeht. Zudem ist die Rotation des Laserfokus um seine eigene Laserfokusachse von besonderem Vorteil. Ist beispielsweise die Intensität der Energie des Laserfokus räumlich inhomogen verteilt, ist er also nicht ideal punktförmig oder rund, lässt sich durch Drehen des Laserfokus eine derartige Inhomogenität ausgleichen.
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Desweiteren ist bevorzugt vorgesehen, dass der Laserfokus auch bei Rotation einen geringeren Durchmesser als die Abtragstelle aufweist. Durch diese Ausgestaltung lässt sich die Prüfung auf vollständige Durchbohrung der Abtragstelle oder minimalen Durchmesser der Abtragstelle auf besonders einfache Weise realisieren. Dazu muss der Laserfokus lediglich so positioniert werden, dass er die Abtragfläche nicht streift, eine eindeutige Aussage darüber, ob innerhalb des überprüften Bereiches der Abtragstelle ein Durchbruch vorhanden ist, kann aufgrund des Vorhandenseins von Prozessleuchten oder dessen Nichtvorhandenseins getätigt werden.
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Desweiteren kann vorgesehen sein, das Werkstück und/oder den Laserfokus in allen drei Raumrichtungen relativ zueinander zu bewegen. Somit lassen sich unterschiedlichste Abtraggeometrien ausgestalten. Doch insbesondere kann durch gezielte Bewegung des Laserfokus relativ zur Abtragstelle, vorzugsweise innerhalb der Abtragstelle, die Abtragstelle insbesondere zu einem Prüfzweck auf besonders einfache Weise gescannt werden. Dies kann z. B. durch Verkleinerung des Trepaniergrades nach Beendigung des Abtragprozesses erreicht werden. Die Bewegung des Laserfokus relativ zum Werkstück erfolgt in allen drei Raumrichtungen, insbesondere in einer Fläche parallel zur Oberfläche des Werkstücks, des weiteren wird hiermit auch eine Bewegung senkrecht zur Oberfläche des Werkstücks umfasst. Somit ergibt sich in vorteilhafter Weise, dass die Abtragsgeometrie dreidimensional überwacht und geregelt werden kann. Insbesondere durch eine Bewegung senkrecht zur Oberfläche, können durch das erfindungsgemäße Verfahren konische Abtraggeometrien, wie z. B. konische Bohrlöcher berücksichtigt werden.
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In weiterer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann zur Beurteilung des Abtragprozesses und/oder der Abtraggeometrie vorgesehen sein, den absoluten Verlauf, z. B. die Intensität des Messsignals zu berücksichtigen. Dies kann auch in Korrelation mit der Bewegung und/oder Position des Laserfokus erfolgen. Hiermit kann man beurteilen, ob ein Durchbruch vorhanden ist. Durch Vergleich des absoluten Wertes des Messsignals mit einem Schwellwert können Aussagen über die Beschaffenheit einer Abtragstelle getätigt werden. Eine geeignete Steuerung der Intensität des Laserfokus, insbesondere ob dieser an- oder abzuschalten ist, kann somit erfolgen.
