EP3941679A1 - Vorrichtung und verfahren zur erzeugung einer vielzahl von furchen - Google Patents

Vorrichtung und verfahren zur erzeugung einer vielzahl von furchen

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EP3941679A1
EP3941679A1 EP20713262.2A EP20713262A EP3941679A1 EP 3941679 A1 EP3941679 A1 EP 3941679A1 EP 20713262 A EP20713262 A EP 20713262A EP 3941679 A1 EP3941679 A1 EP 3941679A1
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EP
European Patent Office
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laser
laser processing
radiation
optical element
output radiation
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Application number
EP20713262.2A
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French (fr)
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Tobias Dyck
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4JET Microtech GmbH
Original Assignee
4JET Microtech GmbH
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Publication date
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    • B64F5/10—Manufacturing or assembling aircraft, e.g. jigs therefor
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    • G02B27/09—Beam shaping, e.g. changing the cross-sectional area, not otherwise provided for
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    • B64C2230/26—Boundary layer controls by using rib lets or hydrophobic surfaces
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    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T50/00—Aeronautics or air transport
    • Y02T50/10—Drag reduction

Definitions

  • the subjects disclosed herein relate to the field of laser machining of surfaces.
  • WO 2018/197555 Al discloses a method and a device for
  • an apparatus in particular a laser processing apparatus for producing a plurality of furrows in a surface.
  • a laser processing device for generating a plurality of furrows in a surface comprising: an optical diffraction arrangement which is set up to receive a laser radiation and to generate an output radiation thereon, the output radiation having a plurality of intensity maxima; and an actuator arrangement for generating a relative movement between the output radiation and the surface, each intensity maximum (the plurality of intensity maxima) generating one of the plurality of furrows.
  • a method is disclosed, in particular a method for creating a plurality of furrows in a surface.
  • a method comprising: directing a laser beam onto an optical one
  • Diffraction arrangement for generating an output radiation, the output radiation having a plurality of intensity maxima; Directing the output radiation onto the surface; and creating relative motion between the output radiation and the surface, each
  • Intensity maxima (the plurality of intensity maxima) generates one of the plurality of furrows.
  • Objects are based on the idea that laser machining Surfaces with improved characteristics can be provided by a plurality of intensity maxima from a laser beam (or the laser radiation) is generated directly through an optical diffraction arrangement (for example a diffractive optical element or a plurality of phase plates) and each intensity maximum of the plurality of
  • Intensity maxima is used to generate a furrow of the plurality of furrows.
  • Laser processing device designed to provide the functionality of one or more of the embodiments disclosed herein and / or to provide the functionality as it is required for one or more of the embodiments disclosed herein, in particular the embodiments of the first or second aspect.
  • the method is
  • Fig. 1 shows schematically a laser processing device according to
  • FIG. 2 shows the surface of the object from FIG. 1 viewed from the line II-II in FIG. 1.
  • Fig. 3 shows part of the plurality of furrows in Fig. 2 in one
  • FIG. 4 shows a laser processing device according to embodiments of the subjects disclosed herein.
  • FIG. 5 shows a plan view of a diffraction arrangement according to FIG.
  • FIG. 6 shows the optical element of the diffraction arrangement from FIG. 5 in a cross-sectional view.
  • Laser processing device relates, can be combined with a corresponding feature, which relates to a method.
  • a method an embodiment of a method or a function, one or more elements (for example optical elements) and / or actuators (for example in the form of an actuator arrangement) as well as a functionality of a control device that interacts with the actuators are to be regarded as disclosed, which for Execution of the method or the function are designed.
  • a function a
  • a percentage of 50% comprises a
  • a laser processing device which is configured to produce a plurality of furrows in one surface. According to a further embodiment, the
  • Laser processing device has an optical diffraction arrangement which is set up to receive a laser radiation and to receive it
  • the laser processing device has an actuator arrangement for
  • the output radiation (by removing material from the surface) creates the multitude of furrows in the surface.
  • the output radiation has a plurality of
  • Intensity maxima of which each intensity maximum generates a furrow of the plurality of furrows.
  • the laser processing device has a beam path which is set up to direct the output radiation onto the surface.
  • the beam path can, for example, be a free space in which the
  • the beam path can have one or more deflection elements, for example mirrors.
  • the actuator arrangement can be set up to move the at least one deflection element and thereby generate the relative movement between the output radiation and the surface.
  • the actuator arrangement is set up to move the surface and / or the laser processing device or parts thereof.
  • the beam path can have one or more focusing optical elements and / or one or more dispersing optical elements, for example optical lenses.
  • the plurality of intensity maxima only exist in a narrowly limited area along the beam path Beam path of the output radiation. It goes without saying that in this case the surface is positioned in this region of the beam path. In other words, according to one embodiment, the surface and the
  • Beam path positioned with respect to each other so that the surface lies in a region of the beam path in which the output radiation is the
  • Creating a plurality of furrows in a surface can be one or more of the following embodiments.
  • the method comprises directing a laser radiation onto an optical one
  • the method comprises directing the output radiation onto the surface.
  • the method includes generating a relative movement between the
  • the plurality of furrows is generated, each intensity maximum generating one of the plurality of furrows.
  • directing the output radiation onto the surface comprises positioning the surface and the output radiation with respect to one another, so that the surface is in a region of the
  • the beam path lies in which the output radiation has the plurality of intensity maxima.
  • Mean value is the arithmetic mean over the relevant cross-sectional dimension of the plurality of furrows.
  • the cross-sectional dimension can be a width of the furrows or a depth of the furrows.
  • the furrows in the surface form riblets, i. H. a structure which, compared to a smooth surface, reduces the flow resistance of the surface.
  • riblets i. H. a structure which, compared to a smooth surface, reduces the flow resistance of the surface.
  • the function, the shape, the dimensions, the properties, etc. of the riblets express reference is made to WO 2018/197555 A1, the entire disclosure of which, in particular the dimensions and
  • the furrows each have lateral walls.
  • the adjacent walls of two adjacent furrows therefore form two mutually opposite flanks of a rib between the two furrows.
  • the multiplicity of furrows creates a multiplicity of ribs on the surface, which, when dimensioned appropriately, act as riblets (ie reduce a flow resistance across the surface), for example as described in WO 2018/197555 A1 cited above is described.
  • the flanks of the ribs enclose an acute angle.
  • the ribs are tapered to a point.
  • the ribs extend essentially parallel to one another and in particular parallel to a flow direction of an expected flow over the surface.
  • the diffraction arrangement has at least one optical element. If an optical element is mentioned below, it should be understood that, according to one embodiment, in the case of two or more optical elements, each of these optical elements can be configured according to one or more of the embodiments disclosed herein.
  • the at least one optical element (for example each optical element of the diffraction arrangement) is set up to generate a plurality of phase differences between a plurality of parts of the output radiation.
  • the at least one optical element is set up to pass through the
  • the optical element is a diffractive optical element.
  • the diffractive optical element has a structure which generates the plurality of phase differences.
  • the diffraction arrangement has two or more diffractive optical elements.
  • the diffraction arrangement has two or more (diffractive) optical elements (which, for example, are also referred to as phase masks), whereby the generation of Phase differences take place in several planes (Multi-Plane Light
  • a diffractive optical element Starting from a desired intensity distribution of the output radiation, a diffractive optical element, an MPLC element or a hologram can be produced according to production methods known per se.
  • the techniques described in the following documents may be mentioned here merely by way of example: EP 1 591 805 B1, US 5 073 007.
  • At least one of the at least one optical element of the diffraction arrangement is designed to generate the plurality of intensity maxima within a cross section of the output radiation that is smaller than the cross section of the laser radiation that falls on the diffraction arrangement.
  • at least one of the at least one optical element of the diffraction arrangement is designed in order to achieve a focusing of the laser radiation as it falls on the diffraction arrangement.
  • the last optical element (viewed in the direction of propagation of the laser radiation) of the diffraction arrangement i.e. the optical element which the
  • the cross section (also referred to herein as the beam diagonal) is defined by the greatest extent of the radiation perpendicular to the radiation direction.
  • cross-section refers to the
  • the cross section of the output radiation corresponds to the cross section of the entire illumination spot (spot) that the output radiation generates on the surface (ie at a defined distance from the diffraction arrangement).
  • the spot i.e. the entire spot of illumination that the Output radiation generated on the surface
  • the spot therefore includes the multitude of intensity maxima.
  • At least one further optical element for example at least one focusing optical element and / or at least one diverging optical element, for example a lens, etc. can be arranged between the diffraction arrangement and the surface (i.e. in the beam path).
  • the at least one further optical element can be provided for at least one of the following functions: to focus or expand the output radiation; to scale the plurality of intensity maxima; in order to generate the intensity maxima in a desired configuration, if the diffraction arrangement was set up for generating the plurality of intensity maxima in the desired configuration with the at least further optical element; etc.
  • the diffraction arrangement is set up (calculated) to generate the plurality of intensity maxima (in particular the spot with the plurality of intensity maxima) at a predetermined distance, possibly taking into account the at least one further optical element.
  • the surface is arranged at the predetermined distance from the diffraction arrangement.
  • the plurality of intensity maxima (i.e. the plurality of intensity maxima which each generate one of the plurality of furrows) comprises at least 10 intensity maxima.
  • the plurality of intensity maxima comprises at least 50 intensity maxima or, according to other embodiments, at least 100, at least 200, at least 500 or at least 1000 intensity maxima.
  • the multitude of intensity maxima includes between 500 and 1500
  • the distance between the intensity maxima is nominally between 40 pm and 160 pm, for example 100 pm. It goes without saying that in the event that the furrows produce riblets in the surface, the spacing of the intensity maxima is adapted in order to achieve the desired spacing of the ribs. As explained, the desired spacing of the ribs (and thus the desired spacing of the intensity maxima, for example, depend on the flow velocity for which the riblets produce a desired reduction in flow resistance.
  • a spacing between adjacent furrows can in practice deviate from the nominal spacing of the intensity maxima, for example by ⁇ 5%.
  • a spacing between adjacent furrows can be between 90 pm and 110 pm.
  • the spot size is between 15 mm and 500 mm, for example between 30 mm and 200 mm.
  • the spot size for a 5 kW laser can be 120 mm.
  • the spot size is 70 mm, for example for a 2 kW laser.
  • the spot has the spot size in a direction perpendicular to the relative movement.
  • the spot has a direction of minimum dimension and a direction of maximum dimension, the maximum dimension dmax according to one embodiment being a multiple of the minimum dimension dmin.
  • the minimum dimension can be 3 mm and the maximum dimension 120 mm.
  • the spot is essentially a rectangular or elliptical spot with the dimensions dmin * dmax, ie for example with a dimension of 3 mm * 120 mm.
  • the spot size denotes the spot size
  • a spot size specified herein is the maximum
  • the relative movement between the output radiation and the surface takes place in the direction of minimal dimension. This allows for a smaller minimum dimension for a given
  • output radiation is less than 40 ms, for example less than 10 ms.
  • Illumination time of the surface with the output radiation less than 2 ms.
  • the minimum dimension and the speed of the relative movement are adapted to the specified
  • the speed of the relative movement is at least 100 mm / s
  • the speed of the relative movement is nominally 500 mm / s or more.
  • the intensity maxima are arranged periodically, for example periodically in a row. According to a
  • each intensity maximum has a shape that deviates from a circular shape.
  • each intensity maximum of the plurality of intensity maxima has an elongated shape.
  • the intensity maximum is defined here as usual, for example, by the shape of a line of equal intensity.
  • the optical element is set up to work in reflection.
  • the optical element is a reflective optical element. Through an optical element that works in reflection, a thermal
  • the optical element has a body made of metal or of a semiconductor material. According to a further embodiment, the optical element has a body made of metal or of a semiconductor material.
  • the body is formed from a metal with high electrical conductivity and / or a metal with high thermal conductivity, for example copper or gold. According to another
  • the body is made of a corrosion-resistant metal (i.e. a metal that is resistant to corrosion),
  • the body is formed from silicon. According to one embodiment, the body is formed from a single crystal. In this way, grain boundaries can have an influence on the
  • the body is at least partially covered with a metal, in particular a corrosion-resistant metal
  • the corrosion-resistant metal is a corrosion-resistant alloy or a noble metal, for example gold. Due to the corrosion-resistant metal, a high reflectivity of the optical element can be achieved over the long term.
  • the optical element can have a body made of silicon, which is connected to the metal
  • the body has a thickness in a range between 1 mm and 200 mm, for example between 5 mm and 50 mm. A greater thickness can allow a greater rigidity of the body and thus a higher accuracy of the optical element.
  • the optical element has
  • the coating has a first surface with a cross section (for example a diameter) in a range between 20 mm and 500 mm, for example a diameter between 70 mm and 200 mm.
  • the cross section e.g. the cross section
  • Diameter defined by the largest extent of the first area
  • the optical element is structured on the first surface, wherein according to a further embodiment the structured surface is surrounded by a non-structured edge. According to a
  • the structured surface of the optical element can be formed by structuring the body (for example by engraving, etching, etc.), wherein a structure of the body obtained in this way is transferred to the coating according to one embodiment and thus the
  • Coating (if present) has a corresponding structure (i.e. the structured surface of the optical element). According to a
  • the width of the unstructured edge is between 2% and 20% of the cross section of the first surface.
  • the structured surface is completely illuminated by the laser radiation.
  • the laser radiation is completely illuminated by the laser radiation.
  • a beam expander for example in the form of a
  • the laser processing device has a coolant flow path for cooling the optical diffraction arrangement (in particular for cooling the optical element), in particular a coolant flow path for a liquid coolant.
