DE19617388C1 - Verfahren zur Nachführung von Prozeßparametern bei der Strukturierung von Metalloberflächen - Google Patents
Verfahren zur Nachführung von Prozeßparametern bei der Strukturierung von MetalloberflächenInfo
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Description
Die Erfindung betrifft die Nachführung von Prozeßparametern
bei der Erzeugung von Strukturen mit definierter Tiefe, wobei
der Laserstrahl eine vorbestimmte Struktur meist linienförmig
abfährt und bei jeder Position eine zum Start einer exother
men Oxidation des abzutragenden Metalles ausreichende Ener
giemenge einbringt. Die Oxidation wird durch Sauerstoffzufuhr
unterstützt und das Metalloxid durch Sublimation verdampft
und wird somit gleichzeitig vom Bearbeitungsort in der Gas
phase abgeführt. Die Reaktion ist mit einem Prozeßleuchten
verbunden.
Im Stand der Technik sind verschiedenartige Prozeßüberwa
chungsverfahren bekannt. Diese können beispielsweise
(DE 36 00 591 A1) auch auf der Emissionsspektroskopie beruhen, wobei
ein entstehendes feucht- oder Plasmasignal ausgewertet wird.
Werden beispielsweise (DE 39 13 785 A1) verschiedenartige Ma
terialschichten in einem Werkstück selektiv oder nacheinander
abgetragen, so entstehen in dem Signal charakteristische
Spektrallinien, die den angeregten verdampften Elementen zu
geordnet werden können. Diese werden während des Abtragsvor
ganges gemessen und ausgewertet. Voraussetzung ist jeweils,
daß das Material verdampft und analysierbar ist.
Auch beim Laserstrahlschweißen kann beispielsweise die spek
troskopische Charakterisierung des entstehenden Leucht- oder
Plasmasignales erfolgreich eingesetzt werden. So kann bei
spielsweise das Auftreten von abschirmenden Plasmen detek
tiert werden, die Prozeßunterbrechungen verursachen können.
Tritt ein derartiges Plasma auf, so ist dies mit dem Anwach
sen der Intensität einer Stickstofflinie im Spektrum des Si
gnales frühzeitig erkennbar und eine kurzzeitige Verringerung
der Laserleistung kann ein umfassendes Entstehen dieses Plas
mas verhindern.
Aus der europäischen Patentanmeldung P 0 558 135 A1 ist ein
Verfahren zur Strukturierung von Molybdänoberflächen bekannt.
Darin werden Vertiefungen an der Werkstückoberfläche dadurch
eingebracht, daß unter einem Sauerstoffstrahl das Werkstück
mit einem Laserstrahl lokal erwärmt wird, wobei die Schmelz
temperatur des Molybdäns nicht erreicht wird. Das Molybdän
wird jedoch in einer exothermen Reaktion stufenweise oxydiert
und verdampft. Da bei diesem Verfahren eine autokatalytische
Oxidation in Gang gesetzt wird, bei der der Sauerstoff mit
dem Molybdän reagiert, hängt die erzielbare Abtragstiefe da
von ab, inwieweit die Oberfläche mit Passivierungsschichten
belegt ist, ob Materialinhomogenitäten des Werkstückes auf
treten, wie die Strömungsrichtung geführt ist, wie hoch der
Druck und der Reinheitsgrad des zugeführten Sauerstoffes
sind, wie die Laserleistung und die Fokuslage des Laserstrah
les sind.
Soll die Strukturierung der Metalloberfläche, insbesondere
die Abtragstiefe beim Verfahren des Lasers relativ zur Mate
rialoberfläche in geringen Toleranzgrenzen liegen, so müssen
samtliche Prozeßparameter genau geführt werden. So müssen
beispielsweise definierte Material- und Oberflächeneigen
schaften bereitgestellt werden, was einen wesentlichen Auf
wand bedeutet.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein überwachtes
oder geregeltes Verfahren zur Erzeugung definierter Struktu
ren auf Metalloberflächen zu erzeugen, wobei mittels Laser
das Material unter Ausnutzung einer exothermen Oxidation des
Metalls mit anschließender Verdampfung des Oxides sukzessive
abgetragen wird.