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In besonders vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Laserfokus im Bereich einer Abtragstelle geführt wird. Je nach örtlichem und zeitlichen Vorhandensein des Messsignals eines gemessenen Parameters des Prozessleuchtens wird der Laserfokus so weitergeführt und/oder werden die Eigenschaften des Laserfokus so verändert, dass in Folge dessen ein Materialabtrag gezielt hervorgerufen werden kann, oder dass ein Materialabtrag gezielt vermieden werden kann, um auf diese Weise eine vorgegebene Abtraggeometrie zu erzielen. Durch diese erfindungsgemäße Ausgestaltung einer geeigneten Prozessführung kann das Verfahren nicht nur zur Prüfung der Abtraggeometrie (Post-Prozess) genutzt werden, sondern es wird dadurch in besonders vorteilhafter Weise ermöglicht, den Abtragprozess während des Abtragprozesses (In-Prozess) zu regeln. Auf diese Weise können geregelte Abtragprozesse mit kleineren geometrischen Streuungen der Abtragsgeometrie realisiert werden. Mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens können durch Abtasten bereits abgetragene Bereiche besonders einfach erfasst werden. Insbesondere kann durch das erfindungsgemäße Verfahren die Bearbeitung als auch die Prüfung des Laserabtragprozesses so abgeändert werden, dass der Laserfokus so weit von einer Abtragfläche entfernt wird, dass kein Prozessleuchten mehr entsteht und somit kein Materialabtrag mehr erfolgt. Dies kann entweder zur Prüfung nach der Bearbeitung oder bereits zyklisch während der Bearbeitung erfolgen. Durch besonders starke Fokussierung des Laserstrahls wird der Material abtragende Bereich des Laserfokus in seiner Ausdehnung reduziert, so dass sich Bereiche des Abtrags, begleitet von Prozessleuchten, von Bereichen des Nicht-Abtrags ohne Prozessleuchten gut voneinander unterscheiden Lassen. Durch diese Maßnahme kann insbesondere eine Eindringtiefe des Laserfokus in eine Werkstückoberfläche gut anhand des Prozessleuchtens reguliert werden. Somit kann erfindungsgemäß unter gezielter Vermeidung von Durchbrüchen innerhalb einer Werkstückoberfläche insbesondere auch eine ebene Oberflächenstruktur erzeugt werden.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Durchführung eines Laserabtragprozesses, bei dem ein mittels eines Lasers erzeugter Laserfokus einen Bereich eines Werkstücks durch relative Bewegung beaufschlagt, wobei durch Materialabtrag eine Abtragstelle mit einer Abtraggeometrie entsteht, und der Materialabtrag von Prozessleuchten begleitet ist, zeichnet sich dadurch aus, dass ein Sensor zur Messung wenigstens eines Parameters des Prozessleuchtens und eine Auswerte- und/oder Steuereinheit vorgesehen ist, die unter Berücksichtigung der Bewegung des Laserfokus und/oder von Eigenschaften des Laserfokus die Abtraggeometrie ermittelt und/oder den Laserfokus steuert.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung, mit welcher das erfindungsgemäße Verfahren durchführbar ist, zeichnet sich dadurch aus, dass wenigstens ein Parameter des Prozessleuchtens durch einen Sensor messbar und unter Berücksichtigung der Bewegung des Laserfokus und/oder von Eigenschaften des Laserfokus auswertbar ist, so dass die Abtraggeometrie ermittelbar und/oder der Laserfokus steuerbar ist. Mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung kann insbesondere eine automatisierte Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens realisiert werden. Die Vorrichtung ermöglicht eine zeitliche Korrelation einer relativen Bewegung und/oder Drehung eines Laserfokus bzw. eines Werkstücks mit einem vorzugsweise zeitlichem Verlauf eines Messsignals des Prozessleuchtens. Dies kann z. B. automatisiert oder rechnergestützt durch geeignete Verschaltung von Messeinrichtungen zur Erfassung eines Messsignals des Prozessleuchtens mit der Steuerung des Laserfokus, z. B. dessen Bewegung relativ zum Werkstück bzw. einer Abtragfläche erfolgen. Durch wechselseitige Beeinflussung von Messung und Steuerung ist der zeitliche und/oder räumliche Ablauf des Laserabtragprozesses, ob nun zum Zwecke der Bestimmung der Abtraggeometrie oder einer gezielten Beeinflussung des Materialabtrags, beherrschbar.
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Ein Sensor kann beispielsweise so oberhalb eines beaufschlagten Bereichs eines Werkstücks angeordnet sein, dass durch ihn das Prozessleuchten axial durch eine Laserbearbeitungsoptik, also von oben, beobachtbar ist. Dadurch ist eine genaue Beobachtung des Ortes, an dem sich der Laserfokus aufhält und somit eine unmittelbare Beobachtung von Prozessleuchten in besonders einfacher Weise realisierbar. Desweiteren hat diese Ausgestaltung zum Vorteil, dass keine zusätzlichen Komponenten in Prozessnähe erforderlich sind.
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Eine erfindungsgemäße Vorrichtung kann Einrichtungen zum relativen Bewegen und/oder Drehen des Laserfokus und/oder Einrichtungen zum relativen Bewegen und/oder Drehen des Werkstücks aufweisen. Somit kann eine geeignete Abtraggeometrie erzeugt werden.
