DE102015009622A1

DE102015009622A1 - Method for removing brittle-hard material by means of laser radiation

Info

Publication number: DE102015009622A1
Application number: DE102015009622.2A
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Schulz; Urs Eppelt; Peter Jost
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV; Rheinisch Westlische Technische Hochschuke RWTH
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV; Rheinisch Westlische Technische Hochschuke RWTH
Priority date: 2015-07-29
Filing date: 2015-07-29
Publication date: 2017-02-02

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Abtragen von sprödhartem Material eines Werkstücks mittels gepulster Laserstrahlung einer Intensität I, bei dem sich durch den Abtrag eine Abtragsvertiefung mit einer vordefinierten Breite an deren Grundfläche ausbildet. Die Intensität I unterschreitet nicht über die gesamte Zeitdauer des Abtragsvorgangs vor, zwischen und während der Pulse der Laserstrahlung eine materialspezifische untere Intensitätsschranke I_low und überschreitet nicht eine obere Intensitätsschranke I_high, wobei die materialspezifische untere Intensitätsschranke I_low und die obere Intensitätsschranke I_high für die Intensität I an einem unbearbeiteten Materialstück entsprechend dem Werkstück vorab ermittelt werden.The invention relates to a method for removing brittle-hard material of a workpiece by means of pulsed laser radiation of an intensity I, in which an ablation recess having a predefined width is formed on the base surface thereof by the ablation. The intensity I does not fall below the material duration of the removal process before, between and during the pulses of the laser radiation a material-specific lower intensity barrier I _low and does not exceed an upper intensity barrier I _high , the material-specific lower intensity barrier I _low and the upper intensity barrier I _high for the Intensity I are determined in advance on an unprocessed piece of material corresponding to the workpiece.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Abtragen von sprödhartem Material eines Werkstücks mittels gepulster Laserstrahlung, wobei die Laserstrahlung vor und während der Pulse eine untere Intensitätsschranke nicht unterschreitet, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.The present invention relates to a method for removing brittle-hard material of a workpiece by means of pulsed laser radiation, the laser radiation before and during the pulses does not fall below a lower intensity barrier, according to the preamble of claim 1.

Bei einem solchen Verfahren bildet sich durch den Abtrag mittels mindestens eines ersten Laserstrahls eine Abtragsvertiefung mit vordefinierter Breite b_L an der Grundfläche der Abtragsvertiefung aus. Die Seitenflächen dieser Abtragsvertiefung werden als Flanken bezeichnet. Die Flanken der Abtragsvertiefung in dem Material verlaufen unter einem räumlich veränderlichen Flankenwinkel w, wobei der Flankenwinkel w als der lokale Winkel zwischen der Oberflächennormalen n_F auf der Flanke der Abtragsvertiefung und der Oberflächennormalen n₀ auf der nicht abgetragenen Oberfläche des Materials definiert ist. Typischerweise entsteht zu Beginn des Abtragens eine breite und flache Abtragsvertiefung mit kleinem Flankenwinkel w im Zentrum der Abtragsvertiefung und großem Flankenwinkel w an der Flanke, das ist der Rand der Abtragsvertiefung. Typischerweise nimmt der Flankenwinkel w an der Flanke mit zunehmender Anzahl von Pulsen bzw. zunehmender Bestrahlungsdauer unabhängig von einer räumlichen Positionierung entlang der Flanke einen für das Produkt aus dem Kosinus des Flankenwinkels w mit der Intensität I der Laserstrahlung und einen für das Material spezifischen Grenzwinkel w_max an. Der Grenzwinkel w_max ist definiert als der Winkel, bei dem mit zunehmender Anzahl von Pulsen bzw. zunehmender Bestrahlungsdauer kein Abtrag mehr stattfindet.In such a method, as a result of the removal by means of at least one first laser beam, an ablation recess having a predefined width b _{L is formed} on the base surface of the removal recess. The side surfaces of this Abtragsvertiefung are referred to as flanks. The flanks of the cut-off recess in the material extend at a spatially varying flank angle w, the flank angle w being defined as the local angle between the surface normal n _F on the flank of the cut-off recess and the surface normal n ₀ on the non-abraded surface of the material. Typically, at the beginning of the ablation, a broad and flat removal depression with a small flank angle w arises in the center of the removal depression and a large flank angle w on the flank, that is the edge of the removal depression. Typically, the flank angle w on the flank increases with increasing number of pulses or increasing irradiation time independent of a spatial positioning along the flank for the product of the cosine of the flank angle w with the intensity I of the laser radiation and a material-specific critical angle w _max at. The limiting angle w _max is defined as the angle at which removal no longer takes place with increasing number of pulses or increasing irradiation time.

Für den Gegenstand der Erfindung ist die Aufteilung der Abtragsvertiefung in eine Flanke mit großem Flankenwinkel w und einem Abtragsgrund mit kleinem Flankenwinkel 2 wesentlich. Nach dem Stand der Technik nimmt typischerweise der Abtragsgrund eine Breite b an, die mit zunehmender Abtragstiefe d kleiner wird, bis ein sogenannter „Abtragsstop” einsetzt und die Tiefe der Abtragsvertiefung durch eine größere Bestrahlungsdauer oder Pulsdauer oder Pulsanzahl nicht mehr zu vergrößern ist. Größere Abtragstiefen lassen sich dann nach dem Stand der Technik dadurch erreichen, dass etwa durch scannende Verfahren die Laserstrahlachse bewegt wird, wobei die Bewegung in einer Richtung senkrecht zur nicht abgetragenen Oberfläche des Material erfolgt und so eine unerwünscht größere Breite der Abtragsvertiefung in Kauf nehmend eine größere Breite des Abtragsgrunds erreicht wird.For the object of the invention, the division of the Abtragsvertiefung in a flank with a large flank angle w and a Abtragsgrund with a small flank angle 2 is essential. According to the prior art, the ablation base typically assumes a width b which becomes smaller with increasing removal depth d until a so-called "erosion stop" sets in and the depth of the ablation recess can no longer be increased by a longer irradiation time or pulse duration or number of pulses. Larger Abtragstiefen can then be achieved according to the prior art in that, for example by scanning the laser beam axis is moved, wherein the movement takes place in a direction perpendicular to the non-abraded surface of the material and so taking an undesirably larger width of the Abtragsvertiefung in purchasing a larger Width of the Abtragsgrunds is achieved.

Mit einem solchen Verfahren, das Gegenstand der Erfindung ist, soll eine Vergrößerung der Abtragstiefe in dem sprödharten Material, auch verbunden mit einer Vergrößerung des vorstehend definierten Werts des Grenzwinkels w_max für den Flankenwinkel w, gegenüber bisherigen Verfahren erreicht werden. Bei Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die Breite b des Abtragsgrunds nicht kleiner als 1/3 der Breite der voreingestellten Breite b_L der Laserstrahlung. Die Aufteilung der Oberfläche der Abtragsvertiefung in Flanken und Abtragsgrund wird durch die Erfindung nahe gelegt, da die Flanken mit zunehmender Tiefe der Abtragsvertiefung einen Flankenwinkel w größer als einen für das Material spezifischen Grenzwinkel w_max aufweisen können und der Abtragsgrund einen kleinen Flankenwinkel w aufweisen kann, wobei die Breite b des Abtragsgrunds nicht kleiner als 1/3 der Breite der voreingestellten Breite b_L der Laserstrahlung ist.With such a method, which is the subject of the invention, an increase in the excavation depth in the brittle-hard material, also associated with an increase in the above-defined value of the critical angle w _max for the flank angle w, should be achieved compared to previous methods. When using the method according to the invention, the width b of the Abtragsgrunds is not less than 1/3 of the width of the preset width b _{L of} the laser radiation. The division of the surface of the Abtragsvertiefung in flanks and Abtragsgrund is suggested by the invention, since the flanks with increasing depth of Abtragsvertiefung can have a flank angle w greater than a material-specific critical angle w _max and the Abtragsgrund may have a small flank angle w wherein the width b of the Abtragsgrunds is not less than 1/3 of the width of the preset width b _{L of} the laser radiation.

