DE4323757A1

DE4323757A1 - Verfahren zur Materialbearbeitung mittels Laser

Info

Publication number: DE4323757A1
Application number: DE4323757A
Authority: DE
Inventors: Ralf Engelhardt; Alfred Dr Vogel
Original assignee: MED LASERZENTRUM LUEBECK GmbH
Current assignee: MED LASERZENTRUM LUEBECK GmbH
Priority date: 1993-07-15
Filing date: 1993-07-15
Publication date: 1995-02-09
Anticipated expiration: 2013-07-16
Also published as: DE4323757C2; US5601738A

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Materialbearbeitung mittels Laser in einem flüssigkeitsgefüllten Raum, bei dem durch pulsweise Laseremission ein Materialabtrag erfolgt sowie eine Vorrichtung zur Ausführung dieses Verfahrens.

Es zählt zum Stand der Technik, mittels eines Lasers durch pulsweise Laseremission Material an einem vorgesehenen Applikationsort ab zutragen. Eine spezielle Anwendung einer solchen Materialbearbei tung mittels Laser ist der Materialabtrag unter Flüssigkeitsabschluß. Diese Anwendung ermöglicht einen feinfühligen und präzisen Materi alabtrag wie er mit anderen Verfahren, beispielsweise spanabhebende Verfahren oder funkenerosiv - dieses Verfahren setzt die elektrische Leitfähigkeit des abzutragenden Materiales voraus - nicht in dieser Weise durchführbar ist. So können mit dem bekannten Materialbear beitungsverfahren mittels Laser Gefäße oder Leitungssysteme bei spielsweise im Fall von Verstopfungen oder Ablagerungen bearbeitet werden, ohne daß es erforderlich ist, die darin üblicherweise befind liche Flüssigkeit zu entfernen.

Es treten jedoch mithin auch Probleme bei dieser Materialbearbeitung auf. So können z. B. durch Ablation oder durch Disruption in der Umgebung des Applikationsortes sehr hohe Drücke auftreten. Diese Drücke entstehen durch thermische Ausdehnung des abzutragenden Materiales und/oder der umgebenden Flüssigkeit, wenn Material vom festen oder flüssigen in den gasförmigen Zustand überführt wird. Infolge dieser kurzzeitig und lokal auftretenden sehr hohen Drücke wird eine Druckwelle in die umgebende Flüssigkeit abgestrahlt und es wird eine Kavitationsblase erzeugt, durch deren Dynamik es in Einzelfällen zu Schädigungen des umgebenden Materiales kommen kann.

Wegen der Massenträgheit der umgebenden Flüssigkeit wirkt ein an sich offenes Leitungssystem in diesem Fall wie ein geschlossenes System. Wenn eine Kavitationsblase durch schnelles Verdampfen erzeugt wird, so muß die Massenträgheit der umliegenden Flüssigkeit überwunden werden. Dadurch entstehen hohe Drücke im Blaseninne ren, die zu einer Beschleunigung der Blasenwände nach außen füh ren. Wenn der Blaseninnendruck auf den Umgebungsdruck abgefallen ist, ist die kinetische Energie der nach außen strömenden Flüssigkeit maximal. Wegen der Trägheitskräfte schwingt die Blase über den Gleichgewichtspunkt hinaus. Druck und Dichte im Blaseninneren fallen auf sehr geringe Werte ab, bevor die Blase durch den Außen druck wieder kollabiert. Schäden in der Blasenumgebung können durch den zu hohen Druck zu Beginn der Blasenexpansion, durch die kinetische Energie der nach außen strömenden Flüssigkeit und durch den Kollaps der Blase entstehen.

Es kann daher durch die örtliche Druckerhöhung und die dadurch verursachte Blasendynamik zu einer Überbeanspruchung der in die sem Bereich liegenden Bauteile bzw. Leitungswandungen kommen. Weiterhin besteht durch die vorerwähnten Druckerhöhungen die Gefahr, daß in der umgebenden Flüssigkeit Gas gelöst wird, das bei dem nachfolgenden Druckabfall unkontrolliert wieder freigesetzt wird.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein gattungsgemäßes Verfahren so weiterzuentwickeln, daß diese partiellen starken Druck erhöhungen verringert werden und auch die Kavitationserscheinun gen und die vorerwähnten schädigenden Wirkungen vermieden, zumindest jedoch deutlich verringert werden. Des weiteren sollen geeignete Vorrichtungen zur Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens bereitgestellt werden.