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Zeichnungen
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Die vorliegende Erfindung wird nun anhand der beigefügten Zeichnungen weiter erläutert. In dieser zeigt:
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1 eine schematische Anordnung lasergebohrter Löcher,
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2 bis 6 Diagramme mit aufgetragenen Messsignalen aus Voruntersuchungen,
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7 eine bevorzugte Ausführungsvariante einer erfindungsgemäßen Vorrichtung,
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8 eine schematischer Darstellung einer Ausführungsvariante einer erfindungsgemäßen Prozessführung, und
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9 bis 13 Diagramme mit aufgetragenen Messsignalen aus bevorzugten Ausführungsvarianten des erfindungsgemäßen Verfahrens sowie nach dem erfindungsgemäßen Verfahren lasergebohrte Bohrlöcher.
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In den 1 bis 6 sind beispielhaft firmeninterne Voruntersuchungen zu der eigentlichen Erfindung dargestellt. Im Vergleich wird verdeutlicht, dass die in den nachfolgenden 7 bis 13 exemplarisch dargestellte Erfindung gegenüber den Voruntersuchungen eine mit deutlichen Vorteilen verbundene Weiterentwicklung eines Verfahrens zur Regelung eines Laserabtragprozesses, insbesondere eines Laserbohrverfahrens darstellt.
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In 1 ist schematisch eine Anordnung von lasergebohrten Löchern dargestellt. Diese achtundvierzig Löcher sind auf vier konzentrisch zueinander angeordneten Kreislinien schematisch abgebildet: Loch eins 1 bis vier auf der innersten Kreislinie, Loch fünf 5 bis vierzehn auf der zweiten Kreislinie, Loch fünfzehn 15 bis neunundzwanzig auf der dritten Kreislinie, die Löcher dreißig 30 bis achtundvierzig sind auf der äußersten Kreislinie angeordnet. Wie die nachfolgenden Figuren zeigen, wurden die äußeren Löcher dreißig 30 bis achtundvierzig so gebohrt, dass sie im Vergleich zu den anderen Löchern eins 1 bis neunundzwanzig eine größere Bohrtiefe aufweisen.
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In den 2 bis 6 wird anhand von Diagrammen gezeigt, wie ein Bohrprozess bei der Voruntersuchung abläuft. Die Diagramme zeigen hierbei die während der Bohrung der achtundvierzig Löcher durch einen Sensor aufgenommenen Messsignale des durch den Laserfokus während des Bohrprozesses durch Materialabtrag hervorgerufenen Prozessleuchtens. Dabei ist jeweils die Intensität I über der Zeit t aufgetragen.
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In dem in 2 dargestellten Diagramm wurde als Messsignal des Prozessleuchtens die Spektrallinie mit 500 nm aufgenommen. Der Bohrprozess eines jeden der achtundvierzig Löcher ist durch einen peak dargestellt. Die Linie 21 auf ungefähr halber Höhe der Intensitätsskala parallel zur Zeitachse t stellt einen Schwellwert dar. Die steilen Abfälle in der Intensität des Messsignals einer jeden einzelnen Bohrung ergeben sich aus dem manuellen Abschalten des Lasers. Ansonsten würde sich das Messsignal noch längere Zeit auf unterschiedlichen Höhen halten, was einen weiteren Materialabtrag zur Folge hätte. Andererseits wäre ein automatisches Abschalten des Laserfokus über dem eingezeichneten Schwellwert nicht sinnvoll, weil dadurch einige Prozesse zu früh beendet würden.
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Das in 3 dargestellte Diagramm zeigt ein Detail des in 2 dargestellten Diagramms in gedehnter Darstellung. Diese Darstellung verdeutlicht die Unterschiedlichkeit in der Dauer der Intensität des Messsignals, zwischen der Bohrung des Loches neunundzwanzig 29 und der Bohrung des Loches dreißig 30. Hierbei ist zu erkennen, dass Loch dreißig 30 einer längeren Beaufschlagung durch den Laserfokus als Lech neunundzwanzig 29 unterworfen war. Dies geht mit einem größeren Materialabtrag einher, Bohrloch dreißig 30 weist eine größere Bohrtiefe als Bohrloch neunundzwanzig 29 auf.
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Analog zu dem Diagrmam aus 2 zeigt das Diagramm aus 4 Messsignale aus derselben Voruntersuchung mit achtundvierzig Löchern. In dieser alternativen Darstellung wurde die Intensität der 500 nm Spektrallinie im Vergleich mit dem Mittelwert über dem Spektralbereich von 490 nm bis 510 nm durch Bildung der Differenz D über der Zeitachse t aufgetragen.
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Im Diagramm aus 5 ist in gedehnter Darstellung das Diagramm aus 4 für die Bohrlöcher fünfundzwanzig 25 bis dreißig 30 gezeigt.
