DE4202941C2 - Verfahren zum Materialabtrag an einem bewegten Werkstück - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Materialabtrag an einem bewegten Werkstück, bei dem mit einem gepulsten Laser ein gepulster, hochenergetischer Laserstrahl erzeugt wird, der mit einer Fokussiereinrichtung auf das bewegte Werkstück derart fokussiert wird, daß die Taille des Laserstrahls in einem Bereich zwischen der beaufschlagten Werkstückoberfläche und einigen Millimetern oberhalb von dieser angeordnet ist, bei dem mit einer Leitungseinrichtung Prozeßgase in den Bereich der vom Laserstrahl beaufschlagten Werkstückoberfläche eingeleitet werden und bei dem mit einer Laser- und Bewegungssteuerung die gepulste Laserstrahlung in mit der Bewegung des Werkstückes synchronisierter Einstrahlung auf einen vorbestimmten Teilbereich des Werkstückes zeitlich und räumlich ausgerichtet wird.

Die Elemente einer Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens sind im wesentlichen dem Artikel von Tönshoff, H. K., und Stürmer, M., "Laserfräsen - Formabtrag mit Hochleistungslasern" aus der DE-Z "Laser Magazin", Heft 6, Seiten 16-24 (1991), entnehmbar. Eine ähnliche Vorrichtung ist aus dem Buch "Industrial Applications of Lasers", John Wiley & Sons Ltd. (1984), und insbesondere aus dem Kapitel 13 "Balancing with lasers" von H. Schneider bekannt. Solche Vorrichtungen zum Auswuchten von hochdrehenden Teilen werden insbesondere bei kleinen hochdrehenden Werkstücken wie zahnärztlichen Instrumenten oder Gyroskopen für Luftfahrzeuge eingesetzt. Dort wird mit maximalen Pulsenergien im Joulebereich und einer Pulsdauer von einigen 100 Mikrosekunden je Puls ein fokussierter Laserstrahl auf den sich drehenden Körper geleitet, wodurch eine Materialmenge im Zehntel-Milligrammbereich am Auftreffpunkt des Laserstrahls entfernt wird. Dieses Material wird dann mit einer Absauganlage entfernt. Die sich bei jedem Puls ergebende Menge des entfernten Materials hängt von der Pulsenergie und der Fokussierung des Strahles ab. Die sich ergebenden tropfenförmigen Ausnehmungen weisen allerdings Auswürfe an ihren Rändern auf. Diese Auswürfe können sich insbesondere bei hochdrehenden Teilen im Betrieb ablösen und so erneut eine Unwucht hervorrufen oder sogar das Werkstück beschädigen.

Der Artikel von Tönshoff, H. K., und Stürmer, M., bietet Abtragestrategien, die dazu dienen, das Entstehen von solchen Aufwürfen zu vermeiden. Ein Güteschalter wird dabei aber lediglich zur Steigerung der Pulsspitzenleistungen von Einzelpulsen von Nd-YAG-Lasern eingesetzt, da die derart hohen und höhere Pulswerte nur mit Excimerlasern realisierbar sind. Excimerlaser sind aber gemäß den Ausführungen der Autoren aufgrund der kurzen Einwirkzeiten und der Plasmaabschirmung nur bedingt für die Durchführung eines solchen Verfahrens zum Materialabtrag geeignet.

Ein anderes Verfahren zum Abtragen von Material von einem metallischen Werkstück, insbesondere zum Bohren, ist aus der DE 27 40 755 A1 bekannt, wobei versucht wird, eine unerwünschte Plasmabildung auf einen kleinen Zeitraum während der Einwirkung des Laserstrahles zu begrenzen.

Das "Elektronik Lexikon" von Baier, W., aus der Franckh'schen Verlagshandlung, Stuttgart (1982), erklärt auf den Seiten 257, 258, 312, 336 und 367 verschiedene dem Fachmann geläufige Fachbegriffe im Zusammenhang mit der Güte eines Resonators.

Ein Verfahren zum Auswuchten von drehenden Teilen mit Hilfe eines Lasers weist gegenüber herkömmlichen spanabtragenden Verfahren den Vorteil auf, daß es in Echtzeit durchgeführt werden kann. Dies ist insbesondere bei der Beseitigung einer Unwucht bei hochdrehenden Werkstücken vorteilhaft, da eine Unwucht bei der Betriebsdrehzahl oder einer höheren Umdrehungszahl überprüft werden sollte.