Die Lösung dieser Aufgabe geschieht durch die Merkmale des
Anspruchs 1.
Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß die während
des Strukturierungs- bzw. Abtragsprozesses auftretende
Leuchterscheinung über der Werkstoffoberfläche ausgenutzt
werden kann. In Versuchen wurde festgestellt, daß bei der Va
riation der Prozeßparameter eine Korrelation zwischen dem
Prozeßleuchten und der Abtragstiefe besteht. Dabei können die
Stärke des Prozeßleuchtens oder die Stärke einzelner Spek
trallinienbereiche ausgewertet werden, um beispielsweise die
Abtragstiefe einzustellen oder nachzuregeln. Somit ist eine
Qualitätssicherung über eine Prozeßregelung möglich. Zur Pro
zeßregelung müssen Abweichungen von Prozeßparametern von vor
gegebenen Sollwerten durch entsprechendes Nachregeln derart
eingestellt werden, daß eine Prozeßgröße, beispielsweise die
Abtragstiefe bei der Oberflächenstrukturierung, in engen To
leranzgrenzen gehalten wird.
Vorteilhafte Ausgestaltungen sind den Unteransprüchen zu ent
nehmen.
Die Erscheinung, daß eine exotherme Oxidation von Metallen
mit einer annähernd selbst ständigen Verdampfung des Metall
oxides vorliegt, betrifft u. a. die Werkstoffe Molybdän und
Kupfer sowie deren Legierungen. Molybdän wird beispielsweise
bei der Herstellung von Gleitlagern für drehbare Röntgenröh
ren eingesetzt. Kupfer findet vielfältigste Anwendung in der
Elektronik.
Für einen erfindungsgemäßen Überwachungsvorgang werden zweck
mäßigerweise die Intensität des gesamten Prozeßleuchtens oder
die Intensität von Spektrallinienbereiche des Prozeßleuchtens
verwendet. Die optischen Signale werden optoelektrisch umge
setzt und in das Überwachungssystem integriert. Bei entspre
chender Auslegung des Bearbeitungssystems zur Strukturierung
einer Metalloberfläche liegt beispielsweise die Nutbreite ei
ner Struktur fest, so daß als variabler bzw. einzustellender
Parameter die Abtragstiefe in der Strukturierung überwacht
und geregelt werden kann.
In Anlehnung an die Verwendung von Molybdän oder Kupfer kön
nen beispielsweise die Oberflächen von Gleitlagern bzw. die
Oberflächen von Blattfedern bearbeitet werden. Es wird je
weils eine Materialbearbeitung in dem Sinn vorgenommen, daß
in die Oberflächen Strukturen eingearbeitet werden oder daß
ganz gezielt Materialabtragungen punktuell linienförmig oder
flächig vorgenommen werden.
Ein weiterer Anwendungsfall der Erfindung eröffnet sich beim
Schneiden von metallischen Folien oder Blechen durch einen
Laser. Werden die Folien beispielsweise voroxidiert, so hat
dies durch Kombination mehrerer Merkmale besondere Vorteile,
z. B. die Verringerung der Abbrandgefahr. Der Einsatz eines
intensitätsmodulierten Lasers sorgt dafür, daß durch dessen
Spitzenleistungen oberflächlich vorhandene Oxide oder auch
Verschmutzungen aufgebrochen bzw. entfernt werden und gleich
zeitig kann die Strukturierung der Oberfläche mit sehr fla
chen, d. h. nicht tiefen Nuten erfolgen, da die Durchschnitts
leistung des Lasers der geringen Menge von abzutragendem Ma
terial entspricht. Anstelle einer Intensitätsmodulierung des
Lasers kann auch ein gepulster Laser mit ähnlichen Verhält
nissen in Bezug auf die Impulsspitzenleistung, die Wiederhol
frequenz der Impulse und die Durchschnittsleistung verwendet
werden. Die Laserstrukturierung einer Metalloberfläche ist
somit auch mit geringer Abtragstiefe beim Abfahren von klei
nen Kreisbögen möglich, wenn beispielsweise eine computerge
steuerte Maschine eingesetzt wird oder auch bei der Verwen
dung von Rastertechnik die zur Herstellung von breiteren Ver
tiefungen oder komplexen Strukturen verwendet wird. Wichtig
ist, daß von Punkt zu Punkt beim Abfahren des Lasers relativ
zur Oberfläche des Werkstückes jeweils eine feste Oxidschicht
aufgebrochen wird und die exothermische Oxidation des Metal
les gestartet wird.