Der Bearbeitung sprödharter Materialien, sowie von sogenannten „wide-band-gap” Materialien, wie zum Beispiel Glas und Saphir, kommt immer größere Bedeutung zu. Daher finden Verfahren, wie sie vorstehend angegeben sind, beispielsweise Anwendung in der Display-Technik, in der dünne Glassubstrate, ein sprödharter Werkstoff, bearbeitet werden müssen. Die industrielle Display-Technik, die ein immer größeres Marktvolumen erobert, tendiert zu immer leichteren Geräten und somit auch dünneren Glasscheiben für zum Beispiel Smart Phones und Tablet Computer.The processing of brittle-hard materials, as well as so-called "wide-band-gap" materials, such as glass and sapphire, is becoming increasingly important. Therefore, methods as stated above, for example, use in the display technique in which thin glass substrates, a brittle-hard material to be processed. The industrial display technology, which conquers an ever larger market volume, tends to ever lighter devices and thus also thinner glass panes for for example Smart Phones and Tablet Computer.

Dünne Glassubstrate bieten gerade dann Vorteile für die Display-Industrie, wenn die Haltbarkeit und mechanische Stabilität von dickerem Glas erreicht werden kann. Dünne Glasscheiben werden nahezu in allen Flat Panel Displays (FDP's) angewandt. Diese Forderungen gelten auch für andere Materialien, wie zum Beispiel Saphir und band-gap Materialien mit kleinerem band-gap (Bandlücke), wie zum Beispiel Silizium und artverwandte Halbleiterwerkstoffe.Thin glass substrates offer advantages for the display industry, especially when the durability and mechanical stability of thicker glass can be achieved. Thin glass panels are used in almost all Flat Panel Displays (FDP's). These requirements also apply to other materials, such as sapphire and band-gap materials with smaller band-gap, such as silicon and related semiconductor materials.

Unter sprödharte Werkstoffe fallen im Rahmen des vorliegenden Verfahrens alle Werkstoffe, die eine sehr geringe Absorption für Licht aufweisen, wie z. B. Gläser. Solche Materialien weisen eine Bandlücke für die Energien zwischen dem Valenzband und dem leeren Leitungsband eines Materials auf, die größer ist als die Energie eines Laserphotons.Under brittle-hard materials fall within the scope of the present process, all materials that have a very low absorption for light, such. Glasses. Such materials have a bandgap for the energies between the valence band and the empty conduction band of a material that is greater than the energy of a laser photon.

Konventionelle Verfahren zum Bearbeiten solcher dünnen Glasscheiben sind das Fräsen mit definierter Schneide, oder sie basieren auf mechanischen Wirkungen einer gezielt in den Werkstoff eingebrachten Rissbildung (Ritzen und Brechen). Eine Vielzahl von bekannten Verfahrensvarianten unter Einsatz von Laserstrahlung basiert ebenfalls darauf, die mechanischen Wirkungen des Prinzips von Ritzen und anschließendem Brechen zu nutzen, indem das Ritzen durch die Einwirkung von Laserstrahlung ersetzt wird und der Werkstoff nach der Einwirkung der Laserstrahlung gebrochen wird. Die konventionelle mechanische Bearbeitung (Schneiden, Bohren) ist für dünne Glasplatten wesentlich schwieriger als für große Werkstoffdicken. Beim mechanischen Ritzen werden nämlich Mikrorisse eingebracht oder sogar kleine Teile, sogenannte Chips, herausgebrochen, so dass ein Schleifen oder Ätzen als nachbearbeitender Prozess notwendig wird.Conventional methods for processing such thin glass panes are milling with a defined cutting edge, or they are based on mechanical effects of cracking (cracking and breaking) deliberately introduced into the material. A variety of known process variants using laser radiation is also based on utilizing the mechanical effects of the principle of scribing and subsequent fracturing by replacing the scratches with the action of laser radiation and refracting the material after exposure to the laser radiation. The Conventional mechanical machining (cutting, drilling) is much more difficult for thin glass plates than for large material thicknesses. In the case of mechanical scribing, microcracks are introduced or even small parts, so-called chips, are broken out, so that grinding or etching is necessary as a post-processing process.

Aus der DE 10 2013 005 139 A1 ist ein Verfahren zum Abtragen von sprödhartem Material mittels Laserstrahlung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bekannt. Nach diesem Verfahren wird der Strahlradius der Laserstrahlung am Eintritt der Abtragsvertiefung so klein eingestellt, dass der Flankenwinkel w nahezu 90 Winkelgrade erreicht und die erreichbare Abtragstiefe mindestens um den Faktor 2 größer wird als für einen größeren Strahlradius, bei dem der Flankenwinkel kleiner als der materialspezifische Grenzwinkel w_max ist. Weiterhin ist angegeben, dass der Wert für den Strahlradius bestimmt wird, indem der Strahlradius schrittweise verkleinert wird, bis ein schwellenartiger Wechsel des Flankenwinkels w von Werten w ≤ w_max kleiner oder gleich dem materialspezifischen Grenzwinkel w_max zu großen Werten des Flankenwinkels w von nahezu 90 Winkelgraden auftritt.From the DE 10 2013 005 139 A1 a method for removing brittle-hard material by means of laser radiation according to the preamble of claim 1 is known. According to this method, the beam radius of the laser radiation at the entrance of the Abtragsvertiefung is set so small that the flank angle w reaches nearly 90 degrees and the achievable Abtragstiefe by a factor of 2 is greater than for a larger beam radius, in which the flank angle is smaller than the material-specific critical angle w is _max . Furthermore, it is stated that the value for the beam radius is determined by decreasing the beam radius until a threshold-like change of the flank angle w of values w ≦ w _{max is} less than or equal to the material-specific critical angle w _max to large values of the flank angle w of almost 90 Angular degrees occurs.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren unter Einsatz von Laserstrahlung zu schaffen, mit dem eine große Abtragsrate und eine große Abtragstiefe bei gleichzeitig schädigungsfreiem Abtragen erreichbar sind, ohne einen kleinen Radius (typischerweise kleiner 5 μm) der Laserstrahlung einzustellen, und ohne die Breite der Abtragsvertiefung an der Oberfläche des nicht abgetragenen Materials zu vergrößern, sondern unter Nutzung eines größeren, frei zu wählenden Radius der Laserstrahlung. Unter diesen Bedingungen soll dennoch erreicht werden, dass unter Einwirkung der Laserstrahlung beim Abtragen eine große Materialtiefe bearbeitet wird und nach der Bearbeitung keine zusätzlichen Spannungen oder zusätzlichen Risse in den sprödharten Werkstoff entstehen.The invention has for its object to provide a method using laser radiation, with a large Abtragsrate and a large excavation depth can be achieved with simultaneous damage-free ablation, without a small radius (typically less than 5 microns) of the laser radiation set, and without the width to increase the Abtragsvertiefung on the surface of the non-abraded material, but using a larger, freely selectable radius of the laser radiation. Under these conditions, it is nevertheless to be achieved that a large material depth is machined under the action of the laser radiation during removal and no additional stresses or additional cracks in the brittle-hard material occur after processing.

Gelöst wird diese Aufgabe durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Bevorzugte, vorteilhafte Ausführungsformen des Verfahrens sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.This object is achieved by a method having the features of claim 1. Preferred, advantageous embodiments of the method are specified in the dependent claims.

