EP4288234A1 - Vorrichtung und verfahren zur laserbearbeitung eines werkstücks - Google Patents

Vorrichtung und verfahren zur laserbearbeitung eines werkstücks

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EP4288234A1
EP4288234A1 EP22701611.0A EP22701611A EP4288234A1 EP 4288234 A1 EP4288234 A1 EP 4288234A1 EP 22701611 A EP22701611 A EP 22701611A EP 4288234 A1 EP4288234 A1 EP 4288234A1
Authority
EP
European Patent Office
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zone
processing unit
laser processing
workpiece
focal zone
Prior art date
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Pending
Application number
EP22701611.0A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Tim Hesse
Daniel FLAMM
Myriam Kaiser
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Trumpf Laser und Systemtechnik SE
Original Assignee
Trumpf Laser und Systemtechnik GmbH
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Filing date
Publication date
Application filed by Trumpf Laser und Systemtechnik GmbH filed Critical Trumpf Laser und Systemtechnik GmbH
Publication of EP4288234A1 publication Critical patent/EP4288234A1/de
Pending legal-status Critical Current

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    • B23K2103/50—Inorganic materials other than metals or composite materials
    • B23K2103/54—Glass

Definitions

  • the invention relates to a device for laser processing a workpiece in a processing plane.
  • the invention relates to a method for laser machining a workpiece in a machining plane.
  • the invention is based on the object of providing a method as mentioned at the outset, by means of which a plurality of beveled modification regions can be formed on a workpiece with a reduced number of work steps and/or with a reduced processing time.
  • the device comprises a first laser processing unit for forming a first focus zone extending in a first main direction of extent and at least one further laser processing unit for forming at least one further focus zone which extends in a direction relative to the first main extent transversely oriented additional main extension direction, wherein the first focus zone and the at least one additional focus zone are spaced apart parallel to the processing plane by a working distance, the first laser processing unit with the first focus zone and the at least one additional laser processing unit with the at least one additional focus zone each along a line parallel to the processing plane oriented feed direction are movable and the workpiece from a for a laser beam, from which the first focus zone and the at least one other Fo kuszone are each formed, transparent material is made.
  • modification areas can be produced at one processing point of the workpiece, which are oriented transversely and in particular perpendicularly to the processing plane and at which the material of the workpiece can in particular be separated. It can thereby, for example, separate workpiece segments from the workpiece, which a separating area have a plurality of separating surfaces oriented transversely and in particular perpendicularly to the processing plane. In particular, these separating surfaces have a geometry that corresponds to the focus zones.
  • first laser processing unit and the at least one additional laser processing unit are spaced apart by a working distance, it is possible in particular to achieve quasi-simultaneous processing and/or time-delayed processing of the workpiece with the first focus zone and the at least one additional focus zone. In particular, it is then no longer necessary to use different devices for forming material modifications along processing lines oriented transversely to one another.
  • the working distance is greater than or equal to a length or a width of a workpiece segment to be separated from the workpiece in the machining plane.
  • each further focal zone is then assigned in particular a further main extension direction.
  • the at least one further laser processing unit is to be understood, for example, as a second laser processing unit and/or a third laser processing unit.
  • the at least one further focus zone should be understood to mean, for example, a second focus zone and/or a third focus zone.
  • the first focal zone and the at least one further focal zone are not necessarily formed in a straight line, but can also have a curved shape, for example.
  • the main extension direction of a focal zone is to be understood as meaning a direction of a straight line which runs through a start and end point of the focal zone.
  • the working distance is at least 1 mm and/or at most 100 cm.
  • first laser processing unit and the at least one further laser processing unit are arranged facing the same outside of the workpiece. In this way, in particular, a technically simple construction of the device can be implemented.
  • the first focal zone and the at least one further focal zone are coupled into the workpiece through the same outside of the workpiece or can be coupled into the workpiece through the same outside of the workpiece.
  • first focal zone and the at least one further focal zone are coupled into the workpiece from the same direction.
  • laser machining of the workpiece in a machining plane means that the workpiece is machined parallel and/or along the machining plane in the feed direction.
  • first main direction of extent and/or the further main direction of extent are each oriented transversely or perpendicularly to the processing plane.
  • material modifications are formed which extend transversely or perpendicularly to the processing plane, i.e. which extend in particular with a directional component in the depth direction of the workpiece.
  • the workpiece extends parallel to the processing plane.
  • a length direction and/or width direction of the workpiece is oriented parallel to the processing plane.
  • a depth direction of the workpiece is oriented perpendicular to the machining plane.
  • the first main extension direction is oriented parallel or transverse to a depth direction of the workpiece.
  • the processing plane is oriented parallel or at least approximately parallel to an outside of the workpiece facing the first laser processing unit and/or the second laser processing unit.
  • the first laser processing unit and the at least one further laser processing unit are arranged parallel to the processing plane at a distance from one another.
  • the first laser processing unit and the first focus zone as well as the at least one additional laser processing unit and the at least one additional focus zone can be moved relative to the workpiece in the feed direction and/or relative to the workpiece parallel to the processing plane.
  • the workpiece is plate-shaped and/or flat.
  • first laser processing unit and the at least one further laser processing unit are coupled to one another mechanically and/or in terms of control technology in such a way that a movement of the first laser processing unit and the first focus zone on the one hand and the at least one further laser processing unit and the at least one further focus zone on the other hand along a common feed direction takes place. In this way, simultaneous and/or time-delayed processing of different local areas of the workpiece can be achieved.
  • the first laser processing unit and the at least one additional laser processing unit are coupled to one another mechanically and/or in terms of control technology such that a movement of the first laser processing unit and the first focus zone on the one hand and the at least one additional laser processing unit and at least one further focus zone, on the other hand, takes place along processing contours that are oriented parallel to one another and/or are offset parallel to one another.
  • the device comprises a holding device on which the first laser processing unit and the at least one additional laser processing unit are arranged, the first laser processing unit having the first focus zone and the at least one additional laser processing unit having the at least one additional focus zone by means of the holding device are movable in a common feed direction.
  • a mechanical coupling of the first laser processing unit and the at least one further laser processing unit can be achieved in a technically simple manner.
  • the first laser processing unit and the at least one additional laser processing unit each have a housing, by means of which the first laser processing unit and the at least one additional laser processing unit are arranged and/or attached to the holding device.
  • the further main extension direction is oriented at an angle of at least 1° and/or at most 89° to the first main extension direction.
  • first focal zone and the at least one further focal zone are arranged in sections at the same positions with respect to a depth direction perpendicular to the processing plane, and/or if the first focal zone and the at least one further focal zone are arranged in sections with respect to a depth direction perpendicular to the processing plane are placed in different positions.
  • material modifications can be produced along machining lines that are oriented differently to one another in different depth sections of the workpiece.
  • the first focal zone and the at least one further focal zone overlap in sections with respect to a depth direction oriented perpendicular to the processing plane.
  • the first focal zone and the at least one further focal zone adjoin one another with respect to a depth direction oriented perpendicular to the processing plane.
  • a smallest distance between the first focal zone and the at least one further focal zone in the depth direction is at most 10% of a length of the first focal zone.
  • the first focal zone and the at least one further focal zone extend in a common plane, which is oriented in particular perpendicularly to the processing plane.
  • the device comprises an adjustment device for adjusting the working distance, which is oriented parallel to the processing plane, between the first focus zone and the at least one additional focus zone and/or between the first laser processing unit and the at least one additional laser processing unit, with the working distance in particular being parallel to one to the processing plane parallel length direction and parallel to a processing plane parallel width direction.
  • the respective lengths of machining lines can be set on the material of the workpiece.
  • a respective length of a processing line and/or separating line generated by means of the at least one further focus zone can be adjusted with respect to a length of a processing line and/or separating line generated by means of the first focus zone at a specific processing point of the workpiece.
  • the working distance/the working distances are selected in such a way that a desired geometry is produced in a processing point and/or in a parting area of the workpiece.
  • an (imagined) shift of the first focal zone in the direction of the at least one further focal zone by the working distance at least one of the following applies:
  • the at least one further focal zone or all further focal zones extend completely on a certain side or more than 60% on a certain side with respect to a plane in which the first focal zone lies;
  • the first focal zone and the at least one further focal zone border one another and/or overlap at least in sections;
  • the first focal zone and the at least one further focal zone form a spatially contiguous area.
  • the device comprises an adjustment device for the respective adjustment of a working position of the first focus zone and the at least one further focus zone with respect to a depth direction oriented perpendicularly to the processing plane.
  • the first focal zone and the at least one further focal zone can be adapted to the workpiece depth and/or workpiece thickness.
  • the first focus zone and the at least one further focus zone can thereby be positioned relative to one another parallel to the depth direction in order to set a target geometry.
  • a respective working position of the first focus zone and the at least one further focus zone is constant or at least approximately constant with respect to the depth direction during laser processing of the workpiece. It can be advantageous if the first focus zone formed by means of the first laser processing unit has a quasi-non-diffracting and/or a Bessel-like beam profile. As a result, a focus zone that is elongated parallel to the depth direction of the workpiece can be realized in a technically simple manner.
  • Quasi-non-diffracting rays and/or Bessel-like rays are to be understood in particular as rays in which a transverse intensity distribution is propagation-invariant.
  • the transverse intensity distribution is understood to mean, in particular, an intensity distribution in a cross-sectional plane oriented perpendicular to the main beam propagation direction.
  • the transverse intensity distribution is essentially constant along a longitudinal direction and/or beam propagation direction of the beams.
  • the first focus zone can be formed with an asymmetrical beam cross section.
  • the first focus zone formed by means of the first laser processing unit is asymmetrical and in particular elliptical in a cross section parallel to the processing plane. In this way, in particular, the formation of cracks in a material of the workpiece during the formation of material modifications by means of laser processing can be monitored.
  • the device has an adjustment device for rotating an alignment of a largest diameter of the cross section of the first focal zone in the processing plane, and in particular if the largest diameter can be aligned parallel to the feed direction by means of the adjustment device and in particular can be aligned automatically.
  • a controlled alignment of cracks during the laser processing of the material of the workpiece can be achieved essentially parallel to the feed direction.
  • This enables in particular an optimized separation of the material.
  • the largest diameter of the cross section of the first focus zone is rotated about an axis of rotation perpendicular to the processing plane.
  • the at least one additional focus zone formed by means of the at least one additional laser processing unit is formed by dividing a laser beam into a plurality of partial beams, with the partial beams being focused in adjacent partial areas of the at least one additional focus zone. In this way, a focal zone with a definable three-dimensional geometry can be realized in a technically simple manner.
  • the partial beams each have one of two different states of polarization, partial beams each having different states of polarization being focused in adjacent partial areas of the at least one further focus zone.
  • the feed direction is oriented perpendicularly to the at least one further focal zone.
  • the device has a coupling device for coupling an input laser beam into the first laser processing unit and into the at least one further laser processing unit, with the in-coupling device splits the input laser beam into a first partial beam for coupling into the first laser processing unit and into at least one further partial beam for coupling into the at least one further laser processing unit.
  • the device can be operated with a single laser source, for example.
  • the coupling device is a polarization beam splitting device for splitting the input laser beam into the first partial beam and the at least one further partial beam.
  • a division of the input laser beam can be implemented in a technically simple manner.
  • a respective polarization of the first partial beam and the at least one further partial beam can be set by means of the coupling device.
  • a respective intensity and/or a respective power of the first partial beam and the at least one further partial beam can be adjusted by means of the coupling device.
  • the at least one additional laser processing unit is used to form a second focus zone with a second main direction of extent and a third focus zone with a third main direction of extent, with the second main direction of extent and the third main direction of extent each being oriented transversely to the first main direction of extent.
  • two further focal zones are formed, namely a second focal zone and a third focal zone.
  • the second focal zone and the third focal zone are then arranged at a distance from one another with respect to a depth direction perpendicular to the processing plane and/or the first focal zone is arranged between the second focal zone and the third focal zone with respect to a depth direction perpendicular to the processing plane.
  • the second focal zone and the third focal zone each extend in the depth direction between an outer side of the workpiece and the first focal zone when the material of the workpiece is acted upon.
  • the first focus zone extends with respect to the depth direction between the second focus zone and the third focus zone and in particular completely between the second focus zone and the third focus zone.
  • a combination of the first focal zone and the at least one further focal zone extends from a first outer side of the workpiece to a second outer side of the workpiece, spaced apart from the first outer side in the depth direction.
  • the second focus zone and the third focus zone are arranged at least in sections at the same positions with respect to a width direction and/or length direction parallel to the processing plane. In this way, in particular, temporal processing of the material of the workpiece with the second focus zone and the third focus zone can be achieved.
  • the second focus zone and the third focus zone are arranged at a distance from one another with respect to a width direction and/or length direction parallel to the processing plane.
  • the first focus zone is then arranged between the second and the third focus zone.
  • the device comprises a single first laser processing unit and/or a single additional laser processing unit, with a second focus zone having a second main direction of extension and a third focus zone having a third main direction of extension being formed in particular by means of the additional laser processing unit, the second main direction of extension and the third main direction of extension being formed are each oriented transversely to the first main direction of extent and wherein the second focus zone and the third focus zone are arranged at least in sections at the same positions with respect to a width direction and/or length direction parallel to the processing plane.
  • two further focal zones are formed, for example by means of the further laser processing unit, namely a second focal zone and a third focal zone.
  • the second focal zone and the third focal zone overlap when projected onto the processing plane.
  • the device comprises a single first laser processing unit and/or a second laser processing unit and a third laser processing unit, with a second focus zone being formed in particular by means of the second laser processing unit and a third focus zone being formed by means of the third laser processing unit, with the second focus zone and the third Focus zones are each oriented transversely to the first focus zone and the second focus zone and the third focus zone are spaced apart with respect to a width direction and/or length direction parallel to the processing plane.
  • two additional laser processing units and two additional focus zones are present.
  • a method for laser processing a workpiece in which a first focus zone extending in a first main direction of extent is formed using a first laser processing unit and at least one further focus zone is formed using at least one further laser processing unit, which extends into one direction relative to the first main extension direction transversely oriented additional main extension direction, wherein the first focus zone and the at least one additional focus zone are spaced apart parallel to the processing plane by a working distance, the workpiece is subjected to the first focus zone and the at least one additional focus zone, the first laser processing unit with the first focus zone and the at least one additional laser processing unit with the at least one additional focus zone can be moved relative to the workpiece along a feed direction oriented parallel to the processing plane, and wherein the workpiece consists of a laser beam from which the first focus zone and the at least one additional focus zone are each formed, transparent material is made.
  • the method according to the invention has in particular one or more features and/or advantages of the device according to the invention.
  • the method according to the invention can be carried out using the device according to the invention.
  • the device according to the invention carries out the method according to the invention.
  • the workpiece is acted upon at a specific processing point with the first focus zone and with the at least one further focus zone at a different time.
  • this allows material modifications to be produced at a specific machining point along machining lines oriented transversely to the machining plane with a time offset relative to a machining line oriented perpendicularly to the machining plane.
  • the workpiece is acted upon first with the at least one further focus zone and then with the first focus zone, or vice versa.
  • the at least one further laser processing unit is used to form a second focus zone and a third focus zone, which are each oriented transversely to the first focus zone, with the second focus zone and the third focus zone being spaced apart from one another with respect to a depth direction oriented perpendicularly to the processing plane are arranged and/or wherein the first focus zone is arranged between the second focus zone and the third focus zone with respect to a depth direction oriented perpendicularly to the processing plane.
  • the second focus zone and the third focus zone are applied to the workpiece at the same time at a specific processing point and the first focus zone is applied to the workpiece at this processing point with a time offset to the impact of the second focus zone and the workpiece on the workpiece third focal zone takes place.
  • a value of a time difference between an impact on the workpiece at a specific processing point with the first focus zone and with the at least one further focus zone corresponds to a quotient of the working distance and the feed rate (at constant feed rate and feed direction).
  • the workpiece is acted upon by the first focus zone, the second focus zone and the third focus zone at different times, in particular where the workpiece is acted upon by the first focus zone in terms of time between the workpiece being acted upon by the second focal zone and with the third focal zone.
  • the device according to the invention and/or the method according to the invention have one or more of the following features.
  • a movement of the first laser processing unit in the feed direction causes a corresponding movement of the first focus distribution in the feed direction.
  • a movement of the at least one further laser processing unit in the feed direction causes a corresponding movement of the at least one further focus distribution in the feed direction.
  • the first focus zone and/or the at least one further focus zone are each formed in a straight line and/or oblong and/or line-like and/or elongated.
  • the first focal zone and/or the at least one further focal zone each extend parallel to a straight line.
  • the first focus zone and the at least one further focus zone each form a spatially connected interaction area for laser processing of the workpiece, wherein in particular by impinging on a material of the workpiece with this interaction area, localized material modifications can be formed in the interaction area, by means of which in particular a separation of the material is made possible .
  • the first focal zone and/or the at least one further focal zone it is possible for the first focal zone and/or the at least one further focal zone to have zeros and/or interruptions, with these zeros and/or interruptions being compared in particular with a (total) length of the first focal zone and/or the at least one further focal zones are small.
  • relative movement of the workpiece with respect to the first focal zone and the at least one further focal zone in the material of the workpiece produces material modifications along a processing line and/or processing surface assigned to the first focal zone and the at least one further focal zone.
  • the workpiece can be separated or is separated by the formation of material modifications by means of the first focal zone and the at least one further focal zone along a machining line and/or machining surface.
  • the material of the workpiece can be separated along the processing line and/or processing surface by applying thermal stress and/or mechanical stress and/or by etching using at least one wet-chemical solution is separated.
  • the etching takes place in an ultrasonically assisted etching bath.
  • the input laser beam is a pulsed laser beam or an ultra-short pulsed laser beam.
  • the first focal zone and/or the at least one further focal zone are formed by means of a pulsed laser beam or ultra-short pulse laser beam.
  • control electronics for locally resolved pulse control in particular including pulse-on-demand, can be provided.