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Im Diagramm aus 6 zu selbiger Messreihe ist zusätzlich zu der Differenz D noch die erste Ableitung A eingezeichnet und über der Zeit t aufgetragen. Die Darstellung zeigt, dass die Auswertung der Linienausprägung im Spektrum zwar eine weitere, aber noch keine hinreichende Verbesserung der auswertbaren Dynamik des Messsignals bringt. Insbesondere zeigt 6, dass man durch die Auswertung der Ableitung des Vergleichsignals einen richtigen Abschaltpunkt, zu dem die Nachbohrphase (Nachbohrzeit jeweils 2 Sekunden) beginnt, gut finden kann. Diese beginnt dann, wenn die negative Steigung des Vergleichsignals auf einen kleineren Wert abfällt. Durch die Auswertung der Intensität des Messsignals, insbesondere im Vergleich zu einem Schwellwert, z. B. einem Intensitätswert 0 ist ein Durchbruch nachweisbar, so dass ein, bei der Detektion oder Beobachtung der Intensität des Messsignals des Prozessleuchtens zum Einsatz kommender Sensor als Durchbruchsensor genutzt werden kann.
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Die 2 bis 6 zeigen, welch großer Aufwand betrieben werden muss, um den Durchbruch eines Bohrloches sicher erkennen zu können. Zur Beseitigung dieses Nachteils wird das Prüf- und/oder Bohrverfahren durch die Erfindung so abgeändert, dass die nicht sicher auswertbare Nachbohrphase, während der der Laserfokus an den Bohrlochwänden streift, zumindest zeitweise vermieden wird.
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Die eigentliche Erfindung wird nun anhand der 7 bis 13 exemplarisch dargestellt.
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7 zeigt eine schematische Darstellung eines beispielhaften Aufbaus einer Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens. Ein durch einen Laser 71 erzeugter Laserstrahl 72 durchquert eine bewegliche Trepanieroptik 73. Durch einen Spiegel 74 wird der Laserstrahl 72 in seiner Richtung umgelenkt, nach Passieren einer Laserbearbeitungsoptik 75 wird der Laserfokus des Laserstrahls 72 auf ein Werkstück 76 gerichtet. Die Beaufschlagung des Werkstücks 76 durch den Laserstrahl 72 bzw. den Laserfokus verursacht innerhalb des Werkstücks 76 einen Materialabtrag, welcher von Prozessleuchten begleitet wird. Dieses Prozessleuchten wird durch einen einfachen, zumindest örtlich integral messenden Sensor 77 detektiert. Dieser Sensor 77 ist unmittelbar oberhalb des durch den Laserfokus beaufschlagten Werkstückbereichs angeordnet, die Beobachtung des Prozessleuchtens durch den Sensor erfolgt direkt durch die Laseroptik (halbdurchlässiger Spiegel 74 und Laserbearbeitungsoptik 75). Durch diese einfache Anordnung des Sensors 77 kann ein am Auftreffpunkt des Laserfokus entstehendes Prozessleuchten gut beobachtet werden, ohne dass das Laserbohrverfahren durch den Sensor 77 gestört wird. Mit einer Auswerte- und/oder Steuereinheit 78 wird das vom Sensor 77 gemessene Prozessleuchten ausgewertet. Dabei ermittelt die Auswerte- und/oder Steuereinheit 78 unter Berücksichtigung der Bewegung des Laserfokus die Bohrlochgeometrie. Durch Verschaltung zwischen der Auswerte- und/oder Steuereinheit 78 und dem Laser 71 sowie der Trepanieroptik 73 erfolgt eine Steuerung des Laserfokus. Mit dieser Anordnung wird ein Laserbohrverfahren nach dem sogenannten Woppeltrepanieren realisiert. Dabei wird trepanierend gebohrt (Drehung des Laserstrahls 72 durch die Trepanieroptik 73) und gleichzeitig das Werkstück 76 in einem kleinen Radius gedreht. Bei geeigneter Parametereinstellung läuft das Verfahren so ab, als ob ein rotierender „Laser-Fräser” (Trepanieren) mit einer Schneide in einem Kreis (Bauteilrotation) durch das Werkstück 76 bewegt wird.