Mit einem Materialabtrag mittels eines Laserstrahls wird insbesondere vermieden, daß zum Beispiel ein Gyroskop nach der Unwuchtmessung bei der Betriebsdrehzahl zur spanabhebenden Bearbeitung auslaufen und im Anschluß an die Bearbeitung mit dem es antreibenden Motor wieder auf die Betriebsdrehzahl gebracht werden muß, um die mit der Bearbeitung erreichte Unwuchtkorrektur zu messen. Daher weisen spanabhebende Verfahren, die in mehreren Schritten durchgeführt werden müssen, den Nachteil einer sehr langen Bearbeitungsdauer auf, die leicht eine Stunde pro Bearbeitungsgang erreichen kann.

Das Auswuchten mit Hilfe eines Lasers gemäß den bekannten Verfahren weist dagegen den Nachteil auf, daß nur äußerst geringe Materialmengen abgetragen werden können. Bei üblichen Laserleistungen von einigen Watt übertrifft die abgetragene Menge selten 1/10 Milligramm, so daß eine hohe Anzahl von Laserpulsen notwendig ist.

Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zu schaffen, das ein schnelleres Auswuchten mit Hilfe von Laserstrahlung unter Vermeidung von Auswürfen am Einstich-, Ausstich- und Seitenbereich gestattet.

Diese Aufgabe wird für ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß mit Hilfe eines Güteschalters zeitlich innerhalb jedes einzelnen Laserpulses des gepulsten Lasers eine Vielzahl von Energie-überhöhten Gütepulsen erzeugt werden.

Die gewünschte schnellere Abtragrate läßt sich erfindungsgemäß dadurch erreichen, daß eine zeitliche Änderung der Energiedichteverteilung des originären Laserpulses vorgesehen ist. Diese Energieüberhöhung in jedem Einzelpuls erhöht den Abtrag pro Einzelpuls, wobei die Werkstückoberfläche dabei bei einer nachfolgenden Beaufschlagung des Werkstückes mit weiteren Laserpulsen unter einem Inertgas gesäubert wird, so daß innerhalb kurzer Zeit ein keine Auswürfe aufweisendes hochdrehendes Werkstück ausgewuchtet werden kann.

Weitere vorteilhafte Ausführungsformen sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Nachstehend werden zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der beigefügten Zeichnungen beispielhaft erläutert. Es zeigt

Fig. 1 eine schematische Ansicht einer Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel,

Fig. 2 ein Signal-Zeit-Diagramm zur Darstellung der Funktionsweise einer Vorrichtung nach Fig. 1,

Fig. 3 eine Darstellung eines mit der Vorrichtung nach Fig. 1 bearbeiteten rotierenden Werkstückes,

Fig. 4 eine schematische Ansicht einer Vorrichtung zur Durchführung eines Verfahrens zum Materialabtrag, welche durch den Einsatz eines Güteschalters in Fig. 6 zu einem zweiten Ausführungsbeispiel ergänzt wird,

Fig. 5 eine Darstellung eines mit der Vorrichtung nach Fig. 4 und Fig. 6 bearbeiteten rotierenden Werkstückes und

Fig. 6 eine Arbeitsstation für die gleichzeitige Bearbeitung mehrerer Werkstücke nach einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung.

Die Fig. 1 zeigt eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung zum Abtragen von Material eines sich drehenden Werkstückes mit Hilfe von Laserstrahlung.

Bei dem Laser 1 handelt es sich vorteilhafterweise um einen Festkörperlaser, vorzugsweise um einen Nd-YAG-Laser, dessen Herzstück ein Nd-YAG-Stab 2 ist. Es können aber auch Gaslaser eingesetzt werden, z. B. ein CO₂-Gaslaser.

Dieser Nd-YAG-Stab 2 ist von zwei Pump-Blitzlampen 3 umgeben, die durch gepulstes Pumpen für die entspre­ chende Besetzungsinversion der Energieniveaus innerhalb des Nd-YAG-Stabes 2 sorgen. Die Blitzlampen 3 und der Nd-YAG-Stab 2 sind Bestandteile der Oszillatorkavität 4, die zwischen einem Rückspiegel 5 und einem Auskop­ pelspiegel 6 eingeschlossen ist. Der Rückspiegel 5 und der Auskoppelspiegel 6 sind in einer für Laser 1 übli­ chen Weise zum Aufbau der Kavität 4 angeordnet, insbe­ sondere sind die Spiegel 5 und 6 in der für Nd-YAG- Laser 1 typischen und bekannten Weise teilverspiegelt, zur Ausbildung eines Resonators geeignet und entspre­ chend justiert. Innerhalb der Kavität 4 befindet sich desweiteren vorzugsweise eine Modenblende 7.

