WO2012139721A1

WO2012139721A1 - Verfahren zur bearbeitung eines werkstücks mit einem laserstrahl

Info

Publication number: WO2012139721A1
Application number: PCT/EP2012/001464
Authority: WO
Inventors: Peter Ressel; Karsten Becker; Lutz Engisch; Sebastian Eckert
Original assignee: Hell Gravure Systems GmbH and Co KG
Current assignee: Hell Gravure Systems GmbH and Co KG
Priority date: 2011-04-14
Filing date: 2012-04-03
Publication date: 2012-10-18
Anticipated expiration: 2013-10-14
Also published as: DE102011017080A1; DE102011017080B4

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bearbeitung eines Werkstücks (12) mit einem Laserstrahl (16), insbesondere zur Herstellung einer Druckform, Prägeform oder dergleichen, wobei das Werkstück (12) relativ zum Laserstrahl (16) bewegt und vom Laserstrahl (16) zusammenhängende Vertiefungen (22) aus dem Werkstück (12) ausgehoben werden, wobei die zusammenhängenden Vertiefungen (22) jeweils aus mindestens einer in Richtung der Relativbewegung verlaufenden ununterbrochenen Spur (62) bestehen. Damit beim Ausheben der Vertiefungen (22) weniger Abraum erzeugt wird und die Sollwerte der geometrischen Näpfchenparameter besser eingehalten werden können, wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, dass die ununterbrochene Spur (62) mittels eines gepulsten Laserstrahls (16) ausgehoben wird.

Description

Verfahren zur Bearbeitung eines Werkstücks mit einem Laserstrahl

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bearbeitung eines Werkstücks mit einem Laserstrahl, insbesondere zur Herstellung einer Druckform, Prägeform oder dergleichen, wobei das Werkstück relativ zum Laserstrahl bewegt und vom Laserstrahl zusammenhängende Vertiefungen aus dem Werkstück ausgehoben werden, die jeweils aus mindestens einer in Richtung der Relativbewegung verlaufenden ununterbrochenen Spur bestehen, wobei die ununterbrochene Spur mittels eines gepulsten Laserstrahls ausgehoben wird, der aus abwechselnden Laserpulsen und Unterbrechungen besteht.

Bei der Direktgravur von Druck- oder Prägeformen mittels eines Laserstrahls wird häufig ein Werkstück in Form eines Druck- oder Prägezylinders in eine Gravier- maschine eingespannt und um seine Längsmittelachse in Drehung versetzt, während der Laserstrahl auf die rotierende Oberfläche des Druck- oder Prägezylinders gerichtet wird. Zugleich wird ein den Laserstrahl emittierendes Laserbearbeitungsorgan in axialer Richtung am Druck- oder Prägezylinder entlang bewegt, so dass sich der Laserstrahl entlang einer schraubenförmigen Bahn über die Zylinderoberfläche bewegt und entlang von nebeneinander liegende Spuren auf die Zylinderoberfläche auftrifft. Dort, wo der Laserstrahl auf die Zylinderoberfläche auftrifft, wird durch die thermische Energie des Laserstrahls Material an der Oberfläche verdampft, wodurch in der Oberfläche eine Vertiefung ausgehoben wird.

Bei der Lasergravur von Tiefdruckzylindern, bei der das an die Zylinderoberfläche angrenzende Material aus Kupfer besteht, werden üblicherweise in einem vorgegebenen Raster Näpfchen in die Zylinderoberfläche graviert, deren seitliche Abmessungen je nach Druckdichte zwischen 20 und 240 pm betragen, während ihre Tiefe bis etwa 35 pm beträgt. Um die Bildschärfe des zu druckenden Bildes zu verbessern und Halbtonverläufe besser wiederzugeben, wurde in der EP 1 568 490 B1 der Anmelderin bereits vorgeschlagen, die Näpfchen aus einer vorbe- stimmten Anzahl von einzeln gravierten Bildpunkten aufzubauen, deren Abmessungen jeweils etwa der Größe des Auftreffpunkts des Laserstrahls auf der Oberfläche entsprechen. Zum Ausheben derartiger, aus einzelnen Bildpunkten gebildeter Näpfchen wird der Laserstrahl im Bereich der zu gravierenden