Ein Laser wird beispielsweise mit 500 Hz moduliert und mit
einer Verfahrgeschwindigkeit von 4 mm/s verfahren. Die Pro
zeßtemperatur liegt beispielsweise bei 800°C. Molybdän wird
dabei im Regelfall nicht geschmolzen, da dessen Schmelztempe
ratur ca. 2620°C liegt. Die Oxidation geschieht unter Bildung
von Molybdändioxid bzw. von Molybdäntrioxid. Deren entspre
chende Schmelztemperaturen liegen bei 1700°C bzw. bei 795°C.
Spätestens bei 800°C setzt eine exotherme Oxidation von Mo
lybdän ein, wobei gleichzeitig ein Verdampfen des Oxides zu
verzeichnen ist. Die Reaktion bzw. der Bearbeitungsvorgang
werden gestoppt, wenn eine oberflächlich vorhandene feste
Oxidschicht nicht aufgebrochen wird oder wenn die angebotene
Sauerstoffmenge nicht ausreicht oder wenn die durchschnitt
lich eingebrachte Laserleitung zu niedrig ist.
Ein sauerstoffunterstütztes Verdampfen des Metalloxides er
bringt den wesentlichen Vorteil, daß keinerlei Materialsprit
zer auf dem Werkstück zurückbleiben. Zum Einsatz kommen ver
schiedene Lasertypen, wobei ein Nd: YAG-Laser zur Bearbeitung
von Molybdän oder Kupfer praktikabel ist.
In der Relaistechnik werden beispielsweise Federn eingesetzt,
die allgemein fertigungsbedingten Schwankungen unterliegen.
Diese beruhen auf den Werkstoffeigenschaften und auf den Be
dingungen beim Herstellungsprozeß, wie beispielsweise Walzen
oder Stanzen. Dies erfordert eine nachträgliche Ausrichtung
der Federn, was durch Biegen nicht reproduzierbar einzustel
len ist. Durch das erfindungsgemäß Verfahren kann die Ferti
gung von Federn derart vervollständigt werden, daß oberfläch
liche gratfreie Strukturen erzeugt werden und das Werkstück
keinerlei Materialspritzer aufweist. Durch den Abtrag an be
liebigen Stellen im µm-Bereich wird das Werkstück in seinen
Abmessungen, in der Regel in der Höhe reduziert. So ist bei
spielsweise mit entsprechendem Abtragsmuster eine dynamische
Federkennlinie einstellbar. Ahnliches geschieht auch durch
unterschiedlich starke Bearbeitung an verschiedenen Oberflä
chenpunkten der Feder. Diese Technik ist auch auf Mehrlagen
metalle beispielsweise Bimetalle oder Trimetalle anwendbar,
deren Funktion von der Zusammenstellung und Dicke der Lagen
abhängt.
Die Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens beim Schneiden
von Folien oder dünnen Blechen erübrigt ungenaue konventio
nelle Laserschneidverfahren oder Stanzverfahren mit hoher
Ausschußrate oder auch chemischer Nachbehandlung. Die Gefahr,
daß beispielsweise eine Folie abtrennt kann durch das zusätz
liche Merkmal eines intensitätsmodulierten Lasers behoben
werden. In diesem Fall liegt die durchschnittliche einge
brachte Leistung in einem unkritischen unteren Bereich. Er
findungsgemäß kann das Schneiden einer Folie durch Auswertung
des auftretenden Prozeßleuchtens überwacht oder geregelt wer
den. Das Einsetzen einer exothermen Oxidation, die Grundlage
des Prozeßleuchtens ist, besagt beispielsweise, daß der Start
des Schneidvorganges gewährleistet ist und die fortlaufende
Reaktion aufrechterhalten wird.