  • the optical element can have a cavity which forms at least part of the coolant flow path.
  • the coolant flow path can be formed by a separate component which is connected to the optical element
  • the coolant flow path is arranged on a rear side of the body; H. on a second surface (for example a second main surface) of the body, which is arranged facing away from the structured first surface.
  • the output radiation forms an angle between 0 degrees and 50 degrees with a (mean) surface normal of the structured (first) surface of the body, for example an angle of 10 degrees.
  • the laser radiation forms with the
  • Surface normals of the structured (first) surface of the optical element an angle between 1 degree and 70 degrees, for example between 45 degrees and 60 degrees.
  • an angle between the laser radiation (i.e. an input radiation which strikes the diffraction arrangement) and the output radiation is between 20 degrees and 100 degrees, for example 50 degrees.
  • the optical element (in particular the last optical element in the direction of radiation is the optical Diffraction arrangement) calculated for a specific arrangement of the optical components of the laser processing device and the surface (in particular for a specific arrangement of the laser radiation, the optical element and the surface relative to one another).
  • the calculation of the optical element for a specific arrangement of the optical components of the laser processing device and the surface is particularly advantageous if the optical diffraction arrangement consists of a single diffractive optical (DOE).
  • DOE diffractive optical
  • the laser radiation has a diffraction index M 2 that is less than 1.5 (M 2 ⁇ 1.5). According to a further embodiment, the laser radiation has a diffraction index M 2 ⁇ 1.3 or M 2 ⁇ 1.1. The smaller the diffraction index, the more precise a desired one can be
  • the laser radiation is the laser radiation of a CO 2 laser.
  • a CO2 laser has the advantage that it is available with high average powers, which in turn enables high processing speeds.
  • an average power of the laser radiation is at least 500 watts (W).
  • the average power of the laser radiation is at least 1 kilowatt (kW) or, according to yet another embodiment, at least 3 kW.
  • the laser processing device has a laser source for generating the laser radiation. According to a further embodiment, however, it can also be provided that the
  • Laser processing device can be coupled to a laser source.
  • a laser processing device for producing a plurality of furrows in a surface, the laser processing device comprising:
  • Output radiation the output radiation being a variety of
  • an actuator arrangement for generating a relative movement between the output radiation and the surface, each intensity maximum generating one of the plurality of furrows.
  • Diffraction arrangement has at least one optical element, in particular wherein the at least one optical element is set up to a
  • corrosion-resistant metal such as a corrosion-resistant alloy or a noble metal, is coated.
  • the plurality of intensity maxima comprises at least 10 intensity maxima, in particular at least 50 intensity maxima or at least 200 intensity maxima.
  • Laser processing apparatus according to any one of the preceding embodiments, further comprising:
  • a beam path configured to direct the output radiation onto the surface
  • the relative movement is a rectilinear movement; and the diffraction arrangement and / or the beam path are set up so that in each case two grooves of the plurality of grooves form a rib between them.
  • Laser processing device according to any one of the preceding embodiments, wherein the laser radiation is a CO 2 laser radiation.
  • Laser processing device further comprising a coolant flow path for cooling the optical diffraction arrangement, in particular a coolant flow path for a liquid coolant.
  • a method of creating a plurality of furrows in a surface comprising:
  • Embodiments of the objects disclosed herein allow a free choice of geometry for the furrows or the ribs between the furrows
  • Interference processing only ribs and furrows that are at least partially sinusoidal.
  • embodiments of the objects disclosed herein allow a more precise delimitation of the spot that the output radiation generates on the surface, in particular transversely to the processing direction. This can enable processing tracks of different spots to be strung together more effectively across the processing direction.
  • a Gaussian envelope is present. According to one embodiment, this envelope can be shaped into a rectangular function with the diffraction arrangement (or to a
  • Output radiation through an optical diffraction arrangement (according to one embodiment through a single optical element, in particular a single diffractive optical element) can be compared to
  • Intensity maxima of fewer optical elements is caused.
  • the formation of the plurality of intensity maxima according to embodiments of the subject matter disclosed herein is not based on the generation of a path difference by individual ones, in a defined one Optical elements positioned at a distance from one another - in contrast to conventional interference structuring. This results in greater stability in an industrial environment, especially since fewer optical elements have to be held in a defined position relative to one another.
  • FIG. 1 schematically shows a laser processing device 100 according to
  • the laser processing device 100 has an optical diffraction arrangement 102 which is set up for
  • Laser radiation 104 with a mean surface normal of Diffraction arrangement 102 has an angle 103 which is between 1 degree and 70 degrees, for example an angle of 30 or 45 degrees. According to a
  • the direction of the surface normal is averaged over an active surface (for example a structured surface)
  • the Diffraction arrangement 102 in particular (e.g. if the diffraction arrangement 102 has more than one active area) over an outer active area of the diffraction arrangement 102, which is illuminated by the laser radiation 104.
  • the surface normal is also referred to herein as the mean surface normal.
  • the output radiation 106 forms an angle 105 with the mean surface normal which is between 0 degrees and 70 degrees, for example an angle of 30 or 45 degrees.
  • the laser processing device 100 also has an actuator arrangement 108 for generating a relative movement between the output radiation 106 and a surface 110 of an object 112.
  • the actuator arrangement 108 is arranged in a stationary manner, indicated at 114.
  • a processing assembly 116 is via a carrier 118 coupled to the actuator arrangement 108.
  • the actuator arrangement 108 and / or the carrier 118 is formed by a robot arm. According to one embodiment, the
  • the lifting platform Stand for rough positioning (not shown in Fig. 1). This can be particularly advantageous in the case of large objects, for example aircraft parts.
  • the lifting platform
  • the at least one actuator for moving the lifting platform can be part of the actuator arrangement 108.
  • Actuator arrangement 108 the processing assembly 116 can be moved with respect to the object 112 or the surface 110 of the object 112 in order to move the output radiation 106 relative to the surface.
  • the object 112 is by means of an actuator arrangement is arranged movably, in addition or as an alternative to actuator arrangement 108.
  • a sensor arrangement 119 can be provided (pivoting range).
  • the sensor arrangement has one or more sensors, for example at least one of a position sensor, a distance sensor, etc.
  • the object 112 is, for example, a part of an aircraft, for example a wing or a fuselage of the aircraft. According to another embodiment, the object 112 can be, for example, a rotor blade of a wind turbine. According to one embodiment, the object 112 is arranged in a stationary manner (indicated at 114), for example on a carrier (not shown in FIG. 1).
  • the laser processing device 100 has a laser output device 120 for outputting the laser radiation 104.
  • a laser source for generating the
  • Laser radiation arranged in the laser delivery device 120.
  • the laser source is external to the
  • Laser delivery device 120 arranged. Especially with a
  • the arrangement of the laser source can be external to the laser processing device 100, or a part of the laser processing device 100 is moved by the actuator arrangement 108 with respect to the surface 110, for example as shown in FIG. 1, the arrangement of the laser source can be external to the laser processing device 100, or a part of the laser processing device 100 is moved by the actuator arrangement 108 with respect to the surface 110, for example as shown in FIG. 1, the arrangement of the laser source can be external to the laser processing device 100, or a part of the laser processing device 100 is moved by the actuator arrangement 108 with respect to the surface 110, for example as shown in FIG. 1, the arrangement of the laser source can be external to the laser processing device 100, or a part of the laser processing device 100 is moved by the actuator arrangement 108 with respect to the surface 110, for example as shown in FIG. 1, the arrangement of the laser source can be external to the laser processing device 100, or a part of the laser processing device 100 is moved by the actuator arrangement 108 with respect to the surface 110, for example as shown in FIG. 1, the arrangement of the laser source can be external
  • the laser processing device furthermore has a cooling device 124 for supplying the optical
  • Diffraction arrangement 102 or a coolant flow path 126 with a coolant 128.
  • the laser processing device 100 has a control device 122 for controlling further components of the laser processing device, for example the laser output device 120, the cooling device 124 and / or the actuator arrangement 108
  • control of the further components by the control device 122 takes place according to one embodiment via a signal transmission coupling 130 of these further components to the control device 122,
  • control device 122 is coupled to the sensor arrangement 119 for signal transmission (indicated at 130).
  • control device 122 is set up to control one or more components of the laser processing device 100 in response to sensor signals 123 from the sensor arrangement 119.
  • control of components of the laser processing device in particular the control of the further components and also in particular the
  • Control of the actuator arrangement can be set up to maintain the distance between the diffraction arrangement 102 and the surface 110 in a predetermined distance range and / or maintain an orientation between the diffraction arrangement 102 and the surface 110 in a predetermined orientation range.
  • the actuator arrangement can be set up to maintain the distance between the diffraction arrangement 102 and the surface 110 in a predetermined distance range and / or maintain an orientation between the diffraction arrangement 102 and the surface 110 in a predetermined orientation range.
  • the processing assembly 116 comprises one or more of the following components: the laser output device 120, the control device 122, the cooling device 124, the optical
  • the processing assembly 116 comprises all of these components,
  • the output radiation has a multiplicity of intensity maxima (not shown in FIG. 1), a cross section 132 of the output radiation 106 and in particular a cross section of the entirety of the multiplicity of intensity maxima being smaller than the cross section 134 of the laser radiation 104, which is incident on the diffraction optical assembly 102 falls.
  • the optical diffraction arrangement 102 has a focusing effect and thus reduces the cross section of the laser radiation 104 from the cross section 134 of the laser radiation 104 at the diffraction arrangement 102 to the cross section 132 of the output radiation 106 on the surface 110.
  • the cross section 132 is also called Spot size of the output radiation 106 denotes.
  • the diffraction arrangement 102 in addition to the output radiation 106, which has the multiplicity of intensity maxima, can also generate another radiation that is not used for processing the surface 110.
  • the radiation that is not used (not shown in FIG. 1) can be masked out, for example, by suitable diaphragms so that it does not come out of the
  • FIG. 2 shows the surface 110 of the object 112 from FIG. 1 viewed from the line II-II in FIG. 1.
  • the output radiation 106 has a multiplicity of intensity maxima, some of which are labeled 136 in FIG. 2.
  • the intensity maxima 136 generate a multiplicity of parallel furrows in the surface, some of which are denoted by 140 in FIG. 2.
  • the indicated direction 138 is the direction of movement of the output radiation 106 over the surface 110.
  • the shape of the intensity maxima deviates from a circular shape.
  • one of the intensity maxima along a first direction 142, along which the intensity maxima are arranged next to one another according to one embodiment has a first extension 143 that is smaller than a second
  • Extension 144 in a second direction 146 the second direction 146 being arranged perpendicular to the first direction 142.
  • Output radiation 106 and the surface 110 along the second direction 146 for example as shown in FIG. 2.
  • the plurality of intensity maxima forms a spot of the output radiation or is formed by a spot of the output radiation.
  • the spot has a minimum
  • Expansion in the second direction 146 ie in the longitudinal direction of the groove 140
  • has a maximum expansion perpendicular thereto (along the first direction 142).
  • the greater the maximum extent of the spot in the first direction perpendicular to the longitudinal direction of the furrows 140), the more furrows can be generated by the spot for a given furrow width.
  • FIG. 3 shows a portion of the plurality of grooves 140 of FIG. 2 in one
  • the dimensions and the spacing of the furrows 140 are designed such that ribs 150 remain between the furrows 140.
  • the ribs 150 are therefore formed from a material 148 which forms the surface 110 and which was removed in the region of the furrows 140 by the irradiation with the output radiation 106.
  • the material 148 is a coating (for example a lacquer) which is arranged on a base part 152 of the object 112, for example as shown in FIG. 3.
  • FIG. 4 shows a laser processing device 200 in accordance with embodiments of the subjects disclosed herein.
  • the laser processing device 200 has a cooling device 124 for cooling the diffraction arrangement 102.
  • the cooling device 124 is arranged externally to the machining assembly 116, for example as shown in FIG. 4. According to a further embodiment, the
  • Laser processing device coolant lines 127, through which coolant 128 can be conveyed to the diffraction arrangement 102.
  • the laser processing device 200 has a
  • Heat exchanger 160 (for example a heat sink) with a coolant flow path 126 through which coolant 128 flows and is in thermal contact with diffraction arrangement 102
  • the heated coolant 128 is fed back to the cooling device 124 for cooling and again providing the coolant for the
  • the laser processing device 200 has a laser source 162 which generates the laser radiation 104 and delivers it via a suitable light guide path 164 to the laser output device 120, from which the laser radiation 104 is directed to the diffraction arrangement 102
  • the light guide path 164 has a light guide and / or a suitable mirror arrangement for delivering the laser radiation 104 to the laser output device 120.
  • the light guide path 164 has a light guide and / or a suitable mirror arrangement for delivering the laser radiation 104 to the laser output device 120.
  • Laser radiation 104 and / or high requirements for maintaining the coherence of the radiation can be a mirror arrangement compared to a
  • the laser source 162 is arranged externally to the processing assembly 116, for example as shown in FIG. 4.
  • the laser processing device 200 has one or more further optical elements 166, for example a focusing optical element 166 which focuses and / or focuses the output radiation 106 on a surface (not shown in FIG. 4)
  • Beam-expanding optical element 167 which expands the laser radiation 104 to the desired cross section 134 (see FIG. 1), for example at positions as shown in broken lines in FIG. 4.
  • the optical element 166 in FIG. 4 is an example of an optical element in a beam path 169 between the diffraction arrangement 102 and the surface on which the furrows are produced.
  • the optical element 166 can contribute to the fact that the beam path 169 is set up to direct the output radiation 106 onto the surface.