Näpfchen entlang von nebeneinander liegenden Spuren mit einer Breite von üblicherweise etwa 20 bis 30 pm über die Zylinderoberfläche bewegt und dabei die Intensität des Laserstrahls mit einem in seinem Strahlengang angeordneten Modulator moduliert, um die Tiefe und die Länge der Spuren so zu steuern, dass sich theoretisch die gewünschte Näpfchenform und das gewünschte Näpfchenvo- lumen ergibt. Dabei werden bisher Dauerstrich- oder cw-Laser verwendet, deren Laserstrahl während der Gravur einer ununterbrochenen Spur ebenfalls ohne Unterbrechung auf die Oberfläche des Werkstücks einwirkt. Um mit den gravierten Näpfchen eine gewünschte Druckdichte zu erzeugen, kann zum einen die Laserleistung, das heißt die Intensität des Laserstrahls, entlang der nebeneinander durch ein Näpfchen verlaufenden Spuren verändert werden. Zum anderen kann die Größe der Näpfchen durch die Länge der nebeneinander durch das Näpfchen verlaufenden Spuren und diese wiederum durch die Einwirkzeit des Laserstrahls auf das Werkstück während der Bewegung des Laserstrahls entlang von jeder Spur verändert werden. Der Abstand der benachbarten Spuren wird so gewählt, dass sich die ausgehobenen Spuren teilweise überlappen, so dass am Boden der gravierten Näpfchen nur niedrige Erhebungen oder Grate zwischen den benachbarten Spuren stehen bleiben.

Durch eine solche Gravur von nebeneinander liegenden, sich teilweise überlap- penden Spuren können auch größere Vertiefungen oder Vertiefungen in Werkstücken aus anderen Metallen, Keramik oder aus Kunststoffen ausgehoben werden.

Allerdings tritt vor allem bei der Lasergravur von metallischen Werkstücken das Problem auf, dass die Vertiefungen nicht in ausreichendem Maß ausgehoben werden, sondern dass sich ein Teil des Materials in Form von kleinen, aus

Schmelzauswurf, Schmauch oder Abbrand bestehenden Partikeln, nachfolgend auch als Abraum bezeichnet, entweder innerhalb der gravierten Vertiefungen oder auf den Rändern derselben niederschlägt oder ablagert. Dies macht eine zusätzliche Reinigung der Werkstücke erforderlich. Bei der Gravur von Tiefdruckformen führt eine Ablagerung von Abraum innerhalb der Näpfchen zudem dazu, dass geometrische Näpfchenparameter, wie vor allem die Näpfchentiefe aber auch Querschnittsabmessungen der Näpfchen, nicht den gewünschten Sollwerten entsprechen, während eine Ablagerung von Abraum auf den Rändern der Näpfchen zur Folge hat, dass die zum Abstreifen überschüssiger Druckfarbe beim Drucken dienende Rakel nicht auf einer glatten Oberfläche aufliegt und somit die überschüssige Druckfarbe nicht sauber abgestreift werden kann.

Aus der DE 10 2008 032 618 A1 ist bereits ein Verfahren der eingangs genannten Art bekannt, bei dem mit Hilfe eines Laserstrahls eine rillenförmige Feinstruktur in die Mantelfläche eines Prägewalzenkörpers eingraviert wird. Der Laserstrahl wird mit einer Pulsdauer von weniger als 1 ns gepulst und besteht aus abwechselnden Laserpulsen und Unterbrechungen. Der Laserstrahl wird mit Hilfe eines gepulsten diodengepumpten Festkörperlasers erzeugt, wobei die Wiederholrate der

Laserpulse bevorzugt etwa 200 KHz beträgt. Da die Bearbeitungsgeschwindigkeit von der Wiederholrate abhängt und bei höheren Wiederholraten größer ist, sind dort der Bearbeitungsgeschwindigkeit Grenzen gesetzt.