Der verfahrensmäßige Teil der obigen Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß unmittelbar vor der Laserbearbeitung im Bereich der Bearbeitungsstelle zur Verdrängung der dort befindlichen Flüssig keit Gas zugeführt oder erzeugt wird. Der vorliegenden Erfindung liegt der Gedanke zugrunde, daß die Verminderung der Druckerhö hung in effektiver Weise dadurch erfolgen kann, daß die Flüssigkeit in der unmittelbaren Umgebung des Applikationsortes durch Gas verdrängt wird, das entweder von außen an diese Stelle zugeführt wird oder aber in geeigneter Weise an dieser Stelle unmittelbar vor der Laserbearbeitung erzeugt wird. Und zwar ist die Reduzierung der Druckerhöhung um so größer, je mehr Flüssigkeit vor der Applika tion aus dem in diesem Fall als abgeschlossen zu betrachtenden Volumen entfernt wird. Die durch die Erzeugung des Gases bzw. die Zuführung des Gases resultierende Druckerhöhung und die entspre chenden Strömungsgeschwindigkeiten können bei geeigneter Durch führung vergleichsweise gering gehalten werden.

Während bei dem einleitend beschriebenen Verfahren nach dem Stand der Technik stets ein nicht unerheblicher Teil der um die Applika tionsstelle befindlichen Flüssigkeit verdampft wird, da die Verdamp fungstemperatur der umgebenden Flüssigkeit in der Regel wesentlich niedriger ist als die des abzutragenden Materiales, resultiert die sonst übliche starke Druckerhöhung zu nicht unerheblichen Teilen aus dieser Verdampfung der Flüssigkeit, was mit dem erfindungsgemäßen Verfahren im wesentlichen vermieden oder zumindest stark reduziert werden kann. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird weder bei der Laserbestrahlung des Applikationsortes Energie durch die um liegende Flüssigkeit absorbiert noch geht Energie durch Wärmelei tung vom Applikationsort in die umliegende Flüssigkeit verloren. Außerdem wird durch den akustischen Impedanzsprung an der Ober fläche des Zielmateriales ermöglicht, daß im Zielmaterial Spallations effekte auftreten können. Die Blasenerzeugung vor dem Zielmaterial ermöglicht also neben der Druckreduzierung auch eine Verbesserung der Ablationseffizienz.

Das erfindungsgemäße Verfahren kann durch zwei Maßnahmen reali siert werden. Zum einen durch ein quasi statisches Verfahren, bei dem die Flüssigkeit an der Applikationsstelle durch langsame Gaszu führung über eine Leitung verdrängt wird, wobei nur geringe Strö mungsgeschwindigkeiten erforderlich sind und somit auch nur geringe Drücke benötigt werden. Nach dieser Verdrängung kann das Volumen durch eine geeignete Vorrichtung verschlossen werden, um ein Zu rückströmen der Flüssigkeit zu vermeiden. Zum anderen sieht die Erfindung ein dynamisches Verfahren vor, in dem in festem Zeit verhältnis zu dem bearbeiteten Laserpuls an geeigneter Stelle, vor zugsweise in direkter Umgebung des Applikationsortes, Gasblasen erzeugt werden. Diese Gasblasen können durch schnelles Zuführen von Gas oder durch gezieltes Verdampfen erzeugt werden. Für dieses Verfahren muß die Dynamik der Blasenexpansion bzw. die Dynamik des zugeführten Gases berücksichtigt werden, da bei Nichtbeachtung durch die Blasendynamik eine Schädigung des umliegenden Materials erfolgen kann.

Wenn das Gas am Applikationsort oder nahe des Applikationsortes durch Verdampfung erzeugt werden soll, beispielsweise durch einem dem eigentlichen Bearbeitungspuls vorhergehenden Pilotpuls, so wird der Pilotpuls in der Regel eine wesentlich geringere Energie haben als der nachfolgende Bearbeitungspuls, beispielsweise unterscheiden sich die beiden Pulse in ihrer Energie um eine Zehnerpotenz. Die Energie des Pilotpulses wird vorzugsweise so gewählt, daß die durch den Pilotpuls auftretenden Effekte unterhalb der Schwelle für Schä den in der Umgebung des Applikationsortes bleiben.