  • a workpiece holder is provided for the workpiece, which in particular has a non-reflective and/or highly scattering surface.
  • the device comprises a laser source for providing an input laser beam for coupling into the first laser processing unit and into the at least one further laser processing unit, with the laser source providing in particular a pulsed laser beam or an ultra-short pulse laser beam.
  • a wavelength of the input laser beam is at least 300 nm and/or at most 1500 nm.
  • the wavelength is 515 nm or 1030 nm.
  • the input laser beam has an average power of at least IW to 1kW.
  • the input laser beam includes pulses with a pulse energy of at least 10 pJ and/or at most 50 mJ. It can be provided that the input laser beam comprises individual pulses or bursts, the bursts having 2 to 20 sub-pulses and in particular a time interval of approximately 20 ns.
  • a transparent material is to be understood in particular a material through which at least 70% and in particular at least 80% and in particular at least 90% of a laser energy of the first focal zone and/or the at least one further focal zone are transmitted.
  • the first focal zone and/or the at least one further focal zone is considered in a modified intensity distribution, which only contains intensity values has, which are above a certain intensity threshold.
  • the intensity threshold is selected here, for example, in such a way that values lying below this intensity threshold have such a low intensity that they are no longer relevant for an interaction with the material for the formation of material modifications.
  • the intensity threshold is 50% of a global intensity maximum of the actual intensity distribution.
  • the first focal zone and/or the at least one further focal zone is to be understood in particular as a spatially connected range of intensities above the intensity threshold mentioned, with this range being interrupted with a spatial extent of at most 10% and in particular at most 5% of a maximum extent and/or or a maximum length of the first focal zone and/or the at least one further focal zone.
  • Such interruptions in the first focal zone and/or the at least one further focal zone arise, for example, when they are formed by dividing a laser beam into a plurality of partial beams and focusing the partial beams in adjacent partial areas. It comes from that for example, a formation of the focus zone by lining up spaced-apart focused points of light.
  • FIG. 1 shows a first exemplary embodiment of a device for laser processing of a workpiece with a first laser processing unit and a second laser processing unit;
  • FIG. 2 shows a further exemplary embodiment of a device for laser processing of a workpiece with a first laser processing unit, a second laser processing unit and a third laser processing unit;
  • 3a shows a cross-sectional representation of a simulated intensity distribution of an example of a first focus zone in an x-z plane oriented parallel to a main direction of extent of the first focus zone;
  • FIG. 3b shows a cross-sectional illustration of the intensity distribution of the first focal zone according to FIG. 3a in an xy plane oriented perpendicularly to the main direction of extent
  • FIG. 4a shows a cross-sectional illustration of a simulated intensity distribution of a further example of a first focus zone in an xz plane oriented parallel to a main direction of extension of the first focus zone;
  • FIG. 4b shows a cross-sectional illustration of the intensity distribution of the focal zone according to FIG. 4a in an x-y plane oriented perpendicularly to the main direction of extension;
  • 5a shows a cross-sectional representation of a simulated intensity distribution of an example of a second focal zone and a third focal zone in a y-z plane oriented parallel to a respective main extension direction of the second or third focal zone;
  • 5b shows a cross-sectional illustration of a simulated intensity distribution of an example of a second focus zone in a y-z plane oriented parallel to a main direction of extent of the second focus zone;
  • 5c shows a cross-sectional representation of a simulated intensity distribution of an example of a third focus zone in a y-z plane oriented parallel to a main direction of extent of the third focus zone;
  • Fig. 6 shows a schematic cross-sectional representation of a workpiece segment machined by means of the device and subsequently separated off in an x-y plane oriented parallel to the width direction and length direction of the workpiece;
  • FIG. 7 shows a schematic cross-sectional illustration of the workpiece segment according to FIG. 6 in a yz plane oriented parallel to the depth direction of the workpiece; 8 shows a schematic cross-sectional illustration of a section of a workpiece in the yz plane, which is modified by being acted on by means of a second and a third focal zone;
  • Fig. 9 shows a schematic cross-sectional representation of a section of a workpiece in the y-z plane, which is modified by means of a first focal zone at a machining point already modified by means of the second and third focal zones;
  • FIG. 10 shows a schematic cross-sectional illustration of the section of the workpiece according to FIG. 9, a beam path of partial beams for forming the first focal zone being shown;
  • Figure 11 is a schematic cross-sectional representation of a portion of a workpiece in the y-z plane on which material modifications are formed along curved machining lines by imparting curved focal zones to the material.
  • FIG. 1 A first exemplary embodiment of a device for laser machining a workpiece is shown in FIG. 1 and is denoted by 10 there.
  • the device 10 can be used to produce localized material modifications on a material 12 of a workpiece 14, such as flaws in the submicrometer range or at the atomic level, which result in a material weakening.
  • the workpiece 14 can be separated into workpiece segments that are different from one another, for example, in a subsequent step, or workpiece segments can be separated out of the workpiece 14, for example.
  • the device 10 comprises a laser source 16 (indicated in Fig.
  • the input laser beam 18 is in particular a pulsed laser beam and/or an ultra-short pulsed laser beam.
  • the input laser beam 18 is a Gaussian beam and/or has a diffractive beam profile.
  • the device 10 comprises a first laser processing unit 20 and a second laser processing unit 22 arranged at a distance from the first laser processing unit 20.
  • the device 10 For coupling the input laser beam 18 into the first laser processing unit 20 and into the second laser processing unit 22, the device 10 comprises, for example, a coupling device 24.
  • This coupling device 24 is used to convert the input laser beam 18 into a first partial beam 26 for coupling into the first laser processing unit 20 and into a second partial beam 28 for coupling into the second laser processing unit 22 divided.
  • first laser processing unit 20 and into the second laser processing unit 22 it would also be possible to couple different laser beams from different laser sources into the first laser processing unit 20 and into the second laser processing unit 22 .
  • a separate laser source would be provided for each of the first laser processing unit 20 and the second laser processing unit 22 .
  • the input laser beam 18 is split by polarization beam splitting.
  • the coupling device 24 includes a polarization element 30 for setting a polarization direction of the input laser beam 18.
  • the polarization element 30 is or includes a retardation plate, such as a lambda/2 or a lambda/4 plate.
  • This polarization element 30 is arranged in the beam path of the input laser beam 18 . After passing through the polarization element 30, the input laser beam has, for example, linear polarization with a defined direction of polarization. In principle, it is also possible for circularly or elliptically polarized light to be generated by means of the polarization element 30 .
  • the coupling device 24 also includes a polarization beam splitting element 32 for splitting the input laser beam 18 into the first partial beam 26 and the second partial beam 28.
  • This polarization beam splitting element 32 is arranged behind the polarization element 30 in relation to a beam propagation direction 34 of the input laser beam 18. For example, the polarization beam splitting element 32 is arranged on the first laser processing unit 20 .
  • the first partial beam 26 is formed by partial reflection of the input laser beam 18 at the polarization beam splitting element 32 and is deflected and/or coupled into the first laser processing unit 20 .
  • the second partial beam 28 is formed, for example, by partial transmission of the input laser beam 18 and passed through to the second laser processing unit 22 .
  • a mirror element 36 is provided in particular, which is arranged on the second laser processing unit 22, for example.
  • the first laser processing unit 20 has, for example, an axicon element (not shown).
  • the first focus zone 38 has a first main extension direction 40 along which the first focus zone 38 extends.
  • this first main extension direction 40 is oriented perpendicularly to a machining plane 42 (indicated in FIG. 1 ), in which the workpiece 14 can be machined by means of the device 10 .
  • the first focal zone 38 is to be understood in particular as a global maximum intensity distribution 50 which is in particular spatially coherent. In particular, only this global maximum intensity distribution 50 is relevant for an interaction with the material 12 of the workpiece 14 to be processed.
  • the maximum intensity distribution 50 is surrounded, for example, by secondary intensity distributions 52, which occur in particular in the practical implementation of the first focus zone 38. These secondary intensity distributions 52 are in particular arranged around the maximum intensity distribution 50 and/or arranged at a distance from the maximum intensity distribution 50 .
  • the secondary intensity distributions 52 are or include secondary maxima, for example.
  • FIG. 3b shows a cross section of the first focus zone 38 shown in FIG. 3a in an x-y plane oriented perpendicularly to the first main extension direction 40.
  • the first focal zone 38 has a symmetrical cross-section.
  • a diameter do of the first focal zone 38 is the same in any direction lying in the x-y plane.
  • the first focus zone 38 is circular in a cross-section oriented perpendicularly to the first main extension direction 40 .
  • the first focus zone 38 produced by means of the first laser processing unit 20 has an asymmetrical cross section in the x-y plane (FIGS. 4a and 4b).
  • the first focus zone 38 is formed by means of two parallel quasi-non-diffracting and/or Bessel-like beams (FIG. 4a).
  • the two beams are aligned with one another in such a way that they at least partially overlap, thereby forming a spatially coherent focal zone.
  • the first focus zone 38 is to be understood as the maximum intensity distribution 50, analogously to the example explained in FIGS. 3a and 3b.
  • the secondary intensity distributions 52 are negligible for an interaction with the material 12 of the workpiece 14 .
  • the first focal zone 38 has a largest diameter dmax, which is oriented parallel to the longitudinal direction x, for example.
  • a length I of the first focal zone 38 is, for example, in the range of micrometers, for example 300 ⁇ m to 2000 ⁇ m. In the example shown, this length I is oriented parallel to the first main extension direction 40 .
  • the diameter do or the maximum diameter dmax is in the micrometer range, for example.
  • the second partial beam 28 is imaged in a second focal zone 54 and a third focal zone 56 by means of the second laser processing unit 22 (FIGS. 5a, 5b and 5c).
  • the second focus zone 54 and the third focus zone 56 are formed by forming corresponding 3D focus distributions using the second laser processing unit 22 .
  • the second focus zone 54 has a second main direction of extension 58 and the third focus zone 56 has a third main direction of extension 60 .
  • the second focus zone 54 extends parallel to the second main direction of extent 58 and the third focus zone 56 extends parallel to the third main direction of extent 60.
  • the second direction of main extent 58 and the third direction of main extent 60 are each oriented transversely to the first direction of main extent 40 .
  • a respective orientation and/or a respective angle between the second main direction of extent 58 and the first main direction of extent 40 or between the third main direction of extent 60 and the first main direction of extent 40 can be adjusted.
  • the second main extension direction 58 and the third main extension direction 60 each enclose a smallest angle ⁇ of approximately 25° with the first main extension direction 40 .
  • the second focal zone 54 and the third focal zone 56 are in particular each formed from a plurality of partial beams which are focused in adjacent partial regions 62 of the second focal zone 54 and the third focal zone 56 .
  • partial regions 62 adjacent to one another, into which the partial beams are focused are arranged spatially so close to one another that a spatially coherent region results with regard to an interaction with the material 12 of the workpiece 14 .
  • a spatially contiguous area of material modifications can be formed on the material 12 of the workpiece 14 by means of the second focus zone 54 and the third focus zone 56, so that the latter can be separated in this contiguous area, in particular after the laser processing has been carried out.
  • the partial areas 62 lie on a straight line which is oriented parallel to the second main direction of extent 58 or to the third main direction of extent 60 .
  • the second partial beam 28 coupled into the second laser processing unit 22 is divided by the second laser processing unit 22 into a plurality of further partial beams, each of which has different states of polarization.
  • partial beams each having different states of polarization are then focused in adjacent partial regions 62 of the second focal zone 54 and the third focal zone 56 .
  • the second focal zone 54 has, for example, a length I2 in the micrometer range, for example a length I2 of 100 ⁇ m to 400 ⁇ m.
  • the third focal zone 56 has, for example, a length I3 in the micrometer range, for example a length I3 of 100 ⁇ m to 400 ⁇ m.
  • the workpiece 14 has, for example, a first outside 64 and a second outside 66 spaced apart from the first outside 64 parallel to the depth direction z.
  • the first laser processing unit 20 and the second laser processing unit 22 are each arranged to face the first outer side 64 .
  • the first focal zone 38, the second focal zone 54 and the third focal zone 56 can be coupled into the workpiece 14 coming from the same direction and/or through the same outside of the workpiece 14.
  • the first laser processing unit 20 and the second laser processing unit 22 are spaced apart from one another by a working distance A, with a distance direction being oriented parallel to the length direction x and/or to the width direction y.
  • a working distance A is oriented parallel to the length direction x and/or to the width direction y.
  • the device 10 includes in particular a setting device 68.
  • This setting device 68 can be used in particular to set and/or define the working distance A in a fixed manner during operation of the device 10.
  • the device 10 has an adjustment device
  • a respective Working position 72 (indicated in FIGS. 3a and 5a) of the first focus zone 38 and/or the second focus zone 54 and/or the third focus zone 56 can be adjusted.
  • first focus zone 38 and/or the second focus zone 54 and/or the third focus zone 56 can be displaced relative to one another with respect to the depth direction z by means of the adjustment device 70 .
  • the device 10 comprises an adjustment device 74, by means of which, in the case of an asymmetrical cross section of the first focal zone 38, an alignment 76 and/or an orientation (indicated in Fig. 4b) of the largest diameter d max in the processing plane 42 is adjustable.
  • the first laser processing unit 20 and the second laser processing unit 22 can each be moved parallel to an in particular common feed direction 78 relative to the workpiece 14 , this feed direction 78 being oriented parallel to the processing plane 42 .
  • the first laser processing unit 20 and the second laser processing unit 22 are coupled to one another in terms of control technology and/or mechanically in such a way that during operation of the device 10 they are moved relative to the workpiece along the common feed direction 78, with the working distance A between the first laser processing unit 20 and the second laser processing unit 22 is constant during operation of the device 10.
  • the device 10 includes a holding device 79 on which the first laser processing unit 20 and the second laser processing unit 22 are arranged.
  • a movement of the holding device 79 in the feed direction 78 leads to a corresponding movement of the first laser processing unit 20 and the second laser processing unit 22 in the feed direction.
  • the first laser processing unit 20 and the second laser processing unit 22 each have a housing 81, by means of which the first laser processing unit 20 and the second laser processing unit 22 are each arranged and/or attached to the holding device 79.
  • a movement of the first laser processing unit 20 in a specific feed direction 78 causes a corresponding movement of the associated first focus zone 38 in this feed direction 78 relative to the workpiece 14.
  • a movement of the second laser processing unit 22 in a specific feed direction 78 causes a corresponding movement of the associated second focus zone 54 and third focus zone 56 in this feed direction 78 relative to the workpiece 14.
  • the alignment 76 of the largest diameter d max is aligned parallel to the feed direction 78 by means of the adjustment device 74 and in particular is automatically aligned parallel to the feed direction 78 .
  • the device 10 has an adjustment device 80 by means of which the second focus zone 54 and the third focus zone 56 can each be rotated about an axis of rotation 82 oriented perpendicularly to the processing plane 42 .
  • This axis of rotation 82 is not necessarily arranged symmetrically to an extension of the second focal zone 54 or the third focal zone 56, but is assigned, for example, to a respective starting point 84 or an end point 86 of the second focal zone 54 or the third focal zone 56 (indicated in Fig. 5a).
  • the axis of rotation 82 may be oriented transversely or parallel to the working plane 42 .
  • An alignment 88 and/or orientation of the second focal zone 54 and the third focal zone 56 assigned to the axis of rotation 82 can be set during operation of the device 10 by means of the setting device 80 .
  • the second focus zone 54 and the third focus zone 56 is aligned at a fixed angle ⁇ to the feed direction 78 and, in particular, is automatically aligned (FIG. 8).
  • the angle ⁇ selected by means of the setting device 80 is ten 90° when the device is in operation.
  • the first focal zone 38, the second focal zone 54 and the third focal zone 56 are not necessarily formed in a straight line. In principle, it is also possible for the first focus zone 38 and/or the second focus zone 54 and/or the third focus zone 56 to have a curved shape and/or to have a curved longitudinal central axis (indicated in FIG. 11).
  • the respective main extension direction 40, 58, 60 of the focal zone 38, 54, 56 is to be understood, for example, as a direction of a straight line which runs through the starting point 84 and the end point 86 of the associated focal zone 38, 54, 56.
  • a further embodiment of a device 10' shown in FIG. 2 differs from the above-described embodiment of the device 10 according to FIG that a separate laser processing unit is provided to form the second focal zone 54 and the third focal zone 56 .
  • the device 10' has one or more features and/or advantages of the device 10 described above.
  • the device 10 ′ comprises the first laser processing unit 20 which is set up to form the first focus zone 38 .
  • Device 10' further comprises a second laser processing unit 90 and a third laser processing unit 92.
  • the second laser processing unit 90 and the third laser processing unit 92 are in particular of the same design and/or have in particular the same mode of operation as the second laser processing unit 22 described above, so that in this respect the above description is referred to.
  • the second laser processing unit 90 and the third laser processing unit 92 have a number of features and/or advantages of the second laser processing unit 22 described above.
  • the second focus zone 54 is formed using the second laser processing unit 90 and the third focus zone 56 is formed using the third laser processing unit 92 .
  • the second laser processing unit 90 is spaced apart from the first laser processing unit 20 by a first working distance Ai
  • the third laser processing unit 92 is spaced apart from the first laser processing unit 20 by a second working distance A2, with a respective spacing direction of the working distance Ai and of the Working distance A2 is oriented parallel to the processing plane 42.
  • the second focus zone 54 created by the second laser processing unit 90 is spaced from the first focus zone 38 created by the first laser processing unit 20 at the working distance Ai, and the third focus zone 56 created by the third laser processing unit 92 is spaced from the first focus zone 38 at the working distance A2.
  • the first laser processing unit 20 or the first focus zone 38 is arranged between the second laser processing unit 90 or the second focus zone 54 and the third laser processing unit 92 or the third focus zone 56 with respect to the length direction x and/or the width direction y.
  • the laser processing units 20, 90, 92 or the focus zones 38, 54, 56 with respect to the length direction x and/or the width direction y are positioned in any other order.