Die DE 36 08 286 A1 offenbart ein Verfahren zur Oberflächenbehandlung eines Druckmaschinenzylinders mit einem Laserstrahl aus einem Laser. Der Laser kann im Dauerstrichbetrieb derart entlang einer Linie geführt werden, dass entlang der Linie eine zuvor aufgebrachte Schicht vollflächig geschmolzen und damit eine zusammenhängende Vertiefung ausgehoben wird. Alternativ kann der Laserstrahl auch moduliert werden, wobei er entweder ein- und ausgeschaltet, d.h. getaktet, oder in der Intensität mit weichen Übergängen zwischen einem maximalen und einem minimalen Intensitätswert hin- und her geregelt wird. Durch die Modulation des Laserstrahls werden fein verteilte Vertiefungen ausgehoben, deren Lage und Form von den eingestellten Verfahrensparametern abhängt. Als Laser ist ein (XVLaser offenbart, der in seiner Intensität leicht modulierbar ist. Die DE 101 16 093 C1 offenbart ein Verfahren zum Betreiben einer Lasergravureinrichtung, wobei ein Werkstück mit mehreren Laserstrahlen gleichzeitig bearbeitet wird. Zur Erhöhung der Bearbeitungsgeschwindigkeit wird im Strahlengang ein akustooptischer Modulator angeordnet, dem gleichzeitig zwei voneinander verschiedene Frequenzen zugeführt werden, um einen ersten Laserstrahl um einen ersten Ablenkwinkel und einen zweiten Laserstrahl um einen zweiten Ablenkwinkel abzulenken. Die beiden Modulationsfrequenzen werden nach Maßgabe gespeicherter Gravurdaten jeweils für sich moduliert, so dass die beiden Laserstrahlwege auch eine separate Intensitätssteuerung erhalten.

Ausgehend hiervon liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art dahingehend zu verbessern, dass beim Ausheben der Vertiefungen weniger Abraum erzeugt wird und die Sollwerte der geometrischen Näpfchenparameter besser eingehalten werden können. Auch soll der Boden der Vertiefungen besser geglättet und eine feinere Schreibauflösung des Laserstrahls ermöglicht werden. Außerdem sollen ohne eine Veränderung der Geschwindigkeit der Relativbewegung unterschiedliche Auflösungen erzielt werden können. Zur Lösung dieser Aufgabe wird erfindungsgemäß die Merkmalskombination des Anspruchs 1 vorgeschlagen.

Durch die erfindungsgemäße Merkmalskombination wirkt der Laserstrahl während jedes Laserpulses nur für eine sehr kurze Dauer auf das Material des Werkstücks ein. Überraschenderweise hat man festgestellt, dass dadurch das Material des Werkstücks an den Auftreffpunkten des gepulsten Laserstrahls besser aus der zu gravierenden Vertiefung ausgeworfen wird. Es wird vermutet, dass die Ursache darin liegt, dass an jedem Auftreffpunkt eines einzelnen Laserpulses zu Beginn der Einwirkung eine allseitig begrenzte kraterförmige Vertiefung mit einem konvex gerundeten Boden in das an der Oberfläche des Werkstücks befindliche Material eingeformt wird und dass sowohl die allseitige Begrenzung dieser kraterförmigen Vertiefung als auch der konvex gerundete Boden dazu beitragen, dass das Material praktisch vollständig nach oben aus der Vertiefung herausgeschleudert wird, so dass es durch eine bei der Lasergravur übliche Absaugung nahezu vollständig von der Oberfläche des Werkstücks abgeführt werden kann und sich dadurch insgesamt erheblich weniger Abraum innerhalb der Vertiefungen oder auf deren Rändern niederschlägt. Demgegenüber wird bei der Gravur einer durchgehenden Spur mit einem ununterbrochenen Laserstrahl, wie bei den bekannten Verfahren, ein nicht unerheblicher Teil des Materials nicht von der Oberfläche des Werkstücks weg nach oben sondern entgegen der Bewegungsrichtung des Laserstrahls in Richtung des bereits ausgehobenen Teils der Spur zurück nach hinten geschleudert, da sich dem Material zum einen in dieser Richtung kein Hindernis entgegenstellt und da zum anderen die vordere Begrenzung der Spur während der Einwirkung des Laserstrahls entlang einer konkav gerundeten Front verdampft oder geschmolzen wird, die einen Teil des verdampften oder geschmolzenen Material nach hinten in Richtung des bereits ausgehobenen Teils der Spur lenkt. Dieses nach hinten ausgeworfene Material schlägt sich jedoch innerhalb der bereits ausgehobenen Spur oder Vertiefung oder entlang von deren Rändern auf der unbearbeiteten Oberfläche des Werkstücks nieder, was die bereits genannten Probleme hervorruft. Diese Probleme werden bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zum einen dadurch vermieden, dass die von einem Laserpuls gebildete kraterförmige Vertiefung zumindest zu Beginn der Einwirkung des Laserpulses auch nach hinten zu, d.h. in Richtung des bereits ausgehobenen Teils der Spur, zumindest teilweise geschlossen ist und erst im Zuge der weiteren Einwirkung des Laserpulses allmählich abgetragen wird, wodurch zu Beginn der Einwirkung ein Herausschleudern von Material in dieser Richtung verhindert oder zumindest stark reduziert wird. Zum anderen weisen die von einem Laserpuls gebildeten kraterförmigen Vertiefungen einen konkaven muldenförmigen Boden auf, der ähnlich wie bei einem als Hohlladung ausgebildeten Explosivkörper dafür sorgt, dass das verdampfte oder geschmolzene Material nach oben aus der Vertiefung heraus geworfen wird. Aufgrund des gezielten, nach oben gerichteten Auswurfs des verdampften oder geschmolzenen Materials aus der Vertiefung kann dieses besser abgesaugt werden, wodurch sich weniger Material auf der Oberfläche des Werkstücks niederschlägt und dadurch der Aufwand für eine Nachbearbeitung, zum Beispiel durch Elektropolieren oder Schleifen, verringert wird. Weiter können die Sollwerte der Näpfchenparameter besser eingehalten werden. Durch den verbesserten Materialauswurf wird zudem der Boden der Näpfchen oder anderen Vertiefungen stärker geglättet, wodurch wiederum die Tiefe einzelner Bildpunkte innerhalb der Näpfchen oder Vertiefungen in feineren Abstufungen modulierbar ist. Weiter können auch Näpfchen oder andere Vertiefungen ausgehoben werden, die nur eine sehr geringe Tiefe aufweisen.