Mit dem erfindungemäßen Verfahren wird erreicht, dass ein ausreichend ausgedehnter Abtragsgrund durch Aufschmelzen des Abtragsgrunds erreicht wird, wobei die Breite b des Abtragsgrund mindestens 1/3 der Breite b_L der Laserstrahlung ist und im Abtragsgrund ein kleiner Flankenwinkel w vorliegt. Das erfindungsgemäße Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass die Intensität I über die gesamte Zeitdauer des Abtragsvorgangs vor, zwischen und während der Pulse der Laserstrahlung eine materialspezifische untere Intensitätsschranke I_low, wobei I > I_low gilt, nicht unterschreitet. Der Wert der Maßgabe I > I_low wird auf der gesamten vordefinierten Breite b des Abtragsgrunds nicht unterschritten, wobei die Breite des Abtragsgrund 1/3 der Breite der Laserstrahlung nicht unterschreitet. Insbesondere bedeutet das Einhalten dieser Maßgabe, dass die Laserstrahlung zeitlich vor und zeitlich zwischen den intensiven, abtragenden Pulsen nicht zu klein werden darf. Da die Laserstrahlung erfindungsgemäß zwischen den Pulsen eine materialspezifische untere Intensitätsschranke I_low nicht unterschreitet, könnte der zeitliche Verlauf der Intensität der Laserstrahlung auch als intensitäts-modulierte Laserstrahlung bezeichnet werden, da keine Pulspausen vorliegen. Bei der Bezeichnung „Modulation” setzt ein Fachmann voraus, dass Pulspausen ohne Strahlung nicht zwingend vorkommen müssen. Die Maßgabe I > I_low ist wesentlich für das Erreichen der mit der Erfindung gelösten Aufgabe und ist Ursache für die Ausbildung eines ausgedehnten Abtragsgrunds mit einer einstellbaren Breite b, die mit zunehmender Tiefe der Abtragsvertiefung nicht kleiner wird. Die Intensität I überschreitet nicht vor und zwischen den Pulsen der Laserstrahlung eine materialspezifische obere Intensitätsschranke I_high, wobei I < I_high gilt, so dass kein Abtrag einsetzt. Sowohl die materialspezifische untere Intensitätsschranke I_low als auch die materialspezifische obere Intensitätsschranke I_high für die Intensität I werden zuvor, und zwar vor der abtragenden Bearbeitung des Werkstücks selbst, ermittelt.With the method according to the invention it is achieved that a sufficiently extensive ablation ground is achieved by melting the ablation ground, wherein the width b of the ablation ground is at least 1/3 of the width b _{L of} the laser radiation and a small flank angle w is present in the ablation ground. The inventive method is characterized in that the intensity I over the entire duration of the Abtragsvorgangs before, between and during the pulses of laser radiation, a material-specific lower intensity barrier I _low , where I> I _low does not fall below. The value of the proviso I> I _low is not undershot over the entire predefined width b of the ablation ground, the width of the ablation ground not being less than 1/3 of the width of the laser radiation. In particular, compliance with this proviso means that the laser radiation must not be too small in time before and in time between the intense, erosive pulses. Since the laser radiation according to the invention does not fall below a material-specific lower intensity barrier I _low between the pulses, the time profile of the intensity of the laser radiation could also be referred to as intensity-modulated laser radiation, since there are no pulse pauses. With the term "modulation", a person skilled in the art assumes that pulse pauses without radiation do not necessarily have to occur. The proviso I> I _low is essential for achieving the object achieved with the invention and is the cause of the formation of an extended Abtragsgrunds with an adjustable width b, which is not smaller with increasing depth of the Abtragsverftung. The intensity I does not exceed a material-specific upper intensity barrier I _high before and between the pulses of the laser radiation, where I <I _high , so that no ablation begins. Both the material-specific lower intensity barrier I _low and the material-specific upper intensity barrier I _high for the intensity I are determined beforehand, before the abrasive machining of the workpiece itself.

Die materialspezifische untere Intensitätsschranke I_low wird hierzu an einem unbearbeiteten Materialstück entsprechend dem Material des Werkstücks ermittelt, indem die Intensität I solange erhöht wird, bis durch Aufschmelzen des Materials eine Breite b erreicht wird, die mindestens 1/3 der vordefinierten Breite b_L der Laserstrahlung erreicht. Im Idealfall wird bei Anwendung dieser Maßgabe beim Abtragen des Abtragsgrunds eine Breite b erreicht und auch der Flankenwinkel des Abtragsgrunds bleibt dann erfindungsgemäß kleiner als 10 Winkelgrade und ein Abtragsstop kann vermieden werden, trotzt einer damit verbundenen Vergrößerung des vorstehend definierten Werts des Grenzwinkels w_max für den Flankenwinkel w gegenüber bisherigen Verfahren. Auch wird die materialspezifische obere Intensitätsschranke I_high für die Intensität I an dem unbearbeiteten Materialstück, das dem Werkstück entspricht, vorab ermittelt, indem die Intensität I solange erhöht wird, bis ein Abtragen des Materials erfolgt. Mit diesen ermittelten Werten für I_low und I_high werden die Bedingungen I > I_low über der gesamten Breite b des Abtragsgrunds und I < I_high vor und zwischen den Pulsen der Laserstrahlung des Abtragsvorgangs an dem Werkstück erfüllt.The material-specific lower intensity barrier I _low is determined for this purpose on an unprocessed piece of material corresponding to the material of the workpiece by the intensity I is increased until a width b is achieved by melting the material, at least 1/3 of the predefined width b _{L of} the laser radiation reached. Ideally, when applying this proviso when abrading the Abtragsgrunds achieved a width b and the flank angle of Abtragsgrunds then according to the invention remains smaller than 10 degrees and a Abtragsstop can be avoided, defies an associated increase in the above defined value of the critical angle w _max for the Flank angle w compared to previous methods. Also, the material-specific upper intensity barrier I _high for the intensity I on the unprocessed piece of material corresponding to the workpiece is determined in advance by increasing the intensity I until removal of the material takes place. With these determined values for I _low and I _high , the conditions I> I _low over the entire width b of the ablation ground and I <I _high before and between the pulses of the laser radiation of the ablation process on the workpiece are fulfilled.

Eine typische Abtragsvertiefung besitzt eine Grundfläche oder Bodenfläche, die hier als Abtragsgrund bezeichnet wird, und seitliche Abtragsflanken. Bei einem Abtrag mit Laserstrahlung stellt sich zwischen der Oberflächennormalen auf der Abtragsvertiefung und der Oberflächennormalen auf der nicht abgetragenen Oberfläche des Materials ein Winkel, bezeichnet als Flankenwinkel w, ein, der typischerweise einen maximalen Wert w_max, der auch als Grenzwinkel w_max bezeichnet wird, erreicht und – nach dem Stand der Technik – nicht überschreitet.A typical Abtragsvertiefung has a base or bottom surface, which is referred to here as Abtragsgrund, and lateral Abtragsflanken. When ablated with laser radiation, an angle, referred to as flank angle w, is established between the surface normal on the removal recess and the surface normal on the non-abraded surface of the material, which typically has a maximum value w _max , which is also referred to as limit angle w _max . achieved and - in the prior art - does not exceed.

Soweit durch Abtrag eine Abtragsvertiefung erzeugt werden soll, so ist damit die Erzeugung eines Bohrlochs zu verstehen. Ein solches Bohrloch ist dadurch charakterisiert, dass es einen richtungsunabhängigen Durchmesser aufweist. Unter einer Abtragsvertiefung ist auch ein Bohrloch zu verstehen. Unter einer Abtragsvertiefung, z. B. für die Herstellung von Sieben oder Druckformen, ist aber auch ein länglicher Durchbruch (Sieb) oder auch eine Vertiefung zu verstehen (Druckform), die eine längliche Querschnittsdimension besitzt, die beispielsweise auch durch einen Schnitt erzeugt wird, indem der Laserstrahl entlang einer Bahn auf der Oberfläche des Werkstücks geführt wird. In den jeweiligen Fällen ist ein Abtragsgrund dahingehend definiert, dass der Flankenwinkel w nahezu Null ist, d. h. < 40 Winkelgrade, und der Abtragsgrund nahezu eben und senkrecht zur Laserstrahlachse verläuft.Insofar as a removal depression is to be produced by removal, this is to be understood as the production of a borehole. Such a borehole is characterized in that it has a direction-independent diameter. Under a removal well is also a well to understand. Under a Abtragsvertiefung, z. B. for the production of screens or printing plates, but is also an elongated breakthrough (screen) or a depression to understand (printing form), which has an elongated cross-sectional dimension, which is for example also produced by a cut by the laser beam along a path is guided on the surface of the workpiece. In the respective cases, a Abtragsgrund is defined in that the flank angle w is almost zero, d. H. <40 degrees, and the Abtragsgrund runs almost flat and perpendicular to the laser beam axis.