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Anhand von 8 wird dargestellt, wie sich eine Prozessführung auf ein Werkstück 81 auswirkt. Ein Laserfokus 82 beaufschlagt ein Werkstück 81, welches hier in Draufsicht dargestellt ist. In dem hier dargestellten Zustand ist ein Bohrloch 83 bereits vollständig ausgebildet. Das Bohrloch 83 ist nach außen hin durch eine Bohrlochwandung 83a abgegrenzt, in der Mitte ist noch ein Bohrkern 84 vorhanden, sein Vorhandensein resultiert aus einer Prozessführung durch Woppeltrepanieren. Dies resultiert gewissermaßen aus einer Überlagerung von zwei Rotationsbewegungen des Laserfokus 82 relativ zur Oberfläche des Werkstücks 81. Hervorgerufen durch die Trepanieroptik führt der Laserfokus 82 eine Rotation um eine Achse parallel zur Laserfokusachse aus. Dabei bewegt sich der Laserfokus 82 auf einer kleinen, gestrichelt dargestellten Kreisbahn 86 mit dem Trepanierradius RT. Der Gesamtradius eines abgetragenen Bereiches hängt somit von dem Trepanierradius RT und dem Durchmesser des Laserfokus 82 ab. Zusätzlich wird das Werkstück in Rotation versetzt, die Rotationsachse um die das Werkstück gedreht wird, geht durch den Mittelpunkt des durch den Laserbohrprozess erzeugten Bohrloches 83. Der endgültige Radius eines Bohrloches wird durch geeignete Wahl eines Abstands zwischen Bohrlochmittelpunkt und dem durch Rotation vergrößerten Auftreffpunkt des Laserfokus 82 beeinflusst. In dem in 8 dargestellten Beispiel entspricht der insgesamt abgetragene Bereich der dem zwischen Bohrlochkern 84 und restlichem Werkstück 81 getrenntem weißen, kreisförmigen Abschnitt zwischen äußerer Umrandung des Bohrlochkerns 84 und innerer Bohrlochwandung 83. Der Mittelpunkt des sich trepaniert drehenden Laserfokus 82 bewegt sich dabei auf der gestrichelten Kreislinie 85 In den den 9 bis 13 dargestellten Diagrammen ist die Intensität I eines durch einen Sensor detektierten Messsignals des Prozessleuchtens über der Zeit t aufgetragen. In den zeitlichen Verläufen wurde jeweils die 406 nm Spektrallinie des Prozessleuchtens gemessen. Es ist erkennbar, dass das Messsignal des optischen Sensors schon am Anfang des Bohrprozesses synchron mit der Trepanierfrequenz des Laserfokus moduliert ist. Wenn der Laserfokus aufgrund erfolgten Materialabtrages eine Stelle an der Unterseite des Werkstückes erreicht hat, sobald also ein Durchbruch erfolgt ist, beginnt die Intensität des Messsignals kurze Zeit ganz auf Null zu gehen. Ist dies der Fall, erfolgt innerhalb dieses Bereiches keinerlei Materialabtrag. Auf diese Weise kann eine vollständige Durchbohrung sehr sicher erkannt werden. Darüber hinaus kann aus dem Verlauf des Messsignals auch die Geometrie des Bohrlochs berechnet werden. Ableitbar ist dies anhand folgender Merkmale des Messsignals: a) dem Zeitanteil, während dessen die Intensität des Messsignals Null ist, b) der Korrelation des Messsignals mit dem Trepaniersignal (hierdurch lässt sich beurteilen, wie groß der Eingriff des Laserfokus ist), c) aus der mittleren Höhe der Intensität des Messsignals.
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Aus diesen Merkmalen lässt sich der Ort der Bohrlochwandung und daraus die Form bzw. Rundheit und der Durchmesser des Bohrloches bestimmen.
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Zusätzlich zu den Diagrammen mit dem zeitlichen Verlauf der Intensität I des Messsignales über der Zeit t ist innerhalb der Diagramme in den 9 bis 11 sowie der 13 jeweils das zum jeweiligen Messsignal gehörige Bohrloch mit abgebildet. Bei allen nachfolgenden Figuren wurde lediglich die 406 nm Spektrallinie des Prozessleuchtens gemessen bzw. innerhalb des Diagramms aufgetragen.