  • the at least one optical element 166 (which is also referred to herein as a further optical element) could be a mirror of a scanner, which moves the output radiation over the surface.
  • the actuator arrangement would include at least one actuator of the scanner.
  • the output radiation 106 is directed onto the surface exclusively by the
  • Embodiment of the beam path 169 free of optical elements, for example mirrors, lenses, etc.
  • the laser processing device 200 further comprises a control device 122, which is connected to components of the
  • Laser processing device 200 is coupled in terms of signal transmission (indicated by way of example in FIG. 4 for some components at 130).
  • the laser processing device 200 has an actuator arrangement 108 and a carrier 118. According to a
  • the actuator arrangement 108 and the carrier 118 form at least part of a robot arm. According to one embodiment, connection paths between external components of the
  • Laser processing device 200 e.g. cooling device 124, laser source 162, and control device 122
  • the movable components of the laser processing device e.g., the
  • Actuator arrangement 108 (for example on at least part of the
  • Robot arm out, for example as shown schematically in Fig. 4.
  • external components are components that are arranged externally with respect to the machining assembly 116.
  • External components can, for example, be arranged (attached) to a base of a robot arm or also to the robot arm, in particular to a part of the robot arm which is arranged adjacent to the base of the robot arm (for example to one of the "lower" parts of the robot arm).
  • the components of the laser processing device can be placed at any suitable location. For example, according to a
  • Machining assembly 116 be positioned, for example on a
  • Robotic arm or as an external component Robotic arm or as an external component.
  • FIG. 5 shows a plan view of a diffraction arrangement 102 according to FIG.
  • the diffraction arrangement 102 has a diffractive optical element 168 (hereinafter also referred to as an optical element for short).
  • the diffractive optical element 168 has a first surface 172, which has an unstructured part 174 and a structured part 176. According to a
  • the unstructured portion 174 extends around the
  • the diffractive optical element in addition to generating the multiplicity of (relative) intensity maxima, also has a radiation-optical element Function, for example at least one of a focusing function, a beam directing function, etc.
  • FIG. 6 shows the optical element 168 of the diffraction arrangement 102 from FIG. 5 in a cross-sectional view.
  • At least the structured part 176 of the first surface 172 is formed from a metal, for example one
  • the optical element 168 has a body 170 and the coating 178 on the body 170.
  • the body 170 is a structured one
  • Silicon wafer wherein a surface structure 180 of the optical element 168 according to one embodiment is defined by the structure of the silicon wafer. It is pointed out that the surface structure 180 in FIG. 6 merely exemplarily and schematically shows the structured surface 176 of the optical element 168 and the surface 182 facing away from it
  • the facing surface 182 is formed by a flat surface, for example by a flat surface of the body 170, for example as shown in FIG. 6.
  • the flat, remote surface 182 can improve the thermal contact to a heat exchanger, for example a heat sink.
  • the distance between structured surface 176 and facing surface 182 defines the thickness of optical element 168.
  • the thickness of optical element 168 is averaged over structured surface 176 (mean thickness of optical element).
  • the layer thickness of the coating 178 is less than 10% of the thickness of the body 170.
  • the body 170 defines in
  • the thickness of the optical element 168 essentially the thickness of the optical element 168. According to one embodiment, the area which the optical element 168 is essentially the thickness of the optical element 168. According to one embodiment, the area which the optical element 168 is essentially the thickness of the optical element 168. According to one embodiment, the area which the optical element 168 is essentially the thickness of the optical element 168. According to one embodiment, the area which the optical element 168 is essentially the thickness of the optical element 168. According to one embodiment, the area which the optical element 168.
  • Surface structure 180 forms, can be curved or, according to another embodiment, can be flat. In other words, before the surface structure 180 is produced, an initial surface can be curved or, according to another embodiment, can be flat. For example, a
  • Curvature of the output surface a beam-optical function of the optical element 168 can be achieved.
  • the diffraction arrangement 102 consists of a single diffractive optical element 168, for example a diffractive optical element, for example as shown with reference to FIGS. 5 and 6.
  • a control device for example, a control device, a laser processing device, a laser output device, a cooling device, an actuator arrangement, an object, etc. are not limited to the dedicated entities as described in some embodiments. Rather, the subjects disclosed herein can be implemented in various ways while still providing the specific functionality disclosed.
  • each entity disclosed herein is not limited to a dedicated entity as described in some embodiments. Rather, the articles described herein may be provided in various ways with various granularity at the device level or at the method level while still providing the
  • an entity can be configured to provide two or more functions as described herein.
  • two or more entities can be configured to together provide a function as described herein.
  • a laser processing device for producing a plurality of furrows in a surface has an optical diffraction arrangement which is set up to receive a laser radiation and to receive it
  • an actuator arrangement for generating a relative movement between the output radiation and the surface, each intensity maximum generating one of the plurality of furrows.

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Abstract

Eine Laserbearbeitungsvorrichtung (100) zum Erzeugen einer Vielzahl von Furchen in einer Oberfläche (110) weist eine optische Beugungsanordnung (102) auf, welche eingerichtet ist zum Empfangen einer Laserstrahlung (104) und zum hierauf Erzeugen einer Ausgangsstrahlung (106), wobei die Ausgangsstrahlung (106) eine Vielzahl von Intensitätsmaxima aufweist. Eine Aktoranordnung (108) ist zum Erzeugen einer Relativbewegung zwischen der Ausgangsstrahlung (106) und der Oberfläche (110) bereitgestellt, wobei jedes Intensitätsmaximum eine Furche der Vielzahl von Furchen erzeugt.

Description

Vorrichtung und Verfahren zur Erzeugung einer Vielzahl von Furchen
TECHNISCHES GEBIET
Die hierin offenbarten Gegenstände betreffen das Gebiet der Laserbearbeitung von Oberflächen.
HINTERGRUND
WO 2018/197555 Al offenbart ein Verfahren und eine Vorrichtung zum
Herstellen von Riblets, wobei die Riblets mittels Laserinterferenzstrukturierung (DLIP - Direct Laser Interference Patterning) in eine Oberfläche, insbesondere in eine bereits lackierte und ausgehärtete Oberfläche, eingebracht werden. Ein Bauteil mit den auf diese Weise hergestellten Riblets ermöglicht es, Flugzeuge, Schiffe und Windkraftanlagen mit einem geringeren Strömungswiderstand zu betreiben.
ZUSAMMENFASSUNG
Angesichts der oben beschriebenen Situation gibt es ein Bedürfnis für eine Technik, welche eine Laserbearbeitung von Oberflächen mit verbesserten Charakteristika erlaubt.
Diesem Bedürfnis wird durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche Rechnung getragen. Vorteilhafte Ausführungsformen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
MW: bm Gemäß dem ersten Aspekt der hierin offenbarten Gegenstände wird eine Vorrichtung offenbart, insbesondere eine Laserbearbeitungsvorrichtung zum Erzeugen einer Vielzahl von Furchen in einer Oberfläche.
Gemäß Ausführungsformen des ersten Aspektes wird
Laserbearbeitungsvorrichtung zum Erzeugen einer Vielzahl von Furchen in einer Oberfläche offenbart, die Laserbearbeitungsvorrichtung aufweisend: eine optische Beugungsanordnung, welche eingerichtet ist zum Empfangen einer Laserstrahlung und zum hierauf Erzeugen einer Ausgangsstrahlung, wobei die Ausgangsstrahlung eine Vielzahl von Intensitätsmaxima aufweist; und eine Aktoranordnung zum Erzeugen einer Relativbewegung zwischen der Ausgangsstrahlung und der Oberfläche, wobei jedes Intensitätsmaximum (der Vielzahl von Intensitätsmaxima) eine Furche der Vielzahl von Furchen erzeugt.
Gemäß einem zweiten Aspekt der hierin offenbarten Gegenstände wird ein Verfahren offenbart, insbesondere ein Verfahren zum Erzeugen einer Vielzahl von Furchen in einer Oberfläche.
Gemäß Ausführungsformen des zweiten Aspektes wird ein Verfahren zum Erzeugen einer Vielzahl von Furchen in einer Oberfläche offenbart, das
Verfahren aufweisend: Richten eines Laserstrahls auf eine optische
Beugungsanordnung zum Erzeugen einer Ausgangsstrahlung, wobei die Ausgangsstrahlung eine Vielzahl von Intensitätsmaxima aufweist; Richten der Ausgangsstrahlung auf die Oberfläche; und Erzeugen einer Relativbewegung zwischen der Ausgangsstrahlung und der Oberfläche, wobei jedes
Intensitätsmaxium (der Vielzahl von Intensitätsmaxima) eine Furche der Vielzahl von Furchen erzeugt.
Verschiedene Aspekte und Ausführungsformen der hierin offenbarten
Gegenstände basieren auf der Idee, dass eine Laserbearbeitung von Oberflächen mit verbesserten Charakteristika bereitgestellt werden kann, indem eine Vielzahl von Intensitätsmaxima aus einem Laserstrahl (bzw. der Laserstrahlung) direkt durch eine optische Beugungsanordnung (beispielsweise ein diffraktives optisches Element oder eine Mehrzahl von Phasenplatten) erzeugt wird und jedes Intensitätsmaximum der Vielzahl von
Intensitätsmaxima zur Erzeugung einer Furche der Vielzahl von Furchen verwendet wird.
Gemäß Ausführungsformen des ersten Aspektes ist die
Laserbearbeitungsvorrichtung ausgebildet zum Liefern der Funktionalität von einer oder mehreren der hierin offenbarten Ausführungsformen und/oder zum Liefern der Funktionalität, wie sie für eine oder mehrere der hierin offenbarten Ausführungsformen erforderlich ist, insbesondere der Ausführungsformen des ersten oder zweiten Aspektes.
Gemäß Ausführungsformen des zweiten Aspektes ist das Verfahren
ausgebildet zum Liefern der Funktionalität von einer oder mehreren der hierin offenbarten Ausführungsformen und/oder zum Liefern der Funktionalität, wie sie für eine oder mehrere der hierin offenbarten Ausführungsformen
erforderlich ist, insbesondere der Ausführungsformen des ersten oder zweiten Aspektes.
Weitere Vorteile und Merkmale der hierin offenbarten Gegenstände ergeben sich aus der folgenden beispielhaften Beschreibung derzeit bevorzugter Ausführungsformen, auf welche die vorliegende Offenbarung jedoch nicht beschränkt ist. Die einzelnen Figuren der Zeichnungen dieser Anmeldung sind lediglich als schematisch und als nicht notwendigerweise maßstabsgetreu anzusehen. Vielmehr können relative Abmessungen und Winkel nicht maßstabsgetreu dargestellt sein, um einige Ausführungsformen der hierin offenbarten Gegenstände zu verdeutlichen. KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Fig. 1 zeigt schematisch eine Laserbearbeitungsvorrichtung gemäß
Ausführungsformen der hierin offenbarten Gegenstände.
Fig. 2 zeigt die Oberfläche des Objektes aus Fig. 1 gesehen von der Linie II-II in Fig. 1.
Fig. 3 zeigt einen Teil der Vielzahl von Furchen in Fig. 2 in einer
Querschnittsansicht, entlang der Linie III-III in Fig. 2.
Fig. 4 zeigt eine Laserbearbeitungsvorrichtung gemäß Ausführungsformen der hierin offenbarten Gegenstände.
Fig. 5 zeigt eine Aufsicht auf eine Beugungsanordnung gemäß
Ausführungsformen der hierin offenbarten Gegenstände.
Fig. 6 zeigt das optische Element der Beugungsanordnung aus Fig. 5 in einer Querschnittsansicht.
BESCHREIBUNG EXEMPLARISCHER AUSFUHRUNGSFORMEN
Im Folgenden werden exemplarische Ausführungsformen der hierin
offenbarten Gegenstände beschrieben, wobei beispielsweise auf eine
Laserbearbeitungsvorrichtung oder ein Verfahren Bezug genommen wird. Es sollte hervorgehoben werden, dass natürlich jede Kombination von Merkmalen verschiedener Aspekte, Ausführungsformen und Beispiele möglich ist.
Insbesondere werden einige Ausführungsformen mit Bezug auf ein Verfahren beschrieben, während andere Ausführungsformen mit Bezug auf eine Laserbearbeitungsvorrichtung beschrieben werden. Jedoch wird der Fachmann der vorstehenden und der nachfolgenden Beschreibung, den Ansprüchen und den Zeichnungen entnehmen, dass, solange es nicht anders angegeben ist, Merkmale verschiedener Aspekte, Ausführungsformen und Beispiele
kombinierbar sind und solche Kombinationen von Merkmalen als durch diese Anmeldung offenbart anzusehen sind. Beispielsweise ist selbst ein Merkmal, welches sich auf ein Verfahren bezieht, mit einem Merkmal kombinierbar, welches sich auf eine Laserbearbeitungsvorrichtung, bezieht, und umgekehrt. Ferner ist ein Merkmal einer Ausführungsform, welches sich auf eine
Laserbearbeitungsvorrichtung bezieht, mit einem korrespondierenden Merkmal kombinierbar, welches sich auf ein Verfahren bezieht. Mit der Offenbarung eines Verfahrens, einer Ausführungsform eines Verfahrens oder einer Funktion sind ferner ein oder mehrere Elemente (beispielsweise optische Elemente) und/oder Aktoren (beispielsweise in Form einer Aktoranordnung) sowie eine mit den Aktoren zusammenwirkende Funktionalität einer Steuervorrichtung als offenbart anzusehen, welche zur Ausführung des Verfahrens bzw. der Funktion ausgebildet sind. Ferner ist mit der Offenbarung einer Funktion einer
Vorrichtung ein entsprechendes Verfahren, welches die Funktion ohne
Vorrichtungsmerkmale definiert, als offenbart anzusehen.