Selbst durch das Einwirken mehrerer Pulse oder durch mehrere Überfahrten zum Erzeugen eines Bohrlochs oder eines Schnitts an einer Stelle des Materials kann der Flankenwinkel w nicht größer werden als der Grenzwinkel w_max. Der Grenzwinkel w_max kann experimentell bestimmt werden und nimmt einen für die projizierte Intensitität und das Material spezifischen Wert von typischerweise 70 Grad an. Die auf die Oberfläche der Abtragsvertiefung projizierte Intensität, das ist Cos(w)·I, ist das Produkt aus dem Kosinus des Flankenwinkels w mit der Intensität I der Laserstrahlung. Die projizierte Intensität ist mit einem materialspezifischen Schwellenwert zu vergleichen, was auch einem materialspezifischen Grenzwinkel w_max zuzuordnen ist.Even by the action of several pulses or by multiple passes to create a borehole or a cut at a position of the material, the flank angle w can not be greater than the critical angle w _max . The critical angle w _max can be determined experimentally and assumes a specific value for the projected intensity and the material of typically 70 degrees. The intensity projected onto the surface of the removal depression, that is Cos (w) * I, is the product of the cosine of the flank angle w with the intensity I of the laser radiation. The projected intensity is to be compared with a material-specific threshold, which is also attributable to a material-specific critical angle w _max .

Eine größere Tiefe der Abtragsvertiefung kann nach dem derzeitigen Stand der Technik nur erreicht werden, indem die Breite der Abtragsvertiefung vergrößert wird. Hierfür können zum Beispiel mehrere Spuren von aufeinander folgenden Überfahrten nebeneinander angeordnet werden. Bei den Überfahrten werden die Spuren durch Versatz der Laserstrahlachse verschoben. Auch kann der Durchmesser des Laserstrahls vergrößert werden.A greater depth of the Abtragsvertiefung can be achieved in the current state of the art only by the width of the Abtragsveriefung is increased. For this purpose, for example, several tracks of successive crossings can be arranged side by side. In the crossings, the tracks are shifted by offsetting the laser beam axis. Also, the diameter of the laser beam can be increased.

Die experimentelle Erfahrung besagt, dass der Flankenwinkel w eine entlang der Schnittkante/Abtragskante sich räumlich veränderlich einstellende Größe ist, die mit Fortschreiten des Abtragsvorgangs, also mit zunehmender Abtragstiefe d, größer wird und unabhängig von einer räumlichen Position entlang der Schnittkante/Abtragskante einem Grenzwinkel w_max für den Flankenwinkel w entgegenstrebt. Der Grenzwinkel w_max ist ein für die projizierte Intensität und das Material spezifischer Wert.The experimental experience states that the flank angle w is a variable which adjusts spatially variable along the cutting edge / removal edge and increases with the progress of the removal process, ie with increasing removal depth d and independent of a spatial position along the cut edge / removal edge _max for the flank angle w. The critical angle w _max is a value specific to the projected intensity and the material.

Als Folge des erfindungsgemäßen Verfahrens verlaufen die Flanken der Abtragsvertiefung bzw. die Schnittkanten des sprödharten Materials parallel zueinander. Die Flanken weisen einen mittleren Flankenwinkel <w>z von 90 Grad oder eine parabolische Form auf, welcher den aus dem Stand der Technik bekannten Grenzwinkel w_max – von typischerweise 70 bis 90 Winkelgrade – weit überschreitet mit dem Vorteil, dass der Abtragsgrund eine Breite b aufweist, die mindestens ein Drittel der Breite b_L des Laserstrahls aufweist, wodurch wesentlich größere Abtragstiefen d erreichbar sind. Hierbei ist der Flankenwinkel w definiert als der lokale Winkel zwischen der Oberflächennormalen n_F auf der Flanke der Abtragsvertiefung und der Oberflächennormalen n₀ auf der nicht abgetragenen Oberfläche des Materials.As a result of the method according to the invention, the flanks of the removal recess or the cut edges of the brittle-hard material extend parallel to one another. The flanks have a mean flank angle <w> z of 90 degrees or a parabolic shape, which far exceeds the known from the prior art limit angle w _max - typically 70 to 90 degrees - with the advantage that the Abtragsgrund a width b which has at least one third of the width b _{L of} the laser beam, whereby significantly greater removal depths d are achievable. Here, the flank angle w is defined as the local angle between the surface normal n _F on the flank of the cut-off groove and the surface normal n ₀ on the non-abraded surface of the material.

Wie vorstehend erwähnt ist, treten bei der Bearbeitung der Glasplatten mit Laserstrahlung Risse auf. Die Erfinder haben herausgefunden, dass sich diese Risse in mindestens drei unterschiedlichen Erscheinungsformen äußern:

– Risse einer ersten Art: Eine Schädigung/Rissbildung/Chipping tritt auf der Rückseite des Werkstoffs auf. Risse erster Art treten auch schon dann auf, wenn auf der Vorderseite – von wo aus die Laserstrahlung einfällt – noch keine Schädigung und auch noch kein Abtrag erfolgt ist.
– Risse zweiter Art: Risse oder Schädigungen – auch Spikes genannt – gehen von der Eintrittskante aus, die den Übergang von dem unveränderten Teil der Oberfläche des Werkstücks in die seitlichen Abtragsflanken der sich ausbildenden Abtragsvertiefung darstellt.

As mentioned above, cracks occur in the processing of the glass plates with laser radiation. The inventors have found that these cracks manifest themselves in at least three different manifestations:

- Cracks of a first type: Damage / cracking / chipping occurs on the back side of the material. Cracks of the first kind occur even when there is no damage on the front - from where the laser radiation is incident - nor is there any erosion.
- Cracks of the second kind: cracks or damage - also called spikes - originate from the leading edge, which represents the transition from the unchanged part of the surface of the workpiece into the lateral removal flanks of the forming removal recess.

Die Risse oder Schädigungen zweiter Art verlaufen über eine – im Vergleich zu Rissen dritter Art – große Tiefe in das Volumen des Werkstoffs. Diese von der Eintrittskante ausgehenden Material-Modifikationen/-Schädigungen können auch im Volumen sichtbar werden bzw. entstehen (sie werden dann auch „Filamente” genannt; Kerr-Effekt und Selbstfokussierung sind die physikalischen Ursachen) oder sogar die Rückseite bzw. die der Laserstrahlung abgewandte Oberfläche des Werkstoffs erreichen.The cracks or damages of the second kind run over a large depth into the volume of the material compared to cracks of the third kind. These material modifications / damages emanating from the leading edge can also be visible in the volume (they are also called "filaments", Kerr effect and self-focusing are the physical causes) or even the back or the laser radiation facing away Reach surface of the material.

Risse dritter Art: Die Entstehung von feinen, nicht so tief eindringenden Rissen tritt zusätzlich zu den Rissen zweiter Art oder Schädigungen zweiter Art entlang der abgetragenen Oberfläche (Schnittkante) auf – sie sind nicht auf den Bereich nahe der Eintrittskante beschränkt und treten dort auf, wo die Laserstrahlung in der Abtragsvertiefung auf die abgetragene Oberfläche (Abtragsflanken), das bedeutet die Abtragsflanken, einfällt. Sie breiten sich von der abgetragenen Oberfläche in den Werkstoff aus. Die Risse dritter Art dringen im Vergleich zu den Rissen erster Art weniger tief in den Werkstoff ein. Die raue Oberfläche der Abtragsvertiefung weist im Vergleich zur Eintrittskante eine Rauhigkeit mit kleineren Krümmungsradien auf. Die fokussierende Wirkung der rauen Oberfläche der Abtragsvertiefung ist wesentlich stärker als die fokussierende Wirkung der Eintrittskante.Third type cracks: The formation of fine, less penetrating cracks occurs in addition to the second type of cracks or damage of the second kind along the abraded surface (cut edge) - they are not limited to the area near the leading edge and occur where the laser radiation in the excavation recess on the abraded surface (erosion edges), that means the Abtragsflanken, comes to mind. They spread from the worn surface into the material. The cracks of the third kind penetrate less deeply into the material compared to the cracks of the first kind. The rough surface of the Abtragsvertiefung has in comparison to the leading edge to a roughness with smaller radii of curvature. The focusing effect of the rough surface of the Abtragsvertiefung is much stronger than the focusing effect of the leading edge.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren werden Risse zweiter Art, wie sie vorstehend definiert sind, in Form von tief in das Material eindringenden Filamenten, die typischerweise an der Eintrittskante der Abtragvertiefung entstehen, vermieden, da die Verrundung am Eintritt der Abtragsvertiefung (das ist bei A bzw. A' in 1) verkleinert wird.With the method according to the invention, cracks of the second kind, as defined above, are avoided in the form of filaments penetrating deeply into the material, which typically arise at the leading edge of the removal recess, since the rounding occurs at the entrance of the removal recess (this is at A or A 'in 1 ) is reduced.