Die Blitzlampen werden von einer Leistungselektronik 8 derart angesteuert, daß der Nd-YAG-Laser 1 in einem Pulsbetrieb mit einer Frequenz zwischen vorzugsweise 1 und 500 Hertz arbeitet.

Hinter dem Rückspiegel 5 ist auf der Laserachse ein Helium-Neon-Laser 9 angeordnet, mit dem die Justage der Apparatur durchgeführt werden kann und mit dem die Fokuslage der nichtsichtbaren Neodym-YAG-Laserstrahlung ein­ stellbar ist. Der aus dem Laser 1 heraustretende gepul­ ste Laserstrahl 10 durchquert einen Shutter oder Ab­ blendelement 11 und wird über eine Strahlaufweitung 12 und eine Strahlumlenkung 13 in eine Fokussieroptik 14 geleitet. Ein Teil der durch die Strahlumlenkung 13 hindurchtretenden Strahlung wird in einem Energiemesser 15 zur Auswertung der jeweiligen Pulsstärke verwandt.

Die sich im Laser 1 ergebende Pulsdauer eines einzigen Laserpulses liegt zwischen 60 und 10 000 Mikrosekunden, wobei eine jeweilige Pulsleistung von bis zu 8 Kilowatt auftreten kann. In dem gepulsten Laser 1 ist weiterhin ein Güteschalter oder Q-Switch 16 angeordnet, bei dem es sich z. B. um einen akusto-optischen Modulator, einen elektro-optischen Modulator, eine Kerr-Zelle oder eine Pockels-Zelle handeln kann. Mit diesem Güteschalter 16 ist die Güte der Kavität 4 innerhalb eines Laserpulses so veränderbar, daß nur zu den Schaltzeiten des Güte- Schalters 16 eine Laseraktivität des Festkörperlasers 1 möglich ist. Zu den anderen Zeiten sind die durch den Güte-Schalter 16 verursachten Verluste zu groß. Der Güteschalter 16 wird vorteilhafterweise mit einer Frequenz zwischen 15 und 80 Kilohertz betrieben, so daß sich mehrere Q-Switch Laserpulse innerhalb eines einzi­ gen Lasergesamtpulses ausbilden.

Diese kurzen Laserpulse beaufschlagen über die Fo­ kussiereinrichtung 14 das sich drehende Werkstück 20. Bei der Fokussieroptik 14 handelt es sich dabei um eine im Verhältnis zu einer Linse z. B. eines Schneidlasers langbrennweitigen Linse im Bereich zwischen 80 und 500 Millimeter Brennweite, mit der der durch die Strahlauf­ weitung 12 aufgeweitete Strahl auf die Oberfläche 21 des Werkstückes 20 fokussiert werden kann. Dabei wird unter dem Begriff "fokussiert" verstanden, daß ein Laserfleck mit einem Durchmesser von z. B. 150 Mikrome­ ter erhalten wird. Der Durchmesser des Laserfleckes, der ebenfalls über die Tiefe des Abtrags entscheidet kann insbesondere zwischen 40 und 250 Mikrometern liegen. Koaxial zur Lichtausbreitung des fokussierten Laserstrahls 22 verlaufen in der schematischen Darstel­ lung der Fig. 1 nicht dargestellte Zuführungsrohre des Prozeßgases in den Bereich des Laserfleckes 21. Die Rohre verlaufen dabei im wesentlichen konvergent symme­ trisch zur Achse des Laserstrahls 22 und enden vor­ teilhafterweise in einer Höhe zwischen 0,5 und 2 Milli­ meter oberhalb der zu bearbeitenden Werkstückoberfläche 21.

Ein Puls des Festkörperlasers 1, der wie schon erwähnt in mehrere (Güte)-Pulse unterteilt ist, erreicht eine Gesamtenergie von zum Beispiel 1 Joule. Diese Energie reicht in den meisten Fällen bei weitem nicht aus, um den gewünschten zum Auswuchten notwendigen Materialab­ trag zu erhalten. Daher ist es notwendig, daß eine Serie von Pulsen die Werkstoffoberfläche 21 an defi­ niert vorbestimmten Punkten beaufschlagt. Dies wird dadurch erreicht, daß die jeweilige Position des sich drehenden Werkstückes 20 über einen Meßwertaufnehmer aufgenommen und an eine Rechnersteuerung 25 übermittelt wird.