  • the first laser processing unit 20, the second laser processing unit 90 and the third laser processing unit 92 are arranged on the holding device 79 and can be moved by means of the holding device 79 parallel to the common feed direction 78 relative to the workpiece 14.
  • the first focus zone 38, the second focus zone 54 and the third focus zone 56 can be moved relative to the workpiece 14 parallel to the common feed direction 78.
  • the device 10′ includes a coupling device 24′, which basically has the same functionality as the coupling device 24 described above, so that in this respect reference is made to its description above.
  • the in-coupling device 24' has one or more features and/or advantages of the in-coupling device 24 described above.
  • the input laser beam 18 is divided by means of the coupling device 24' into a first partial beam 94 for coupling into the third laser processing unit 92, a second partial beam 96 for coupling into the first laser processing unit 20 and a third partial beam 98 for coupling into the second laser processing unit 90 and in particular divided by means of polarization beam splitting.
  • the in-coupling device 24′ comprises a first polarization element 30a and a second polarization element 30b arranged behind the first polarization element 30a in the beam propagation direction 34 .
  • a first polarization beam splitting element 32a for splitting the input laser beam 18 into the first partial beam 94 and a transmitted beam 100 is arranged between the first polarization element 30a and the second polarization element 30b.
  • This transmitted beam 100 strikes the second polarization element 30b and is then split into the second partial beam 96 and the third partial beam 98 by means of a second polarization beam splitting element 32b.
  • An intensity ratio and/or power ratio of the first partial beam 94, the second partial beam 96 and the third partial beam 98 can be adjusted by means of the first polarization beam splitting element 32a and the second polarization beam splitting element 32b.
  • the device 10 works as follows:
  • One or more workpiece segments 101 can be separated from the workpiece 14 by laser processing of the workpiece 14 using the device 10 .
  • the material 12 of the workpiece 14 is exposed to the first focus zone 38 , the second focus zone 54 and the third focus zone 56 .
  • the second focus zone 54 and the third focus zone 56 are arranged and formed by means of the second laser processing unit 22 in such a way that the second focus zone 54 is arranged at a distance from the third focus zone 56 in the depth direction z and/or that the second focus zone 54 and the third focus zone 56 are arranged at the same positions with respect to the length direction x and/or the width direction y.
  • the first focal zone 38 is arranged and formed in such a way that it extends between the second focal zone 54 and the third focal zone 56 and, in particular, completely between the second focal zone 54 and the third focal zone 56 with respect to the depth direction z.
  • the first focus zone 38 is here with the Working distance A to the second focal zone 54 and the third focal zone 56 spaced. In the situation shown in FIG. 1, this working distance A is oriented parallel to the feed direction 78, for example.
  • the third focal zone 56 extends within the material 12 with respect to the depth direction z between the second outer side 66 of the workpiece 14 and the first focal zone 38.
  • the second focal zone 54 extends with respect to the depth direction z between the first focal zone 38 and the first outer side 64 .
  • Respective positions of the first focal zone 38, the second focal zone 54 and the third focal zone 56 in the depth direction can be set, for example, by means of the setting device 70.
  • first focus zone 38, the second focus zone 54 and the third focus zone 56 for processing the workpiece 14 extend in a common plane, which is oriented in particular perpendicularly to the processing plane 42. This can be implemented, for example, by appropriate adjustment using the setting devices 68 and 80 .
  • the material modifications produced at the processing point 102 by means of the second focus zone 54 are arranged along a second processing line 104 .
  • material modifications are formed along a third processing line 106 at the processing point 102 by means of the third focus zone 56 .
  • material modifications are formed along a respective processing surface and/or processing plane, which, for example, is parallel to second processing line 104 and to Feed direction 78 or parallel to the third processing line 106 and to the feed direction 78 is oriented.
  • the first focus zone 38 hits the processing point 102 of the workpiece 14 under consideration after the second focus zone 54 or the third focus zone 56 (FIG. 9), with a time interval corresponding, for example, to a quotient of the working distance and the feed rate (at a constant feed rate and feed direction). .
  • material modifications are produced in the material 12 along a first processing line 108 by subjecting the material 12 to the first focal zone 38, with material modifications being formed along a corresponding processing surface and/or processing plane by moving the first focal zone 38 relative to the material 12, which is oriented parallel to the first processing line 108 and to the feed direction 78, for example.
  • a respective length and/or shape of the first processing line 108 or the second processing line 104 or the third processing line 106 corresponds in particular to a respective length and/or shape of the first focus zone 38 or the second focus zone 54 or the third focus zone 56 upon impingement of the workpiece 14 within the material 12.
  • the first processing line 108 has a length l' corresponding to the first focal zone 38
  • the second processing line 104 has a length l'2 corresponding to the second focal zone 54
  • the third processing line 106 has a length l' corresponding to the third focal zone 56. 3 on.
  • the workpiece 14 is laser machined by means of the device 10 along predetermined machining contours 110, the machining contours 110 being closed contours, for example.
  • material modifications are formed on the material 12 along the processing surfaces assigned to the processing lines 104, 106, 108, at which the material 12 can be separated.
  • workpiece segments 101 can be separated from the workpiece 14 and/or separated from the workpiece 14 .
  • a workpiece segment 101 is separated, for example, by thermal stress and/or by applying mechanical stress and/or by etching using at least one wet chemical solution, for example in an ultrasonically assisted etching bath.
  • a geometry of the workpiece segment 101 in a separation area 112 and/or edge area corresponds to a geometry of the first focus zone 38, the second focus zone 54 and the third focus zone 56, by means of which the workpiece 14 was previously acted upon.
  • the workpiece segment 101 has, in particular, beveled edges 114 (chamfers), which were produced by means of the second focus zone 54 and the third focus zone 56 .
  • the assigned second processing line 104 or third processing line 106 also have a correspondingly curved shape (FIG. 11). As a result, rounded edges can be formed in the separating area 112, for example.
  • the corresponding lengths I, I2 and I3 or I, 1'2 and 1 '3 define.
  • edge lengths in the separating region 112 can thereby be defined.
  • the alignment 76 of the largest diameter dmax is aligned parallel to the feed direction 78 by the adjustment device 74 in particular. This leads to the formation of cracks in the material 12, which are at least approximately parallel to the feed direction 74 and/or to the corresponding processing plane are aligned, which in particular enables improved material separation.
  • first focal zone 38 with an asymmetrical cross-section and the setting of the alignment 76 parallel to the preferred direction 78 is particularly relevant when, as in the case of the example described above, the processing point 102 is exposed to the first focal zone 38 after it has already been exposed to the second focal zone 54 was applied.
  • partial beams 116 are shielded, by means of which the first focus zone 38 is formed (indicated in FIG. 10).
  • This can, particularly in the case of a symmetrical cross-section of the first focal zone 38, disrupt the formation of cracks in the material 12 and, for example, disrupt it in such a way that cracks are formed at different angles to the preferred direction 78 and/or not essentially parallel to the feed direction 78, as desired.
  • a first focal zone 38 with an asymmetrical cross section and adjustment of the orientation 76 parallel to the feed direction 78 can also control crack formation in this situation such that cracks are formed essentially parallel to the feed direction 78 .
  • the device 10' shown in Fig. 2 basically has the same functionality as the device 10.
  • the second focus zone 54 is spaced from the first focus zone 38 by the working distance Ai and the third focus zone 56 is spaced from the first focus zone 38 by the working distance A2, with the first focus zone 38 located between the second focal zone 54 and the third focal zone 56 .
  • material modifications are first formed along the second processing line 104 at a specific processing point 102 of the workpiece 14, then along the first processing line 108 and then along the third processing line 106.
  • the order in which the first processing line 108, the second processing line 104 and the third processing line 106 are formed can be in any different order.
  • the devices 10, 10' can be appropriately adapted and/or set if necessary.
  • Alignment second laser processing unit third laser processing unit first partial beam second partial beam third partial beam transmitted beam

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Laserbearbeitung eines Werkstücks (14) in einer Bearbeitungsebene (42), umfassend eine erste Laserbearbeitungseinheit (20) zur Ausbildung einer sich in eine erste Haupterstreckungsrichtung (40) erstreckende erste Fokuszone (38) und mindestens eine weitere Laserbearbeitungseinheit (22; 90, 92) zur Ausbildung mindestens einer weiteren Fokuszone (54, 56), welche sich in eine zu der ersten Haupterstreckungsrichtung (40) quer orientierte weitere Haupterstreckungsrichtung (58, 60) erstreckt, wobei die erste Fokuszone (38) und die mindestens eine weitere Fokuszone (54, 56) parallel zur Bearbeitungsebene (42) mit einem Arbeitsabstand (A; A1, A2) beabstandet sind, die erste Laserbearbeitungseinheit (20) mit der ersten Fokuszone (38) und die mindestens eine weitere Laserbearbeitungseinheit (22; 90, 92) mit der mindestens einen weiteren Fokuszone (54, 56) jeweils entlang einer parallel zur Bearbeitungsebene (42) orientierten Vorschubrichtung (78) bewegbar sind und wobei das Werkstück (14) aus einem für einen Laserstrahl, aus welchem die erste Fokuszone (38) und die mindestens eine weitere Fokuszone (54, 56) jeweils ausgebildet sind, transparenten Material (12) hergestellt ist.

Description

Vorrichtung und Verfahren zur Laserbearbeitung eines Werkstücks
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Laserbearbeitung eines Werkstücks in einer Bearbeitungsebene.
Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Laserbearbeitung eines Werkstücks in einer Bearbeitungsebene.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein eingangs genanntes Verfahren bereitzustellen, mittels welchem an einem Werkstück mehrere abgeschrägte Modifikationsbereiche mit einer verringerten Anzahl an Arbeitsschritten und/oder mit einer verringerten Bearbeitungsdauer ausbildbar ist.
Diese Aufgabe wird bei der eingangs genannten Vorrichtung erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die Vorrichtung eine erste Laserbearbeitungseinheit zur Ausbildung einer sich in eine erste Haupterstreckungsrichtung erstreckende erste Fokuszone und mindestens eine weitere Laserbearbeitungseinheit zur Ausbildung mindestens einer weiteren Fokuszone umfasst, welche sich in eine zu der ersten Haupterstreckungsrichtung quer orientierte weitere Haupterstreckungsrichtung erstreckt, wobei die erste Fokuszone und die mindestens eine weitere Fokuszone parallel zur Bearbeitungsebene mit einem Arbeitsabstand beabstandet sind, die erste Laserbearbeitungseinheit mit der ersten Fokuszone und die mindestens eine weitere Laserbearbeitungseinheit mit der mindestens einen weiteren Fokuszone jeweils entlang einer parallel zur Bearbeitungsebene orientierten Vorschubrichtung bewegbar sind und wobei das Werkstück aus einem für einen Laserstrahl, aus welchem die erste Fokuszone und die mindestens eine weitere Fokuszone jeweils ausgebildet sind, transparenten Material hergestellt ist.
Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung lassen sich insbesondere an einer Bearbeitungsstelle des Werkstücks mehrere zur Bearbeitungsebene quer und insbesondere senkrecht orientierte Modifikationsbereiche erzeugen, an welchen das Material des Werkstücks insbesondere trennbar ist. Es lassen sich dadurch beispielsweise Werkstücksegmente von dem Werkstück abtrennen, welche an einem Trennbereich mehrere zur Bearbeitungsebene quer und insbesondere senkrecht orientierte Trennflächen aufweisen. Diese Trennflächen weisen insbesondere eine zu den Fokuszonen korrespondierende Geometrie auf.
Dadurch, dass die erste Laserbearbeitungseinheit und die mindestens eine weitere Laserbearbeitungseinheit mit einem Arbeitsabstand beabstandet sind, lässt sich insbesondere eine quasi-simultane Bearbeitung und/oder zeitversetzte Bearbeitung des Werkstücks mit der ersten Fokuszone und der mindestens einen weiteren Fokuszone erreichen. Ein Einsatz voneinander verschiedener Vorrichtungen zur Ausbildung von Materialmodifikationen entlang quer zueinander orientierten Bearbeitungslinien ist dann insbesondere nicht mehr notwendig.
Beispielsweise ist der Arbeitsabstand größer oder gleich einer Länge oder einer Breite eines von dem Werkstück abzutrennenden Werkstücksegments in der Bearbeitungsebene.
Grundsätzlich können mehrere weitere Fokuszonen vorgesehen sein, wobei dann jeder weiteren Fokuszone insbesondere jeweils eine weitere Haupterstreckungsrichtung zugeordnet ist.
Unter der mindestens einen weiteren Laserbearbeitungseinheit ist vorliegend beispielsweise eine zweite Laserbearbeitungseinheit und/oder eine dritte Laserbearbeitungseinheit zu verstehen. Unter der mindestens einen weiteren Fokuszone ist vorliegend beispielsweise eine zweite Fokuszone und/oder eine dritte Fokuszone zu verstehen.
Die erste Fokuszone und die mindestens eine weitere Fokuszone sind nicht notwendigerweise geradlinig ausgebildet, sondern können beispielsweise auch eine gekrümmte Form aufweisen.
Insbesondere ist unter der Haupterstreckungsrichtung einer Fokuszone eine Richtung einer Geraden zu verstehen, welche durch einen Anfangs- und Endpunkt der Fokuszone verläuft. Beispielsweise beträgt der Arbeitsabstand mindestens 1 mm und/oder höchstens 100 cm.
Günstig kann es sein, wenn die erste Laserbearbeitungseinheit und die mindestens eine weitere Laserbearbeitungseinheit derselben Außenseite des Werkstücks zugewandt angeordnet sind. Es lässt sich dadurch insbesondere ein technisch einfacher Aufbau der Vorrichtung realisieren.
Aus dem gleichen Grund kann es günstig sein, wenn die erste Fokuszone und die mindestens eine weitere Fokuszone durch eine selbe Außenseite des Werkstücks hindurch in das Werkstück eingekoppelt werden oder durch dieselbe Außenseite des Werkstücks in das Werkstück einkoppelbar sind.
Insbesondere erfolgt eine Einkopplung der ersten Fokuszone und der mindestens einen weiteren Fokuszone in das Werkstück aus einer gleichen Richtung.
Insbesondere ist unter einer Laserbearbeitung des Werkstücks in einer Bearbeitungsebene zu verstehen, dass eine Bearbeitung des Werkstücks parallel und/der entlang der Bearbeitungsebene in Vorschubrichtung erfolgt.
Insbesondere sind die erste Haupterstreckungsrichtung und/oder die weitere Haupterstreckungsrichtung jeweils quer oder senkrecht zur Bearbeitungsebene orientiert.
Insbesondere werden bei der Laserbearbeitung des Werkstücks Materialmodifikationen ausgebildet, welche sich quer oder senkrecht zur Bearbeitungsebene erstrecken, d.h. welche sich insbesondere mit einer Richtungskomponente in Tiefenrichtung des Werkstücks erstrecken.
Beispielsweise erstreckt sich das Werkstück parallel zur Bearbeitungsebene.
Beispielsweise sind eine Längenrichtung und/oder Breitenrichtung des Werkstücks parallel zur Bearbeitungsebene orientiert.
Beispielsweise ist eine Tiefenrichtung des Werkstücks senkrecht zur Bearbeitungsebene orientiert. Beispielsweise ist die erste Haupterstreckungsrichtung parallel oder quer zu einer Tiefenrichtung des Werkstücks orientiert.
Beispielsweise ist die Bearbeitungsebene parallel oder zumindest näherungsweise parallel zu einer der ersten Laserbearbeitungseinheit und/oder der zweiten Laserbearbeitungseinheit zugewandten Außenseite des Werkstücks orientiert.
Beispielsweise sind die erste Laserbearbeitungseinheit und die mindestens eine weitere Laserbearbeitungseinheit parallel zur Bearbeitungsebene beabstandet zueinander angeordnet.
Beispielsweise sind die erste Laserbearbeitungseinheit und die erste Fokuszone sowie die mindestens eine weitere Laserbearbeitungseinheit und die mindestens eine weitere Fokuszone relativ zu dem Werkstück in Vorschubrichtung und/oder relativ zu dem Werkstück parallel zur Bearbeitungsebene bewegbar.
Beispielsweise ist das Werkstück ist plattenförmig und/oder flächig ausgebildet.
Günstig kann es sein, wenn die erste Laserbearbeitungseinheit und die mindestens eine weitere Laserbearbeitungseinheit derart mechanisch und/oder steuerungstechnisch aneinander gekoppelt sind, dass eine Bewegung der ersten Laserbearbeitungseinheit und der ersten Fokuszone einerseits und der mindestens einen weiteren Laserbearbeitungseinheit und der mindestens einen weiteren Fokuszone andererseits entlang einer gemeinsamen Vorschubrichtung erfolgt. Es lässt sich dadurch eine simultane und/oder zeitversetzte Bearbeitung von unterschiedlichen örtlichen Bereichen des Werkstücks erreichen.
Aus dem gleichen Grund kann es vorteilhaft sein, wenn die erste Laserbearbeitungseinheit und die mindestens eine weitere Laserbearbeitungseinheit derart mechanisch und/oder steuerungstechnisch aneinander gekoppelt sind, dass eine Bewegung der ersten Laserbearbeitungseinheit und der ersten Fokuszone einerseits und der mindestens einen weiteren Laserbearbeitungseinheit und mindestens einen weiteren Fokuszone andererseits entlang zueinander parallel orientierten und/oder parallel versetzten Bearbeitungskonturen erfolgt.
Insbesondere kann es vorgesehen sein, dass die Vorrichtung eine Halteeinrichtung umfasst, an welcher die erste Laserbearbeitungseinheit und die mindestens eine weitere Laserbearbeitungseinheit angeordnet sind, wobei die erste Laserbearbeitungseinheit mit der ersten Fokuszone und die mindestens eine weitere Laserbearbeitungseinheit mit der mindestens einen weiteren Fokuszone mittels der Halteeinrichtung in eine gemeinsame Vorschubrichtung bewegbar sind. Es lässt sich dadurch beispielsweise auf technisch einfache Weise eine mechanische Kopplung der ersten Laserbearbeitungseinheit und der mindestens einen weiteren Laserbearbeitungseinheit erreichen.