Allgemein kann gesagt werden, daß ein gleichmäßiger Abtrag
nahezu unabhängig von der Oberflächenbelegung mit Oxiden oder
Verschmutzungen durchführbar ist und auch geringe Abtragstie
fen erzeugt werden können. Des weiteren wird durch die Modu
lation der Laserstrahlleistung die eingekoppelte Wärme in ei
ne Folie verringert und somit das Prozeßfenster zwischen
Schneiden und Abbrennen der Folie vergrößert. Vorteilhaft ist
in diesem Zusammenhang ein möglichst kleiner Fokusdurchmesser
des Laserstrahles auf der Folie, damit die Laserleistungs
dichte im Schneidbereich groß genug ist, um eine Temperatur
zwischen Verdampfungstemperatur des Oxides und Schmelztempe
ratur des Metalles zu erreichen. Andererseits sollte mög
lichst wenig Wärme durch Wärmeleitung in die an der Schnitt
fuge angrenzende Folie eingekoppelt werden. Für eine bei
spielsweise 200 µm dicke Folie aus Molybdän wird bei einem
Fokusdurchmesser von 150 µm und einem Sauerstoffdruck an der
Düse von 5 bar eine Durchschnittsleistung des modulierten La
serstrahls von 80 W benötigt.
Sollten beispielsweise Stege ausgeschnitten werden, so wird
die Wärmeableitung beim zweiten Schnitt deutlich geringer und
die Temperatur neben der Schnittkante kann so groß werden,
daß der Steg abbrennt. In diesem Fall kann auf eine Prozeßre
gelung nach der Erfindung zurückgegriffen werden, die unter
Auswertung des Prozeßleuchtens während des Laserstrahlabtra
ges eine Prozeßregelung zur Erzielung einer definierten Ab
tragstiefe realisiert. Mit dieser Prozeßregelung ist dann
auch ein Schneiden von Folien realisierbar, ohne daß die Wär
meableitung ins Werkstück betrachtet werden muß.
Im folgenden wird anhand von schematischen Figuren ein Bei
spiel beschrieben.
Fig. 1 zeigt den Verlauf der Abtragstiefe bzw. des Prozeß
leuchtens in Abhängigkeit von dem Abstand der Sauerstoffdüse
von der Werkstückoberfläche,
Fig. 2 zeigt den Verlauf der Abtragstiefe bzw. des Prozeß
leuchtens in Abhängigkeit von einer Fokusverstellung.
Die Fig. 1 und 2 zeigen beispielhaft für die Bearbeitung
von Molybdän verschiedene Abhängigkeiten beim Einsatz eines
Lasers, dessen mittlere Laserleistung ca. 130 W beträgt. Die
Verfahrgeschwindigkeit des Lasers beträgt jeweils 4 mm/s und
die Intensitätsmodulation geschieht mit 500 Hz.
In Fig. 1 wird die Abtragstiefe 1 in µm in Abhängigkeit von
dem Abstand 4 der Sauerstoffdüse vom Werkstück in mm darge
stellt. Das Prozeßleuchten 2 ist gleichzeitig in entsprechen
der Weise eingetragen. Die Intensitätsmodulation des Lasers
bewirkt, daß minimale Leistungen von 45 W auftreten und Spit
zenleistungen von 210 W. Die Abtragstiefe in dem Diagramm
liegt zwischen 0 und 16 µm. Der Abstand 4 der Sauerstoffdüse
beträgt zwischen 2 und 10 mm. Die Maßeinheit für das Prozeß
leuchten kann als relative Einheit bzw. als normierte Einheit
angegeben werden. Erkennbar ist in Fig. 1, daß mit zunehmen
dem Abstand 4 der Sauerstoffdüse von der Werkstückoberfläche,
d. h. mit weniger angebotenem Sauerstoffgas die Abtragstiefe 1
absinkt. In ähnlicher Weise sinkt auch das Prozeßleuchten 2.