Sofern nichts anderes angegeben ist, sind Zahlenwerte einschließlich eines ±5 %-Fensters zu verstehen, d. h. beispielsweise eine Angabe Anzahl von 100 Furchen umfasst gemäß einer Ausführungsform eine Anzahl von Furchen innerhalb eines Intervalls von (100 ± 5 %) = [95; 105] und eine
Prozentangabe von 50 % umfasst gemäß einer Ausführungsform eine
Prozentangabe innerhalb eines Intervalls von 50 % ± 5 % = [47,5 %;
52,5 %]. Gemäß einer weiteren Ausführungsform sind Zahlenwerte
einschließlich eines ±10 %-Fensters zu verstehen.
Gemäß einer Ausführungsform wird eine Laserbearbeitungsvorrichtung offenbart, welche eingerichtet ist zum Erzeugen einer Vielzahl von Furchen in einer Oberfläche. Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist die
Laserbearbeitungsvorrichtung eine optische Beugungsanordnung auf, welche eingerichtet ist zum Empfangen einer Laserstrahlung und zum hierauf
Erzeugen einer Ausgangsstrahlung. Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist die Laserbearbeitungsvorrichtung eine Aktoranordnung auf zum
Erzeugen einer Relativbewegung zwischen der Ausgangsstrahlung und der Oberfläche. Hierdurch erzeugt die Ausgangsstrahlung (durch Materialabtrag von der Oberfläche) die Vielzahl von Furchen in der Oberfläche. Gemäß einer Ausführungsform weist die Ausgangsstrahlung eine Vielzahl von
Intensitätsmaxima auf, von denen jedes Intensitätsmaximum eine Furche der Vielzahl von Furchen erzeugt.
Im Einklang mit Ausführungsformen der hierin offenbarten Gegenstände weist die Laserbearbeitungsvorrichtung einen Strahlengang auf, welcher eingerichtet ist, um die Ausgangsstrahlung auf die Oberfläche zu richten. Der Strahlengang kann beispielsweise ein freier Raum sein, in welchem sich die
Ausgangsstrahlung von der Beugungsanordnung zu der Oberfläche hin ausbreitet. Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann der Strahlengang ein oder mehrere Umlenkelemente, beispielsweise Spiegel, aufweisen.
Beispielsweise kann die Aktoranordnung eingerichtet sein, um das mindestens eine Umlenkelement zu bewegen und dadurch die Relativbewegung zwischen der Ausgangsstrahlung und der Oberfläche zu erzeugen. Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist die Aktoranordnung eingerichtet zum Bewegen der Oberfläche und/oder der Laserbearbeitungsvorrichtung oder Teilen davon.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann der Strahlengang ein oder mehrere fokussierende optische Elemente und/oder ein oder mehrere zerstreuende optische Elemente, beispielsweise optische Linsen aufweisen.
Gemäß einer Ausführungsform existiert entlang des Strahlengangs die Vielzahl von Intensitätsmaxima lediglich in einem eng begrenzten Bereich des Strahlengangs der Ausgangsstrahlung. Es versteht sich, dass in diesem Fall die Oberfläche in diesem Bereich des Strahlengangs positioniert wird. Mit anderen Worten sind gemäß einer Ausführungsform die Oberfläche und der
Strahlengang bezüglich einander so positioniert, dass die Oberfläche in einem Bereich des Strahlengangs liegt, in welchem die Ausgangsstrahlung die
Vielzahl von Intensitätsmaxima aufweist.
Entsprechend weist gemäß einer Ausführungsform ein Verfahren zum
Erzeugen einer Vielzahl von Furchen in einer Oberfläche eine oder mehrere der folgenden Ausführungsformen auf. Gemäß einer Ausführungsform umfasst das Verfahren ein Richten einer Laserstrahlung auf eine optische
Beugungsanordnung zum Erzeugen einer Ausgangsstrahlung, welche eine Vielzahl von Intensitätsmaxima aufweist. Gemäß einer weiteren
Ausführungsform umfasst das Verfahren ein Richten der Ausgangsstrahlung auf die Oberfläche. Gemäß einer weiteren Ausführungsform erfolgt umfasst das Verfahren ein Erzeugen einer Relativbewegung zwischen der
Ausgangsstrahlung und der Oberfläche (beispielsweise werden die
Ausgangsstrahlung während der Relativbewegung erzeugt). Durch die
Relativbewegung zwischen der Ausgangsstrahlung und der Oberfläche wird die Vielzahl von Furchen erzeugt, wobei jedes Intensitätsmaximum eine Furche der Vielzahl von Furchen erzeugt.
Gemäß einer Ausführungsform umfasst das Richten der Ausgangsstrahlung auf die Oberfläche ein Positionieren der Oberfläche und der Ausgangsstrahlung bezüglich einander, so dass die Oberfläche in einem Bereich des
Strahlengangs liegt, in welchem die Ausgangsstrahlung die Vielzahl von Intensitätsmaxima aufweist.
Gemäß einer Ausführungsform sind das optische Element und/oder der
Strahlengang und/oder die Aktoranordnung eingerichtet, so dass die Vielzahl von Furchen, die durch die Ausgangsstrahlung erzeugt werden, parallele Furchen sind.
Gemäß einer Ausführungsform liegt eine Querschnittsdimension
(beispielsweise eine Tiefe) von 80 % der Furchen, die von der Vielzahl von Intensitätsmaxima erzeugt wird, um einen Mittelwert der
Querschnittsdimension in einem Toleranzintervall von ±10 % der
Querschnittsdimension. Gemäß einer Ausführungsform ist hierbei der
Mittelwert das arithmetische Mittel über die betreffende Querschnittsdimension der Vielzahl von Furchen. Die Querschnittsdimension kann gemäß einer Ausführungsform eine Breite der Furchen oder eine Tiefe der Furchen sein.
Gemäß einer Ausführungsform bilden die Furchen in der Oberfläche Riblets aus, d. h. eine Struktur, welche gegenüber einer glatten Oberfläche einen Strömungswiderstand der Oberfläche senkt. Insbesondere bezüglich der Anwendung, der Funktion, der Form, der Abmessungen, der Eigenschaften, etc. der Riblets wird ausdrücklich auf die WO 2018/197555 Al verwiesen, deren gesamte Offenbarung, insbesondere die Abmessungen und
Anwendungen der Riblets, hierin durch Bezugnahme eingeschlossen wird.
Wie für Riblets üblich, weisen in einer Ausführungsform die Furchen jeweils seitliche Wände auf. Die benachbarten Wände von jeweils zwei nebeneinander liegenden Furchen bilden daher zwei voneinander abgewandte Flanken einer Rippe zwischen den zwei Furchen. Mit anderen Worten wird gemäß einer Ausführungsform durch die Vielzahl von Furchen einer Vielzahl von Rippen auf der Oberfläche erzeugt, die bei geeigneter Abmessung als Riblets wirken (d. h. einen Strömungswiderstand über die Oberfläche reduzieren), beispielsweise wie dies in der oben zitierten WO 2018/197555 Al beschrieben ist. Gemäß einer Ausführungsform schließen die Flanken der Rippen einen spitzen Winkel ein. Insbesondere sind die Rippen gemäß einer Ausführungsform spitz zulaufend ausgebildet. Gemäß einer Ausführungsform erstrecken sich die Rippen im Wesentlichen parallel zueinander und insbesondere parallel zu einer Strömungsrichtung einer zu erwartenden Strömung über die Oberfläche.
Gemäß einer Ausführungsform weist die Beugungsanordnung mindestens ein optisches Element auf. Sofern nachfolgend von einem optischen Element die Rede ist, sollte sich verstehen, dass gemäß einer Ausführungsform im Fall von zwei oder mehr optischen Elementen, jedes dieser optischen Elemente gemäß einer oder mehreren der hierin offenbarten Ausführungsformen ausgestaltet sein kann.
Gemäß einer Ausführungsform ist das mindestens eine optische Element (beispielsweise jedes optische Element der Beugungsanordnung) eingerichtet, um eine Mehrzahl von Phasendifferenzen zwischen einer Vielzahl von Teilen der Ausgangsstrahlung zu erzeugen. Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist das mindestens eine optische Element eingerichtet, um durch die
Erzeugung der Mehrzahl von Phasendifferenzen die Vielzahl von
Intensitätsmaxima in der Ausgangsstrahlung zu erzeugen. Es versteht sich, dass die Phasendifferenzen zwischen jeweils zwei Teilen der
Ausgangsstrahlung für verschiedene Teile der Ausgangsstrahlung im
Allgemeinen verschieden sind.
Beispielsweise ist gemäß einer Ausführungsform das optische Element ein diffraktives optisches Element. Beispielsweise weist das diffraktive optische Element gemäß einer Ausführungsform eine Struktur auf, welche die Mehrzahl von Phasendifferenzen erzeugt. Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist die Beugungsanordnung zwei oder mehr diffraktive optische Elemente auf. Beispielsweise weist in einer Ausführungsform die Beugungsanordnung zwei oder mehr (diffraktive) optische Elemente auf (die beispielsweise auch als Phasenmasken bezeichnet werden), wodurch die Erzeugung von Phasendifferenzen in mehreren Ebenen stattfindet (Multi-Plane Light
Conversion, MPLC). Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist die
Beugungsanordnung ein Hologramm. Ausgehend von einer gewünschten Intensitätsverteilung der Ausgangsstrahlung kann ein diffraktives optisches Element, ein MPLC-Element oder ein Hologramm gemäß an sich bekannten Herstellungsverfahren hergestellt werden. Lediglich beispielhaft seien hier die Techniken genannt, die in den folgenden Dokumenten beschrieben sind: EP 1 591 805 Bl, US 5 073 007.
Gemäß einer Ausführungsform ist mindestens eines von dem mindestens einen optischen Element der Beugungsanordnung ausgebildet, um die Vielzahl von Intensitätsmaxima innerhalb eines Querschnittes der Ausgangsstrahlung zu erzeugen, der kleiner als der Querschnitt der Laserstrahlung ist, die auf die Beugungsanordnung fällt. Mit anderen Worten ist mindestens eines von dem mindestens einen optischen Element der Beugungsanordnung ausgebildet, um eine Fokussierung der Laserstrahlung, wie sie auf die Beugungsanordnung fällt, zu erzielen. Beispielsweise ist gemäß einer Ausführungsform das (in Ausbreitungsrichtung der Laserstrahlung gesehen) letzte optische Element der Beugungsanordnung (d. h. das optische Element, welches die
Ausgangsstrahlung erzeugt) in dieser Weise ausgebildet. Gemäß einer
Ausführungsform ist der Querschnitt (hierin auch als Strahldiagonale bezeichnet) definiert durch die größte Ausdehnung der Strahlung senkrecht zur Strahlungsrichtung.
Soweit nichts anderes angegeben ist, bezieht sich der Querschnitt der
Ausgangsstrahlung auf den Querschnitt, den die Ausgangsstrahlung an der Oberfläche aufweist. Mit anderen Worten entspricht der Querschnitt der Ausgangsstrahlung gemäß einer Ausführungsform dem Querschnitt des gesamten Beleuchtungsflecks (Spots), den die Ausgangsstrahlung auf der Oberfläche (d. h. in einem definierten Abstand von der Beugungsanordnung) erzeugt. Der Spot (d. h. der gesamte Beleuchtungsfleck, den die Ausgangsstrahlung auf der Oberfläche erzeugt) umfasst daher die Vielzahl von Intensitätsmaxima.
Gemäß einer Ausführungsform kann zwischen der Beugungsanordnung und der Oberfläche (d. h. in dem Strahlengang) mindestens ein weiteres optisches Element, beispielsweise mindestens ein fokussierendes optisches Element und/oder mindestens zerstreuendes optisches Element, beispielsweise eine Linse, etc. angeordnet sein. Beispielsweise kann das mindestens eine weitere optische Element für mindestens eine der folgenden Funktionen vorgesehen sein : um die Ausgangsstrahlung zu fokussieren oder aufzuweiten; um die Vielzahl von Intensitätsmaxima zu skalieren; um die Intensitätsmaxima in einer gewünschten Ausgestaltung zu erzeugen, falls die Beugungsanordnung für die Erzeugung der Vielzahl von Intensitätsmaxima in der gewünschten Ausgestaltung mit dem mindestens weiteren optischen Element eingerichtet wurde; etc. Gemäß einer Ausführungsform ist die Beugungsanordnung eingerichtet (gerechnet), um, gegebenenfalls unter Berücksichtigung des mindestens einen weiteren optischen Elements, in einem vorbestimmten Abstand die Vielzahl von Intensitätsmaxima (insbesondere den Spot mit der Vielzahl von Intensitätsmaxima) zu erzeugen. Gemäß einer Ausführungsform ist die Oberfläche in dem vorbestimmten Abstand von der Beugungsanordnung angeordnet.