Beispielsweise weisen die erste Laserbearbeitungseinheit und die mindestens eine weitere Laserbearbeitungseinheit jeweils ein Gehäuse auf, mittels welchem die erste Laserbearbeitungseinheit und die mindestens eine weitere Laserbearbeitungseinheit an der Halteeinrichtung angeordnet und/oder befestigt sind.
Beispielsweise ist weitere Haupterstreckungsrichtung in einem Winkel von mindestens 1° und/oder höchstens 89° zur ersten Haupterstreckungsrichtung orientiert.
Günstig kann es sein, wenn die erste Fokuszone und die mindestens eine weitere Fokuszone bezüglich einer zur Bearbeitungsebene senkrecht orientierten Tiefenrichtung abschnittsweise an gleichen Positionen angeordnet sind, und/oder wenn die erste Fokuszone und die mindestens eine weitere Fokuszone bezüglich einer zur Bearbeitungsebene senkrecht orientierten Tiefenrichtung abschnittsweise an unterschiedlichen Positionen angeordnet sind. Dadurch lassen sich beispielsweise Materialmodifikationen entlang unterschiedlich zueinander orientierter Bearbeitungslinien in unterschiedlichen Tiefenabschnitten des Werkstücks erzeugen. Beispielsweise überlappen sich die erste Fokuszone und die mindestens eine weitere Fokuszone bezüglich einer zur Bearbeitungsebene senkrecht orientierten Tiefenrichtung abschnittsweise.
Beispielsweise grenzen die erste Fokuszone und die mindestens eine weitere Fokuszone bezüglich einer zur Bearbeitungsebene senkrecht orientierten Tiefenrichtung aneinander an. Insbesondere beträgt ein kleinster Abstand zwischen der ersten Fokuszone und der mindestens einen weiteren Fokuszone in Tiefenrichtung maximal 10% einer Länge der ersten Fokuszone.
Insbesondere erstrecken sich die erste Fokuszone und die mindestens eine weitere Fokuszone in einer gemeinsamen Ebene, welche insbesondere senkrecht zur Bearbeitungsebene orientiert ist.
Vorteilhaft kann es sein, wenn die Vorrichtung eine Einstelleinrichtung zur Einstellung des zur Bearbeitungsebene parallel orientierten Arbeitsabstands zwischen der ersten Fokuszone und der mindestens einen weiteren Fokuszone und/oder zwischen der ersten Laserbearbeitungseinheit und der mindestens einen weiteren Laserbearbeitungseinheit umfasst, wobei insbesondere der Arbeitsabstand parallel zu einer zur Bearbeitungsebene parallelen Längenrichtung und parallel zu einer zur Bearbeitungsebene parallelen Breitenrichtung einstellbar ist. Dadurch lassen sich insbesondere jeweilige Längen von Bearbeitungslinien an dem Material des Werkstücks einstellen. Beispielsweise lässt sich eine jeweilige Länge einer mittels der mindestens einen weiteren Fokuszone erzeugten Bearbeitungslinie und/oder Trennlinie bezüglich einer Länge einer mittels der ersten Fokuszone erzeugten Bearbeitungslinie und/oder Trennlinie an einer bestimmten Bearbeitungsstelle des Werkstücks einstellen.
Es kann vorgesehen sein, dass jeweils unterschiedliche Arbeitsabstände zwischen der ersten Fokuszone und jeweiligen weiteren Fokuszonen einstellbar sind.
Insbesondere wird der Arbeitsabstand / werden die Arbeitsabstände so gewählt, dass eine Sollgeometrie in einer Bearbeitungsstelle und/oder an einem Trennbereich des Werkstücks entsteht. Insbesondere gilt bei einer (gedachten) Verschiebung der ersten Fokuszone in Richtung der mindestens einen weiteren Fokuszone um den Arbeitsabstand zumindest eines der Folgenden:
- die mindestens eine weitere Fokuszone oder alle weiteren Fokuszonen erstrecken sich bezüglich einer Ebene, in welcher die erste Fokuszone liegt, vollständig auf einer bestimmten Seite oder zu mehr als 60% auf einer bestimmten Seite;
- die erste Fokuszone und die mindestens eine weitere Fokuszone grenzen aneinander an und/oder überlappen sich zumindest abschnittsweise;
- die erste Fokuszone und die mindestens eine weitere Fokuszone bilden einen räumlich zusammenhängenden Bereich.
Es ergibt sich dadurch insbesondere eine räumlich durchgehende Bearbeitung des Materials des Werkstücks bezüglich der Tiefenrichtung an einer bestimmten Bearbeitungsstelle.
Günstig kann es sein, wenn die Vorrichtung eine Einstelleinrichtung zur jeweiligen Einstellung einer Arbeitsposition der ersten Fokuszone und der mindestens einen weiteren Fokuszone bezüglich einer zur Bearbeitungsebene senkrecht orientierten Tiefenrichtung umfasst. Es lassen sich dadurch beispielsweise die erste Fokuszone und die mindestens eine weitere Fokuszone an Werkstücktiefe und/oder Werkstückdicke anpassen. Weiterhin lassen sich dadurch beispielsweise die erste Fokuszone und die mindestens eine weitere Fokuszone zur Einstellung einer Sollgeometrie parallel zur Tiefenrichtung relativ zueinander positionieren.
Insbesondere ist eine jeweilige Arbeitsposition der ersten Fokuszone und der mindestens einen weiteren Fokuszone bezüglich der Tiefenrichtung bei einer Laserbearbeitung des Werkstücks konstant oder zumindest näherungsweise konstant. Vorteilhaft kann es sein, wenn die mittels der ersten Laserbearbeitungseinheit gebildete erste Fokuszone ein quasi-nichtbeugendes und/oder ein Bessel-artiges Strahlprofil aufweist. Es lässt sich dadurch eine parallel zur Tiefenrichtung des Werkstücks langgezogene Fokuszone auf technisch einfache Weise realisieren.
Unter quasi-nichtbeugenden Strahlen und/oder Bessel-artigen Strahlen sind insbesondere Strahlen zu verstehen, bei welchen eine transversale Intensitätsverteilung propagationsinvariant ist. Unter der transversalen Intensitätsverteilung wird insbesondere eine Intensitätsverteilung in einer zur Haupt-Strahlausbreitungsrichtung senkrecht orientierten Querschnittsebene verstanden. Insbesondere ist bei quasinichtbeugenden Strahlen und/oder Bessel- artigen Strahlen die transversale Intensitätsverteilung längs einer longitudinalen Richtung und/oder Strahlausbreitungsrichtung der Strahlen im Wesentlichen konstant.
Es kann vorgesehen sein, dass die erste Fokuszone mittels mindestens zwei parallel orientierter quasi-nichtbeugender Strahlen und/oder Bessel-artiger Strahlen gebildet wird. Dadurch lässt sich beispielsweise die erste Fokuszone mit einem asymmetrischen Strahlquerschnitt ausbilden.
Günstig kann es sein, wenn die mittels der ersten Laserbearbeitungseinheit gebildete erste Fokuszone in einem zur Bearbeitungsebene parallelen Querschnitt asymmetrisch und insbesondere elliptisch ist. Es lässt sich dadurch insbesondere eine Ausbildung von Rissen in einem Material des Werkstücks bei der Ausbildung von Materialmodifikationen mittels der Laserbearbeitung kontrollieren.
Vorteilhaft kann es sein, wenn die Vorrichtung eine Einstelleinrichtung zur Drehung einer Ausrichtung eines größten Durchmessers des Querschnitts der ersten Fokuszone in der Bearbeitungsebene aufweist, und insbesondere wenn mittels der Einstelleinrichtung der größte Durchmesser parallel zur Vorschubrichtung ausrichtbar ist und insbesondere automatisch ausrichtbar ist. Dadurch lässt sich insbesondere eine kontrollierte Ausrichtung von Rissen bei der Laserbearbeitung des Materials des Werkstücks im Wesentlichen parallel zur Vorschubrichtung erreichen. Dies ermöglicht insbesondere eine optimierte Trennung des Materials. Beispielsweise erfolgt die Drehung des größten Durchmessers des Querschnitts der ersten Fokuszone um eine zur Bearbeitungsebene senkrechte Drehachse.
Günstig kann es sein, wenn die mittels der mindestens einen weiteren Laserbearbeitungseinheit gebildete mindestens eine weitere Fokuszone durch Aufteilen eines Laserstrahls in eine Mehrzahl von Teilstrahlen gebildet ist, wobei die Teilstrahlen jeweils in einander benachbarte Teilbereiche der mindestens einen weiteren Fokuszone fokussiert werden. Es lässt sich dadurch auf technisch einfache Weise eine Fokuszone mit definierbarer dreidimensionaler Geometrie realisieren.
Dann kann es vorgesehen sein, dass die Teilstrahlen jeweils einen von zwei unterschiedlichen Polarisationszuständen aufweisen, wobei Teilstrahlen mit jeweils unterschiedlichen Polarisationszuständen in benachbarte Teilbereiche der mindestens einen weiteren Fokuszone fokussiert werden.
Vorteilhaft kann es sein, wenn die Vorrichtung eine Einstelleinrichtung zur Drehung der ersten Fokuszone und/oder der mindestens einen weiteren Fokuszone um eine zur Bearbeitungsebene quer oder senkrecht oder parallel orientierte Drehachse umfasst, und insbesondere wenn mittels der Einstelleinrichtung eine Ausrichtung der mindestens einen weiteren Fokuszone in einem festen Winkel zur Vorschubrichtung einstellbar ist und insbesondere automatisch einstellbar ist. Die Drehachse liegt nicht notwendigerweise symmetrisch zur mindestens einen weiteren Fokuszone. Mittels dieser Einstelleinrichtung lässt sich beispielsweise eine Ausrichtung der mindestens einen weiteren Fokuszone relativ zur ersten Fokuszone für eine Bearbeitung des Werkstücks in unterschiedlichen Vorschubrichtungen einstellen.
Insbesondere ist die Vorschubrichtung senkrecht zu der mindestens einen weiteren Fokuszone orientiert.
Günstig kann es sein, wenn die Vorrichtung eine Einkopplungseinrichtung zur Einkopplung eines Eingangslaserstrahls in die erste Laserbearbeitungseinheit und in die mindestens eine weitere Laserbearbeitungseinheit aufweist, wobei mittels der Einkopplungseinrichtung eine Aufteilung des Eingangslaserstrahls in einen ersten Teilstrahl zur Einkopplung in die erste Laserbearbeitungseinheit und in mindestens einen weiteren Teilstrahl zur Einkopplung in die mindestens eine weitere Laserbearbeitungseinheit erfolgt. Es lässt sich dadurch die Vorrichtung beispielsweise mit einer einzigen Laserquelle betreiben.
Insbesondere kann es vorgesehen sein, dass der Eingangslaserstrahl zumindest abschnittsweise faseroptisch geführt wird und/oder eingekoppelt wird.
Es ist grundsätzlich auch möglich, jeweils einen Laserstrahl aus einer separaten Laserquelle in die erste Laserbearbeitungseinheit und in die mindestens eine weitere Laserbearbeitungseinheit einzukoppeln.
Vorteilhaft kann es sein, wenn die Einkopplungseinrichtung eine Polarisationsstrahlteilungseinrichtung zur Aufteilung des Eingangslaserstrahls in den ersten Teilstrahl und den mindestens einen weiteren Teilstrahl erfolgt. Es lässt sich dadurch auf technisch einfache Weise eine Aufteilung des Eingangslaserstrahls realisieren.
Beispielsweise ist mittels der Einkopplungseinrichtung eine jeweilige Polarisation des ersten Teilstrahls und des mindestens einen weiteren Teilstrahls einstellbar.
Beispielsweise ist mittels der Einkopplungseinrichtung eine jeweilige Intensität und/oder eine jeweilige Leistung des ersten Teilstrahls und des mindestens einen weiteren Teilstrahls einstellbar.
Bei einer Ausführungsform werden mittels der mindestens einen weiteren Laserbearbeitungseinheit eine zweite Fokuszone mit einer zweiten Haupterstreckungsrichtung und eine dritte Fokuszone mit einer dritten Haupterstreckungsrichtung gebildet, wobei die zweite Haupterstreckungsrichtung und die dritte Haupterstreckungsrichtung jeweils quer zur ersten Haupterstreckungsrichtung orientiert sind. Bei dieser Ausführungsform werden beispielsweise zwei weitere Fokuszonen ausgebildet, nämlich eine zweite Fokuszone und eine dritte Fokuszone. Insbesondere sind dann die zweite Fokuszone und die dritte Fokuszone bezüglich einer zur Bearbeitungsebene senkrecht orientierten Tiefenrichtung zueinander beabstandet angeordnet und/oder die erste Fokuszone ist bezüglich einer zur Bearbeitungsebene senkrecht orientierten Tiefenrichtung zwischen der zweiten Fokuszone und der dritten Fokuszone angeordnet.
Insbesondere kann es vorgesehen sein, dass sich die zweite Fokuszone und die dritte Fokuszone bei Beaufschlagung des Materials des Werkstücks in Tiefenrichtung jeweils zwischen einer Außenseite des Werkstücks und der ersten Fokuszone erstrecken.
Insbesondere erstreckt sich die erste Fokuszone bezüglich der Tiefenrichtung zwischen der zweiten Fokuszone und der dritten Fokuszone und insbesondere vollständig zwischen der zweiten Fokuszone und der dritten Fokuszone.
Insbesondere erstreckt sich eine Kombination aus der ersten Fokuszone und der mindestens einen weiteren Fokuszone von einer ersten Außenseite des Werkstücks zu einer in Tiefenrichtung von der ersten Außenseite beabstandeten zweiten Außenseite des Werkstücks.
Günstig kann es sein, wenn die zweite Fokuszone und die dritte Fokuszone bezüglich einer zur Bearbeitungsebene parallelen Breitenrichtung und/oder Längenrichtung zumindest abschnittsweise an gleichen Positionen angeordnet sind. Es lässt sich dadurch insbesondere eine zeitliche Bearbeitung des Materials des Werkstücks mit der zweiten Fokuszone und der dritten Fokuszone erreichen.
Alternativ hierzu kann es vorgesehen sein, dass die zweite Fokuszone und die dritte Fokuszone bezüglich einer zur Bearbeitungsebene parallelen Breitenrichtung und/oder Längenrichtung beabstandet angeordnet sind.
Beispielsweise ist die erste Fokuszone dann zwischen der zweiten und der dritten Fokuszone angeordnet. Es lässt sich dadurch beispielsweise eine zeitversetzte Bearbeitung des Materials des Werkstücks mit der ersten Fokuszone, der zweiten Fokuszone und der dritten Fokuszone erreichen. Bei einer Ausführungsform umfasst die Vorrichtung eine einzige erste Laserbearbeitungseinheit und/oder eine einzige weitere Laserbearbeitungseinheit, wobei insbesondere mittels der weiteren Laserbearbeitungseinheit eine zweite Fokuszone mit einer zweiten Haupterstreckungsrichtung und eine dritte Fokuszone mit einer dritten Haupterstreckungsrichtung gebildet werden, wobei die zweite Haupterstreckungsrichtung und die dritte Haupterstreckungsrichtung jeweils quer zur ersten Haupterstreckungsrichtung orientiert sind und wobei die zweite Fokuszone und die dritte Fokuszone bezüglich einer zur Bearbeitungsebene parallelen Breitenrichtung und/oder Längenrichtung zumindest abschnittsweise an gleichen Positionen angeordnet sind. Bei dieser Ausführungsform werden beispielsweise mittels der weiteren Laserbearbeitungseinheit zwei weitere Fokuszonen ausgebildet, nämlich eine zweite Fokuszone und eine dritte Fokuszone.
Insbesondere überlappen sich die zweite Fokuszone und die dritte Fokuszone bei Projektion auf die Bearbeitungsebene.
Bei einer Ausführungsform umfasst die Vorrichtung eine einzige erste Laserbearbeitungseinheit und/oder eine zweite Laserbearbeitungseinheit und eine dritte Laserbearbeitungseinheit, wobei insbesondere mittels der zweiten Laserbearbeitungseinheit eine zweite Fokuszone gebildet wird und mittels der dritten Laserbearbeitungseinheit eine dritte Fokuszone gebildet wird, wobei die zweite Fokuszone und die dritte Fokuszone jeweils quer zu der ersten Fokuszone orientiert sind und wobei die zweite Fokuszone und die dritte Fokuszone bezüglich einer zur Bearbeitungsebene parallelen Breitenrichtung und/oder Längenrichtung beabstandet angeordnet sind. Bei dieser Ausführungsform sind beispielsweise zwei weitere Laserbearbeitungseinheiten und zwei weitere Fokuszonen vorhanden.
Erfindungsgemäß wird ein Verfahren zur Laserbearbeitung eines Werkstücks bereitgestellt, bei dem mittels einer ersten Laserbearbeitungseinheit eine sich in eine erste Haupterstreckungsrichtung erstreckende erste Fokuszone ausgebildet wird und mittels mindestens einer weiteren Laserbearbeitungseinheit mindestens eine weitere Fokuszone ausgebildet wird, welche sich in eine zu der ersten Haupterstreckungsrichtung quer orientierte weitere Haupterstreckungsrichtung erstreckt, wobei die erste Fokuszone und die mindestens eine weitere Fokuszone parallel zur Bearbeitungsebene mit einem Arbeitsabstand beabstandet sind, das Werkstück mit der ersten Fokuszone und der mindestens einen weiteren Fokuszone beaufschlagt wird, die erste Laserbearbeitungseinheit mit der ersten Fokuszone und die mindestens eine weitere Laserbearbeitungseinheit mit der mindestens einen weiteren Fokuszone jeweils entlang einer parallel zur Bearbeitungsebene orientierten Vorschubrichtung relativ zu dem Werkstück bewegt werden, und wobei das Werkstück aus einem für einen Laserstrahl, aus welchem die erste Fokuszone und die mindestens eine weitere Fokuszone jeweils ausgebildet sind, transparenten Material hergestellt ist.