Weiterhin werden mit dem erfindungsgemäßen Verfahren Risse dritter Art, die typischerweise in Form einer Modifikation/Schädigung/Rissbildung, ausgehend von der rauen Oberfläche der Abtragsvertiefung im Werkstoff, entstehen, vermieden bzw. deutlich unterdrückt, da mit dem erfindungsgemäßen Verfahren eine schmelzflüssige Phase während des Abtragens aufrecht erhalten wird, in der Spannungen nicht auftreten können, die für die Rissbildung ursächlich sind.Furthermore, with the method according to the invention, cracks of the third kind, which typically arise in the form of modification / damage / cracking, starting from the rough surface of the removal recess in the material, are avoided or clearly suppressed, since with the method according to the invention a molten phase takes place during the removal is maintained, in which stresses can not occur, which are responsible for the cracking.

In einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens wird, durch die untere Intensitätsschranke I_low und die obere Intensitätsschranke I_high eingeschränkt, ein Wert für die Intensität I vor und zwischen den Pulsen solange vergrößert, bis ein Wechsel des Flankenwinkels w entlang der Flanke der Abtragsvertiefung von Werten w ≤ w_max kleiner oder gleich dem Grenzwinkel w_max zu großen Werten des Flankenwinkels w nahe 90 Winkelgraden auftritt und die erreichbare Abtragstiefe, im Vergleich zu der Abtragstiefe, die erreichbar ist, wenn der Flankenwinkel w ≤ w_max durch den Grenzwinkel w_max begrenzt ist, mindestens um den Faktor 5 größer wird. Mit dieser Maßnahme wird erreicht, dass der Abtragsgrund eine Breite b aufweist, die mindestens ein Drittel der Breite b_L des Laserstrahls aufweist und so die größt mögliche Abtragstiefe d erreicht wird.In a preferred embodiment of the method is limited by the lower intensity barrier I _low and the upper intensity barrier I _high , a value for the intensity I before and between the pulses increased until a change of the flank angle w along the flank of the Abtragsvertiefung of values w ≤ w _{max is} smaller than or equal to the critical angle w _max to large values of the flank angle w near 90 degrees and the achievable excavation depth, compared to the removal depth, which is achievable if the flank angle w ≤ w _max is limited by the critical angle w _max at least by a factor of 5 becomes larger. With this measure it is achieved that the Abtragsgrund has a width b, which has at least one third of the width b _L of the laser beam and so the largest possible removal depth d is achieved.

Es kann weiterhin von Vorteil sein, dass sich die Laserstrahlung aus genau zwei unterschiedlichen Laserstrahlen, einem ersten gepulsten Laserstrahl zum Abtragen während der Pulse und mindestens einem zweiten Laserstrahl, zusammensetzt. Von den zwei Laserstrahlen erfüllt der zweite Laserstrahl die Bedingungen I > I_low und I < I_high auf der gesamten Breite der geforderten, vordefinierten Breite b des Abtragsgrunds, während der andere erste Laserstrahl eine größere Intensität I und einen größeren Laserstrahlradius r₁ als ein Laserstrahlradius r₂ des zweiten Laserstrahls aufweist, wobei die Laserstrahlradien r₂ und r₁ am Eintritt der Abtragsvertiefung gemessen werden. Durch diese Aufteilung der Laserstrahlung in zwei Laserstrahlen wird das Einstellen der Werte für Intensität und Radius getrennt voneinander vorgenommen, was die technische Ausführung vereinfachen kann.It may furthermore be advantageous for the laser radiation to be composed of exactly two different laser beams, a first pulsed laser beam for removal during the pulses and at least one second laser beam. Of the two laser beams, the second laser beam satisfies the conditions I> I _low and I <I _high over the entire width of the required, predefined width b of the ablation ground, while the other first laser beam has a greater intensity I and a larger laser beam radius r ₁ than a laser beam radius r _{2 of} the second laser beam, wherein the laser beam radii r ₂ and r ₁ are measured at the entrance of the Abtragsveriefung. By dividing the laser radiation into two laser beams, the intensity and radius values are set separately, which can simplify the technical implementation.

Als eine alternative Maßnahme zu der vorstehend beschriebenen Verwendung von zwei Laserstrahlen ist auch vorgesehen, die Laserstrahlung des mindestens einen ersten Laserstrahls durch mindestens ein optisches Element in zwei Teilstrahlen, einen ersten Teilstrahl und einen zweiten Teilstrahl, aufzuteilen. Von diesen beiden Teilstrahlen erfüllt der zweite Teilstrahl die Bedingungen I > I_low und I < I_high auf der gesamten Breite b des Abtragsgrunds, während der zweite Teilstrahl eine größere Intensität I und einen größeren Teilstrahl-Radius r₁' als der zweite Teilstrahl-Radius r₂' aufweist.As an alternative measure to the above-described use of two laser beams is also provided to divide the laser radiation of the at least one first laser beam by at least one optical element into two partial beams, a first partial beam and a second partial beam. Of these two partial beams, the second partial beam satisfies the conditions I> I _low and I <I _high over the entire width b of the ablation background, while the second partial beam has a greater intensity I and a larger partial beam radius r ₁ 'than the second partial beam radius r ₂ 'has.

Es ist anzumerken, dass nach dem Stand der Technik mit Laserstrahlung nur eine kleine Abtragstiefe erreicht wird, da sich eine mit der Abtragstiefe kleiner werdende projizierte Intensität auf der Flanke einstellt und so der Grenzwinkel W_max erreicht wird und dadurch die Breite des Abtragsgrunds kleiner wird, bis sich eine Abtragstiefe einstellt, die nicht mehr von der Anzahl der auf das Material auftreffenden Laserpulsen abhängig ist.It should be noted that according to the state of the art with laser radiation only a small removal depth is achieved, since a decreasing with the excavation depth projected intensity on the edge and thus the critical angle W _{max is} reached and thereby the width of the Abtragsgrunds is smaller, until an ablation depth is established which no longer depends on the number of laser pulses incident on the material.

Größere Abtragstiefen können nur durch mehrere Überfahren erreicht werden, die nebeneinander, also senkrecht zur Schnittrichtung, angeordnet sind. Durch dieses Mehrfachüberfahren entsteht der so genannte Taper, das ist die geometrische Form einer mit der Tiefe konisch zulaufenden, V-förmigen Abtragsvertiefung, der unerwünscht ist. Dieser Taper ist dadurch charakterisiert, dass die Abtragstiefe groß genug geworden ist, so dass die Wirkung des Grenzwinkels w_max, nämlich die konisch zulaufende Abtragsvertiefung, deutlich sichtbar wird. Tatsächlich stellt sich typischerweise ein maximaler Wert w_max für den Flankenwinkel w der Abtragsvertiefung ein, der hier als Grenzwinkel w_max bezeichnet wird.Greater excavation depths can only be achieved by several passes, which are arranged side by side, ie perpendicular to the cutting direction. Through this multiple crossing creates the so-called Taper, which is the geometric shape of a tapered with the depth, V-shaped Abtragsvertiefung, which is undesirable. This taper is characterized in that the removal depth has become large enough so that the effect of the limit angle w _max , namely the conically tapered removal depression, becomes clearly visible. In fact, a maximum value w _max typically sets in for the flank angle w of the removal recess, which is referred to here as the limit angle w _max .