Gemäß einer Ausführungsform umfasst die Vielzahl von Intensitätsmaxima (d.h. die Vielzahl von Intensitätsmaxima, die jeweils eine Furche der Vielzahl von Furchen erzeugen) mindestens 10 Intensitätsmaxima. Beispielsweise umfasst die Vielzahl von Intensitätsmaxima mindestens 50 Intensitätsmaxima oder, gemäß anderen Ausführungsformen, mindestens 100, mindestens 200, mindestens 500 oder mindestens 1000 Intensitätsmaxima. Beispielsweise umfasst die Vielzahl von Intensitätsmaxima zwischen 500 und 1500
Intensitätsmaxima. Gemäß einer Ausführungsform beträgt der Abstand der Intensitätsmaxima nominell zwischen 40 pm und 160 pm, beispielsweise 100 pm. Es versteht sich, dass für den Fall, dass die Furchen Riblets in der Oberfläche erzeugen, der Abstand der Intensitätsmaxima angepasst wird, um den gewünschten Abstand der Rippen zu erzielen. Wie erläutert, kann der gewünschte Abstand der Rippen (und damit der gewünschte Abstand der Intensitätsmaxima beispielsweise von der Strömungsgeschwindigkeit abhängen, für welche die Riblets eine gewünschte Reduzierung des Strömungswiderstandes erzeugen.
Es versteht sich, dass die Abstände von benachbarten Furchen der Vielzahl von Furchen in der Praxis von dem nominellen Abstand der Intensitätsmaxima abweichen kann, beispielsweise um ±5 %. Beispielsweise kann gemäß einer Ausführungsform für einen nominellen Abstand der Intensitätsmaxima von 100 pm ein Abstand benachbarter Furchen zwischen 90 pm und 110 pm liegen.
Gemäß einer Ausführungsform beträgt die Spotgröße zwischen 15 mm und 500 mm, beispielsweise zwischen 30 mm und 200 mm. Beispielsweise kann für einen 5 kW-Laser die Spotgröße 120 mm betragen. Ferner kann
beispielsweise die Spotgröße 70 mm betragen, beispielsweise für einen 2 kW- Laser. Gemäß einer Ausführungsform weist der Spot die Spotgröße in einer Richtung senkrecht zu der Relativbewegung auf.
Gemäß einer Ausführungsform weist der Spot eine Richtung minimaler Abmessung und eine Richtung maximaler Abmessung auf, wobei die maximale Abmessung dmax gemäß einer Ausführungsform ein Vielfaches der minimalen Abmessung dmin beträgt. Beispielsweise beträgt die maximale Abmessung dmax das F-fache der minimalen Abmessung dmin, dmax = F * dmin, wobei der Faktor F gemäß einer Ausführungsform zwischen 5 und 100 liegt, beispielsweise bei 40 (dmax = 40 * dmin). Beispielsweise kann die minimale Abmessung 3 mm und die maximale Abmessung 120 mm betragen.
Beispielsweise ist gemäß einer Ausführungsform der Spot ein im Wesentlichen rechteckiger oder elliptischer Spot mit der Abmessung dmin * dmax, d. h. beispielsweise mit einer Abmessung von 3 mm * 120 mm . Nachdem der Spot die Vielzahl von Intensitätsmaxima aufweist, bezeichnet die Spotgröße
(beispielsweise eines„im wesentlichen rechteckigen" Spots) Abmessungen (beispielsweise dmin, dmax) eines Rechtecks, welches um den Spot (bzw. um die Vielzahl von Intensitätsmaxima) umschreibbar ist. Gemäß einer
Ausführungsform ist eine hierin angegebene Spotgröße die maximale
Abmessung dmax des Spots.
Gemäß einer Ausführungsform erfolgt die Relativbewegung zwischen der Ausgangsstrahlung und der Oberfläche in der Richtung minimaler Abmessung. Dadurch wird durch eine kleinere minimale Abmessung bei gegebener
Geschwindigkeit der Relativbewegung eine kürzere Beleuchtungsdauer der Oberfläche realisiert. Die Beleuchtungsdauer der Oberfläche mit der
Ausgangsstrahlung beträgt gemäß einer Ausführungsform weniger als 40 ms, beispielsweise weniger als 10 ms. Insbesondere beträgt die
Beleuchtungsdauer der Oberfläche mit der Ausgangsstrahlung weniger als 2 ms. Gemäß einer Ausführungsform ist die minimale Abmessung und die Geschwindigkeit der Relativbewegung angepasst, um die angegebenen
Beleuchtungsdauer zu realisieren. Gemäß einer Ausführungsform liegt die Geschwindigkeit der Relativbewegung bei mindestens 100 mm/s,
beispielsweise in einem Intervall zwischen 100 mm/s und 2 m/s, insbesondere in einem Intervall zwischen 300 mm/s und 1 m/s. Beispielsweise beträgt die Geschwindigkeit der Relativbewegung nominell 500 mm/s oder mehr.
Gemäß einer Ausführungsform sind die Intensitätsmaxima periodisch angeordnet, beispielsweise periodisch in einer Reihe. Gemäß einer
Ausführungsform hat jedes Intensitätsmaximum eine Form, die von einer Kreisform abweicht. Beispielsweise hat jedes Intensitätsmaximum der Vielzahl von Intensitätsmaxima eine lang gestreckte Form. Die Form eines
Intensitätsmaximums ist hierbei wie üblich beispielsweise durch die Form einer Linie gleicher Intensität definiert. Gemäß einer Ausführungsform ist das optische Element eingerichtet, um in Reflexion zu arbeiten. Mit anderen Worten ist das optische Element gemäß einer Ausführungsform ein reflektierendes optisches Element. Durch ein optisches Element, welches in Reflexion arbeitet, kann eine thermische
Belastung des optischen Elements reduziert werden. Bei einem optischen Element, welches in Reflexion arbeitet, kann die Struktur, welche die
Phasendifferenz erzeugt, gemäß einer Ausführungsform eine
Oberflächenstruktur sein.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist das optische Element einen Körper aus Metall oder aus einem Halbleitermaterial auf. Gemäß einer
Ausführungsform ist der Körper aus einem Metall mit hoher elektrischer Leitfähigkeit und/oder einem Metall mit hoher thermischer Leitfähigkeit gebildet, beispielsweise Kupfer oder Gold. Gemäß einer weiteren
Ausführungsform ist der Körper aus einem korrosionsbeständigen Metall gebildet (d.h. einem Metall, welches resistent gegen Korrosion ist),
beispielsweise aus einer geeigneten Metalllegierung oder aus einem
Edelmetall. Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist der Körper aus Silizium gebildet. Gemäß einer Ausführungsform ist der Körper aus einem Einkristall gebildet. Auf diese Weise kann ein Einfluss von Korngrenzen auf die
Eigenschaften des optischen Elements vermieden werden.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist der Körper mindestens teilweise mit einem Metall, insbesondere einem korrosionsbeständigen Metall
beschichtet. Gemäß einer Ausführungsform ist das korrosionsbeständige Metall eine korrosionsbeständige Legierung oder ein Edelmetall, beispielsweise Gold. Durch das korrosionsbeständige Metall kann dauerhaft eine hohe Reflektivität des optischen Elements erzielt werden. Beispielsweise kann das optische Element einen Körper aus Silizium aufweisen, welches mit dem Metall
(beispielsweise Gold) beschichtet ist. Gemäß einer Ausführungsform weist der Körper eine Dicke in einem Bereich zwischen 1 mm und 200 mm auf, beispielsweise zwischen 5 mm und 50 mm. Eine größere Dicke kann eine höhere Steifigkeit des Körpers und damit eine höhere Genauigkeit des optischen Elements erlauben.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist das optische Element
(beispielsweise der Körper oder, falls eine Beschichtung auf dem Körper angeordnet ist, die Beschichtung) eine erste Fläche mit einem Querschnitt (beispielsweise einen Durchmesser) in einem Bereich zwischen 20 mm und 500 mm auf, beispielsweise einen Durchmesser zwischen 70 mm und 200 mm. Gemäß einer Ausführungsform ist der Querschnitt (z.B. der
Durchmesser) definiert durch die größte Ausdehnung der ersten Fläche
(beispielsweise einer Hauptfläche des optischen Elements).
Gemäß einer Ausführungsform ist das optische Element auf der ersten Fläche strukturiert wobei gemäß einer weiteren Ausführungsform die strukturierte Fläche von einem nicht strukturierten Rand umgeben ist. Gemäß einer
Ausführungsform kann die strukturierte Fläche des optischen Elements gebildet sein durch Strukturieren des Körpers (beispielsweise durch Gravieren, Ätzen, etc.), wobei sich eine hierdurch erhaltene Struktur des Körpers gemäß einer Ausführungsform auf die Beschichtung überträgt und somit die
Beschichtung (falls vorhanden) eine entsprechende Struktur (d. h. die strukturierte Fläche des optischen Elements) aufweist. Gemäß einer
Ausführungsform beträgt die Breite des nicht strukturierten Randes zwischen 2 % und 20 % des Querschnitts der ersten Fläche. Gemäß einer
Ausführungsform wird die strukturierte Fläche von der Laserstrahlung vollständig beleuchtet. Hierzu kann gemäß einer Ausführungsform die
Laserstrahlung entsprechend aufgeweitet werden, beispielsweise unter
Verwendung von einem Strahlaufweiter, beispielsweise in Form einer
Linsengruppe oder in Form eines DOE. Gemäß einer Ausführungsform weist Laserbearbeitungsvorrichtung einen Kühlmittel-Strömungsweg zum Kühlen der optischen Beugungsanordnung (insbesondere zum Kühlen des optischen Elements) auf, insbesondere einen Kühlmittel-Strömungsweg für ein flüssiges Kühlmittel. Beispielsweise kann das optische Element einen Hohlraum aufweisen, welcher mindestens einen Teil des Kühlmittel-Strömungsweges bildet. Gemäß einer weiteren
Ausführungsform kann der Kühlmittel-Strömungsweg durch ein separates Bauteil gebildet sein, welches mit dem optischen Element
wärmeübertragungsmäßig gekoppelt ist. Gemäß einer Ausführungsform ist der Kühlmittel-Strömungsweg an einer Rückseite des Körpers angeordnet, d. h. an einer zweiten Fläche (beispielsweise einer zweiten Hauptfläche) des Körpers, die der strukturierten ersten Fläche abgewandt angeordnet ist.
Gemäß einer Ausführungsform bildet die Ausgangsstrahlung einen Winkel zwischen 0 Grad und 50 Grad mit einer (mittleren) Flächennormalen der strukturierten (ersten) Fläche des Körpers, beispielsweise einen Winkel von 10 Grad.
Gemäß einer Ausführungsform bildet die Laserstrahlung mit der
Flächennormalen der strukturierten (ersten) Fläche des optischen Elements einen Winkel zwischen 1 Grad und 70 Grad, beispielsweise zwischen 45 Grad und 60 Grad.
Gemäß einer Ausführungsform beträgt ein Winkel zwischen der Laserstrahlung (d. h. einer Eingangsstrahlung, welche auf die Beugungsanordnung trifft) und der Ausgangsstrahlung zwischen 20 Grad und 100 Grad, beispielsweise 50 Grad.
Gemäß einer Ausführungsform ist das optische Element (insbesondere das in Strahlungsrichtung letzte optische Element der optischen Beugungsanordnung) für eine konkrete Anordnung der optischen Komponenten der Laserbearbeitungsvorrichtung und der Oberfläche gerechnet (insbesondere für eine konkrete Anordnung der Laserstrahlung, des optischen Elements und der Oberfläche relativ zueinander). Die Berechnung des optischen Elements für eine konkrete Anordnung der optischen Komponenten der Laserbearbeitungsvorrichtung und der Oberfläche ist insbesondere vorteilhaft, wenn die optische Beugungsanordnung aus einem einzigen diffraktiven optischen (DOE) besteht.
Gemäß einer Ausführungsform hat die Laserstrahlung eine Beugungsmaßzahl M2, die kleiner als 1,5 ist (M2 < 1,5). Gemäß einer weiteren Ausführungsform hat die Laserstrahlung eine Beugungsmaßzahl M2 < 1,3 oder M2 < 1,1. Je kleiner die Beugungsmaßzahl ist, desto exakter kann ein gewünschtes
Intensitätsmuster realisiert werden, welches die Vielzahl von
Intensitätsmaxima aufweist.
Gemäß einer Ausführungsform ist die Laserstrahlung die Laserstrahlung eines C02 Lasers. Ein CO2-Laser hat den Vorteil, dass er mit hohen mittleren Leistungen verfügbar ist, was wiederum hohe Bearbeitungsgeschwindigkeiten ermöglicht. Beispielsweise beträgt eine mittlere Leistung der Laserstrahlung mindestens 500 Watt (W) Gemäß einer weiteren Ausführungsform beträgt die mittlere Leistung der Laserstrahlung mindestens 1 Kilowatt (kW) oder, gemäß einer nochmals weiteren Ausführungsform, mindestens 3 kW.
Eine hohe mittlere Leistung erfordert jedoch im Gegenzug eine geeignete Ausbildung der Laserbearbeitungsvorrichtung und seiner Teile, um einen zuverlässigen und stabilen Betrieb der Laserbearbeitungsvorrichtung zu ermöglichen. Ausführungsformen der hierin offenbarten Gegenstände erlauben einen zuverlässigen und stabilen Betrieb der Laserbearbeitungsvorrichtung bei einer hohen mittleren Leistung. Gemäß einer Ausführungsform weist die Laserbearbeitungsvorrichtung eine Laserquelle zum Erzeugen der Laserstrahlung auf. Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann jedoch auch vorgesehen sein, dass die
Laserbearbeitungsvorrichtung mit einer Laserquelle koppelbar ist.