Das erfindungsgemäße Verfahren weist insbesondere ein oder mehrere Merkmale und/oder Vorteile der erfindungsgemäßen Vorrichtung auf.
Insbesondere ist das erfindungsgemäße Verfahren mittels der erfindungsgemäßen Vorrichtung durchführbar. Insbesondere führt die erfindungsgemäße Vorrichtung das erfindungsgemäße Verfahren aus.
Günstig kann es sein, wenn eine Beaufschlagung des Werkstücks an einer bestimmten Bearbeitungsstelle mit der ersten Fokuszone und mit der mindestens einen weiteren Fokuszone zeitlich versetzt erfolgt. Beispielsweise lassen sich dadurch Materialmodifikationen an einer bestimmten Bearbeitungsstelle entlang zur Bearbeitungsebene quer orientierten Bearbeitungslinien zeitlich versetzt zu einer zur Bearbeitungsebene senkrecht orientierten Bearbeitungslinie erzeugen.
Beispielsweise wird das Werkstück an einer bestimmten Bearbeitungsstelle zeitlich zuerst mit der mindestens einen weiteren Fokuszone beaufschlagt und anschließend mit der ersten Fokuszone oder umgekehrt.
Günstig kann es sein, wenn mittels der mindestens einen weiteren Laserbearbeitungseinheit eine zweite Fokuszone und eine dritte Fokuszone ausgebildet werden, welche jeweils quer zu der ersten Fokuszone orientiert sind, wobei die zweite Fokuszone und die dritte Fokuszone bezüglich einer zur Bearbeitungsebene senkrecht orientierten Tiefenrichtung zueinander beabstandet angeordnet sind und/oder wobei die erste Fokuszone bezüglich einer zur Bearbeitungsebene senkrecht orientierten Tiefenrichtung zwischen der zweiten Fokuszone und der dritten Fokuszone angeordnet ist.
Vorteilhaft kann es sein, wenn eine Beaufschlagung des Werkstücks mit der zweiten Fokuszone und der dritten Fokuszone an einer bestimmten Bearbeitungsstelle gleichzeitig erfolgt und eine Beaufschlagung des Werkstücks mit der ersten Fokuszone an dieser Bearbeitungsstelle zeitlich versetzt zu der Beaufschlagung des Werkstücks mit der zweiten Fokuszone und mit der dritten Fokuszone erfolgt.
Beispielsweise entspricht ein Größenwert einer Zeitdifferenz zwischen einer Beaufschlagung des Werkstücks an einer bestimmten Bearbeitungsstelle mit der ersten Fokuszone und mit der mindestens einen weiteren Fokuszone einem Quotienten aus dem Arbeitsabstand und der Vorschubgeschwindigkeit (bei konstanter Vorschubgeschwindigkeit und Vorschubrichtung).
Bei einer Ausführungsform kann es vorgesehen sein, dass eine Beaufschlagung des Werkstücks mit der ersten Fokuszone, mit der zweiten Fokuszone und mit der dritten Fokuszone jeweils zeitlich versetzt erfolgt, wobei insbesondere eine Beaufschlagung des Werkstücks mit der ersten Fokuszone zeitlich zwischen einer Beaufschlagung des Werkstücks mit der zweiten Fokuszone und mit der dritten Fokuszone erfolgt.
Insbesondere weisen die erfindungsgemäße Vorrichtung und/oder das erfindungsgemäße Verfahren ein oder mehrere der nachfolgenden Merkmale auf.
Insbesondere bewirkt eine Bewegung der ersten Laserbearbeitungseinheit in Vorschubrichtung eine entsprechende Bewegung der ersten Fokusverteilung in Vorschubrichtung.
Insbesondere bewirkt eine Bewegung der mindestens einen weiteren Laserbearbeitungseinheit in Vorschubrichtung eine entsprechende Bewegung der mindestens einen weiteren Fokusverteilung in Vorschubrichtung. Beispielsweise sind die erste Fokuszone und/oder die mindestens eine weitere Fokuszone jeweils geradlinig und/oder länglich und/oder linienartig und/oder langgezogen ausgebildet.
Insbesondere erstrecken sich die erste Fokuszone und/oder die mindestens eine weitere Fokuszone jeweils parallel zu einer Geraden.
Insbesondere bilden die erste Fokuszone und die mindestens eine weitere Fokuszone jeweils einen räumlich zusammenhängenden Wechselwirkungsbereich zur Laserbearbeitung des Werkstücks, wobei sich insbesondere durch Beaufschlagung eines Materials des Werkstücks mit diesem Wechselwirkungsbereich an dem Wechselwirkungsbereich lokalisierte Materialmodifikationen ausbilden lassen, mittels welchen insbesondere eine Trennung des Materials ermöglicht wird. Es ist grundsätzlich möglich, dass die erste Fokuszone und/oder die mindestens eine weitere Fokuszone Nullstellen und/oder Unterbrechungen aufweisen, wobei insbesondere diese Nullstellen und/oder Unterbrechungen verglichen mit einer (Gesamt-)Länge der ersten Fokuszone und/oder der mindestens einen weiteren Fokuszone klein sind.
Insbesondere werden durch Relativbewegung des Werkstücks bezüglich der ersten Fokuszone und der mindestens einen weiteren Fokuszone in dem Material des Werkstücks Materialmodifikationen entlang einer der ersten Fokuszone und der mindestens einen weiteren Fokuszone zugeordneten Bearbeitungslinie und/oder Bearbeitungsfläche ausgebildet.
Insbesondere kann es vorgesehen sein, dass das Werkstück durch Ausbildung von Materialmodifikationen mittels der ersten Fokuszone und der mindestens einen weiteren Fokuszone längs einer Bearbeitungslinie und/oder Bearbeitungsfläche trennbar ist oder getrennt wird.
Vorteilhaft kann es sein, wenn das Material des Werkstücks entlang der Bearbeitungslinie und/oder Bearbeitungsfläche durch Ausübung einer thermischen Beaufschlagung und/oder einer mechanischen Spannung und/oder durch Ätzen mittels mindestens einer nasschemischen Lösung trennbar ist oder getrennt wird. Beispielsweise erfolgt das Ätzen in einem ultraschallunterstützten Ätzbad.
Insbesondere kann es vorgesehen sein, dass der Eingangslaserstrahl ein gepulster Laserstrahl oder ein Ultrakurzpulslaserstrahl ist. Beispielsweise werden die erste Fokuszone und/oder die mindestens eine weitere Fokuszone mittels eines gepulsten Laserstrahls oder Ultrakurzpulslaserstrahls ausgebildet.
Zur Steuerung einer Laserquelle zur Bereitstellung des Eingangslaserstrahls kann eine Regelelektronik zur ortsaufgelösten Pulskontrolle, insbesondere umfassend Puls-on-demand, vorgesehen sein.
Insbesondere ist eine Werkstückhalterung für das Werkstück vorgesehen, welche insbesondere eine nicht-reflektierende und/oder stark streuende Oberfläche aufweist.
Insbesondere kann es vorgesehen sein, dass die Vorrichtung eine Laserquelle zur Bereitstellung eines Eingangslaserstrahls zur Einkopplung in die erste Laserbearbeitungseinheit und in die mindestens eine weitere Laserbearbeitungseinheit umfasst, wobei mittels der Laserquelle insbesondere ein gepulster Laserstrahl oder ein Ultrakurzpulslaserstrahl bereitgestellt wird.
Beispielsweise beträgt eine Wellenlänge des Eingangslaserstrahls mindestens 300 nm und/oder höchstens 1500 nm. Beispielsweise beträgt die Wellenlänge 515 nm oder 1030 nm.
Insbesondere weist der Eingangslaserstrahl eine mittlere Leistung von mindestens IW bis 1kW auf. Beispielsweise umfasst der Eingangslaserstrahl Pulse mit einer Pulsenergie von mindestens 10 pJ und/oder höchstens 50 mJ. Es kann vorgesehen sein, dass der Eingangslaserstrahl Einzelpulse oder Bursts umfasst, wobei die Bursts 2 bis 20 Subpulse und insbesondere einen zeitlichen Abstand von ca. 20ns aufweisen.
Unter einem transparenten Material ist insbesondere ein Material zu verstehen, durch welches mindestens 70 % und insbesondere mindestens 80 % und insbesondere mindestens 90 % einer Laserenergie der ersten Fokuszone und/oder der mindestens einen weiteren Fokuszone transmittiert werden.
Beispielsweise ist oder umfasst das Material des Werkstücks ein Glasmaterial.
Zur Bestimmung von räumlichen Dimensionen der ersten Fokuszone und/oder der mindestens einen weiteren Fokuszone, wie z.B. einer jeweiligen Länge und/oder eines jeweiligen Durchmessers, wird die ersten Fokuszone und/oder die mindestens eine weitere Fokuszone in einer modifizierten Intensitätsverteilung betrachtet, welche nur Intensitätswerte aufweist, die oberhalb einer bestimmten Intensitätsschwelle liegen. Die Intensitätsschwelle wird hierbei beispielsweise so gewählt, dass unterhalb dieser Intensitätsschwelle liegende Werte eine derart geringe Intensität aufweisen, sodass diese für eine Wechselwirkung mit dem Material zur Ausbildung von Materialmodifikationen nicht mehr relevant sind. Beispielsweise beträgt die Intensitätsschwelle 50% eines globalen Intensitätsmaximums der tatsächlichen Intensitätsverteilung. Unter einer Länge der jeweiligen Fokuszone bzw. unter einem Durchmesser der jeweiligen Fokuszone ist dann eine maximale Erstreckungslänge und/oder eine Länge maximaler Ausdehnung der jeweiligen Fokuszone entlang einer Längsmittelachse der Fokuszone bzw. in einer zu der Längsmittelachse senkrecht orientierten Ebene unter Zugrundelegung der modifizierten Intensitätsverteilung zu verstehen.
Unter der ersten Fokuszone und/oder der mindestens einen weiteren Fokuszone ist insbesondere jeweils ein räumlich zusammenhängender Bereich von Intensitäten oberhalb der genannten Intensitätsschwelle zu verstehen, wobei dieser Bereich Unterbrechungen mit einer räumlichen Ausdehnung von höchstens 10% und insbesondere höchstens 5 % einer maximalen Ausdehnung und/oder einer maximalen Länge der ersten Fokuszone und/oder der mindestens einen weiteren Fokuszone aufweisen kann.
Derartige Unterbrechungen der ersten Fokuszone und/oder der mindestens einen weiteren Fokuszone entstehen beispielsweise durch deren Ausbildung durch Aufteilen eines Laserstrahls in eine Mehrzahl von Teilstrahlen und Fokussierung der Teilstrahlen in einander benachbarte Teilbereiche. Es ergibt sich dadurch beispielsweise eine Ausbildung der Fokuszone durch Aneinanderreihung von zueinander beabstandeten fokussierten Lichtpunkten.
Liegen Intensitätsverteilungen mit größeren Unterbrechungen als vorstehend genannt vor, sind hierunter insbesondere unterschiedliche Fokuszonen zu verstehen.
Insbesondere sind unter den Angaben "ca." und "zumindest näherungsweise" im Allgemeinen Abweichungen von höchstens 10% zu verstehen. Falls nicht anders angegeben, ist unter den Angaben "ca." und "zumindest näherungsweise" insbesondere zu verstehen, dass ein tatsächlicher Wert und/oder Abstand und/oder Winkel um höchstens 10% von einem idealen Wert und/oder Abstand und/oder Winkel abweicht.
Die nachfolgende Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen dient im Zusammenhang mit den Zeichnungen der näheren Erläuterung der Erfindung. Es zeigen:
Fig. 1 ein erstes Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung zur Laserbearbeitung eines Werkstücks mit einer ersten Laserbearbeitungseinheit und einer zweiten Laserbearbeitungseinheit;
Fig. 2 ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung zur Laserbearbeitung eines Werkstücks mit einer ersten Laserbearbeitungseinheit, einer zweiten Laserbearbeitungseinheit und einer dritten Laserbearbeitungseinheit;
Fig. 3a eine Querschnittsdarstellung einer simulierten Intensitätsverteilung eines Beispiels einer ersten Fokuszone in einer parallel zu einer Haupterstreckungsrichtung der ersten Fokuszone orientierten x-z- Ebene;
Fig. 3b eine Querschnittsdarstellung der Intensitätsverteilung der ersten Fokuszone gemäß Fig. 3a in einer zu der Haupterstreckungsrichtung senkrecht orientierten x-y-Ebene; Fig. 4a eine Querschnittsdarstellung einer simulierten Intensitätsverteilung eines weiteren Beispiels einer ersten Fokuszone in einer parallel zu einer Haupterstreckungsrichtung der ersten Fokuszone orientierten x-z-Ebene;
Fig. 4b eine Querschnittsdarstellung der Intensitätsverteilung der Fokuszone gemäß Fig. 4a in einer zu der Haupterstreckungsrichtung senkrecht orientierten x-y-Ebene;
Fig. 5a eine Querschnittsdarstellung einer simulierten Intensitätsverteilung eines Beispiels einer zweiten Fokuszone und einer dritten Fokuszone in einer zu einer jeweiligen Haupterstreckungsrichtung der zweiten bzw. dritten Fokuszone parallel orientierten y-z-Ebene;
Fig. 5b eine Querschnittsdarstellung einer simulierten Intensitätsverteilung eines Beispiels einer zweiten Fokuszone in einer zu einer Haupterstreckungsrichtung der zweiten Fokuszone parallel orientierten y-z-Ebene;
Fig. 5c eine Querschnittsdarstellung einer simulierten Intensitätsverteilung eines Beispiels einer dritten Fokuszone in einer zu einer Haupterstreckungsrichtung der dritten Fokuszone parallel orientierten y-z-Ebene;
Fig. 6 eine schematische Querschnittsdarstellung eines mittels der Vorrichtung bearbeiteten und anschließend abgetrennten Werkstücksegments in einer parallel zur Breitenrichtung und Längenrichtung des Werkstücks orientierten x-y-Ebene;
Fig. 7 eine schematische Querschnittsdarstellung des Werkstücksegments gemäß Fig. 6 in einer parallel zur Tiefenrichtung des Werkstücks orientierten y-z-Ebene; Fig. 8 eine schematische Querschnittsdarstellung eines Abschnitts eines Werkstücks in der y-z-Ebene, welcher durch Beaufschlagung mittels einer zweiten und einer dritten Fokuszone modifiziert wird;
Fig. 9 eine schematische Querschnittsdarstellung eines Abschnitts eines Werkstücks in der y-z-Ebene, welcher an einer bereits mittels der zweiten und dritten Fokuszone modifizierten Bearbeitungsstelle mittels einer ersten Fokuszone modifiziert wird;
Fig. 10 eine schematische Querschnittsdarstellung des Abschnitts des Werkstücks gemäß Fig. 9, wobei ein Strahlengang von Teilstrahlen zur Ausbildung der ersten Fokuszone gezeigt ist; und
Fig. 11 eine schematische Querschnittsdarstellung eines Abschnitts eines Werkstücks in der y-z-Ebene, an welchem Materialmodifikationen entlang gekrümmter Bearbeitungslinien durch Beaufschlagung des Materials mit gekrümmten Fokuszonen ausgebildet werden.
Gleiche oder funktional äquivalente Elemente sind in sämtlichen Ausführungsbeispielen mit denselben Bezugszeichen bezeichnet.
Ein erstes Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung zur Laserbearbeitung eines Werkstücks ist in Fig. 1 gezeigt und dort mit 10 bezeichnet. Mittels der Vorrichtung 10 lassen sich an einem Material 12 eines Werkstücks 14 lokalisierte Materialmodifikationen, wie beispielsweise Fehlstellen im Submikrometerbereich oder atomaren Bereich, erzeugen, welche eine Materialschwächung zur Folge haben. An den erzeugten Materialmodifikationen lässt sich das Werkstück 14 beispielsweise in einem Folgeschritt in voneinander verschiedene Werkstücksegmente trennen oder es lassen sich beispielsweise Werkstücksegmente aus dem Werkstück 14 heraustrennen.
Insbesondere umfasst die Vorrichtung 10 eine Laserquelle 16 (angedeutet in Fig.
1) zur Bereitstellung eines Eingangslaserstrahls 18. Der Eingangslaserstrahl 18 ist insbesondere ein gepulster Laserstrahl und/oder ein Ultrakurzpulslaserstrahl. Beispielsweise ist der Eingangslaserstrahl 18 ein Gauß-Strahl und/oder weist ein beugendes Strahlprofil auf.
Die Vorrichtung 10 umfasst bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1 eine erste Laserbearbeitungseinheit 20 und eine zu der ersten Laserbearbeitungseinheit 20 beabstandet angeordnete zweite Laserbearbeitungseinheit 22.
Zur Einkopplung des Eingangslaserstrahls 18 in die erste Laserbearbeitungseinheit 20 und in die zweite Laserbearbeitungseinheit 22 umfasst die Vorrichtung 10 beispielsweise eine Einkopplungseinrichtung 24. Mittels dieser Einkopplungseinrichtung 24 wird der Eingangslaserstrahl 18 in einen ersten Teilstrahl 26 zur Einkopplung in die erste Laserbearbeitungseinheit 20 und in einen zweiten Teilstrahl 28 zur Einkopplung in die zweite Laserbearbeitungseinheit 22 aufgeteilt.
Alternativ hierzu wäre es auch möglich, in die erste Laserbearbeitungseinheit 20 und in die zweite Laserbearbeitungseinheit 22 jeweils voneinander verschiedene Laserstrahlen aus voneinander verschiedenen Laserquellen einzukoppeln. In diesem Fall wäre beispielsweise für die erste Laserbearbeitungseinheit 20 und die zweite Laserbearbeitungseinheit 22 jeweils eine separate Laserquelle vorgesehen.
Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1 erfolgt die Aufteilung des Eingangslaserstrahls 18 durch Polarisationsstrahlteilung. Die Einkopplungseinrichtung 24 umfasst ein Polarisationselement 30 zur Einstellung einer Polarisationsrichtung des Eingangslaserstrahls 18. Insbesondere ist oder umfasst das Polarisationselement 30 eine Verzögerungsplatte, wie zum Beispiel ein lambda/2- oder ein lambda/4-Plättchen.
Dieses Polarisationselement 30 ist im Strahlengang des Eingangslaserstrahls 18 angeordnet. Nach Durchlaufen des Polarisationselements 30 weist der Eingangslaserstrahl beispielsweise eine lineare Polarisation mit einer definierten Polarisationsrichtung auf. Es ist grundsätzlich auch möglich, dass mittels des Polarisationselements 30 zirkular oder elliptisch polarisiertes Licht erzeugt wird. Weiter umfasst die Einkopplungseinrichtung 24 ein Polarisations- Strahlteilungselement 32 zur Aufteilung des Eingangslaserstrahls 18 in den ersten Teilstrahl 26 und den zweiten Teilstrahl 28. Dieses Polarisations- Strahlteilungselement 32 ist bezogen auf eine Strahlausbreitungsrichtung 34 des Eingangslaserstrahls 18 hinter dem Polarisationselement 30 angeordnet. Beispielsweise ist das Polarisations-Strahlteilungselement 32 an der ersten Laserbearbeitungseinheit 20 angeordnet.
Mittels des Polarisations-Strahlteilungselements 32 wird der Eingangslaserstrahl 18 in Abhängigkeit seiner Polarisationsrichtung in den ersten Teilstrahl 26 und den zweiten Teilstrahl 28 aufgeteilt. Insbesondere lässt sich durch Einstellung der Polarisationsrichtung mittels dem Polarisationselement 30 eine Intensität des ersten Teilstrahls 26 im Verhältnis zu dem zweiten Teilstrahl 28 einstellen.
Beispielsweise wird der erste Teilstrahl 26 durch teilweise Reflexion des Eingangslaserstrahls 18 an dem Polarisations-Strahlteilungselement 32 ausgebildet und in die erste Laserbearbeitungseinheit 20 umgelenkt und/oder eingekoppelt. Der zweite Teilstrahl 28 wird beispielsweise durch teilweise Transmission des Eingangslaserstrahls 18 ausgebildet und zu der zweiten Laserbearbeitungseinheit 22 durchgeleitet.
Zur Umlenkung und/oder Einkopplung des zweiten Teilstrahls 28 in die zweite Laserbearbeitungseinheit 22 ist insbesondere ein Spiegelelement 36 vorgesehen, welches beispielsweise an der zweiten Laserbearbeitungseinheit 22 angeordnet ist.
Mittels der ersten Laserbearbeitungseinheit 20 wird der erste Teilstrahl 26 in eine erste Fokuszone 38 abgebildet, wobei die erste Fokuszone 38 (Fig. 3a, 3b und 4a, 4b) ein quasi-nichtbeugendes und/oder ein Bessel-artiges Strahlprofil aufweist. Die erste Fokuszone 38 ist insbesondere länglich und/oder langgezogen und/oder geradlinig ausgebildet.
Hinsichtlich der Ausbildung und Eigenschaften quasi-nichtbeugender Strahlen wird auf das Buch "Structured Light Fields: Applications in Optical Trapping, Manipulation and Organisation", M. Wördemann, Springer Science & Business Media (2012), ISBN 978-3-642-29322-1, verwiesen und insbesondere auf
Kapitel 5 "Non-Diffracting Beams for the Three-Dimensional Moulding of Matter' verweisen. Hierauf wird ausdrücklich und vollinhaltlich Bezug genommen.
Zur Ausbildung der ersten Fokuszone 38 weist die erste Laserbearbeitungseinheit 20 beispielsweise ein Axiconelement (nicht gezeigt) auf.
Die erste Fokuszone 38 weist eine erste Haupterstreckungsrichtung 40 auf, entlang derer sich die erste Fokuszone 38 erstreckt. Bei dem gezeigten Beispiel ist diese erste Haupterstreckungsrichtung 40 senkrecht zu einer Bearbeitungsebene 42 (angedeutet in Fig. 1) orientiert, in welcher das Werkstück 14 mittels der Vorrichtung 10 bearbeitbar ist.
Das Werkstück 14 ist beispielsweise plattenförmig ausgebildet und erstreckt sich parallel zur Bearbeitungsebene 42. Zur entsprechenden Anordnung und/oder Fixierung des Werkstücks 14 an der Vorrichtung 10 ist insbesondere eine Werkstückhalterung vorgesehen (nicht gezeigt).
Beispielsweise sind eine Längenrichtung x und eine Breitenrichtung y des Werkstücks 14 parallel zur Bearbeitungsebene 42 orientiert und eine Tiefenrichtung z des Werkstücks 14 ist senkrecht zur Bearbeitungsebene 42 orientiert. Die erste Haupterstreckungsrichtung 40 der ersten Fokuszone 38 ist somit bei dem gezeigten Beispiel parallel zur Tiefenrichtung z orientiert.
Ein Beispiel der ersten Fokuszone 38 ist in den Fig. 3a und 3b gezeigt, wobei in Fig. 3a eine Intensitätsverteilung in einer zur ersten Haupterstreckungsrichtung 40 parallel orientierten x-z-Ebene dargestellt ist. In der gezeigten Graustufendarstellung stehen hellere Graustufenwerte für größere Intensitäten.
Unter der ersten Fokuszone 38 ist insbesondere eine globale maximale Intensitätsverteilung 50 zu verstehen, welche insbesondere räumlich zusammenhängend ausgebildet ist. Insbesondere ist nur diese globale maximale Intensitätsverteilung 50 für eine Wechselwirkung mit dem zu bearbeitenden Material 12 des Werkstücks 14 relevant. Die maximale Intensitätsverteilung 50 ist beispielsweise von nebengeordneten Intensitätsverteilungen 52 umgeben, welche insbesondere bei der praktischen Realisierung der ersten Fokuszone 38 auftreten. Diese nebengeordneten Intensitätsverteilungen 52 sind insbesondere um die maximale Intensitätsverteilung 50 angeordnet und/oder beabstandet zu der maximalen Intensitätsverteilung 50 angeordnet. Die nebengeordneten Intensitätsverteilungen 52 sind oder umfassen beispielsweise Nebenmaxima.
Die nebengeordneten Intensitätsverteilungen 52 sind für eine Laserbearbeitung des Werkstücks 14 unwesentlich, da es aufgrund der geringeren Intensitäten zu keiner und/oder zu einer vernachlässigbar geringen Wechselwirkung mit dem Material 12 des Werkstücks 14 kommt. Insbesondere können mittels der nebengeordneten Intensitätsverteilungen 52 keine zur Verarbeitung und insbesondere Trennung des Materials 12 geeigneten Materialmodifikationen ausgebildet werden.
In Fig. 3b ist ein Querschnitt der in Fig. 3a gezeigten ersten Fokuszone 38 in einer zu der ersten Haupterstreckungsrichtung 40 senkrecht orientierten x-y- Ebene gezeigt. Bei dem gezeigten Beispiel weist die erste Fokuszone 38 einen symmetrischen Querschnitt auf. Insbesondere ist ein Durchmesser do der ersten Fokuszone 38 in jeder beliebigen in der x-y-Ebene liegenden Richtung gleich. Beispielsweise ist die erste Fokuszone 38 in einem zu der ersten Haupterstreckungsrichtung 40 senkrecht orientierten Querschnitt kreisförmig ausgebildet.
Alternativ hierzu kann es vorgesehen sein, dass die mittels der ersten Laserbearbeitungseinheit 20 erzeugte erste Fokuszone 38 einen asymmetrischen Querschnitt in der x-y-Ebene aufweist (Fig. 4a und 4b).
Beispielsweise wird hierzu die erste Fokuszone 38 mittels zwei paralleler quasi- nichtbeugender und/oder Bessel-artiger Strahlen gebildet (Fig 4a). Die beiden Strahlen werden derart zueinander ausgerichtet, dass diese sich zumindest teilweise überlappen und dadurch eine räumlich zusammenhängende Fokuszone gebildet wird. Unter der ersten Fokuszone 38 ist bei dem Beispiel gemäß der Fig. 4a und 4b analog zu dem in den Fig. 3a und 3b erläuterten Beispiel die maximale Intensitätsverteilung 50 zu verstehen. Die nebengeordneten Intensitätsverteilungen 52 sind für eine Wechselwirkung mit dem Material zwölf des Werkstücks 14 vernachlässigbar.
Die erste Fokuszone 38 weist bei dem Beispiel gemäß der Fig. 4a und 4b in der zu der ersten Haupterstreckungsrichtung 40 senkrecht orientierten x-y-Ebene einen asymmetrischen Querschnitt auf, d.h. insbesondere dass ein Größenwert eines Durchmessers der ersten Fokuszone 38 für voneinander verschiedene in der x-y-Ebene liegenden Richtungen unterschiedlich ist und/oder nicht für jede beliebige in der x-y-Ebene liegende Richtung gleich ist.
Bei dem in Fig. 4b gezeigten Beispiel weist die erste Fokuszone 38 einen größten Durchmesser dmax auf, welcher beispielsweise parallel zur Längenrichtung x orientiert ist.
Eine Länge I der ersten Fokuszone 38 liegt beispielsweise im Bereich von Mikrometern, beispielsweise 300 pm bis 2000 pm. Bei dem gezeigten Beispiel ist diese Länge I parallel zur ersten Haupterstreckungsrichtung 40 orientiert.
Der Durchmesser do bzw. der maximale Durchmesser dmax liegt beispielsweise im Mikrometerbereich.
Mittels der zweiten Laserbearbeitungseinheit 22 wird der zweite Teilstrahl 28 in eine zweite Fokuszone 54 und eine dritte Fokuszone 56 abgebildet (Fig. 5a, 5b und 5c). Insbesondere werden die zweite Fokuszone 54 und die dritte Fokuszone 56 durch Ausbildung entsprechender 3D-Fokusverteilungen mittels der zweiten Laserbearbeitungseinheit 22 ausgebildet.
Die zweite Fokuszone 54 weist eine zweite Haupterstreckungsrichtung 58 auf und die dritte Fokuszone 56 weist eine dritte Haupterstreckungsrichtung 60 auf. Die zweite Fokuszone 54 erstreckt sich parallel zur zweiten Haupterstreckungsrichtung 58 und die dritte Fokuszone 56 erstreckt sich parallel zur dritten Haupterstreckungsrichtung 60. Die zweite Haupterstreckungsrichtung 58 und die dritte Haupterstreckungsrichtung 60 sind jeweils quer zur ersten Haupterstreckungsrichtung 40 orientiert.
Insbesondere sind eine jeweilige Orientierung und/oder ein jeweiliger Winkel zwischen der zweiten Haupterstreckungsrichtung 58 und der ersten Haupterstreckungsrichtung 40 bzw. zwischen der dritten Haupterstreckungsrichtung 60 und der ersten Haupterstreckungsrichtung 40 einstellbar.
Beispielsweise schließen die zweite Haupterstreckungsrichtung 58 und die dritte Haupterstreckungsrichtung 60 mit der ersten Haupterstreckungsrichtung 40 jeweils einen kleinsten Winkel o von ca. 25° ein.
Die zweite Fokuszone 54 und die dritte Fokuszone 56 sind insbesondere jeweils aus einer Mehrzahl von Teilstrahlen gebildet, welche in einander benachbarte Teilbereiche 62 der zweiten Fokuszone 54 bzw. der dritten Fokuszone 56 fokussiert sind.
Insbesondere sind zueinander benachbarte Teilbereiche 62, in welche die Teilstrahlen fokussiert werden, räumlich derart nah aneinander angeordnet, dass sich hinsichtlich einer Wechselwirkung mit dem Material 12 des Werkstücks 14 ein räumlich zusammenhängender Bereich ergibt. Insbesondere lässt sich dadurch mittels der zweiten Fokuszone 54 und der dritten Fokuszone 56 jeweils ein räumlich zusammenhängender Bereich von Materialmodifikationen an dem Material 12 des Werkstücks 14 ausbilden, sodass dieses insbesondere nach Durchführung der Laserbearbeitung in diesem zusammenhängenden Bereich trennbar ist.
Zur Ausbildung der zweiten Fokuszone 54 und der dritten Fokuszone 56 wird beispielsweise der in die zweite Laserbearbeitungseinheit 22 eingekoppelte zweite Teilstrahl 28 mittels der zweiten Laserbearbeitungseinheit 22 in eine Mehrzahl von weiteren Teilstrahlen aufgeteilt und in die Teilbereiche 62 der zweiten Fokuszone 54 bzw. der dritten Fokuszone 56 fokussiert. Durch Fokussierung der weiteren Teilstrahlen in die Teilbereiche 62 werden in diesen Teilbereichen 62 insbesondere jeweils Fokuspunkte ausgebildet. Insbesondere ist durch Fokussierung der weiteren Teilstrahlen in die Teilbereiche 62 dort eine Lichtintensität so hoch, dass es an diesen Teilbereichen 62 zu einer relevanten Wechselwirkung mit dem Material 12 des Werkstücks 14 kommt.
Insbesondere liegen die Teilbereiche 62 auf einer Geraden, welche parallel zur zweiten Haupterstreckungsrichtung 58 bzw. zur dritten Haupterstreckungsrichtung 60 orientiert ist.
Bei einer Ausführungsform wird der in die zweite Laserbearbeitungseinheit 22 eingekoppelte zweite Teilstrahl 28 mittels der zweiten Laserbearbeitungseinheit 22 in eine Mehrzahl weiterer Teilstrahlen aufgeteilt, welche jeweils unterschiedliche Polarisationszustände aufweisen. Insbesondere werden dann Teilstrahlen mit jeweils unterschiedlichen Polarisationszuständen in benachbarte Teilbereiche 62 der zweiten Fokuszone 54 bzw. der dritten Fokuszone 56 fokussiert.
Hinsichtlich der technischen Realisierung der zweiten Fokuszone 54 und/oder der dritten Fokuszone 56 durch Ausbildung von Teilstrahlen mit unterschiedlichen Polarisationszuständen wird auf die nicht vorveröffentlichte deutsche Patentanmeldung mit Aktenzeichen 10 2019 217 577.5 (Anmeldetag: 14. November 2019) der gleichen Anmelderin verwiesen. Hierauf wird ausdrücklich und vollinhaltlich Bezug genommen.
Zur technischen Realisierung der zweiten Fokuszone 54 und/oder der dritten Fokuszone 56 durch Fokussierung von Teilstrahlen in unterschiedliche Teilbereiche 62 existieren grundsätzlich unterschiedliche Möglichkeiten. Verschiedene technische Möglichkeiten sind beispielsweise in der wissenschaftlichen Veröffentlichung "Structured light for ultrafast laser micro- and nanoprocessing" von D. Flamm et al., arXiv:2012.10119vl [physics. optics], 18 Dezember 2020, beschrieben. Hierauf wird ausdrücklich und vollinhaltlich Bezug genommen. Die zweite Fokuszone 54 weist beispielsweise eine Länge I2 im Mikrometerbereich auf, beispielsweise eine Länge I2 von 100 pm bis 400 pm. Die dritte Fokuszone 56 weist beispielsweise eine Länge I3 im Mikrometerbereich auf, beispielsweise eine Länge I3 von 100 pm bis 400 pm.
Das Werkstück 14 weist beispielsweise eine erste Außenseite 64 und eine zu der ersten Außenseite 64 parallel zur Tiefenrichtung z beabstandete zweite Außenseite 66 auf.
Bei dem gezeigten Beispiel sind die erste Laserbearbeitungseinheit 20 und die zweite Laserbearbeitungseinheit 22 jeweils der ersten Außenseite 64 zugewandt angeordnet. Es lassen sich dadurch beispielsweise die erste Fokuszone 38, die zweite Fokuszone 54 und die dritte Fokuszone 56 aus derselben Richtung kommend und/oder durch dieselbe Außenseite des Werkstücks 14 in das Werkstück 14 einkoppeln.
Die erste Laserbearbeitungseinheit 20 und die zweite Laserbearbeitungseinheit 22 sind mit einem Arbeitsabstand A zueinander beabstandet, wobei eine Abstandsrichtung parallel zur Längenrichtung x und/oder zur Breitenrichtung y orientiert ist. Entsprechend ist bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1 die erste Fokuszone 38 zu der zweiten Fokuszone 54 bzw. zu der dritten Fokuszone 56 mit dem Arbeitsabstand A beabstandet.
Zur Einstellung des Arbeitsabstands A umfasst die Vorrichtung 10 insbesondere eine Einstelleinrichtung 68. Mittels dieser Einstelleinrichtung 68 ist insbesondere der Arbeitsabstand A im Arbeitsbetrieb der Vorrichtung 10 fest einstellbar und/oder definierbar.
Insbesondere sind mittels der Einstellrichtung 68 jeweilige Arbeitsabstände A zwischen der ersten Fokuszone 38, der zweiten Fokuszone 54 und der dritten Fokuszone 56 jeweils sowohl in Längenrichtung x als auch in Breitenrichtung y einstellbar.
Weiter kann es vorgesehen sein, dass die Vorrichtung 10 eine Einstelleinrichtung
70 umfasst, mittels welcher bezüglich der Tiefenrichtung z eine jeweilige Arbeitsposition 72 (angedeutet in den Fig. 3a und 5a) der ersten Fokuszone 38 und/oder der zweiten Fokuszone 54 und/oder der dritten Fokuszone 56 einstellbar ist.
Insbesondere sind die erste Fokuszone 38 und/oder die zweite Fokuszone 54 und/oder die dritte Fokuszone 56 mittels der Einstelleinrichtung 70 relativ zueinander bezüglich der Tiefenrichtung z verschiebbar.