Aus der Fig. 2 geht nun das Schaltverhalten der Rech­ nersteuerung 25 hervor. Die Fig. 2 zeigt entlang einer Zeitachse 22 vier verschiedene Signale, bei denen es sich um ein Lasersynchronisationssignal 31, um ein Lasersynchronisations-Rückmeldungssignal 32, um eine Darstellung des Laserpulses 33 sowie um eine Darstel­ lung der durch den Güteschalter 16 erhaltenen Laserpul­ se 40 (Riesenpulse) handelt. In der Rechnersteuerung 25 ist abgelegt, mit welcher Verzögerung der Laserpuls 33 nach Ansprechen der Leistungssteuerung 8 auftritt.

Der Laserpuls 33 beginnt zum Zeitpunkt 35. In der Rechnersteuerung 25 ist niedergelegt, daß in Abhängig­ keit von dem verwendeten gepulsten Laser 1 dementspre­ chend zeitlich früher ein Lasersynchronisationssignal 31 in einem Zeitabstand 36 abgegeben werden muß, um einen Puls 33 in Synchronisation mit der Bewegung des Werkstückes 20 zu erzeugen. Dieser zeitliche Abstand kann zum Beispiel 1,5 Millisekunden betragen. Zum Beispiel 0,15 Millisekunden vor Auftreten des Laserpul­ ses - hier mit dem Bezugszeichen 37 gekennzeichnet - meldet das Lasersynchronisations-Ausgangssignal 32 den unmittelbar bevorstehenden Laserpuls, der zum Zeitpunkt 35 beginnt und eine zeitliche Länge zwischen zum Bei­ spiel 60 Mikrosekunden und 10 Millisekunden haben kann. Innerhalb des Laserpulses 33 wird nun der Güteschalter 16 mit der vorbestimmten zwischen 15 und 80 Kilohertz liegenden Frequenz geschaltet, so daß sich während eines einzelnen Pulses 33 eine Vielzahl von Q-Switch- Pulsen 40 ergeben. Diese Q-Switch-Pulse 40 haben alle eine Länge zwischen 10 und 500 Nanosekunden. Diese vorbestimmte Länge ist von der Art des Güteschalters 16 sowie dem Aufbau der Kavität 4 abhängig. Sie kann auch mit dem sogenannten Mode-Locking bei entsprechender Auslegung des Resonators und des akusto-optischen bzw. des elektro-optischen Modulators erreicht werden, wobei dann noch kürzere Laserpulse möglich sind.

In dieser kurzen Zeitdauer der Güteschalt-Pulse 40 wird die Gesamtpulsenergie von 1 Joule mit nur geringen Verlusten auf die Pulse 40 verteilt. Die Anzahl der Pulse 40 kann zwischen 10 und mehreren 100 innerhalb eines Laserpulses 33 betragen. Dementsprechend kann sich damit die Impulsenergie bis auf die genannten geringen Verluste auf diese Gütepulse 40 verteilen, die so jeweils eine Pulsleistung von bis zu 1 Megawatt annehmen können. Dabei kann die Leistung der einzelnen Pulse 40, je nach Größe der Besetzungsinversion und wie in der Fig. 2 dargestellt, unterschiedlich groß sein.

Die Fig. 3 zeigt nun ein mit der Vorrichtung nach Fig. 1 beaufschlagtes Werkstück.

Das rotierende Werkstück 20 dreht sich in einer durch den Pfeil angedeuteten Richtung 42 mit einer Drehzahl von zum Beispiel 9100 Umdrehungen pro Minute. Die radiale Achse 43 entspricht der Einfallachse des Laser­ strahls 22 und ist zugleich Symmetrieachse der den Laserstrahl 22 begleitenden Prozeßgaszufuhr. Der Laser­ strahl 22 ist dabei so fokussiert, daß der Fokusfleck 46 z. B. 3 Millimeter oberhalb der Werkstückoberfläche 21 liegt. Durch die zum Beispiel 100 Gütepulse in der vorgegebenen Gesamtpulsdauer des Lasers 1 wird ein Be­ reich einer Breite 46 von zum Beispiel 9,5 Millimeter beaufschlagt. Bei dem in der Fig. 3 dargestellten Werkstück wird mit Pulsdauern 38 von einer Millisekunde gearbeitet, wobei mit dem Güteschalter 16 Q-Switch- Pulse 40 von 120 Nanosekunden Länge mit einer Wieder­ holfrequenz von 80 Kilohertz erzeugt werden. Die dabei in das Werkstück eingeleitete Pulsgesamtenergie beträgt jeweils ungefähr 2 Joule. Mit einer 125-Millimeter- Linse wird der Fokusfleck 44 in einem Abstand von 3 Millimeter oberhalb der Oberfläche 21 angeordnet, wobei die das Prozeßgas heranführenden Düsen bis in einen Abstand von 1 Millimeter über die Oberfläche 21 ragen.