Weitere Einzelheiten und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnung. In der Zeichnung zeigenFurther details and features of the invention will become apparent from the following description of exemplary embodiments with reference to the drawing. In the drawing show

1 schematisch eine mit Laserstrahlung erzeugte Abtragsvertiefung, die dazu dient, geometrische Größen zu definieren, wie sie auch in der vorstehenden Beschreibung verwendet werden und erläutert sind, 1 3 schematically shows a laser-generated Abtragsveriefung which serves to define geometric sizes, as they are also used in the above description and are explained,

2 eine Grafik der projizierten Intensität, der absorbierten Intensität und der Schwellenintensität für einen Abtrag, wie er in 1 dargestellt ist, 2 a graph of projected intensity, absorbed intensity, and threshold intensity for ablation, as shown in FIG 1 is shown

3 schematisch die Abtragsvertiefung der 1 mit Kennzeichnung der verschiedenen Rissbildungen/Schädigungen zweiter Art und dritter Art, 3 schematically the Abtragsvertiefung the 1 with identification of the different types of cracking / damage of the second kind and third kind,

4 eine simulierte Abtragsvertiefung, die die Ausbreitung der sich ausbildenden Risse zweiter Art und dritter Art darstellt, 4 a simulated excavation well, which represents the propagation of the second and third type of fractures forming,

5 eine schematische Skizze, um die Entstehung einer Abtragsvertiefung mit rauen Abtragsflanken zu erläutern, und 5 a schematic sketch to explain the emergence of a Abtragsvertiefung with rough Abtragsflanken, and

6 das Beugungsmuster, das durch Beugung der einfallenden Laserstrahlung an den Abtragsflanken entsteht. 6 the diffraction pattern, which results from diffraction of the incident laser radiation at the Abtragsflanken.

In der Darstellung der 1 ist schematisch eine Abtragsvertiefung 1 dargestellt, die in einem dünnen Glasmaterial 2 mit einer Dicke d mittels mindestens einem gepulstem Laserstrahl mit einer Intensität I, die zum Abtragen führt, der eine vordefinierte Breite b_L besitzt und in Richtung der strichpunktierten Linie 6 einfällt, gebildet ist. Diese Abtragsvertiefung 1 besitzt Seitenflächen 3, die auch als Abtragsflanken oder nur als Flanken bezeichnet werden, die von einer Eintrittskante 4 an der Oberfläche 5 des Materials 2 ausgehen. Der Übergang der Oberfläche 5 in die Abtragsvertiefung 1 ist mit den Punkten A und A' markiert.In the presentation of the 1 is schematically a Abtragsveriefung 1 shown in a thin glass material 2 with a thickness d by means of at least one pulsed laser beam with an intensity I, which leads to the ablation, which has a predefined width b _L and in the direction of the dotted line 6 is formed, is formed. This removal well 1 has side surfaces 3 , which are also referred to as Abtragsflanken or only as flanks, by an entrance edge 4 on the surface 5 of the material 2 out. The transition of the surface 5 in the excavation recess 1 is marked with the points A and A '.

Die Eintrittskante 4 ist ein räumlich ausgedehnter Bereich der Oberfläche 5 des Werkstücks 2, wo ein unveränderter Teil der Oberfläche des Werkstücks in den Teil der Oberfläche übergeht, in dem der Abtrag von Werkstoff stattgefunden hat und eine Abtragsvertiefung entstanden ist. Die Eintrittskante 4 ist ein Randbereich der Abtragsvertiefung 1, der im Querschnitt der Abtragsvertiefung 1 bei A bzw. A' liegt.The leading edge 4 is a spatially extended area of the surface 5 of the workpiece 2 where an unchanged part of the surface of the workpiece merges into the part of the surface in which the removal of material has taken place and a Abtragsveriefung has arisen. The leading edge 4 is an edge region of the Abtragsveriefung 1 , in the cross-section of the excavation cavity 1 at A or A 'is.

Die Eintrittskante 4 kann auch als Rand der Abtragsvertiefung 1 bezeichnet werden und ist entsprechend eine durch den Abtrag von Werkstoff erzeugte Oberfläche des Werkstücks oder erzeugte Kante. An dem Rand bzw. der Kante der Abtragsvertiefung erfolgt der Übergang von der nicht abgetragenen Oberfläche des Werkstücks in die Abtragsvertiefung hinein.The leading edge 4 can also be used as an edge of the excavation cavity 1 are designated and is accordingly a generated by the removal of material surface of the workpiece or edge created. At the edge or the edge of the Abtragsveriefung the transition from the non-abraded surface of the workpiece into the Abtragsveriefung into it.

Die Flanken 3 der Abtragsvertiefung 1 verlaufen unter einem räumlich veränderlichen Flankenwinkel w, wobei der Flankenwinkel w als der lokale Winkel zwischen der Oberflächennormalen n_F auf der Flanke 3 der Abtragsvertiefung 1 und der Oberflächennormalen n₀ auf der nicht abgetragenen Oberfläche 5 des Materials 2 definiert ist. Zu Beginn des Abtragens bildet sich eine breite und flache Abtragsvertiefung 1 mit kleinem Flankenwinkel im Zentrum der Abtragsvertiefung 1. Dieser Teil der abgetragenen Oberfläche, das bedeutet die Grundfläche der Abtragsvertiefung 1, wird als Abtragsgrund 7 bezeichnet. Die Aufteilung der Oberfläche der Abtragsvertiefung 1 in Flanken 3 und Abtragsgrund 7 wird durch den stark unterschiedlichen Wert für deren Flankenwinkel w vorgenommen. Der Übergang zwischen Abtragsflanke 3 und Abtragsgrund 7 ist durch die Punkte B und B' markiert. Typischerweise nimmt die Grundfläche 7 der Abtragsvertiefung 1 eine Breite b (zwischen den Punkten B und B') an, die mit zunehmender Abtragstiefe, die, ausgehend von der Oberfläche 5, mit d bezeichnet ist, kleiner wird, bis ein sogenannter „Abtragsstop” einsetzt. Die Tiefe d der Abtragsvertiefung 1 kann durch eine größere Bestrahlungsdauer oder Pulsdauer oder Pulsanzahl nicht weiter vergrößert werden.The flanks 3 the Abtragsvertiefung 1 extend under a spatially varying flank angle w, where the flank angle w is the local angle between the surface normal n _F on the flank 3 the Abtragsvertiefung 1 and the surface normal n ₀ on the non-abraded surface 5 of the material 2 is defined. At the beginning of the ablation, a broad and shallow excavation depression forms 1 with a small flank angle in the center of the Abtragsvertiefung 1 , This part of the abraded surface, that means the base of the Abtragsvertiefung 1 , is used as a reason for erosion 7 designated. The division of the surface of the Abtragsvertiefung 1 in flanks 3 and erosion reason 7 is made by the strongly different value for their flank angle w. The transition between Abtragsflanke 3 and erosion reason 7 is marked by the points B and B '. Typically, the footprint decreases 7 the Abtragsvertiefung 1 a width b (between the points B and B ') which increases with increasing depth of removal, starting from the surface 5 , denoted d, becomes smaller until a so-called "erosion stop" begins. The depth d of the excavation recess 1 can not be further increased by a longer irradiation time or pulse duration or number of pulses.

Der Vektorpfeil n₀ gibt die Oberflächennormale, die senkrecht auf der nicht abgetragenen Oberfläche 5 des Materials 2 steht an und der Vektorpfeil n_F gibt die Oberflächennormale auf der Flanke 3 der Abtragsvertiefung 1 an. Der Winkel w zwischen der Oberflächennormalen n₀ auf der nicht abgetragenen Oberfläche 5 und der Oberflächennormalen n_F auf der Flanke 3 der Abtragsvertiefung 1 wird als Flankenwinkel w bezeichnet. Die Abtragsflanken 3 der Abtragsvertiefung 1 verlaufen über die Strecke AB bzw. A'B' in dem in 1 dargestellten Querschliff.The vector arrow n ₀ gives the surface normal, perpendicular to the non-abraded surface 5 of the material 2 The vector arrow n _F indicates the surface normal on the flank 3 the Abtragsvertiefung 1 at. The angle w between the surface normal n ₀ on the non-abraded surface 5 and the surface normal n _F on the flank 3 the Abtragsvertiefung 1 is referred to as flank angle w. The erosion edges 3 the Abtragsvertiefung 1 run over the distance AB or A'B 'in the in 1 illustrated cross section.