Zusammenfassend umfasst die vorliegende Offenbarung insbesondere die folgenden Ausführungsformen und Kombinationen von Ausführungsformen :
1. Laserbearbeitungsvorrichtung zum Erzeugen einer Vielzahl von Furchen in einer Oberfläche, die Laserbearbeitungsvorrichtung aufweisend:
eine optische Beugungsanordnung, welche eingerichtet ist zum
Empfangen einer Laserstrahlung und zum hierauf Erzeugen einer
Ausgangsstrahlung, wobei die Ausgangsstrahlung eine Vielzahl von
Intensitätsmaxima aufweist;
eine Aktoranordnung zum Erzeugen einer Relativbewegung zwischen der Ausgangsstrahlung und der Oberfläche, wobei jedes Intensitätsmaximum eine Furche der Vielzahl von Furchen erzeugt.
2. Laserbearbeitungsvorrichtung nach Ausführungsform 1, wobei die
Beugungsanordnung mindestens ein optisches Element aufweist, insbesondere wobei das mindestens eine optische Element eingerichtet ist, um eine
Phasendifferenz zwischen einer Vielzahl von Teilen der Ausgangsstrahlung zu erzeugen.
3. Laserbearbeitungsvorrichtung nach Ausführungsform 2, wobei das mindestens eine optische Element eingerichtet ist, um in Reflexion zu arbeiten.
4. Laserbearbeitungsvorrichtung nach Ausführungsform 2 oder 3, wobei das mindestens eine optische Element einen Körper aus Metall oder einem
Halbleitermaterial aufweist. 5. Laserbearbeitungsvorrichtung nach Ausführungsform 4, wobei der Körper mindestens teilweise mit einem Metall, insbesondere einem
korrosionsbeständigen Metall wie beispielsweise einer korrosionsbeständigen Legierung oder einem Edelmetall, beschichtet ist.
6. Laserbearbeitungsvorrichtung nach irgendeiner der vorhergehenden Ausführungsformen, wobei das optische Element ein diffraktives optisches Element ist.
7. Laserbearbeitungsvorrichtung nach irgendeiner der vorhergehenden Ausführungsformen, wobei die Vielzahl Intensitätsmaxima mindestens 10 Intensitätsmaxima umfasst, insbesondere mindestens 50 Intensitätsmaxima oder mindestens 200 Intensitätsmaxima.
8. Laserbearbeitungsvorrichtung nach irgendeiner der vorhergehenden Ausführungsformen, ferner aufweisend:
einen Strahlengang, welcher eingerichtet ist, um die Ausgangsstrahlung auf die Oberfläche zu richten;
wobei die Relativbewegung eine geradlinige Bewegung ist; und die Beugungsanordnung und/oder der Strahlengang eingerichtet sind, so dass jeweils zwei Furchen der Vielzahl von Furchen zwischen sich eine Rippe bilden.
9. Laserbearbeitungsvorrichtung nach irgendeiner der vorhergehenden Ausführungsformen, wobei die Laserstrahlung eine C02-Laserstrahlung ist.
10. Laserbearbeitungsvorrichtung nach irgendeiner der vorhergehenden Ausführungsformen, wobei eine mittlere Leistung der Laserstrahlung mindestens 500 W, insbesondere mindestens 1 kW, beträgt. 11. Laserbearbeitungsvorrichtung nach irgendeiner der vorhergehenden Ausführungsformen, ferner aufweisend eine Laserquelle zum Erzeugen der Laserstrahlung.
12. Laserbearbeitungsvorrichtung nach irgendeiner der vorhergehenden Ausführungsformen, ferner aufweisend einen Kühlmittel-Strömungsweg zum Kühlen der optischen Beugungsanordnung, insbesondere einen Kühlmittel- Strömungsweg für ein flüssiges Kühlmittel.
13. Verfahren zum Erzeugen einer Vielzahl von Furchen in einer Oberfläche, das Verfahren aufweisend :
Richten einer Laserstrahlung auf eine optische Beugungsanordnung zum Erzeugen einer Ausgangsstrahlung, wobei die Ausgangsstrahlung eine Vielzahl von Intensitätsmaxima aufweist;
Richten der Ausgangsstrahlung auf die Oberfläche; und
Erzeugen einer Relativbewegung zwischen der Ausgangsstrahlung und der Oberfläche, wobei jedes Intensitätsmaximum eine Furche der Vielzahl von Furchen erzeugt.
14. Verfahren nach Ausführungsform 13, wobei das Erzeugen der
Ausgangsstrahlung eine Reflexion der Laserstrahlung an der optischen
Beugungsanordnung umfasst.
15. Verfahren nach irgendeiner der Ausführungsformen 13 oder 14, wobei die Vielzahl von Intensitätsmaxima mindestens 10 Intensitätsmaxima umfasst.
16. Verwendung einer Laserbearbeitungsvorrichtung nach einem der
Ansprüche 1 bis 12 oder eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 13 bis 15 zur Herstellung einer Vielzahl von parallelen Rippen, insbesondere von Riblets, auf der Oberfläche. Ausführungsformen der hierin offenbarten Gegenstände erlauben eine freie Geometrieauswahl der Furchen bzw. der Rippen zwischen den Furchen
(innerhalb der Einheitszelle, also beispielsweise spitzere Spitzen der Rippen, flacherer Furchengrund). Im Gegensatz hierzu erlaubt die klassische
Interferenzbearbeitung lediglich Rippen und Furchen, die zumindest teilweise sinusähnlich ausgebildet sind.
Ferner erlauben Ausführungsformen der hierin offenbarten Gegenstände insbesondere quer zur Bearbeitungsrichtung eine exaktere Begrenzung des Spots, welchen die Ausgangsstrahlung auf der Oberfläche erzeugt. Dies kann ein besseres Aneinanderreihen von Bearbeitungsspuren verschiedener Spots quer zur Bearbeitungsrichtung ermöglichen. Im Gegensatz hierzu ist bei klassischer Interferenz mit Gaußstrahlen eine Gaußförmige Einhüllende vorhanden. Diese Einhüllende kann gemäß einer Ausführungsform mit der Beugungsanordnung zu einer Rechtecksfunktion geformt (oder an eine
Rechtecksfunktion angenähert) werden.
Durch die Erzeugung der Vielzahl von Intensitätsmaxima in der
Ausgangsstrahlung durch eine optische Beugungsanordnung (gemäß einer Ausführungsform durch ein einziges optisches Element, insbesondere ein einziges diffraktives optisches Element) kann sich im Vergleich zu
konventioneller Interferenzstrukturierung (welche insbesondere eine
Strahlteilung und eine anschließende Zusammenführung der Teilstrahlen umfasst) eine erhebliche Vereinfachung ergeben, da gemäß
Ausführungsformen der hierin offenbarten Gegenstände die Strahlformung (die Formung der der Einhüllenden des Spots) und Ausbildung der
Intensitätsmaxima von weniger optischen Elementen (beispielsweise nur einem einzigen optischen Element) bewirkt wird.
Insbesondere basiert die Ausbildung der Vielzahl von Intensitätsmaxima gemäß Ausführungsformen der hierin offenbarten Gegenstände nicht auf der Erzeugung eines Gangunterschiedes durch einzelne, in einem definierten Abstand zueinander positionierte, optische Elemente - im Gegensatz zu konventioneller Interferenzstrukturierung. Dadurch ergibt sich in industrieller Umgebung eine höhere Stabilität, insbesondere da weniger optische Elemente, in einer definierten Position zueinander gehalten werden müssen.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Nachfolgend werden exemplarische Ausführungsformen der hierin offenbarten Gegenstände mit Bezug auf die Zeichnungen beschrieben. Es wird angemerkt, dass in verschiedenen Figuren ähnliche oder identische Elemente oder
Komponenten teilweise mit denselben Bezugszahlen versehen sind, oder mit Bezugszahlen, die sich nur in der ersten Ziffer unterscheiden. Merkmale bzw. Komponenten, die mit den entsprechenden Merkmalen bzw. Komponenten in einer anderen Figur gleich oder zumindest funktionsgleich sind, werden nur bei ihrem ersten Auftreten in dem nachfolgenden Text detailliert beschrieben und die Beschreibung wird bei nachfolgendem Auftreten dieser Merkmale und Komponenten (bzw. der entsprechenden Bezugszahlen) nicht wiederholt. Die vorstehenden Definitionen gelten gemäß einer Ausführungsform für die nachfolgenden Ausführungsformen, und umgekehrt. Ferner sind die
vorstehend beschriebenen Merkmale und Ausführungsformen mit den nachfolgend beschriebenen Merkmalen und Ausführungsformen kombinierbar.
Fig. 1 zeigt schematisch eine Laserbearbeitungsvorrichtung 100 gemäß
Ausführungsformen der hierin offenbarten Gegenstände.
Gemäß einer Ausführungsform weist die Laserbearbeitungsvorrichtung 100 eine optische Beugungsanordnung 102 auf, welche eingerichtet ist zum
Empfangen einer Laserstrahlung 104 und zum hierauf Erzeugen einer
Ausgangsstrahlung 106. Gemäß einer Ausführungsform bildet die
Laserstrahlung 104 mit einer mittleren Flächennormalen der Beugungsanordnung 102 einen Winkel 103, der zwischen 1 Grad und 70 Grad liegt, beispielsweise einen Winkel von 30 oder 45 Grad. Gemäß einer
Ausführungsform ist die Richtung der Flächennormalen gemittelt über eine aktive Fläche (beispielsweise eine strukturierte Fläche) der
Beugungsanordnung 102, insbesondere (z.B. falls die Beugungsanordnung 102 mehr als eine aktive Fläche aufweist) über eine äußere aktive Fläche der Beugungsanordnung 102, die von der Laserstrahlung 104 beleuchtet wird. Infolgedessen wird die Flächennormale hierin auch als mittlere Flächennormale bezeichnet. Gemäß einer Ausführungsform bildet die Ausgangsstrahlung 106 mit der mittleren Flächennormalen einen Winkel 105, der zwischen 0 Grad und 70 Grad liegt, beispielsweise einen Winkel von 30 oder 45 Grad.
Die Laserbearbeitungsvorrichtung 100 weist ferner eine Aktoranordnung 108 auf zum Erzeugen einer Relativbewegung zwischen der Ausgangsstrahlung 106 und einer Oberfläche 110 eines Objektes 112. Gemäß einer Ausführungsform ist die Aktoranordnung 108 ortsfest angeordnet, angegeben bei 114. Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist eine Bearbeitungsbaugruppe 116 über einen Träger 118 mit der Aktoranordnung 108 gekoppelt. Gemäß einer
Ausführungsform ist die Aktoranordnung 108 und/oder der Träger 118 von einem Roboterarm gebildet. Gemäß einer Ausführungsform kann die
Aktoranordnung 108 und/oder der Träger 118 auf einer verfahrbaren
Hebebühne zu Grobpositionierung stehen (in Fig. 1 nicht dargestellt). Dies kann insbesondere bei großen Objekten, beispielsweise Flugzeugteilen vorteilhaft sein. Gemäß einer Ausführungsform kann die Hebebühne
mindestens einen Aktor zum Verfahren der Hebebühne aufweisen. Der mindestens eine Aktor zum Verfahren der Hebebühne kann gemäß einer Ausführungsform Teil der Aktoranordnung 108 sein. Die Mittels der
Aktoranordnung 108 kann die Bearbeitungsbaugruppe 116 bezüglich des Objektes 112 bzw. der Oberfläche 110 des Objektes 112 bewegt werden, um die Ausgangsstrahlung 106 relativ zu der Oberfläche zu bewegen. Gemäß anderer Ausführungsform kann vorgesehen sein, dass das Objekt 112 mittels einer Aktoranordnung bewegbar angeordnet ist, zusätzlich oder alternativ zu Aktoranordnung 108.
Für die Einhaltung eines Abstandes zwischen der Beugungsanordnung 102 und der Oberfläche 110 in einem vorbestimmten Abstandsbereich und/oder für die Einhaltung einer Orientierung zwischen der Beugungsanordnung 102 und der Oberfläche 110 in einem vorbestimmten Orientierungsbereich
(Schwenkbereich) kann eine Sensoranordnung 119 vorgesehen sein. Gemäß einer Ausführungsform weist die Sensoranordnung einen oder mehrere Sensoren auf, beispielsweise mindestens einen von einem Lagesensor, einem Abstandssensor, etc.
Gemäß einer Ausführungsform ist das Objekt 112 beispielsweise ein Teil eines Flugzeugs, beispielsweise ein Flügel oder ein Rumpf des Flugzeugs. Gemäß anderer Ausführungsform kann das Objekt 112 beispielsweise ein Rotorblatt einer Windkraftanlage sein. Gemäß einer Ausführungsform ist das Objekt 112 ortsfest angeordnet (angegeben bei 114), beispielsweise an einem Träger (in Fig. 1 nicht dargestellt).
Gemäß einer Ausführungsform weist die Laserbearbeitungsvorrichtung 100 eine Laserabgabevorrichtung 120 zum Abgeben der Laserstrahlung 104 auf. Gemäß einer Ausführungsform ist eine Laserquelle zum Erzeugen der
Laserstrahlung in der Laserabgabevorrichtung 120 angeordnet. Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist die Laserquelle extern zu der
Laserabgabevorrichtung 120 angeordnet. Insbesondere bei einer
Ausführungsform, in welcher die Laserbearbeitungsvorrichtung 100, oder ein Teil der Laserbearbeitungsvorrichtung 100 von der Aktoranordnung 108 bezüglich der Oberfläche 110 bewegt wird, beispielsweise wie in Fig. 1 dargestellt, kann die Anordnung der Laserquelle extern zu der
Laserbearbeitungsvorrichtung (beispielsweise aus Gewichtsgründen) sinnvoll sein. Gemäß einer Ausführungsform weist die Laserbearbeitungsvorrichtung ferner eine Kühlvorrichtung 124 auf, zum Versorgen der optischen
Beugungsanordnung 102 bzw. eines Kühlmittel-Strömungsweges 126 mit einem Kühlmittel 128.