Die Pulsfrequenz des Lasers 1 beträgt ungefähr 30 Hertz, so daß bei der vorgegebenen Drehzahl 42 ein Puls bei jeder vierten Umdrehung die Oberfläche 21 trifft. Zur Erzeugung der gewünschten flächigen Abtragung bei dem in der Fig. 3 dargestellten Werkstück wird das Werkstück 20 längs seiner Drehachse 50 relativ zum Laserstrahl 1 verfahren. Die indexierten Verfahrinkre­ mente betragen dabei jeweils 4 Mikrometer bei einer Radialgeschwindigkeit von 100 Mikrometer pro Sekunde. Dabei wird während der gesamten Bearbeitung eine 2 Millimeter breite Spur 51 viermal abgefahren.

Zur Vermeidung der lasertypischen Anfangspulsüberhö­ hung, die zu einer Gratbildung im Einstichbereich führen könnte, werden die ersten Laserpulse 33, bei­ spielsweise 50 Pulse, zu Beginn des Bearbeitungsvorgan­ ges bei noch geschlossenem Shutter 11 ausgelöst.

Die Oberfläche 21 des Werkstückes 20 wird zuerst mit 2000 Pulsen unter dem Prozeßgas Sauerstoff beauf­ schlagt, welches zum Beispiel mit einem Druck von 3,5 Bar aus den Düsen herausströmt. Anschließend beauf­ schlagen weitere 1000 Pulse das Werkstück 20, wobei das Prozeßgas Argon und ein Druck von 5 Bar verwendet werden. Aus dem genannten Zahlenbeispiel ergibt sich eine Bearbeitungsdauer von 90 Sekunden. Der sich dabei ergebende flächige Materialabtrag beträgt ca. 48 mg. Er weist eine Tiefe 52 von 0,3 Millimeter auf, wobei die Länge von 9,5 Millimeter durch die Pulslänge 33 des Lasers 1 vorbestimmt ist.

Durch das Beaufschlagen mit einem 3 Millimeter oberhalb der Oberfläche 21 fokussierten Laserstrahl 22 vergrö­ ßert sich der auf der Oberfläche auftreffende Laser­ fleck bei einem Abtrag des Materials, so daß sich in einer durch die Fokussierung und die Laserstrahlstärke vorgegebenen Tiefe eine im wesentlichen flache Oberflä­ che 60 ausbildet. Der Einstichbereich 61, der Ausstich­ bereich 62 sowie die Randbereiche 63 sind glatt, wobei sich auf der Oberfläche 21 in allen Bereichen 64 keine Auswürfe bilden. Nach den abtragintensiven 2000 Pulsen unter der Sauerstoffatmosphäre reinigen die nachfolgen­ den 1000 Pulse unter Argon die bereits bestehende Form mit den Flächen 60, 61, 62 und 63 von unter Umständen entstandenen verbrannten und oxidierten Metallnieder­ schlag sowie von eventuell sonstigen, lose anhaftenden Auswürfen.

Die Ränder des Abtrags sind dabei leicht in einer sich zum Boden verjüngenden Weise geneigt, da bei einem längs der Achse 50 vorgeschobenen Laserfleck 44 dieser an den Randbereichen nur eine geringe Anzahl von Laser­ pulsen 33 verbleibt, da der z. B. 100 Mikrometer aufwei­ sende Laserfleck jeweils um 4 Mikrometer seitlich verschoben wird, so daß das in der Mitte der Fläche erhaltende 25malige Überstreichen der Werkstückoberfläche 21 an den Rändern auf einige wenige Male reduziert ist.