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Das Bohrloch 90 aus 9 wurde mit einer Trepanierfrequenz von 100 Umdrehungen pro Minute gebohrt. (Mit dieser Frequenz drehte sich der Laserfokus 82 entlang der kleinen Kreislinie 86 aus 8). Die Rotationsgeschwindigkeit des Werkstücks entspricht 0,5 Umdrehungen pro Minute. (Verweis auf 8: der sich trepaniert drehende Laserfokus 82 bewegte sich, bedingt durch, die Rotation des Werkstückes 81, demnach in einem Zeitraum von zwei Minuten einmal entlang der großen gestrichelten Kreislinie 85). Innerhalb des Diagramms aus 9 lässt sich die trepanierende Bewegung des Laserfokus anhand der Sinusförmigkeit der Intensität des Messsignals in Bezug auf einen Mittelwert der Intensität des Messsignales ablesen. Aus der Überlagerung beider rotatorischer Bewegungen des Laserfokus resultiert eine zyklische Hin- und Herbewegung des Laserfokus relativ zu einer Bohrlochwandung.
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Innerhalb der Bohrlochwandung des Bohrloches 90 ist oben, abweichend von der Kreisförmigkeit des Bohrloches 90, eine Ausbauchung 91 erkennbar. Diese Ausbauchung 91 resultiert aus einer Inhomogenität der dreidimensionalen Intensitätsverteilung des Laserfokus, hervorgerufen durch die Polarisation der Laserstrahlung. Im Bereich der Ausbauchung 91 erfolgte ein besonders aggressiver Abtrag. Dies lässt sich anhand der Intensität des Messsignales gut erkennen. Diese Intensität weist bei ungefähr 20 Sekunden einen auffälligen peak 92 auf. Zu ungefähr diesem Zeitpunkt hält sich der Laserfokus während der Bohrphase im Bereich der Ausbauchung 91 des Bohrloches 90 auf. Nach 120 Sekunden hat der Laserfokus das Bohrloch 90 genau einmal kreisförmig durchlaufen. Jenseits der 120 Sekunden geht die Intensität des Messsignales merklich zurück und erreicht annähernd den Wert 0. Nach einer vollständigen Umdrehung (94) beaufschlagt der Laserfokus das Werkstück ein zweites Mal. Da während des ersten Durchlaufs bereits Material abgetragen wurde, bewegt sich der Laserfokus beim zweiten Durchlauf innerhalb von Bereichen des Werkstückes bzw. des Bohrlochs 90, in denen bereits weitgehend Durchbrüche vorhanden sind. Deshalb kommt es in diesen Bereichen kaum mehr zu Materialabtrag. Entsprechend gering ist das Prozessleuchten, und die Intensität des Messsignals geht zeitweise auf 0 zurück. Nach ungefähr 140 Sekunden weist die Intensität des Messsignals abermals einen auffälligen peak 93 auf. Zu diesem Zeitpunkt hat der Laserfokus während seinem zweiten Durchlauf nochmal die Ausbauchung 91 des Bohrlochs 90 passiert. Dabei erfolgte erneut Materialabtrag in diesem Bereich, weshalb die Intensität des Messsignals bei 93 nochmals ansteigt.
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Analog zu 9 ist in 10 die Intensität des Messsignales bei einer anderen Bohrung über der Zeitachse t aufgetragen. Das zugehörigen Bohrloch 100 ist ebenfalls im Diagramm abgebildet. Die Trepanierfrequenz betrug 100 Umdrehungen pro Minute, die Rotationsgeschwindigkeit des Werkstücks 0,25 Umdrehungen pro Minute. Ähnlich wie in 9 weist das Bohrloch 100 in seinem oberen Bereich eine Ausbauchung 101 auf. Dies zeigt sich auch am Verlauf der Intensität des Messsignals innerhalb des Diagramms. Nach ungefähr 40 Sekunden weist die Intensität einen peak 102 auf. Dies spiegelt eindeutig den zeitlichen Durchlauf durch den Bereich der Ausbauchung 101 des Bohrlochs 100 wider.
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11 zeigt den zeitlichen Verlauf der Intensität des Messsignals für das Prozessleuchten, welches bei der Bohrung des Bohrloches 110 durch den Sensor detektiert wurde. In diesem Fall beträgt die Trepanierfrequenz des Laserfokus lediglich 50 Umdrehungen pro Minute. Aufgrund dessen lässt sich erkennen, dass die Wellenlänge des sinusförmig modulierten Messsignals doppelt so groß ist wie in den 9 bzw. 10. Ebenso weist das Bohrloch 110 eine Ausbauchung 111 auf, bei der während des Passierens des Laserfokus ein besonders aggressiver Materialabtrag erfolgte. Dies zeigt sich beim Intensitätsverlauf des Messsignales bei dem peak 112 nach ungefähr 20 Sekunden sowie bei dem peak 113 nach ungefähr 140 Sekunden, wobei der peak 113 aus der zweiten Umdrehung resultiert.