Ferner weist gemäß einer Ausführungsform die Laserbearbeitungsvorrichtung 100 eine Steuervorrichtung 122 auf zum Steuern von weiteren Komponenten der Laserbearbeitungsvorrichtung, beispielsweise der Laserabgabevorrichtung 120, der Kühlvorrichtung 124 und/oder der Aktoranordnung 108. Die
Steuerung der weiteren Komponenten durch die Steuervorrichtung 122 erfolgt gemäß einer Ausführungsform über eine signalübertragungsmäßige Kopplung 130 dieser weiteren Komponenten mit der Steuervorrichtung 122,
beispielsweise wie in Fig. 1 dargestellt. Gemäß einer Ausführungsform ist die Steuervorrichtung 122 mit der Sensoranordnung 119 signalübertragungsmäßig gekoppelt (angegeben bei 130). Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist die Steuervorrichtung 122 eingerichtet, um eine oder mehrere Komponenten der Laserbearbeitungsvorrichtung 100 in Reaktion auf Sensorsignale 123 von der Sensoranordnung 119 zu steuern. Gemäß einer Ausführungsform kann die Steuerung von Komponenten der Laserbearbeitungsvorrichtung (insbesondere die Steuerung der weiteren Komponenten und ferner insbesondere die
Steuerung der Aktoranordnung) eingerichtet sein zum Halten des Abstandes zwischen der Beugungsanordnung 102 und der Oberfläche 110 in einem vorbestimmten Abstandsbereich und/oder Halten einer Orientierung zwischen der Beugungsanordnung 102 und der Oberfläche 110 in einem vorbestimmten Orientierungsbereich. Gemäß einer Ausführungsform ist die
Laserabgabevorrichtung lediglich ein passives Element. In diesem Fall kann auf eine signalübertragungsmäßige Kopplung mit der Steuervorrichtung verzichtet werden. Gemäß einer Ausführungsform umfasst die Bearbeitungsbaugruppe 116 eine oder mehrere der folgenden Komponenten : Die Laserabgabevorrichtung 120, die Steuervorrichtung 122, die Kühlvorrichtung 124, die optische
Beugungsanordnung 102 und die Sensoranordnung 119. Beispielsweise umfasst die Bearbeitungsbaugruppe 116 alle diese Komponenten,
beispielsweise wie in Fig. 1 schematisch durch die gestrichelte Linie bei 116 angedeutet.
Gemäß einer Ausführungsform weist die Ausgangsstrahlung eine Vielzahl von Intensitätsmaxima auf (in Fig. 1 nicht dargestellt), wobei ein Querschnitt 132 der Ausgangsstrahlung 106 und insbesondere ein Querschnitt der Gesamtheit der Vielzahl der Intensitätsmaxima kleiner ist als der Querschnitt 134 der Laserstrahlung 104, welche auf die optische Beugungsanordnung 102 fällt. Beispielsweise wirkt die optische Beugungsanordnung 102 gemäß einer Ausführungsform fokussierend und reduziert somit den Querschnitt der Laserstrahlung 104 von dem Querschnitt 134 der Laserstrahlung 104 an der Beugungsanordnung 102 auf den Querschnitt 132 der Ausgangsstrahlung 106 an der Oberfläche 110. Gemäß einer Ausführungsform wird der Querschnitt 132 auch als Spotgröße der Ausgangsstrahlung 106 bezeichnet. Gemäß einer Ausführungsform kommt es in der Ausgangsstrahlung 106 zu einer Interferenz und dadurch zu einer Ausbildung der Vielzahl von Intensitätsmaxima.
Es wird darauf hingewiesen, dass die Beugungsanordnung 102 neben der Ausgangsstrahlung 106, welche die Vielzahl von Intensitätsmaxima aufweist, auch noch eine weitere für die Bearbeitung der Oberfläche 110 nicht verwendete Strahlung erzeugen kann. Die nicht verwendete Strahlung (in Fig. 1 nicht dargestellt) kann beispielsweise durch geeignete Blenden ausgeblendet werden, so dass diese nicht aus der
Laserbearbeitungsvorrichtung 100 bzw. der Bearbeitungsbaugruppe 116 austritt. Fig. 2 zeigt die Oberfläche 110 des Objektes 112 aus Fig. 1 gesehen von der Linie II-II in Fig. 1.
Gemäß einer Ausführungsform weist die Ausgangsstrahlung 106 eine Vielzahl von Intensitätsmaxima auf, von denen in Fig. 2 einige mit 136 bezeichnet sind. Durch die Relativbewegung der Oberfläche und der Ausgangsstrahlung, 106 in Fig. 2 angegeben bei 138, erzeugen die Intensitätsmaxima 136 in der Oberfläche eine Vielzahl von parallelen Furchen, von denen in Fig. 2 einige mit 140 bezeichnet sind. Die angegebene Richtung 138 ist die Bewegungsrichtung der Ausgangsstrahlung 106 über die Oberfläche 110.
Gemäß einer Ausführungsform weicht die Form der Intensitätsmaxima von einer Kreisform ab. Insbesondere weisen gemäß einer Ausführungsform eine die Intensitätsmaxima entlang einer ersten Richtung 142, entlang welcher die Intensitätsmaxima gemäß einer Ausführungsform nebeneinander angeordnet sind, eine erste Ausdehnung 143 auf, die kleiner ist als eine zweite
Ausdehnung 144 in einer zweiten Richtung 146, wobei die zweite Richtung 146 senkrecht zu der ersten Richtung 142 angeordnet ist. Gemäß einer
Ausführungsform erfolgt die Relativbewegung 138 zwischen der
Ausgangsstrahlung 106 und der Oberfläche 110 entlang der zweiten Richtung 146, beispielsweise wie in Fig. 2 dargestellt.
Die Vielzahl von Intensitätsmaxima bildet gemäß einer Ausführungsform einen Spot der Ausgangsstrahlung bzw. sind von einem Spot der Ausgangsstrahlung gebildet. Gemäß einer Ausführungsform weist der Spot eine minimale
Ausdehnung in der zweiten Richtung 146 auf (d. h. in Längsrichtung der Furche 140) und weist senkrecht dazu (entlang der ersten Richtung 142) eine maximale Ausdehnung auf. Je größer die maximale Ausdehnung des Spots in der ersten Richtung (senkrecht zu der Längsrichtung der Furchen 140) ist, desto mehr Furchen können durch den Spot bei gegebener Furchenbreite erzeugt werden. Je mehr Furchen ein Spot erzeugt, desto höher kann eine Flächenbearbeitungsgeschwindigkeit der Laserbearbeitungsvorrichtung 100 sein.
Fig. 3 zeigt einen Teil der Vielzahl von Furchen 140 aus Fig. 2 in einer
Querschnittsansicht, entlang der Linie III-III in Fig. 2.
Gemäß einer Ausführungsform sind die Abmessungen und die Abstände der Furchen 140 derart ausgebildet, dass zwischen den Furchen 140 Rippen 150 verbleiben. Die Rippen 150 sind daher aus einem Material 148 gebildet, welches die Oberfläche 110 bildet und welches durch die Bestrahlung mit der Ausgangsstrahlung 106 im Bereich der Furchen 140 entfernt wurde. Gemäß einer Ausführungsform ist das Material 148 eine Beschichtung (beispielsweise ein Lack), welches auf einem Basisteil 152 des Objektes 112 angeordnet ist, beispielsweise wie in Fig. 3 dargestellt.
Fig. 4 zeigt eine Laserbearbeitungsvorrichtung 200 gemäß Ausführungsformen der hierin offenbarten Gegenstände.
Gemäß einer Ausführungsform weist die Laserbearbeitungsvorrichtung 200 eine Kühlvorrichtung 124 zum Kühlen der Beugungsanordnung 102 auf.
Gemäß einer Ausführungsform ist die Kühlvorrichtung 124 extern zu der Bearbeitungsbaugruppe 116 angeordnet, beispielsweise wie in Fig. 4 dargestellt. Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist die
Laserbearbeitungsvorrichtung Kühlmittelleitungen 127 auf, durch welche Kühlmittel 128 zu der Beugungsanordnung 102 förderbar ist. Gemäß einer Ausführungsform weist die Laserbearbeitungsvorrichtung 200 einen
Wärmetauscher 160 (beispielsweise einen Kühlkörper) mit einem Kühlmittel- Strömungsweg 126 auf, welcher von dem Kühlmittel 128 durchströmt wird und in thermischem Kontakt mit der Beugungsanordnung 102 steht
(beispielsweise wie in Fig. 4 dargestellt), um mit dem Kühlmittel 128 Wärme von der Beugungsanordnung 102 abzuführen. Gemäß einer Ausführungsform wird das erwärmte Kühlmittel 128 wieder der Kühlvorrichtung 124 zugeführt zum Abkühlen und erneuten Bereitstellen des Kühlmittels für die
Beugungsanordnung.
Gemäß einer Ausführungsform weist die Laserbearbeitungsvorrichtung 200 eine Laserquelle 162 auf, welche die Laserstrahlung 104 erzeugt und über einen geeigneten Lichtleitweg 164 an die Laserabgabevorrichtung 120 liefert, von welcher die Laserstrahlung 104 auf die Beugungsanordnung 102
abgegeben wird, beispielsweise wie in Fig. 4 dargestellt. Gemäß einer
Ausführungsform weist der Lichtleitweg 164 einen Lichtleiter und/oder eine geeignete Spiegelanordnung auf zum Liefern der Laserstrahlung 104 an die Laserabgabevorrichtung 120. Beispielsweise bei hohen Leistungen der
Laserstrahlung 104 und/oder hohen Anforderungen an die Erhaltung der Kohärenz der Strahlung kann eine Spiegelanordnung gegenüber einem
Lichtleiter bevorzugt sein. Gemäß einer Ausführungsform ist die Laserquelle 162 extern zu der Bearbeitungsbaugruppe 116 angeordnet, beispielsweise wie in Fig. 4 dargestellt.
Gemäß einer Ausführungsform weist die Laserbearbeitungsvorrichtung 200 eines oder mehrere weitere optische Elemente 166 auf, beispielsweise ein fokussierendes optisches Element 166, welches die Ausgangsstrahlung 106 auf eine Oberfläche (in Fig. 4 nicht dargestellt) fokussiert und/oder ein
strahlweitendes optisches Element 167, welches die Laserstrahlung 104 auf den gewünschten Querschnitt 134 (siehe Fig. 1) aufweitet, beispielsweise an Positionen, wie sie in Fig. 4 gestrichelt dargestellt sind.
Das optische Element 166 in Fig. 4 ist ein Beispiel für ein optisches Element in einem Strahlengang 169 zwischen der Beugungsanordnung 102 und der Oberfläche, auf welcher die Furchen erzeugt werden. Beispielsweise kann das optische Element 166 dazu beitragen, dass der Strahlengang 169 eingerichtet ist, um die Ausgangsstrahlung 106 auf die Oberfläche zu richten. Beispielsweise könnte das mindestens eine optische Element 166 (welches hierin auch als weiteres optisches Element bezeichnet wird) ein Spiegel eines Scanners sein, welcher die Ausgangsstrahlung über die Oberfläche bewegt. In diesem Fall würde die Aktoranordnung mindestens einen Aktor des Scanners umfassen. Gemäß einer anderen Ausführungsform erfolgt das Richten der Ausgangsstrahlung 106 auf die Oberfläche ausschließlich durch die
Beugungsanordnung 102. Mit anderen Worten ist gemäß einer
Ausführungsform der Strahlengang 169 frei von optischen Elementen, beispielsweise Spiegeln, Linsen, etc.
Gemäß einer Ausführungsform weist die Laserbearbeitungsvorrichtung 200 ferner eine Steuervorrichtung 122 auf, welche mit Komponenten der
Laserbearbeitungsvorrichtung 200 signalübertragungsmäßig gekoppelt ist (exemplarisch in Fig. 4 für einige Komponenten angegeben bei 130).
Gemäß einer Ausführungsform weist die Laserbearbeitungsvorrichtung 200 eine Aktoranordnung 108 und einen Träger 118 auf. Gemäß einer
Ausführungsform bilden die Aktoranordnung 108 und der Träger 118 mindestens einen Teil eines Roboterarmes. Gemäß einer Ausführungsform werden Verbindungspfade zwischen externen Komponenten der
Laserbearbeitungsvorrichtung 200 (beispielsweise der Kühlvorrichtung 124, der Laserquelle 162 und der Steuervorrichtung 122) und den bewegbaren Komponenten der Laserbearbeitungsvorrichtung (beispielsweise der
Laserabgabevorrichtung 120, der Beugungsanordnung 102 und optionalen weiteren optischen Elementen 166, 167, insbesondere den Komponenten der Bearbeitungsbaugruppe 116) an dem Träger 118 und/oder der
Aktoranordnung 108 (beispielsweise an mindestens einem Teil des
Roboterarmes) geführt, beispielsweise wie schematisch in Fig. 4 dargestellt.
Durch das Vorsehen von externen Komponenten, beispielsweise den externen Komponenten 122, 124, 162, kann eine bewegte Masse (d.h. die Masse, welche von der Aktoranordnung 108 bewegt werden muss) reduziert werden. Externe Komponenten sind gemäß einer Ausführungsform Komponenten, die extern bezüglich der Bearbeitungsbaugruppe 116 angeordnet sind. Externe Komponenten können beispielsweise an einer Basis eines Roboterarms oder auch an dem Roboterarm angeordnet (befestigt) sein, insbesondere an einem Teil des Roboterarms, welcher benachbart zu der Basis des Roboterarms angeordnet ist (beispielsweise an einem der„unteren" Teile des Roboterarms).