Anstelle des Beaufschlagens der Oberfläche 21 mit einem oberhalb derselben fokussierten Laserstrahl 22 kann der Fokus auch unterhalb der Oberfläche 21 angeordnet sein. Dies kann insbesondere bei kleineren Laserleistungen vorteilhaft sein, da sich dann bei einem Abtrag des Materials der auf die Oberfläche auftreffende Laserfleck verkleinert, so daß der um die Abbildung des Fokusfleckes herum hohe Abtrag beidseitig der Fokusebene ausgenutzt werden kann.

Die Fig. 4 stellt zur Erläuterung eines in Fig. 6 dargestellten zweiten Ausführungsbeispiels der Erfindung ergänzend eine schematische Ansicht einer weiteren Vorrichtung zur Durchführung eines Verfahrens zum Materialabtrag dar, wobei die Vorrichtung gemäß Fig. 4 im Unterschied zu der in Fig. 6 dargestellten Vorrichtung über keinen Güteschalter verfügt. Alle Merkmale sind in allen Figuren jeweils mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet. Das Herz des Festkörperlasers 1 wird wieder aus dem Nd-YAG-Stab 2 und den Blitzlampen 3 gebildet, die zwischen dem Rückspiegel 5 und dem Auskoppelspiegel 6 angeordnet sind. Weiter ist die Modenblende 7 sowie der Justierlaser 9 vorgesehen. Der aus dem Laser austretende gepulste Laserstrahl 10 wird über eine Umlenkvorrichtung 73 in einen Lichtwellenleiter 74 fokussiert. Die dazu notwendige Fokussieroptik ist in der Fig. 4 nicht dargestellt.

Bei dem Lichtwellenleiter 74 handelt es sich um einen Multimode-Lichtwellenleiter auf Silizium-Basis, der vorzugsweise einen Kerndurchmesser zwischen 500 und 1000 Mikrometer aufweist. Der durch diesen ungefähr 5 m langen Lichtwellenleiter hindurchgeleitete Laserstrahl trifft in einer plateauartigen durch den Lichtwellenleiter als Einrichtung zur Änderung der örtlichen Energiedichteverteilung des originären Laserstrahls bewirkten Energieverdichtung nach einer in der Figur nicht dargestellten Abbildungsoptik analog der Fokus­ sieroptik 14 zusammen mit dem aus den Prozeßgasdüsen ausströmenden Gas auf das Werkstück 20. Bei einer Pulsdauer von zum Beispiel 900 Mikrosekunden gibt der Festkörperlaser 1 eine Pulsenergie von 1,8 Joule ab. Um diese zu erhöhen, oder falls der Festkörperlaser 1 diese Energie nicht bereitstellen kann, ist es möglich, hinter dem Auskoppelspiegel 6 eine Verstärkerkavität mit einem weiteren von Blitzlampen umgebenen Nd-YAG- Stab anzuordnen.

Die Steuerung des Lasers geschieht wiederum über eine Rechnersteuerung 25, die mit der Leistungselektronik 8 derart gekoppelt ist, daß der Laserstrahl die Oberflä­ che immer im gleichen Teilbereich trifft. Ein mit einer von der Vorrichtung nach Fig. 4 erzeugten Laserstrah­ lung beaufschlagtes Werkstück 20 ist in der Fig. 5 dargestellt, bei der gleiche Merkmale mit den gleichen Bezugszeichen wie in der Fig. 3 bezeichnet sind.

Bei dem in der Fig. 5 dargestellten Abtrag wird das Werkstück 20 mit zum Beispiel 8300 Umdrehungen pro Minute gedreht und ein Laserpuls von 900 Mikrosekunden Länge und einer Energie von 1,8 Joule durch eine 5 Meter lange 600-Mikrometer-Siliziumfaser 74 geleitet. Die Länge und Beschaffenheit der Siliziumfaser 74 muß ausreichend sein, um die plateauartige Energieverdich­ tung zu bewirken, sollte aber nicht zu lang sein, um die in ihr auftretende Absorption gering zu halten. Bei dem Lichtwellenleiter 74 handelt es sich um eine Multi­ modefaser, die wie im beschriebenen Ausführungsbeispiel eine reine Siliziumfaser sein kann. Es kann sich aber auch um einen dotierten Lichtwellenleiter handeln. Der aus der Faser 74 heraustretende Strahl wird über eine Linse von 125 Millimeter Brennweite direkt auf die Oberfläche 21 fokussiert, wobei der Düsenabstand wie­ derum 1 Millimeter von der Oberfläche 21 beträgt.