In der Grafik der 2 sind die projizierte Intensität durch eine Kurve 8 (durchgezogene Linie), die absorbierte Intensität durch eine Kurve 9 (unterbrochene Linie) dargestellt und die Schwellenintensität ist durch die Linie 10 (strichpunktierte Linie) für den Abtrag, wie er in 2 dargestellt ist, gezeigt.In the graph of 2 are the projected intensity through a curve 8th (solid line), the absorbed intensity through a curve 9 (broken line) and the threshold intensity is through the line 10 (dash-dotted line) for the removal, as in 2 is shown.

Typischerweise kann ein Grenzwinkel w_max für die Flankenwinkel w bzw. die Steigung der Schnittkante/Abtragskante nicht überschritten werden. Der Grenzwinkel w_max hat einen für die projizierte Intensität und das Material spezifischen Wert von typischerweise 70 Winkelgraden und kann experimentell bestimmt werden.Typically, a critical angle w _max for the flank angle w or the pitch of the cut edge / removal edge can not be exceeded. The critical angle w _max has a specific value for the projected intensity and the material of typically 70 degrees and can be determined experimentally.

Wie die 2 zeigt, kann der vorstehend erwähnte Grenzwinkel w_max durch den Schnittpunkt der Kurve 8 für die im Material absorbierte Intensität und der Kurve 9 der Schwellenintensität für den Abtrag bestimmt werden, wie dies in der Grafik dargestellt ist. Ist die absorbierte Intensität kleiner als die Schwellenintensität für den Abtrag, dann kann kein weiterer Abtrag mehr erfolgen: ein so genannter Bohrstopp tritt ein, wenn sich die Flanken der Abtragsvertiefung in der Tiefe d treffen. Der Bohrstopp setzt bei einer kleinen Tiefe ein, wenn der maximale Wert für den Flankenwinkel w der Abtragsvertiefung klein ist und sich folglich die Flanken der Abtragsvertiefung bereits in einer kleineren Tiefe d treffen.As the 2 shows, the above-mentioned critical angle w _max through the intersection of the curve 8th for the intensity absorbed in the material and the curve 9 the threshold intensity for the removal, as shown in the graph. If the absorbed intensity is less than the threshold intensity for the removal, then no further removal can take place: a so-called drill stop occurs when the flanks of the removal depression meet at depth d. The boring stop starts at a small depth when the maximum value for the flank angle w of the excavation recess is small and consequently the flanks of the excavation recess already meet at a smaller depth d.

Ein Durchmesser der Abtragsvertiefung 1, der klein ist, bewirkt am Rand der Abtragsvertiefung 1 eine verkleinerte Absorption und eine Führung der Laserstrahlung an der fortschreitenden Front der Abtragsvertiefung durch Mehrfachreflexion bzw. Wellenleitung. Erfindungsgemäß tritt dieser vorteilhafte Effekt auch beim Abtragen/Schneiden auf, wenn lediglich der Durchmesser der Abtragsvertiefung verkleinert wird und keine Totalreflexion vorliegt. Erfindungsgemäß tritt dieser Effekt auch an einer Schneidfront auf, wenn die Abtrags- bzw. Schneidfront eine teilweise geöffnete wellenleitende geometrische Form aufweist und nicht in einer etwa zylindrischen Form die Strahlung einschließt, wie dies von der Faserführung bekannt ist.A diameter of the Abtragsveriefung 1 which is small on the edge of the Abtragsvertiefung 1 a reduced absorption and a guide of the laser radiation at the progressive front of the Abtragsvertiefung by multiple reflection or waveguide. According to the invention, this advantageous effect also occurs during removal / cutting, if only the diameter of the removal recess is reduced and there is no total reflection. According to the invention, this effect also occurs at a cutting front when the ablation or cutting front has a partially opened waveguiding geometric shape and does not enclose the radiation in an approximately cylindrical shape, as is known from the fiber guide.

Soweit in der vorliegenden Beschreibung verwendet, ist die Rückseite des Werkstücks bzw. Werkstoffs die der Laserstrahlung abgewandte Oberfläche des Werkstücks bzw. Werkstoffs.As far as used in the present description, the back of the workpiece or material is the surface of the workpiece or material facing away from the laser radiation.

Bei den drei unterschiedlichen Erscheinungsformen von Schädigungen/Rissen handelt es sich bei
Rissen erster Art um Rückseitenschädigungen,
Rissen zweiter Art um Eintrittskantenschädigungen,
Rissen dritter Art um Schädigungen, die von der Oberfläche der Abtragsvertiefung, das bedeutet von den Flanken der Abtragsvertiefung, ausgehen.The three different manifestations of damage / tears are:
Cracks of the first kind about backside damage,
Cracks of the second kind about entry edge damage,
Cracks of the third kind about damage originating from the surface of the excavation recess, that is to say from the flanks of the excavation recess.

Eine das Licht brechende, zum Beispiel fokussierende, Eigenschaft der Eintrittskante 4 ist für die Erfindung von besonderer Bedeutung. Die Eintrittskante 4 kann nämlich eine geometrische Form und eine Ausdehnung aufweisen, die zwei unerwünschte Effekte bewirken kann, die allerdings durch das erfindungsgemäße Verfahren vermieden oder wesentlich verringert werden können. Zum einen kann durch die geometrische Form eine unerwünschte Fokussierung der einfallenden Laserstrahlung in den Werkstoff auftreten und zum anderen kann durch die Ausdehnung die Leistung der einfallenden Laserstrahlung, die von der Eintrittskante 4 erfasst und dann in den Werkstoff fokussiert wird, in unerwünschter Weise einen Wert annehmen, so dass die Intensität in dem Fokus der Eintrittskante 4 eine Elektronendichte ρ erzeugt, die einen Schwellenwert ρ_damage der Elektronendichte für eine Schädigung des Werkstoffs, bei dem Schädigungen/Risse einsetzen, überschreitet und einen Schwellenwert ρ_ablation der Elektronendichte für einen Abtrag nicht erreicht.A property of the leading edge which breaks the light, for example focussing 4 is of particular importance to the invention. The leading edge 4 may in fact have a geometric shape and an extent that can cause two undesirable effects, however, which can be avoided or substantially reduced by the inventive method. On the one hand, an undesired focusing of the incident laser radiation into the material can occur due to the geometric shape and, on the other hand, the expansion of the power of the incident laser radiation coming from the leading edge 4 and then focused into the material, undesirably take on a value such that the intensity in the focus of the leading edge 4 generates an electron density ρ which exceeds a threshold value ρ _{damage of} the electron density for damage to the material in which damage / cracking occurs and does not reach a threshold value ρ _{ablation of} the electron density for a removal.

Bei der Schädigung des Werkstoffs treten die drei unterschiedlichen Arten von Rissen auf, wie sie vorstehend angegeben sind.In the damage of the material occur the three different types of cracks, as stated above.

Risse erster Art sind solche, die schon dann auftreten, wenn von der Vorderseite – wo die Laserstrahlung einfällt – noch keine Schädigung und auch kein Abtrag erfolgt ist.Cracks of the first kind are those that occur even when the front - where the laser radiation is incident - no damage and no removal has taken place.

Risse zweiter Art und dritter Art werden anhand der 3 und 4 verdeutlicht.Cracks of the second kind and third kind are determined by the 3 and 4 clarified.