Weiter kann es vorgesehen sein, dass die Vorrichtung 10 eine Einstelleinrichtung 74 umfasst, mittels welcher im Fall eines asymmetrischen Querschnitts der ersten Fokuszone 38 eine Ausrichtung 76 und/oder eine Orientierung (angedeutet in Fig. 4b) des größten Durchmessers dmax in der Bearbeitungsebene 42 einstellbar ist.
Die erste Laserbearbeitungseinheit 20 und die zweite Laserbearbeitungseinheit 22 sind jeweils parallel zu einer insbesondere gemeinsamen Vorschubrichtung 78 relativ zu dem Werkstück 14 bewegbar, wobei diese Vorschubrichtung 78 parallel zur Bearbeitungsebene 42 orientiert ist.
Die erste Laserbearbeitungseinheit 20 und die zweite Laserbearbeitungseinheit 22 sind derart steuerungstechnisch und/oder mechanisch miteinander gekoppelt, dass diese im Arbeitsbetrieb der Vorrichtung 10 relativ zu dem Werkstück entlang der gemeinsamen Vorschubrichtung 78 bewegt werden, wobei insbesondere der Arbeitsabstand A zwischen der ersten Laserbearbeitungseinheit 20 und der zweiten Laserbearbeitungseinheit 22 im Arbeitsbetrieb der Vorrichtung 10 konstant ist.
Beispielsweise umfasst die Vorrichtung 10 eine Halteeinrichtung 79, an welcher die erste Laserbearbeitungseinheit 20 und die zweite Laserbearbeitungseinheit 22 angeordnet sind. Beispielsweise führt eine Bewegung der Halteeinrichtung 79 in Vorschubrichtung 78 zu einer entsprechenden Bewegung der ersten Laserbearbeitungseinheit 20 und der zweiten Laserbearbeitungseinheit 22 in Vorschubrichtung. Insbesondere umfasst die erste Laserbearbeitungseinheit 20 und die zweite Laserbearbeitungseinheit 22 jeweils ein Gehäuse 81, mittels welchem die erste Laserbearbeitungseinheit 20 und die zweite Laserbearbeitungseinheit 22 jeweils an der Halteeinrichtung 79 angeordnet und/oder befestigt ist.
Weiter bewirkt eine Bewegung der ersten Laserbearbeitungseinheit 20 in eine bestimmte Vorschubrichtung 78 eine entsprechende Bewegung der zugeordneten ersten Fokuszone 38 in diese Vorschubrichtung 78 relativ zu dem Werkstück 14.
Entsprechend bewirkt eine Bewegung der zweiten Laserbearbeitungseinheit 22 in eine bestimmte Vorschubrichtung 78 eine entsprechende Bewegung der zugeordneten zweiten Fokuszone 54 und dritten Fokuszone 56 in diese Vorschubrichtung 78 relativ zu dem Werkstück 14.
Insbesondere kann es vorgesehen sein, dass im Arbeitsbetrieb der Vorrichtung 10 die Ausrichtung 76 des größten Durchmessers dmax mittels der Einstelleinrichtung 74 parallel zur Vorschubrichtung 78 ausgerichtet wird und insbesondere automatisch parallel zur Vorschubrichtung 78 ausgerichtet wird.
Weiter kann es vorgesehen sein, dass die Vorrichtung 10 eine Einstelleinrichtung 80 aufweist, mittels welcher die zweite Fokuszone 54 und die dritte Fokuszone 56 jeweils um eine zur Bearbeitungsebene 42 senkrecht orientierte Drehachse 82 drehbar sind. Diese Drehachse 82 ist nicht notwendigerweise symmetrisch zu einer Erstreckung der zweiten Fokuszone 54 bzw. der dritten Fokuszone 56 angeordnet, sondern beispielsweise einem jeweiligen Anfangspunkt 84 oder einem Endpunkt 86 der zweiten Fokuszone 54 bzw. der dritten Fokuszone 56 zugeordnet (angedeutet in Fig 5a).
Es ist grundsätzlich auch möglich, dass die Drehachse 82 quer oder parallel zu der Bearbeitungsebene 42 orientiert ist.
Mittels der Einstelleinrichtung 80 lässt sich im Arbeitsbetrieb der Vorrichtung 10 eine der Drehachse 82 zugeordnete Ausrichtung 88 und/oder Orientierung der zweiten Fokuszone 54 und der dritten Fokuszone 56 einstellen. Insbesondere werden im Arbeitsbetrieb der Vorrichtung 10 die zweite Fokuszone 54 und die dritte Fokuszone 56 in einem festen Winkel ß zur Vorschubrichtung 78 ausgerichtet und insbesondere automatisch ausgerichtet (Fig. 8).
Insbesondere beträgt der mittels der Einstelleinrichtung 80 gewählte Winkel ß im Arbeitsbetrieb der Vorrichtung zehn 90°.
Die erste Fokuszone 38, die zweite Fokuszone 54 und die dritte Fokuszone 56 sind nicht notwendigerweise geradlinig ausgebildet. Es ist grundsätzlich auch möglich, dass die erste Fokuszone 38 und/oder die zweite Fokuszone 54 und/oder die dritte Fokuszone 56 eine gekrümmte Form aufweisen und/oder eine gekrümmte Längsmittelachse aufweisen (angedeutet in Fig. 11).
Hinsichtlich der Ausbildung und Eigenschaften von quasi-nichtbeugenden und/oder Bessel-artigen Strahlen mit gekrümmter Form wird auf die wissenschaftliche Veröffentlichung "Bessel-like optical beams with arbitrary trajectories" von I. Chremmos et al., Optics Letters, Vol. 37, No. 23 , 1. Dezember 2012, verwiesen.
Unter der jeweiligen Haupterstreckungsrichtung 40, 58, 60 der Fokuszone 38, 54, 56 ist beispielsweise eine Richtung einer Geraden zu verstehen, welche durch den Anfangspunkt 84 und den Endpunkt 86 der zugeordneten Fokuszone 38, 54, 56 verläuft.
Eine in Fig. 2 gezeigte weitere Ausführungsform einer Vorrichtung 10' unterscheidet sich von der vorstehend beschriebenen Ausführungsform der Vorrichtung 10 gemäß Fig. 1 im Wesentlichen dadurch, dass die zweite Fokuszone 54 und die dritte Fokuszone 56 insbesondere nicht mittels einer einzigen Laserbearbeitungseinheit ausgebildet werden, sondern dass zur Ausbildung der zweiten Fokuszone 54 und der dritten Fokuszone 56 jeweils eine separate Laserbearbeitungseinheit vorgesehen ist.
Insbesondere weist die Vorrichtung 10' ein oder mehrere Merkmale und/oder Vorteile der vorstehend beschriebenen Vorrichtung 10 auf. Die Vorrichtung 10' umfasst die erste Laserbearbeitungseinheit 20, welche zur Ausbildung der ersten Fokuszone 38 eingerichtet ist.
Weiter umfasst die Vorrichtung 10' eine zweite Laserbearbeitungseinheit 90 und eine dritte Laserbearbeitungseinheit 92. Die zweite Laserbearbeitungseinheit 90 und die dritte Laserbearbeitungseinheit 92 sind insbesondere gleichartig ausgebildet und/oder weisen insbesondere die gleiche Funktionsweise auf wie die vorstehend beschriebene zweite Laserbearbeitungseinheit 22, sodass insoweit auf deren vorstehende Beschreibung Bezug genommen wird. Insbesondere weisen die zweite Laserbearbeitungseinheit 90 und die dritte Laserbearbeitungseinheit 92 ein mehrere Merkmale und/oder Vorteile der vorstehend beschriebenen zweiten Laserbearbeitungseinheit 22 auf.
Mittels der zweiten Laserbearbeitungseinheit 90 wird die zweite Fokuszone 54 ausgebildet und mittels der dritten Laserbearbeitungseinheit 92 wird die dritte Fokuszone 56 ausgebildet.
Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 2 ist die zweite Laserbearbeitungseinheit 90 zu der ersten Laserbearbeitungseinheit 20 mit einem ersten Arbeitsabstand Ai beabstandet und die dritte Laserbearbeitungseinheit 92 ist zu der ersten Laserbearbeitungseinheit 20 mit einem zweiten Arbeitsabstand A2 beabstandet, wobei eine jeweilige Abstandsrichtung des Arbeitsabstands Ai und des Arbeitsabstands A2 parallel zur Bearbeitungsebene 42 orientiert ist.
Entsprechend ist die mittels der zweiten Laserbearbeitungseinheit 90 erzeugte zweite Fokuszone 54 zu der mittels der ersten Laserbearbeitungseinheit 20 erzeugten ersten Fokuszone 38 mit dem Arbeitsabstand Ai beabstandet und die mittels der dritten Laserbearbeitungseinheit 92 erzeugte dritte Fokuszone 56 zu der ersten Fokuszone 38 mit dem Arbeitsabstand A2 beabstandet.
Bei dem gezeigten Beispiel ist die erste Laserbearbeitungseinheit 20 bzw. die erste Fokuszone 38 bezüglich der Längenrichtung x und/oder der Breitenrichtung y zwischen der zweiten Laserbearbeitungseinheit 90 bzw. der zweiten Fokuszone 54 und der dritten Laserbearbeitungseinheit 92 bzw. der dritten Fokuszone 56 angeordnet. Es ist grundsätzlich auch möglich, dass die Laserbearbeitungseinheiten 20, 90, 92 bzw. die Fokuszonen 38, 54, 56 bezüglich der Längenrichtung x und/oder der Breitenrichtung y in beliebiger anderer Reihenfolge positioniert sind.
Die erste Laserbearbeitungseinheit 20, die zweite Laserbearbeitungseinheit 90 und die dritte Laserbearbeitungseinheit 92 sind an der Halteeinrichtung 79 angeordnet und mittels der Halteeinrichtung 79 parallel zur gemeinsamen Vorschubrichtung 78 relativ zu dem Werkstück 14 bewegbar. Entsprechend sind die erste Fokuszone 38, die zweite Fokuszone 54 und die dritte Fokuszone 56 relativ zu dem Werkstück 14 parallel zur gemeinsamen Vorschubrichtung 78 bewegbar.
Die Vorrichtung 10' umfasst eine Einkopplungseinrichtung 24', welche grundsätzlich die gleiche Funktionsweise aufweist wie die vorstehend beschriebene Einkopplungseinrichtung 24, sodass insoweit auf deren vorstehende Beschreibung Bezug genommen wird. Insbesondere weist die Einkopplungseinrichtung 24' ein oder mehrere Merkmale und/oder Vorteile der vorstehend beschriebenen Einkopplungseinrichtung 24 auf.
Mittels der Einkopplungseinrichtung 24' wird bei dem gezeigten Beispiel der Eingangslaserstrahl 18 in einen ersten Teilstrahl 94 zur Einkopplung in die dritte Laserbearbeitungseinheit 92, einen zweiten Teilstrahl 96 zur Einkopplung in die erste Laserbearbeitungseinheit 20 und einen dritten Teilstrahl 98 zur Einkopplung in die zweite Laserbearbeitungseinheit 90 aufgeteilt und insbesondere mittels Polarisationsstrahlteilung aufgeteilt.
Beispielsweise umfasst die Einkopplungseinrichtung 24' ein erstes Polarisationselement 30a und ein in Strahlausbreitungsrichtung 34 hinter dem ersten Polarisationselement 30a angeordnetes zweites Polarisationselement 30b.
Bezüglich der Strahlausbreitungsrichtung 34 ist zwischen dem ersten Polarisationselement 30a und dem zweiten Polarisationselement 30b ein erstes Polarisations-Strahlteilungselement 32a zur Aufteilung des Eingangslaserstrahls 18 in den ersten Teilstrahl 94 und in einen transmittierten Strahl 100 angeordnet. Dieser transmittierte Strahl 100 trifft auf das zweite Polarisationselement 30b und wird anschließend mittels einem zweiten Polarisations-Strahlteilungselement 32b in den zweiten Teilstrahl 96 und den dritten Teilstrahl 98 geteilt.
Mittels dem ersten Polarisations-Strahlteilungselement 32a und dem zweiten Polarisations-Strahlteilungselement 32b lässt sich ein Intensitätsverhältnis und/oder Leistungsverhältnis des ersten Teilstrahls 94, des zweiten Teilstrahls 96 und des dritten Teilstrahls 98 einstellen.
Es wäre grundsätzlich auch möglich, in die erste Laserbearbeitungseinheit 20, die zweite Laserbearbeitungseinheit 90 und die dritte Laserbearbeitungseinheit 92 jeweils einen Laserstrahl aus einer jeweils unterschiedlichen Laserquelle einzukoppeln.
Die Vorrichtung 10 funktioniert wie folgt:
Durch Laserbearbeitung des Werkstücks 14 mittels der Vorrichtung 10 lassen sich beispielsweise ein oder mehrere Werkstücksegmente 101 (Fig. 6) von dem Werkstück 14 abtrennen.
Das Material 12 des Werkstücks 14 wird hierzu mit der ersten Fokuszone 38, der zweiten Fokuszone 54 und der dritten Fokuszone 56 beaufschlagt.
Beispielsweise werden mittels der zweiten Laserbearbeitungseinheit 22 die zweite Fokuszone 54 und die dritte Fokuszone 56 derart angeordnet und ausgebildet, dass die zweite Fokuszone 54 zu der dritten Fokuszone 56 in Tiefenrichtung z beabstandet angeordnet ist und/oder dass sich die zweite Fokuszone 54 und die dritte Fokuszone 56 bezüglich der Längenrichtung x und/oder der Breitenrichtung y an gleichen Positionen angeordnet sind.
Mittels der ersten Laserbearbeitungseinheit 20 wird die erste Fokuszone 38 derart angeordnet und ausgebildet, dass sich diese bezüglich der Tiefenrichtung z zwischen der zweiten Fokuszone 54 und der dritten Fokuszone 56 und insbesondere vollständig zwischen der zweiten Fokuszone 54 und der dritten Fokuszone 56 erstreckt. Die erste Fokuszone 38 ist hierbei mit dem Arbeitsabstand A zu der zweiten Fokuszone 54 und der dritten Fokuszone 56 beabstandet. Bei der in Fig. 1 gezeigten Situation ist dieser Arbeitsabstand A beispielsweise parallel zur Vorschubrichtung 78 orientiert.
Insbesondere erstreckt sich die dritte Fokuszone 56 innerhalb des Materials 12 bezüglich der Tiefenrichtung z zwischen der zweiten Außenseite 66 des Werkstücks 14 und der ersten Fokuszone 38. Insbesondere erstreckt sich die zweite Fokuszone 54 bezüglich der Tiefenrichtung z zwischen der ersten Fokuszone 38 und der ersten Außenseite 64.
Jeweilige Positionen der ersten Fokuszone 38, der zweiten Fokuszone 54 und der dritten Fokuszone 56 in Tiefenrichtung lassen sich beispielsweise mittels der Einstelleinrichtung 70 einstellen.
Insbesondere erstrecken sich die erste Fokuszone 38, die zweite Fokuszone 54 und die dritte Fokuszone 56 zur Bearbeitung des Werkstücks 14 in einer gemeinsamen Ebene, welche insbesondere senkrecht zur Bearbeitungsebene 42 orientiert ist. Dies lässt sich beispielsweise durch entsprechende Justage mittels der Einstelleinrichtungen 68 und 80 realisieren.
Durch Beaufschlagung des Werkstücks 14 mit der zweiten Fokuszone 54 und der dritten Fokuszone 56 an einer bestimmten Bearbeitungsstelle 102 werden in dem Material 12 des Werkstücks 14 an dieser Bearbeitungsstelle 102 entsprechende Materialmodifikationen erzeugt (Fig. 8).
Die an der Bearbeitungsstelle 102 mittels der zweiten Fokuszone 54 erzeugten Materialmodifikationen sind entlang einer zweiten Bearbeitungslinie 104 angeordnet. Entsprechend werden mittels der dritten Fokuszone 56 an der Bearbeitungsstelle 102 Materialmodifikationen entlang einer dritten Bearbeitungslinie 106 ausgebildet.
Durch Relativbewegung der zweiten Fokuszone 54 und der dritten Fokuszone 56 bezüglich dem Material 12 werden Materialmodifikationen entlang einer jeweiligen Bearbeitungsfläche und/oder Bearbeitungsebene ausgebildet, welche beispielsweise parallel zur zweiten Bearbeitungslinie 104 und zur Vorschubrichtung 78 bzw. parallel zur dritten Bearbeitungslinie 106 und zur Vorschubrichtung 78 orientiert ist.
Die erste Fokuszone 38 trifft zeitlich nach der zweiten Fokuszone 54 bzw. der dritten Fokuszone 56 auf die betrachtete Bearbeitungsstelle 102 des Werkstücks 14 (Fig. 9), wobei ein zeitlicher Abstand beispielsweise einem Quotienten aus Arbeitsabstand und Vorschubgeschwindigkeit entspricht (bei konstanter Vorschubgeschwindigkeit und Vorschubrichtung).
An der Bearbeitungsstelle 102 werden durch Beaufschlagung des Materials 12 mit der ersten Fokuszone 38 in dem Material 12 Materialmodifikationen entlang einer ersten Bearbeitungslinie 108 erzeugt, wobei durch Relativbewegung der ersten Fokuszone 38 zu dem Material 12 Materialmodifikationen entlang einer entsprechenden Bearbeitungsfläche und/oder Bearbeitungsebene ausgebildet werden, welche beispielsweise parallel zur ersten Bearbeitungslinie 108 und zur Vorschubrichtung 78 orientiert ist.
Eine jeweilige Länge und/oder Form der ersten Bearbeitungslinie 108 bzw. der zweiten Bearbeitungslinie 104 bzw. der dritten Bearbeitungslinie 106 entspricht insbesondere einer jeweiligen Länge und/oder Form der ersten Fokuszone 38 bzw. der zweiten Fokuszone 54 bzw. der dritten Fokuszone 56 bei Beaufschlagung des Werkstücks 14 innerhalb des Materials 12.