Nun werden 500 Pulse unter Sauerstoffbeaufschlagung der Oberfläche abgegeben, wobei sich bei der vorgegebenen Wiederholfrequenz innerhalb von 15 Sekunden ein Materi­ alabtrag von 14 Milligramm ergibt, der eine 7,7 Milli­ meter lange V-förmige Spur 70 erzeugt. Dabei ist für die entstehende Form der Spur 70 von Vorteil, daß während des Abtragens der Spur 70 sich der auf die Oberfläche 21 fokussierte Lichtfleck 44 im Material des Werkstückes 20 aufweitet, so daß keine lokalen Überhitzungen stattfinden können. Mit einer Vorrichtung nach Fig. 4 könnten dann zum Beispiel mehrere Spuren 70 nebeneinandergesetzt werden, um den benötigten Materi­ alabtrag zu erhalten. Es ist natürlich auch möglich, mit der Vorrichtung nach Fig. 4 einen flächigen Abtrag nach Fig. 3 zu erhalten und mit der Vorrichtung nach Fig. 1 einen V-förmigen Spurabtrag nach Fig. 5, je nach Einsatz einer Vorrichtung zur Verschiebung entlang der Achse 50.

Im Nachgang zu der mit dem Prozeßgas Sauerstoff durch­ geführten Bearbeitung des Werkstückes 20 wird die Oberfläche der Spur 70 durch eine nachgeschaltete Beaufschlagung der Spur 70 mit weiteren Laserpulsen unter einem Inertgas, z. B. Argon oder Stickstoff, behandelt und gesäubert.

Bei einem industriellen Einsatz dieses Lasersystems werden vorzugsweise mehrere Bearbeitungsstationen 81, 82 mit einem und demselben Laser 1 bedient, wie es in der Fig. 6 dargestellt ist. Die Merkmale dieser Vor­ richtung weisen die gleichen Bezugszeichen auf wie die Vorrichtungen nach Fig. 1 und Fig. 4.

Die Bearbeitungsstation 82 verfügt über eine Werkbank mit einer Fokussieroptik 14, bei der der mit dem Q- Switch 16 erzeugten Laserpulse 40 analog der Vorrich­ tung von Fig. 1 ein hochgenaues Auswuchten des Werk­ stückes 20 gestatten. Gleichzeitig oder alternativ wird mit einem oder mehreren Teilauskoppelspiegeln 85 ein Teil der Energie auf einen oder mehrere Lichtwellenlei­ ter 74 geleitet, mit dem ein in seiner Energiedichte modifizierter Strahl, der zudem mit dem Güteschalter 16 gepulst ist, auf die Oberfläche des Werkstückes 20 an der Bearbeitungsstation 81 geleitet. In dem in der Fig. 6 dargestellten Fall wird dabei die Rechnersteuerung 25 derart eingesetzt, daß die Synchronisation der sich drehenden Werkstücke 20 auf den von dem Laser abgegebe­ nen Puls eingestellt wird, so daß die zu beaufschlagen­ de Oberfläche 21 an jeder Arbeitsstation synchron zueinander verläuft.

Der Vorteil der gleichzeitigen Pulsüberhöhung mit Hilfe des Güteschalters 16 und einem Einsatz mehrerer Licht­ wellenleiter 74 liegt auch darin, daß die maximale auf den Kern eines Lichtwellenleiters 74 auftreffende Lei­ stung durch Strahlteilung kleiner als die Leistung gehalten werden kann, bei der eine Schädigung des Lichtwellenleiters 74 eintritt.

Das mit den vorstehenden Vorrichtungen ausführbare vorteilhafte Verfahren besteht darin, daß ein zu bear­ beitendes Werkstück 20 mit einem Prozeßgas, welches im wesentlichen Sauerstoff enthält, beaufschlagt wird, während eine Vielzahl von Laserpulsen 33, 40 auf die Oberfläche 21 geleitet wird. Dabei wird in Echtzeit die nach jedem Puls verbleibende Unwucht gemessen und bei Erreichen und Unterschreiten der Toleranzgrenze für die Unwucht das Prozeßgas auf das die Oberfläche reinigende Inertgas, zum Beispiel Argon, umgeschaltet und eine weitere, dann vorbestimmte Anzahl von Laserpulsen nach­ geschaltet, die nur wenig Material abtragen, dagegen aber in der oben beschriebenen Weise die Oberfläche reinigen.