Bei dynamischer Zuführung, insbesondere Erzeugung der Gasblase oder Gasblasen in der Nähe des Applikationsortes kann das Verfahren dadurch optimiert werden, daß der Zeitpunkt zwischen Gasblasen aufbau und dem Bearbeitungsimpuls so festgelegt wird, daß der Bearbeitungspuls in dem Zeitraum Material abträgt, in dem die zuvor durch den Pilotpuls oder sonstwie erzeugte Gasblase im Überschwing zustand ist, d. h. wenn der Innendruck in der Gasblase kleiner als der Umgebungsdruck ist. Dann wird nämlich die Blase durch die Ablationsprodukte aufgefüllt, ohne daß ein hoher Überdruck erzeugt wird, der eine erneute oder fortgesetzte Blasenexpansion verursachen würde. Im Idealfall können damit die durch Pilot- und Bearbeitungs puls insgesamt verursachten Druckwerte und die erzeugte kinetische Energie der Flüssigkeitsströmung auf die Werte reduziert werden, die sich bei der Erzeugung der Blase durch den Pilotpuls ergeben.

Wenn, wie gemäß der Erfindung vorgesehen, nicht nur der Bearbei tungspuls, sondern auch die Blase oder die Blasen durch Laserpuls erzeugt werden, so kann dies prinzipiell mit einem oder aber auch mit zwei getrennten Lasern erfolgen. Bearbeitungs- und Pilotpuls unterscheiden sich wie vorerwähnt jedoch nicht nur in der Energiezu fuhr, sondern können sich auch in der Zeitdauer unterscheiden. Für die Ablation strebt man oft eine möglichst kurze Impulsdauer an, da dann nahezu die gesamte Energie im Zielmaterial punktuell einge bracht wird und Energieverluste durch Erhitzung umgebender Flüssig keit sowie durch Wärmeleitung gering sind. Bei kurzer Pulsdauer werden also hohe Abtragsraten erreicht. Der Pilotpuls hingegen, der die Gasblase oder die Gasblasen erzeugt, wird vorteilhaft eine länge re Impulsdauer aufweisen, damit sich die Gasblasen möglichst lang sam und ohne abrupte Druckerhöhung aufbauen können.

Zur vorrichtungsmäßigen Lösung der weiter oben angegebenen Auf gabe sieht die Erfindung unterschiedliche Lösungen vor. So kann in einfachster Form zur Erzeugung einer oder mehrerer Gasblasen im Bereich des Applikationsortes parallel zum Lichtleiter des Lasers eine Leitung für die Gaszufuhr geführt werden, die im Bereich des freien Lichtleiterendes endet und in geeigneter Weise mit einer Gasquelle verbunden ist. Das zuzuführende Gas kann beispielsweise aus einem Vorratsbehälter, insbesondere einem Druckbehälter stammen, der über ein von der Steuerung betätigbares Ventil mit der Gasleitung verbunden ist.

Soll hingegen eine Gaserzeugung an oder nahe der Applikationsstelle durch einen Pilotpuls erfolgen, so ergeben sich konstruktiv mehrere Möglichkeiten. Sofern dies der Bearbeitungslaser zuläßt, genügt in einfachster Form eine Anpassung der Steuerung dahingehend, daß der Pilotpuls durch Leistungsreduzierung und entsprechender Änderung der Impulsdauer mit demselben Laser erzeugt wird, der auch den späteren Bearbeitungspuls erzeugt. Dies wird nicht immer möglich sein, insbesondere nicht bei vorhandenen Geräten. Dann kann ein zweiter Pilotlaser mit einem zweiten Lichtleiter vorgesehen sein, der zweckmäßigerweise zusammen mit dem Lichtleiter des Bearbeitungs lasers geführt ist. Des weiteren sind beide Laser über eine entspre chende Steuerung miteinander zu verknüpfen. Schließlich kann es vorgesehen sein, was insbesondere bei Neukonstruktionen in Betracht kommt, daß zwar ein Pilot- und ein Bearbeitungslaser vorgesehen sind, diese jedoch in denselben Lichtleiter einspeisen und ebenfalls über eine gemeinsame Steuerung miteinander verknüpft sind.

Unabhängig von der verwendeten Vorrichtung ist es in jedem Fall zweckmäßig, eine Sensorik vorzusehen, welche in der Lage ist, vor Abgabe des Bearbeitungspulses zuverlässig festzustellen, ob im Bereich des Applikationsgebietes eine ausreichende Gasmenge vorhan den ist, und die Abgabe des Bearbeitungspulses nur dann zuzulassen, im übrigen durch die Steuerung die Abgabe weiterer Bearbeitungs pulse zu sperren.

Zwar sind mehrere Methoden zur Materialanalyse bekannt, im vor liegenden Fall wird es jedoch besonders einfach und günstig sein, optische Methoden zu verwenden. So sind beispielsweise Verfahren bekannt, bei denen anhand der Intensität des reflektierten Lichtes eine Materialbestimmung erfolgt. Eine solche Materialbestimmung hat den Vorteil, daß sie durch den Lichtleiter des Bearbeitungslasers oder gegebenenfalls auch des Pilotlasers erfolgen kann, wodurch der vorrichtungsmäßige Aufwand verringert wird.