Risse oder Schädigungen zweiter Art – auch Spikes genannt – gehen von der Eintrittskante 4 aus. Die Risse oder Schädigungen zweiter Art verlaufen über eine – im Vergleich zu den Rissen dritter Art – große Tiefe in das Volumen des Werkstoffs. Diese von der Eintrittskante 4 ausgehenden Material-Modifikationen/-Schädigungen können auch im Volumen sichtbar werden bzw. entstehen (sie werden dann auch „Filamente” genannt, Kerr-Effekt und Selbstfokussierung sind die physikalische Ursache) oder sogar die Rückseite bzw. die der Laserstrahlung abgewandte Oberfläche des Werkstoffs erreichen.Cracks or damage of the second kind - also called spikes - go from the leading edge 4 out. The cracks or damages of the second kind run over a large depth into the volume of the material compared to the cracks of the third kind. This from the leading edge 4 outgoing material modifications / damage can also be visible in the volume or arise (they are called "filaments", Kerr effect and self-focusing are the physical cause) or even reach the back or the laser radiation remote surface of the material ,

Risse dritter Art sind nicht so tief eindringende Risse und treten zusätzlich zu den Rissen zweiter Art oder Schädigungen zweiter Art – entlang der abgetragenen Oberfläche (Schnittkante) – auf; sie sind nicht auf den Bereich nahe der Eintrittskante 4 beschränkt und treten dort auf, wo die Laserstrahlung in der Abtragsvertiefung 1 auf die abgetragene Oberfläche (Abtragsflanken 3) einfällt. Sie breiten sich von der abgetragenen Oberfläche in den Werkstoff aus. Die Risse dritter Art dringen im Vergleich zu den Rissen erster Art weniger tief in den Werkstoff ein. Die raue Abtragsvertiefung 1 weist im Vergleich zur Eintrittskante 4 eine Rauigkeit mit kleineren Krümmungsradien auf. Die fokussierende Wirkung der rauen Abtragsvertiefung ist wesentlich stärker als die fokussierende Wirkung der Eintrittskante 4.Cracks of the third kind are not as deep penetrating cracks and occur in addition to the cracks of the second kind or damage of the second kind - along the worn surface (cut edge) - on; they are not on the area near the leading edge 4 limited and occur where the laser radiation in the Abtragsveriefung 1 on the abraded surface (Abholungsflanken 3 ). They spread from the worn surface into the material. The cracks of the third kind penetrate less deeply into the material compared to the cracks of the first kind. The rough excavation recess 1 points in comparison to the leading edge 4 a roughness with smaller radii of curvature. The focusing effect of the rough excavation recess is much stronger than the focusing effect of the leading edge 4 ,

In den 3 und 4 erscheinen die Risse/Schädigungen im Glas 2 als schattierte Gebiete; die Risse zweiter Art sind mit dem Bezugszeichen 22 und die Risse dritter Art mit dem Bezugszeichen 33 gekennzeichnet.In the 3 and 4 the cracks / damages appear in the glass 2 as shaded areas; the cracks of the second kind are indicated by the reference numeral 22 and the cracks of the third kind with the reference numeral 33 characterized.

Erreichen die von der abgetragenen Oberfläche ausgehenden Risse 22 die Unterseite bzw. die der Laserstrahlung abgewandte Oberfläche des Werkstoffs, dann können sie oft von den Rissen erster Art, das bedeutet Schädigungen der Unterseite des Werkstücks, ohne dass die Oberseite des Werkstücks bereits abgetragen ist, nicht mehr unterschieden werden. Risse oder Schädigungen 33 der dritten Art beginnen an der rauen Abtragsvertiefung 1, d. h. an der abgetragenen Oberfläche, und dort, wo die abgetragene Oberfläche eine Abweichung von einer Ebenheit aufweist.Achieve the cracks emanating from the abraded surface 22 the underside or the laser radiation facing away from the surface of the material, then they can often no longer be distinguished from the cracks of the first kind, which means damage to the underside of the workpiece without the top of the workpiece is already removed. Cracks or damage 33 of the third kind begin at the rough excavation recess 1 ie at the abraded surface, and where the abraded surface has a deviation from flatness.

Diese Abweichung der Abtragsvertiefung 1 von der Ebenheit entsteht dadurch, dass die einfallende Laserstrahlung an dem Eintritt der Abtragsvertiefung und in deren Verlauf in die Tiefe des Werkstücks (Abtragsfront, Schnittkante) gebeugt wird und eine Beugungsstruktur aufweist, wie sie in den 5 und 6 dargestellt ist.This deviation of the Abtragsveriefung 1 The flatness results from the fact that the incident laser radiation is diffracted at the entrance of the removal recess and in its course into the depth of the workpiece (ablation front, cutting edge) and has a diffraction structure as shown in FIGS 5 and 6 is shown.

Diese Beugungsstruktur ist eine räumliche Modulation der Intensität und erzeugt die Abweichung von einer ebenen Abtragsfront. Die entstehende Beugungsstruktur für die Intensität der Strahlung in der Abtragsvertiefung 1 führt zu Überhöhungen der Intensität an der Abtragsfront und damit zu einer Abweichung der Abtragsfront von einer glatten oder ebenen Abtragsfront.This diffraction structure is a spatial modulation of the intensity and generates the deviation from a flat erosion front. The resulting diffraction structure for the intensity of the radiation in the Abtragsvertiefung 1 leads to overshoots of the intensity at the Abtragsfront and thus to a deviation of Abtragsfront of a smooth or flat Abtragsfront.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

DE 102013005139 A1 [0009]

Claims

A method for removing brittle-hard material of a workpiece by means of pulsed laser radiation, wherein the removal by means of at least a first laser beam, a Abtragsvertiefung with a predefined width b _L on a base surface of the Abtragsvertiefung, wherein the side surfaces of this Abtragsvertiefung be referred to as edges and wherein the base surface this Abtragsvertiefung is referred to as Abtragsgrund and assumes a width b, which has at least 1/3 of the predefined width b _{L of} the laser beam and is not smaller with increasing Abtragstiefe d forms and wherein both the Abtragsgrund and the flanks of the Abtragsvertiefung in the material at a spatially varying flank angle w, the flank angle w being defined as the local angle between the surface normal n _F on the flank of the cut-off groove and the surface normal n ₀ on the non-abraded surface of the material, w obei during the Abtragvorgangs the flank angle w, regardless of a spatial position along the edge, one for the product of the cosine of the flank angle w with the intensity I of the laser radiation and a material specific limit angle w _max , wherein the critical angle w _{max is} defined as the angle at which no more removal takes place, characterized in that the intensity I over the entire duration of the Abtragsvorgangs before, between and during the pulses of the laser radiation, a material-specific lower intensity barrier I _low , where I> I _low , not and falls below the value of this proviso I> I _low on the entire predefined width b of Abtragsgrunds, and that the intensity I before and between the pulses of laser radiation, a material-specific upper intensity barrier I _high , where I <I _high does not exceed , so that before and between the pulses no erosion e insetzt, wherein the material-specific lower intensity barrier I _low for the intensity I is determined on an unprocessed piece of material corresponding to the material of the workpiece before the abrasive machining of the workpiece by the intensity I is increased until a melting of the material is achieved and the width b the Abtragsgrunds at least 1/3 of the width b _{L of} the laser radiation is reached, and the material-specific upper intensity barrier I _high for the intensity I on an unprocessed piece of material corresponding to the workpiece is determined in advance by the intensity I is increased until a removal of the material takes place, with these determined values for I _low and I _high, the conditions I> I _low and I> I _{high are met} during the removal process on the workpiece.

A method according to claim 1, characterized in that a value for the intensity I before and between the pulses, wherein the intensity I is limited before and between the pulses by the lower intensity barrier I _low and the upper intensity barrier I _high , as long as is increased to a Change of the flank angle w along the flank of the Abtragsvertiefung of values w ≤ w _max less than or equal to the critical angle w _max to large values of the flank angle w near 90 degrees occurs and the achievable Abtragstiefe, compared to the Abtragstiefe, which is achievable when the flank angle w ≤ wmax is limited by the critical angle wmax, at least by a factor of 5 becomes larger.

Method according to claim 1 or 2, characterized in that the laser radiation is composed of different laser beams, the at least one first, pulsed laser beam for ablation during the pulses and at least one second laser beam, the one second laser beam having the conditions I> I _low and I <I _high on the entire width b of Abtragsgrunds met and wherein the first, pulsed laser beam has a greater intensity I and a larger laser beam radius r ₁ than a laser beam radius r _{2 of} the second laser beam, wherein the laser beam radii r ₂ and r ₁ at the entrance the Abtragsvertiefung be measured.

A method according to claim 1 or 2, characterized in that the laser radiation of the at least one first laser beam is divided by at least one optical element into two partial beams, a first partial beam and a second partial beam, wherein the second partial beam the conditions I> I _low and I <I _high fulfilled on the entire width of Abtragsgrunds and wherein the first partial beam has a greater intensity I and a smaller partial beam radius r ₁ 'than the second partial beam radius r ₂ '.