Allgemein sollte hervorgehoben werden, dass während die hierin beschriebene Platzierung von einigen Komponenten der Laserbearbeitungsvorrichtung für gewisse Anwendungen bevorzugt sein mag, im Rahmen dieser Offenbarung die Komponenten der Laserbearbeitungsvorrichtung an beliebiger geeigneter Stelle platziert sein können. Beispielsweise kann gemäß einer
Ausführungsform die Beugungsanordnung 102 entfernt von der
Bearbeitungsbaugruppe 116 positioniert sein, beispielsweise an einem
Roboterarm oder als externe Komponente.
Fig. 5 zeigt eine Aufsicht auf eine Beugungsanordnung 102 gemäß
Ausführungsformen der hierin offenbarten Gegenstände.
Gemäß einer Ausführungsform weist die Beugungsanordnung 102 ein diffraktives optisches Element 168 auf (nachfolgend auch kurz als optisches Element bezeichnet). Gemäß einer Ausführungsform weist das diffraktive optische Element 168 eine erste Fläche 172 auf, welche einen unstrukturierten Teil 174 und einen strukturierten Teil 176 aufweist. Gemäß einer
Ausführungsform erstreckt sich der unstrukturierte Teil 174 um den
strukturierten Teil 176, beispielsweise wie in Fig. 5 dargestellt (und bildet somit in einer Ausführungsform einen nicht-strukturierten Rand). Gemäß einer Ausführungsform hat das diffraktive optische Element neben der Erzeugung der Vielzahl von (relativen) Intensitätsmaxima auch eine strahlenoptische Funktion, beispielsweise mindestens eine von einer fokussierenden Funktion, einer strahlrichtenden Funktion, etc.
Fig. 6 zeigt das optische Element 168 der Beugungsanordnung 102 aus Fig. 5 in einer Querschnittsansicht.
Gemäß einer Ausführungsform ist mindestens der strukturierte Teil 176 der ersten Fläche 172 von einem Metall gebildet, beispielsweise einer
Beschichtung 178. Gemäß einer Ausführungsform weist das optische Element 168 einen Körper 170 und die Beschichtung 178 auf dem Körper 170 auf. Gemäß einer Ausführungsform ist der Körper 170 eine strukturierte
Siliziumscheibe, wobei eine Oberflächenstruktur 180 des optischen Elements 168 gemäß einer Ausführungsform durch die Struktur der Siliziumscheibe definiert ist. Es wird darauf hingewiesen, dass die Oberflächenstruktur 180 in Fig. 6 lediglich beispielhaft und schematisch die strukturierte Fläche 176 des optischen Elements 168 und die hiervon abgewandte Fläche 182
veranschaulichen soll, nicht jedoch notwendigerweise eine reale
Strukturierung eines optischen Elements 168 der Beugungsanordnung 102 gemäß Ausführungsformen der hierin offenbarten Gegenstände darstellt.
Gemäß einer Ausführungsform ist die abgewandte Fläche 182 durch eine ebene Fläche gebildet, beispielsweise durch eine ebene Fläche des Körpers 170, beispielsweise wie in Fig. 6 dargestellt. Die ebene abgewandte Fläche 182 kann den thermischen Kontakt zu einem Wärmetauscher, beispielsweise einem Kühlkörper verbessern. Der Abstand der strukturierten Fläche 176 und der abgewandten Fläche 182 definiert gemäß einer Ausführungsform die Dicke des optischen Elements 168. Gemäß einer Ausführungsform ist die Dicke des optischen Elements 168 über die strukturierte Fläche 176 gemittelt (gemittelte Dicke des optischen Elements). Gemäß einer Ausführungsform beträgt die Schichtdicke der Beschichtung 178 weniger als 10 % der Dicke des Körpers 170. Somit definiert der Körper 170 gemäß einer Ausführungsform im
Wesentlichen die Dicke des optischen Elements 168. Gemäß einer Ausführungsform kann die Fläche, welche die
Oberflächenstruktur 180 bildet, gekrümmt sein oder kann, gemäß anderer Ausführungsform, eben sein. Mit anderen Worten kann eine Ausgangsfläche, vor der Erzeugung der Oberflächenstruktur 180, gekrümmt sein oder, gemäß anderer Ausführungsform, eben sein. Beispielsweise kann durch eine
Krümmung der Ausgangsfläche eine strahlenoptische Funktion des optischen Elements 168 erzielbar sein.
Gemäß einer Ausführungsform besteht die Beugungsanordnung 102 aus einem einzigen diffraktiven optischen Element 168, beispielsweise einem diffraktiven optischen Element, beispielsweise wie es mit Bezug auf die Fig. 5 und Fig. 6 dargestellt ist.
Es sollte angemerkt werden, dass hierin offenbarte Elemente (wie
beispielsweise eine Steuervorrichtung, eine Laserbearbeitungsvorrichtung, eine Laserabgabevorrichtung, eine Kühlvorrichtung, eine Aktoranordnung, ein Objekt, etc. nicht auf die dezidierten Entitäten beschränkt sind, wie sie in einigen Ausführungsformen beschrieben sind. Vielmehr können die hierin offenbarten Gegenstände auf verschiedene Weisen implementiert werden, während sie immer noch die offenbarte spezifische Funktionalität liefern.
Es wird darauf hingewiesen, dass jede hierin offenbarte Entität (beispielsweise Vorrichtung, Element, Merkmal und Verfahrensschritt) nicht auf eine dezidierte Entität beschränkt ist, wie sie in einigen Ausführungsformen beschrieben ist. Vielmehr können die hierin beschriebenen Gegenstände auf verschiedene Weisen mit verschiedener Granularität auf Vorrichtungs-Niveau oder auf Verfahrens-Niveau bereitgestellt sein, während sie immer noch die
angegebene Funktionalität liefern. Ferner sollte angemerkt werden, dass gemäß Ausführungsformen eine separate Entität für jede der hierin
offenbarten Funktionen bereitgestellt sein kann. Gemäß anderer Ausführungsformen kann eine Entität konfiguriert sein, um zwei oder mehr Funktionen, wie sie hierin beschrieben sind, zu liefern. Gemäß nochmals anderen Ausführungsformen können zwei oder mehr Entitäten konfiguriert sein, um zusammen eine Funktion, wie sie hierin beschrieben ist, zu liefern.
Es wird darauf hingewiesen, dass die hier beschriebenen Implementierungen in den Zeichnungen lediglich eine beschränkte Auswahl an möglichen
Ausführungsvarianten der hierin offenbarten Gegenstände darstellen. So ist es möglich, die Merkmale einzelner Ausführungsformen in geeigneter Weise miteinander zu kombinieren, so dass für den Fachmann mit den hier expliziten Ausführungsvarianten eine Vielzahl von verschiedenen Ausführungsformen als offenbart anzusehen sind. Ferner sollte erwähnt werden, dass Begriffe wie „ein" oder„eines" eine Mehrzahl nicht ausschließen. Begriffe wie„enthaltend" oder„aufweisend" schließen weitere Merkmale oder Verfahrensschritte nicht aus. Die Begriffe„aufweisend" oder„enthaltend" umfassen jeweils die beiden Bedeutungen„unter anderem aufweisend" und„bestehend aus".
Ferner sollte angemerkt werden, dass, während die exemplarische
Laserbearbeitungsvorrichtung und die exemplarische Oberfläche in den
Zeichnungen eine bestimmte Kombination von mehreren Ausführungsformen der hierin offenbarten Gegenstände zeigt, jede andere Kombination von Ausführungsformen ebenso möglich und mit dieser Anmeldung als offenbart anzusehen ist.
Eine vorteilhafte Kombination von Ausführungsformen der hierin offenbarten Gegenstände lässt sich wie folgt zusammenfassen :
Eine Laserbearbeitungsvorrichtung zum Erzeugen einer Vielzahl von Furchen in einer Oberfläche weist eine optische Beugungsanordnung auf, welche eingerichtet ist zum Empfangen einer Laserstrahlung und zum hierauf
Erzeugen einer Ausgangsstrahlung, wobei die Ausgangsstrahlung eine Vielzahl von Intensitätsmaxima aufweist. Eine Aktoranordnung ist zum Erzeugen einer Relativbewegung zwischen der Ausgangsstrahlung und der Oberfläche bereitgestellt, wobei jedes Intensitätsmaximum eine Furche der Vielzahl von Furchen erzeugt.

Claims

P a t e n t a n s p r ü c h e
1. Laserbearbeitungsvorrichtung (100, 200) zum Erzeugen einer Vielzahl von Furchen (140) in einer Oberfläche (110), die Laserbearbeitungsvorrichtung (100, 200) aufweisend :
eine optische Beugungsanordnung (102), welche eingerichtet ist zum Empfangen einer Laserstrahlung (104) und zum hierauf Erzeugen einer Ausgangsstrahlung (106), wobei die Ausgangsstrahlung (106) eine Vielzahl von Intensitätsmaxima (136) aufweist;
eine Aktoranordnung (108) zum Erzeugen einer Relativbewegung zwischen der Ausgangsstrahlung (106) und der Oberfläche (110), wobei jedes Intensitätsmaximum (136) eine Furche der Vielzahl von Furchen (140) erzeugt.
2. Laserbearbeitungsvorrichtung (100, 200) nach Anspruch 1, wobei die Beugungsanordnung (102) mindestens ein optisches Element (168) aufweist, insbesondere wobei das mindestens eine optische Element (168) eingerichtet ist, um eine Phasendifferenz zwischen einer Vielzahl von Teilen der
Ausgangsstrahlung (106) zu erzeugen.
3. Laserbearbeitungsvorrichtung (100, 200) nach Anspruch 2, wobei das mindestens eine optische Element eingerichtet ist, um in Reflexion zu arbeiten.
4. Laserbearbeitungsvorrichtung (100, 200) nach Anspruch 2 oder 3, wobei das mindestens eine optische Element einen Körper (170) aus Metall oder einem Halbleitermaterial aufweist.
5. Laserbearbeitungsvorrichtung (100, 200) nach Anspruch 4, wobei der Körper (170) mindestens teilweise mit einem Metall (178), insbesondere einem korrosionsbeständigen Metall wie beispielsweise einer
korrosionsbeständigen Legierung oder einem Edelmetall, beschichtet ist.
6. Laserbearbeitungsvorrichtung (100, 200) nach irgendeinem der
vorhergehenden Ansprüche, wobei das optische Element (168) ein diffraktives optisches Element ist.
7. Laserbearbeitungsvorrichtung (100, 200) nach irgendeinem der
vorhergehenden Ansprüche, wobei die Vielzahl Intensitätsmaxima mindestens 10 Intensitätsmaxima (136) umfasst, insbesondere mindestens 50
Intensitätsmaxima (136) oder mindestens 200 Intensitätsmaxima (136).
8. Laserbearbeitungsvorrichtung (100, 200) nach irgendeinem der
vorhergehenden Ansprüche, ferner aufweisend :
einen Strahlengang (169), weicher eingerichtet ist, um die
Ausgangsstrahlung (106) auf die Oberfläche (110) zu richten;
wobei die Relativbewegung eine geradlinige Bewegung ist; und die Beugungsanordnung (102) und/oder der Strahlengang (169) eingerichtet sind, so dass jeweils zwei Furchen (140) der Vielzahl von Furchen (140) zwischen sich eine Rippe (150) bilden.
9. Laserbearbeitungsvorrichtung (100, 200) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Laserstrahlung eine C02-Laserstrahlung ist.
10. Laserbearbeitungsvorrichtung (100, 200) nach irgendeinem der
vorhergehenden Ansprüche, wobei eine mittlere Leistung der Laserstrahlung (104) mindestens 500 W, insbesondere mindestens 1kW, beträgt.
11. Laserbearbeitungsvorrichtung (100, 200) nach irgendeinem der
vorhergehenden Ansprüche, ferner aufweisend eine Laserquelle zum Erzeugen der Laserstrahlung (104).
12. Laserbearbeitungsvorrichtung (100, 200) nach irgendeinem der
vorhergehenden Ansprüche, ferner aufweisend einen Kühlmittel- Strömungsweg (126) zum Kühlen der optischen Beugungsanordnung (102) aufweist, insbesondere einen Kühlmittel-Strömungsweg für ein flüssiges Kühlmittel (128).
13. Verfahren zum Erzeugen einer Vielzahl von Furchen (140) in einer
Oberfläche (110), das Verfahren aufweisend:
Richten einer Laserstrahlung (104) auf eine optische
Beugungsanordnung (102) zum Erzeugen einer Ausgangsstrahlung (106), wobei die Ausgangsstrahlung (106) eine Vielzahl von Intensitätsmaxima (136) aufweist;
Richten der Ausgangsstrahlung (106) auf die Oberfläche (110); und Erzeugen einer Relativbewegung zwischen der Ausgangsstrahlung (106) und der Oberfläche (110), wobei jedes Intensitätsmaximum (136) eine Furche (140) der Vielzahl von Furchen erzeugt.
14. Verfahren nach Ausführungsform 13, wobei das Erzeugen der
Ausgangsstrahlung (106) eine Reflexion der Laserstrahlung (104) an der optischen Beugungsanordnung (102) umfasst.
15. Verwendung einer Laserbearbeitungsvorrichtung nach einem der
Ansprüche 1 bis 12 oder eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 13 bis 14 zur Herstellung einer Vielzahl von parallelen Rippen, insbesondere von Riblets, auf der Oberfläche (110).
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