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Innerhalb des Diagramms von 12 ist die 406 nm Spektrallinie der Intensität des Messsignals 122 innerhalb des Zeitintervalls zwischen ungefähr 86 und ungefähr 126 Sekunden gedehnt aufgetragen, der Mittelwert der Intensität ist durch die Kurve 123 dargestellt. Desweiteren ist im oberen Bereich des Diagramms eine periodische, rechteckförmige Kurve 121 aufgetragen. Die Kurve 121 zeigt den zeitlichen Verlauf der trepanierten Bewegung des Laserfokus, daraus ist ableitbar, wie sich der Laserfokus konkret in Bezug auf eine Bohrlochwandung zyklisch hin- und herbewegt. Durch Vergleich der periodischen Abläufe der Kurve 121 und der Intensität des Messsignals 122 ist nachvollziehbar, wie die Drehung des Laserfokus mit der Intensität des Prozessleuchtens und mit dem durch Beaufschlagung des Werkstücks durch den Laserfokus resultierenden Materialabtrag korreliert ist. Durch geeignete Auswertung dieser beiden zueinander korrelierten Kurven lassen sich Aussagen über die Beschaffenheit der Bohrlochgeometrie bzw. der Bohrlochwandung treffen. Befindet sich die rechteckige Kurve 121 während einer halben Periode auf dem Wert I = 0,09 der Intensitätsskala, befindet sich der Laserfokus näher an einer Bohrlochwandung, das dazu korrelierte Messsignal 122 der Intensität steigt in diesen Abschnitten jeweils an, das Prozessleuchten nimmt zu und es kommt zu einem erhöhten Materialabtrag. Während der anderen Halbperioden der Rechteckkurve 121, bei denen diese sich auf einem Wert I = 0,08 befindet, nimmt die Intensität ab, der Laserfokus ist weiter von einer Bohrlochwandung entfernt, es kommt zu einem geringeren Materialabtrag und demnach lässt das Prozessleuchten nach. Die Wirkung des Laserfokus auf die Bohrlochwandung und den Materialabtrag erfolgt demzufolge geringfügig zeitverzögert.
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Insbesondere ist anhand des Verlaufs der Intensität des Messsignals 122 erkennbar, dass ab ungefähr 120 Sekunden die Intensität immer deutlicher und zunehmend für längere Zeitintervalle auf den Wert 0 herunterfährt. Demnach setzt das Prozessleuchten nach ungefähr 120 Sekunden zunehmend aus, es erfolgt also kein Materialabtrag mehr. Ab diesem Zeitpunkt bewegt sich der Laserfokus ein zweites Mal entlang der Bohrlochwandung, wo bedingt durch den ersten Durchlauf bereits Durchbrüche vorhanden sind. (Bereich 114 im Verlauf der Intensität des Messsignals innerhalb des Diagramms aus 11).
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Das Diagramm aus 13 zeigt den Verlauf der Intensität des Messsignals des detektieren Prozessleuchtens, welches bei der Bohrung des Bohrloches 130 detektiert wurde. In diesem Fall beträgt die Trepaniergeschwindigkeit 50 Umdrehungen pro Minute, und die Rotationsgeschwindigkeit des Werkstücks 0,25 Umdrehungen pro Minute. Interessant hieran ist, dass nach ungefähr 120 Sekunden die Intensität des Messsignales nur noch gering ist, dies deutet darauf hin, dass ab diesem Zeitpunkt 134 nur noch unwesentlich Materialabtrag erfolgt. Es wird gewissermaßen nur noch kontrolliert, ob innerhalb der abgefahrenen Bereiche Durchbrüche vorhanden sind. Der Materialabtrag durch den Laserfokus ist aber vernachlässigbar. Es bietet sich die Möglichkeit, innerhalb eines solchen Bereichs des Intensitätsverlaufs unter Berücksichtigung eines dazu korrelierten Signals der Trepanierfrequenz des Laserfokus die Bohrlochgeometrie genauer auszumessen. Dabei tastet der Laserfokus eine Bohrlochwandung gewissermaßen zyklisch ab.