In Fig. 2 ist auf der Ordinate wiederum die Abtragstiefe 1
in µm und das Prozeßleuchten 2 in relativen Einheiten aufge
tragen. Auf der Abszisse ist die Fokuseinstellung 3 in mm
aufgetragen. Die Einstellung, bei der der Fokus in der Ebene
der Metalloberfläche liegt, ist ungefähr in der Mitte ange
siedelt. Eine Fokusverlagerung zu beiden Seiten hin bedeutet
eine Verkleinerung der vom Laser eingebrachten Leistung. In
entsprechender Weise wird die Abtragstiefe 1 jeweils abfal
len. Dies gilt genauso für das Prozeßleuchten 2. Somit kann
das Prozeßleuchten 2 zur Überwachung und Regelung des Prozes
ses herangezogen werden.
Claims (12)
1. 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 Oxydation des abzutragenden Me
talls unter Sauerstoffzufuhr ausreichende Energiemenge ein
bringt, das Metalloxid durch Sublimation verdampft und
gleichzeitig vom Bearbeitungsort als gasförmiges Metalloxid
entfernt wird und die Reaktion mit einem Prozeßleuchten ver
bunden ist, dessen zur jeweils oxidierten Metallmenge propor
tionale Intensität ermittelt und zur Nachregelung von Prozeß
parametern auf vorgegebene Sollwerte verwendet wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Strukturierung auf einer Molybdänoberfläche ge
schieht.
3. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Strukturierung auf einer Kupferoberfläche geschieht.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Intensität einer oder mehrerer Spektrallinien oder
Spektrallinienbereiche zur Nachregelung verwendet wird.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Abtragstiefe bei der Strukturierung der Metallober
fläche geregelt wird.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß zur Regelung des Verfahrens die Laserleitung nachgeregelt
wird.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Metalloberfläche eines Gleitlagers strukturiert wird,
insbesondere zur Herstellung eines Spiralrillenlagers für ei
ne Röntgeneinrichtung.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6,
dadurch gekennzeichnet,
daß eine Blattfeder oberflächlich strukturiert wird.
9. Verfahren nach Anspruch 8,
dadurch gekennzeichnet,
daß durch das Aufbringen eines vorgegebenen Abtragmusters ei
ne dynamische Federkennlinie eingestellt wird.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6,
dadurch gekennzeichnet,
daß metallische Folien oder Bleche geschnitten werden.
11. Verfahren nach Anspruch 10,
dadurch gekennzeichnet,
daß die metallischen Folien oder Bleche zur Verringerung der
Abbrandgefahr voroxidiert sind.
12. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Laser intensitätsmoduliert ist.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE19617388A DE19617388C1 (de) | 1996-04-30 | 1996-04-30 | Verfahren zur Nachführung von Prozeßparametern bei der Strukturierung von Metalloberflächen |
Applications Claiming Priority (1)
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DE19617388C1 true DE19617388C1 (de) | 1997-05-28 |
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ID=7792959
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DE19617388A Expired - Fee Related DE19617388C1 (de) | 1996-04-30 | 1996-04-30 | Verfahren zur Nachführung von Prozeßparametern bei der Strukturierung von Metalloberflächen |
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Country | Link |
---|---|
DE (1) | DE19617388C1 (de) |
Cited By (2)
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US6428218B1 (en) | 1998-03-27 | 2002-08-06 | Siemens Aktiengesellschaft | Method and device for splicing optical conductors |
DE10305876B4 (de) * | 2003-02-13 | 2012-04-19 | Robert Bosch Gmbh | Laserabtragprozess und Vorrichtung zur Durchführung des Prozesses |
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-
1996
- 1996-04-30 DE DE19617388A patent/DE19617388C1/de not_active Expired - Fee Related
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D1 | Grant (no unexamined application published) patent law 81 | ||
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