DE19617388C1 - Verfahren zur Nachführung von Prozeßparametern bei der Strukturierung von Metalloberflächen - Google Patents

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.