Beim dynamischen Verfahren sollte der Bearbeitungspuls dann ausge löst werden, wenn die durch den Pilotpuls erzeugte Blase aufge schwungen ist. Um dies zu gewährleisten, kann beispielsweise ein Testpuls mit der Energie des Pilotpulses ausgelöst und die Schwin gungsperiode der so erzeugten Blase bestimmt werden. Die Schwin gungsperiode ergibt sich aus der Zeitdifferenz zwischen den Druck wellen, die bei der Blasenerzeugung und beim Kollaps ausgesandt werden und läßt sich daher auf einfache Weise akustisch ermitteln.

Die vorrichtungsmäßige Ausbildung der Erfindung ist nachfolgend anhand von drei in der Zeichnung stark schematisiert dargestellten Ausführungsbeispielen erläutert. Die Fig. 1 bis 3 zeigen jeweils den schematischen Aufbau dieser Vorrichtungen.

In den Figuren ist ein Teil einer Rohrleitung 0 dargestellt, die durch einen Pfropfen 1 verstopft ist. Die in der Rohrleitung befindliche Flüssigkeit ist mit 3 gekennzeichnet. Das erfindungsgemäße Ver fahren soll eingesetzt werden, um durch Laserpulsbearbeitung den Pfropfen 1 in der Rohrleitung 0 zu entfernen und auf diese Weise die Rohrleitung wieder durchgängig zu machen. Während der Bearbei tung steht Flüssigkeit 3 in der Leitung. Die zur abtragenden Bearbei tung gemäß der Erfindung vorzusehende Gasblase ist mit 2 gekenn zeichnet und befindet sich unmittelbar vor dem abzutragenden Materi al 1.

Bei der Ausführung gemäß Fig. 1 weist die Vorrichtung einen Laser 4 auf, der den Bearbeitungslaser bildet und an den ein Lichtleiter 5 angeschlossen ist, dessen freies Ende in der Rohrleitung 0 kurz vor dem Pfropfen 1, also nahe der Applikationsstelle endet. Weiterhin weist die Vorrichtung eine Einrichtung zur Gaszufuhr 6 auf, die über eine Leitung 7 bis zur Applikationsstelle innerhalb der Rohrleitung 0 geführt ist. Lichtleiter 5 und Leitung 7 sind zusammen an die Ap plikationsstelle herangeführt und enden unmittelbar vor der Applika tionsstelle. Die Gasblase 2 wird durch das durch die Leitung 7 geför derte Gas gebildet, welches aus einem Vorratsbehälter stammt, der über ein von einer Steuerung 8 betätigtes Ventil mit der Leitung 7 verbunden ist. Die Steuerung 8, die auch für die Ansteuerung des Lasers 4 vorgesehen ist, sorgt dafür, daß bei Eingabe eines entspre chenden Steuersignales zunächst über die Einrichtung 6 und die Lei tung 7 Gas an die Applikationsstelle geführt wird, so daß sich die Gasblase 2 bildet. Sobald dies detektiert worden ist oder aber nach einer zeitlich vorgegebenen Spanne löst die Steuerung 8 dann einen Impuls des Lasers 4 aus, der über den Lichtleiter 5 auf die Applika tionsstelle, d. h. den Pfropfen 1, gerichtet wird. Dieser Vorgang wiederholt sich so lange, bis das gewünschte Abtragsergebnis erzielt ist.

Die Ausführung nach Fig. 2 unterscheidet sich von der vorbeschrie benen dadurch, daß anstelle der Einrichtung 6 zur Gaszuführung mittels Leitung 7 ein zweiter Laser 9, ein sogenannter Pilotlaser vorgesehen ist, der über einen zweiten Lichtleiter 10 zusammen mit dem Lichtleiter 5 bis zur Applikationsstelle geführt ist. Sowohl der Bearbeitungslaser 4 als auch der Pilotlaser 9 werden über eine Steue rung 11 so angesteuert, daß mittels des Pilotlasers 9 zunächst ein vergleichsweise langer und energiearmer Laserpuls zur Applikations stelle zum Zwecke der Bildung der Gasblase 2 gesendet wird und daß nach Bildung der Gasblase 2 erst der vergleichsweise energiereiche und kurze Puls des Bearbeitungslasers 4 freigegeben wird. Anstelle der dargestellten zwei Lichtleiter 5 und 10 kann auch ein gemeinsa mer Lichtleiter verwendet werden, in den über entsprechende opti sche Mittel von beiden Lasern 4 und 9 eingespeist wird.