Die erste Bearbeitungslinie 108 weist eine zu der ersten Fokuszone 38 korrespondierende Länge I' auf, die zweite Bearbeitungslinie 104 weist eine zu der zweiten Fokuszone 54 korrespondierende Länge 1'2 auf und die dritte Bearbeitungslinie 106 weist eine zu der dritten Fokuszone 56 korrespondierende Länge l'3 auf.
Beispielsweise erfolgt eine Laserbearbeitung des Werkstücks 14 mittels der Vorrichtung 10 entlang vorgegebener Bearbeitungskonturen 110, wobei die Bearbeitungskonturen 110 beispielsweise geschlossene Konturen sind. Es werden dadurch an dem Material 12 entlang der den Bearbeitungslinien 104, 106, 108 zugeordneten Bearbeitungsflächen jeweils Materialmodifikationen ausgebildet, an welchen das Material 12 trennbar ist. Dadurch lassen sich beispielsweise Werkstücksegmente 101 von dem Werkstück 14 abtrennen und/oder aus dem Werkstück 14 heraustrennen. Eine Trennung eines Werkstücksegments 101 erfolgt beispielsweise durch thermische Beaufschlagung und/oder durch Ausübung mechanischer Spannung und/oder durch Ätzen mittels mindestens einer nasschemischen Lösung, beispielsweise im ultraschallunterstützten Ätzbad.
Eine Geometrie des Werkstücksegments 101 in einem Trennbereich 112 und/oder Kantenbereich (Fig. 7) entspricht einer Geometrie der ersten Fokuszone 38, der zweiten Fokuszone 54 und der dritten Fokuszone 56, mittels welchen das Werkstück 14 zuvor beaufschlagt wurde. Das Werkstücksegment 101 weist in dem Trennbereich 112 insbesondere abgeschrägte Kanten 114 (Chamfer) auf, welche mittels der zweiten Fokuszone 54 und der dritten Fokuszone 56 erzeugt wurden.
Weisen die zweite Fokuszone 54 und/oder die dritte Fokuszone 56 beispielsweise eine gekrümmte Form auf, dann weisen auch zugeordnete zweite Bearbeitungslinie 104 bzw. dritte Bearbeitungslinie 106 eine entsprechend gekrümmte Form auf (Fig. 11). Es lassen sich dadurch beispielsweise abgerundete Kanten in dem Trennbereich 112 ausbilden.
Durch Einstellung des jeweiligen Arbeitsabstands A in Längenrichtung x und in Breitenrichtung y zwischen der ersten Fokuszone 38, der zweiten Fokuszone 54 und der dritten Fokuszone 56 mittels Einstelleinrichtung 68 lassen sich die entsprechenden Längen I, I2 und I3 bzw. I, 1'2 und 1'3 definieren. Es lassen sich dadurch insbesondere Kantenlängen in dem Trennbereich 112 definieren.
Falls die mittels der ersten Laserbearbeitungseinheit 20 erzeugte erste Fokuszone 38 einen asymmetrischen Querschnitt aufweist (Fig. 4a und 4b), wird die Ausrichtung 76 des größten Durchmessers dmax mittels der Einstelleinrichtung 74 insbesondere parallel zur Vorschubrichtung 78 ausgerichtet. Dies führt zu Bildung von Rissen im Material 12, welche zumindest näherungsweise parallel zur Vorschubrichtung 74 und/oder zur entsprechenden Bearbeitungsebene ausgerichtet sind, was insbesondere eine verbesserte Materialtrennung ermöglicht.
Die Verwendung einer ersten Fokuszone 38 mit asymmetrischem Querschnitt und die Einstellung der Ausrichtung 76 parallel zur Vorzugsrichtung 78 ist insbesondere dann relevant, wenn wie im Fall des vorstehend beschriebenen Beispiels die Bearbeitungsstelle 102 mit der ersten Fokuszone 38 beaufschlagt wird, nachdem diese bereits mit der zweiten Fokuszone 54 beaufschlagt wurde.
Aufgrund der an der Bearbeitungsstelle 102 bereits ausgebildeten zweiten Bearbeitungslinie 104 kommt es zu Abschirmeffekten von Teilstrahlen 116, mittels welcher die erste Fokuszone 38 ausgebildet wird (angedeutet in Fig. 10). Dies kann, insbesondere im Fall eines symmetrischen Querschnitts der ersten Fokuszone 38, eine Rissbildung im Material 12 stören und beispielsweise derart stören, dass Risse in unterschiedlichen Winkeln zur Vorzugsrichtung 78 ausgebildet werden und/oder nicht wie gewünscht im Wesentlichen parallel zur Vorschubrichtung 78. Durch Verwendung einer ersten Fokuszone 38 mit asymmetrischem Querschnitt und Einstellung der Ausrichtung 76 parallel zur Vorschubrichtung 78 lässt sich auch in dieser Situation eine Rissbildung derart kontrollieren, dass Risse im Wesentlichen parallel zur Vorschubrichtung 78 ausgebildet werden.
Die in Fig. 2 gezeigte Vorrichtung 10' weist grundsätzlich die gleiche Funktionsweise auf wie die Vorrichtung 10.
Im Fall der Vorrichtung 10' ist bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 2 die zweite Fokuszone 54 zu der ersten Fokuszone 38 mit dem Arbeitsabstand Ai beabstandet und die dritte Fokuszone 56 ist zu der ersten Fokuszone 38 mit dem Arbeitsabstand A2 beabstandet, wobei die erste Fokuszone 38 zwischen der zweiten Fokuszone 54 und der dritten Fokuszone 56 angeordnet ist.
Entsprechend wird bei dem gezeigten Beispiel an einer bestimmten Bearbeitungsstelle 102 des Werkstücks 14 zeitlich zuerst Materialmodifikationen entlang der zweiten Bearbeitungslinie 104 ausgebildet, anschließend entlang der ersten Bearbeitungslinie 108 und dann entlang der dritten Bearbeitungslinie 106. Grundsätzlich kann die Reihenfolge der Ausbildung der ersten Bearbeitungslinie 108, der zweiten Bearbeitungslinie 104 und der dritten Bearbeitungslinie 106 in beliebiger unterschiedlicher Reihenfolge erfolgen. Hierfür können die Vorrichtungen 10, 10' gegebenenfalls entsprechend angepasst und/oder eingestellt werden.
Bezugszeichenliste
A Arbeitsabstand
Ai erster Arbeitsabstand
A2 zweiter Arbeitsabstand d Winkel ß Winkel do Durchmesser dmax größter Durchmesser
I Länge
12 Länge
13 Länge
I' Länge
1'2 Länge
1'3 Länge x Längenrichtung y Breitenrichtung z Tiefenrichtung
10, 10' Vorrichtung 12 Material
14 Werkstück
16 Laserquelle
18 Eingangslaserstrahl
20 erste Laserbearbeitungseinheit
22 zweite Laserbearbeitungseinheit
24, 24' Einkopplungseinrichtung 26 erste Teilstrahl
28 zweiter Teilstrahl
30 Polarisationselement
30a erstes Polarisationselement
30b zweites Polarisationselement
32 Polarisations-Strahlteilungselement
32a erstes Polarisations-Strahlteilungselement
32b zweites Polarisations-Strahlteilungselement
34 Strahlausbreitungsrichtung Spiegelelement erste Fokuszone erste Haupterstreckungsrichtung
Bearbeitungsebene maximale Intensitätsverteilung nebengeordnete Intensitätsverteilung zweite Fokuszone dritte Fokuszone zweite Haupterstreckungsrichtung dritte Haupterstreckungsrichtung
Teilbereich erste Außenseite zweite Außenseite
Einstelleinrichtung
Einstelleinrichtung
Arbeitsposition
Einstelleinrichtung
Ausrichtung
Vorschubrichtung
Halteeinrichtung
Einstelleinrichtung
Gehäuse
Drehachse
Anfangspunkt
Endpunkt
Ausrichtung zweite Laserbearbeitungseinheit dritte Laserbearbeitungseinheit erster Teilstrahl zweiter Teilstrahl dritter Teilstrahl transmittierter Strahl
Werkstücksegment
Bearbeitungsstelle zweite Bearbeitungslinie dritte Bearbeitungslinie erste Bearbeitungslinie Bearbeitungskontur Trennbereich Kante Teilstrahl

Claims

- 43 -
Patentansprüche Vorrichtung zur Laserbearbeitung eines Werkstücks (14) in einer Bearbeitungsebene (42), umfassend eine erste Laserbearbeitungseinheit (20) zur Ausbildung einer sich in eine erste Haupterstreckungsrichtung (40) erstreckende erste Fokuszone (38) und mindestens eine weitere Laserbearbeitungseinheit (22; 90, 92) zur Ausbildung mindestens einer weiteren Fokuszone (54, 56), welche sich in eine zu der ersten Haupterstreckungsrichtung (40) quer orientierte weitere Haupterstreckungsrichtung (58, 60) erstreckt, wobei die erste Fokuszone (38) und die mindestens eine weitere Fokuszone (54, 56) parallel zur Bearbeitungsebene (42) mit einem Arbeitsabstand (A; Ai, A2) beabstandet sind, die erste Laserbearbeitungseinheit (20) mit der ersten Fokuszone (38) und die mindestens eine weitere Laserbearbeitungseinheit (22; 90, 92) mit der mindestens einen weiteren Fokuszone (54, 56) jeweils entlang einer parallel zur Bearbeitungsebene (42) orientierten Vorschubrichtung (78) bewegbar sind und wobei das Werkstück (14) aus einem für einen Laserstrahl, aus welchem die erste Fokuszone (38) und die mindestens eine weitere Fokuszone (54, 56) jeweils ausgebildet sind, transparenten Material (12) hergestellt ist. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Laserbearbeitungseinheit (20) und die mindestens eine weitere Laserbearbeitungseinheit (22; 90, 92) derselben Außenseite (64; 66) des Werkstücks (14) zugewandt angeordnet sind; und/oder dass die erste Fokuszone (38) und die mindestens eine weitere Fokuszone (54, 56) durch dieselbe Außenseite (64; 66) des Werkstücks (14) in das Werkstück (14) eingekoppelt werden oder einkoppelbar sind. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch zumindest eines der Folgenden: die erste Laserbearbeitungseinheit (20) und die mindestens eine weitere Laserbearbeitungseinheit (22; 90, 92) sind derart mechanisch und/oder - 44 - steuerungstechnisch aneinander gekoppelt, dass eine Bewegung der ersten Laserbearbeitungseinheit (20) und der ersten Fokuszone (38) einerseits und der mindestens einen weiteren Laserbearbeitungseinheit (22; 90, 92) und der mindestens einen weiteren Fokuszone (54, 56) andererseits entlang einer gemeinsamen Vorschubrichtung (78) erfolgt; die erste Laserbearbeitungseinheit (20) und die mindestens eine weitere Laserbearbeitungseinheit (22; 90, 92) sind derart mechanisch und/oder steuerungstechnisch aneinander gekoppelt, dass eine Bewegung der ersten Laserbearbeitungseinheit (20) und der ersten Fokuszone (38) einerseits und der mindestens einen weiteren Laserbearbeitungseinheit (22; 90, 92) und der mindestens einen weiteren Fokuszone (54, 56) andererseits entlang zueinander parallel orientierten und/oder parallel versetzten Bearbeitungskonturen (110) erfolgt. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die weitere Haupterstreckungsrichtung (58, 60) in einem kleinsten Winkel (o) von mindestens 1° und/oder höchstens 89° zur ersten Haupterstreckungsrichtung (40) orientiert ist. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Einstelleinrichtung (68) zur Einstellung des zur Bearbeitungsebene (42) parallel orientierten Arbeitsabstands (A; Ai, A2) zwischen der ersten Fokuszone (38) und der mindestens einen weiteren Fokuszone (54, 56) und/oder zwischen der ersten Laserbearbeitungseinheit (20) und der mindestens einen weiteren Laserbearbeitungseinheit (22; 90, 92), wobei insbesondere der Arbeitsabstand (A; Ai, A2) parallel zu einer zur Bearbeitungsebene (42) parallelen Längenrichtung (x) und parallel zu einer zur Bearbeitungsebene (42) parallelen Breitenrichtung (y) einstellbar ist. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mittels der ersten Laserbearbeitungseinheit (20) gebildete erste Fokuszone (38) ein quasi-nichtbeugendes und/oder ein Bessel-artiges Strahlprofil aufweist. - 45 - Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mittels der ersten Laserbearbeitungseinheit (20) gebildete erste Fokuszone (38) in einem zur Bearbeitungsebene (42) parallelen Querschnitt asymmetrisch und insbesondere elliptisch ist. Vorrichtung nach Anspruch 7, gekennzeichnet durch eine Einstelleinrichtung (74) zur Drehung einer Ausrichtung (76) eines größten Durchmessers (dmax) des Querschnitts der ersten Fokuszone (38) in der Bearbeitungsebene (42), und insbesondere dadurch gekennzeichnet, dass mittels der Einstelleinrichtung (74) der größte Durchmesser (dmax) parallel zur Vorschubrichtung (78) ausrichtbar ist und insbesondere automatisch ausrichtbar ist. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mittels der mindestens einen weiteren Laserbearbeitungseinheit (22; 90, 92) gebildete mindestens eine weitere Fokuszone (54, 56) durch Aufteilen Laserstrahls in eine Mehrzahl von Teilstrahlen gebildet ist, wobei die Teilstrahlen jeweils in einander benachbarte Teilbereiche (62) der mindestens einen weiteren Fokuszone (54, 56) fokussiert werden. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Einstelleinrichtung (80) zur Drehung der ersten Fokuszone (18) und/oder der mindestens einen weiteren Fokuszone (54, 56) um eine zur Bearbeitungsebene (42) quer oder senkrecht oder parallel orientierte Drehachse (82), und insbesondere dadurch gekennzeichnet, dass mittels der Einstelleinrichtung (80) eine Ausrichtung (88) der mindestens einen weiteren Fokuszone (54, 56) in einem festen Winkel (ß) zur Vorschubrichtung (78) einstellbar ist und insbesondere automatisch einstellbar ist. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Einkopplungseinrichtung (24, 24') zur Einkopplung eines Eingangslaserstrahls (18) in die erste Laserbearbeitungseinheit (20) und in die mindestens eine weitere Laserbearbeitungseinheit (22; 90, 92), wobei mittels der Einkopplungseinrichtung (24, 24') eine Aufteilung des Eingangslaserstrahls (18) in einen ersten Teilstrahl (26; 94) zur Einkopplung in die erste Laserbearbeitungseinheit (20) und in mindestens einen weiteren Teilstrahl (28; 96, 98) zur Einkopplung in die mindestens eine weitere Laserbearbeitungseinheit (22; 90, 92) erfolgt. orrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mittels der mindestens einen weiteren Laserbearbeitungseinheit (22; 90, 92) eine zweite Fokuszone (54) mit einer zweiten Haupterstreckungsrichtung (58) und eine dritte Fokuszone (56) mit einer dritten Haupterstreckungsrichtung (60) gebildet werden, wobei die zweite Haupterstreckungsrichtung (58) und die dritte Haupterstreckungsrichtung (60) jeweils quer zur ersten Haupterstreckungsrichtung (40) orientiert sind, und insbesondere dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Fokuszone (54) und die dritte Fokuszone (56) bezüglich einer zur Bearbeitungsebene (42) senkrecht orientierten Tiefenrichtung (z) zueinander beabstandet angeordnet sind und/oder dass die erste Fokuszone (38) bezüglich einer zur Bearbeitungsebene (42) senkrecht orientierten Tiefenrichtung (z) zwischen der zweiten Fokuszone (54) und der dritten Fokuszone (56) angeordnet ist. orrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Fokuszone (54) und die dritte Fokuszone (56) bezüglich einer zur Bearbeitungsebene (42) parallelen Breitenrichtung (y) und/oder Längenrichtung (x) zumindest abschnittsweise an gleichen Positionen angeordnet sind; oder dass die zweite Fokuszone (54) und die dritte Fokuszone (56) bezüglich einer zur Bearbeitungsebene (42) parallelen Breitenrichtung (y) und/oder Längenrichtung (x) beabstandet angeordnet sind. Verfahren zur Laserbearbeitung eines Werkstücks (14), bei dem mittels einer ersten Laserbearbeitungseinheit (20) eine sich in eine erste Haupterstreckungsrichtung (40) erstreckende erste Fokuszone (38) ausgebildet wird und mittels mindestens einer weiteren Laserbearbeitungseinheit (22; 90, 92) mindestens eine weitere Fokuszone (54, 56) ausgebildet wird, welche sich in eine zu der ersten Haupterstreckungsrichtung (40) quer orientierte weitere Haupterstreckungsrichtung (58, 60) erstreckt, wobei die erste Fokuszone (38) und die mindestens eine weitere Fokuszone (54, 56) parallel zur Bearbeitungsebene (42) mit einem Arbeitsabstand (A; Ai, A2) beabstandet sind, das Werkstück (14) mit der ersten Fokuszone (38) und der mindestens einen weiteren Fokuszone (54, 56) beaufschlagt wird, die erste Laserbearbeitungseinheit (20) mit der ersten Fokuszone (38) und die mindestens eine weitere Laserbearbeitungseinheit (22; 90, 92) mit der mindestens einen weiteren Fokuszone (54, 56) jeweils entlang einer parallel zur Bearbeitungsebene (42) orientierten Vorschubrichtung (78) relativ zu dem Werkstück (14) bewegt werden, und wobei das Werkstück (14) aus einem für einen Laserstrahl, aus welchem die erste Fokuszone (38) und die mindestens eine weitere Fokuszone (54, 56) jeweils ausgebildet sind, transparenten Material (12) hergestellt ist. erfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass eine Beaufschlagung des Werkstücks (14) an einer bestimmten Bearbeitungsstelle (102) mit der ersten Fokuszone (38) und mit der mindestens einen weiteren Fokuszone (54, 56) zeitlich versetzt erfolgt.
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