Bei einem vorteilhaften Ausführungsbeispiel der Erfin­ dung zur Erzeugung eines flächigen Abtrages wird wäh­ rend der Beaufschlagung durch die Laserpulse eine seitliche, entlang der Drehachse 50 des Werkstückes 20 gerichtete Verschiebung durchgeführt, deren Frequenz klein gegen die Drehzahl des Werkstückes 20 ist. Es kann sich dabei um eine indexierte oder um eine konti­ nuierliche Bewegung handeln, die nur einmal oder eine geringe Anzahl von Oszillationen, zum Beispiel 3 bis 8 Mal, abhängig von dem geforderten Masseabtrag, durchge­ führt wird.

Dabei ist bei dem Einsatz des Güteschalters 16 darauf zu achten, daß die innerhalb eines Laserpulses 33 auftretenden Q-Switch-Pulse 40 eine Leistungsüberhöhung von vorteilhafterweise größer als 20 gegenüber dem einzelnen Puls 33 haben. Dies bedeutet, daß eine Viel­ zahl von Q-Switch-Pulsen 38 innerhalb eines Laserpulses 33 ausgebildet sein müssen, was durch eine geeignete Wahl der Verhältnis von Pulsdauer 38 und Frequenz des Güteschalters 16 erreicht werden kann.

Mit dem hier vorgestellten System ist es möglich in kleineren Bearbeitungszeiten einen ausreichenden Mate­ rialabtrag zu erhalten, so daß ein Auswuchten des Werkstückes in Echtzeit-Überprüfung des Ergebnisses innerhalb von wenigen Minuten durchführbar ist. Insbe­ sondere ist mit dem hier vorgestellten Verfahren ge­ währleistet, daß keine Grate und keine Auswürfe im Ein­ stich-, Ausstich- und Seitenbereich der ausgehobenen Nuten und Flächen auftreten. Zudem ist es möglich, einen flächigen Abtrag mit einer definierten flachen unteren Bodenfläche 60 zu erzeugen.

Das vorgestellte Verfahren läßt sich natürlich auch auf andere technische Laseranwen­ dungen übertragen, bei denen ein kontrollierter Material­ abtrag an sich bewegenden Werkstücken 20 gewünscht ist. Insbesondere wird ein Materialabtrag an Werkstücken 20 ermöglicht, die aus zwei verschiedenen Materialien bestehen, z. B. aus Keramik und aus Stahl. Der Durchmes­ ser der hier beispielhaft im Zusammenhang mit den Fig. 3 und Fig. 5 bearbeiteten Werkstücke liegt im Bereich von 20 Millimetern. Aber es sind auch erheblich kleine Strukturen bearbeitbar.

Claims (7)

1. Verfahren zum Materialabtrag an einem bewegten Werkstück, bei dem mit einem gepulsten Laser ein gepulster, hochenergetischer Laserstrahl erzeugt wird, der mit einer Fokussiereinrichtung auf das bewegte Werkstück derart fokussiert wird, daß die Taille des Laserstrahls in einem Bereich zwischen der beaufschlagten Werkstückoberfläche und einigen Millimetern oberhalb von dieser angeordnet ist, bei dem mit einer Leitungseinrichtung Prozeßgase in den Bereich der vom Laserstrahl beaufschlagten Werkstückoberfläche eingeleitet werden und bei dem mit einer Laser- und Bewegungssteuerung die gepulste Laserstrahlung in mit der Bewegung des Werkstückes synchronisierter Einstrahlung auf einen vorbestimmten Teilbereich des Werkstückes zeitlich und räumlich ausgerichtet wird, dadurch gekennzeichnet, daß mit Hilfe eines Güteschalters zeitlich innerhalb jedes einzelnen Laserpulses des gepulsten Lasers eine Vielzahl von Energie-überhöhten Gütepulsen erzeugt werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Güteschalter ein elektro-optischer Modulator verwendet wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Güteschalter ein akusto-optischer Modulator verwendet wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Güteschalter eine Kerrzelle verwendet wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Prozeßgase aus einem im wesentlichen koaxial zum einfallenden Laserstrahl ausgerichteten Zuleitungssystem strömen, das in einem Abstand von 0,5 bis 3 Millimeter oberhalb des Werkstückes endet.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß als gepulster Laser ein Neodym-YAG-Festkörperlaser verwendet wird.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß als gepulster Laser ein CO₂-Gaslaser verwendet wird.