Bei der Ausführung nach Fig. 3 ist lediglich ein Laser 4 vorgesehen, dessen Ausgang über den Lichtleiter 5 zur Applikationsstelle geführt ist. Bei dieser Ausführung übernimmt eine Steuerung 12 nicht nur die Freigabe des Bearbeitungspulses des Lasers 4, sondern steuert weiter hin die Leistung des Lasers 4, die Impulsdauer und den Impulsab stand. Auf diese Weise kann der Laser 4 sowohl zu Abgabe eines Pilotpulses als auch zur Abgabe eines Bearbeitungspulses angesteuert werden.

Bezugszeichenliste

0 Rohrleitung
1 Pfropfen
2 Gasblase
3 Flüssigkeit
4 Laser
5 Lichtleiter von 4
6 Einrichtung zur Gaszufuhr
7 Leitung
8 Steuerung Fig. 1
9 Pilotlaser
10 Lichtleitung
11 Steuerung Fig. 2
12 Steuerung Fig. 3.

Claims

1. Verfahren zur Materialbearbeitung mittels Laser in einem flüssigkeitsgefüllten Raum, bei dem durch pulsweise Laseremission ein Materialabtrag erfolgt, dadurch gekennzeichnet, daß vor oder während der Laserbearbeitung im Bereich der Bearbeitungsstelle (1) zur Verdrängung der dort befindlichen Flüssigkeit (3) Gas (2) zu geführt oder eine Gasblase erzeugt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Gaszufuhr über eine bis nahe an die Bearbeitungsstelle (1) herange führte gasführende Leitung (7) erfolgt.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Gasblasenerzeugung durch einen dem Bearbeitungslaserpuls vorausgehenden Puls (Pilotpuls) eines Lasers (4, 9) erfolgt, der durch Verdampfung von Material und/oder Flüssigkeit die erforderliche Gasmenge bildet.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zur Optimierung des Impulsabstandes zwischen Pilot- und Bearbeitungspuls die Schwingungsperiode der vom Pilot puls erzeugten Gasblase detektiert wird.

5. Vorrichtung zur abtragenden Materialbearbeitung in einem flüssigkeitsgefüllten Raum, insbesondere zur Durchführung eines Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mit einem Laser (4), einem daran angeschlossenem Lichtleiter (5) und mit einer Steuerung (8), dadurch gekennzeichnet, daß dem Lichtleiter (5) eine Leitung (7) für die Gaszufuhr zur Bearbeitungsstelle (1) zugeordnet ist, die im Bereich des freien Lichtleiterendes endet.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Leitung (7) für die Gaszufuhr über ein Ventil mit einem Gasbe hälter verbunden ist, wobei das Ventil von der Steuerung (8) stellbar ist.

7. Vorrichtung zur abtragenden Materialbearbeitung in einem flüssigkeitsgefüllten Raum, insbesondere zur Durchführung eines Ver fahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mit einem La ser (4), einem daran angeschlossenem Lichtleiter (5) und mit einer Steuerung (11), dadurch gekennzeichnet, daß ein zweiter Laser (Pi lotlaser 9) zur Gasblasenerzeugung vorgesehen ist, der mit einem Lichtleiter (10) verbunden und über die Steuerung (11) auslösbar ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der erste und der zweite Laser (4 und 9) in einen gemeinsamen Licht leiter (5) einspeisen.

9. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß für jeden Laser (4, 9) ein gesonderter Lichtleiter (5, 10) vorgesehen ist, wobei beide Lichtleiter (5 und 10) gemeinsam zur Applikationsstelle (1) geführt sind.

10. Vorrichtung zur abtragenden Materialbearbeitung in einem flüssigkeitsgefüllten Raum, insbesondere zur Durchführung eines Ver fahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mit einem La ser (4), einem daran angeschlossenem Lichtleiter (5) und mit einer Steuerung (12), dadurch gekennzeichnet, daß der Laser (4) vor der Abgabe des Bearbeitungspulses zum Zwecke der Erzeugung einer Gasblase (2) zur Abgabe eine Laserpulses geringerer Energie (Pilot puls) ansteuerbar ist.

11. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da durch gekennzeichnet, daß die Steuerung (8, 11, 12) so ausgelegt ist, daß eine Freigabe eines Bearbeitungspulses nur dann erfolgt, wenn im Zielbereich Gas detektiert wird.