Erfindungsgemäß besteht der gepulste Laserstrahl aus abwechselnden

Laserpulsen und Unterbrechungen, die mit hoher Pulsfrequenz aufeinander folgen, wobei zum Ausheben der ununterbrochenen Spur die Dauer der

Unterbrechungen und die Intensität der Laserpulse so moduliert werden, dass nicht nur an den Auftreffpunkten der Laserpulse, sondern auch zwischen benachbarten Auftreffpunkten Material abgetragen wird. Dies wird dadurch erreicht, dass die Einwirkbereiche der Laserpulse über deren Auftreffpunkte hinaus reichen und sich mit den Einwirkbereichen benachbarter Auftreffpunkt entlang der Spur überlappen, wodurch in Richtung der Relativbewegung des Laserstrahls über das Werkstück eine durchgehende Spur erzeugt werden kann, über deren Boden zwischen den Auftreffpunkten der Laserpulse allenfalls sehr flache Erhebungen überstehen. Mit anderen Worten soll dafür gesorgt werden, dass sich die Einwirkbereiche benachbarter Laserpulse in Richtung der

Relativbewegung in einer ähnlichen Weise überlappen, wie sich bei bekannten Verfahren die Einwirkbereiche des Laserstrahls in zwei benachbarten Spuren überlappen. Durch die Überlappung der Einwirkbereiche der Laserpulse in Richtung der auszuhebenden ununterbrochenen Spur kann in dieser Richtung auch die Auflösung der gravierten Strukturen, wie zum Beispiel einzelner

Bildpunkte innerhalb eines Näpfchens, feiner gewählt werden. Durch die feinere Schreibauflösung lassen sich die gravierten Vertiefungen, wie Näpfchen, präziser ausformen, während sich schmale Vertiefungen für Strichelemente mit sehr geringer Strichstärke, die nur aus einer Spur oder wenigen nebeneinander liegenden Spuren bestehen, mit sehr feiner Auflösung ausheben lassen, was zum Beispiel im Sicherheitsdruck sowie bei der Gravur von elektronischen Schaltkreisen von Vorteil ist. Auch lassen sich die Vertiefungen mit höherer Genauigkeit auf der Oberfläche positionieren.

Um einerseits in Bewegungsrichtung des gepulsten Laserstrahls eine ausreichend feine Schreibauflösung und andererseits eine ausreichend schnelle Bearbeitungsgeschwindigkeit zu erzielen, sieht die Erfindung vor, dass der gepulste Laserstrahl von einer Laserstrahlungsquelle als kontinuierlicher Laserstrahl erzeugt und mittels eines im Strahlengang des Laserstrahls angeordneten akustooptischen Modulators unterbrochen und moduliert wird. Mit dem akustooptischen Modulator ist es möglich, den kontinuierlichen Laserstrahl mit einer sehr hohen Pulsfrequenz von mehr als 1 MHz und vorzugsweise von mehr als 2 MHz zu unterbrechen und gleichzeitig während der Dauer der Laserpulse zu modulieren. Auf diese Weise sind gegenwärtig Pulsfrequenzen von bis zu 3,5 MHz möglich, während sich mit gegenwärtig verfügbaren reinen Hochleistungs-Pulslasern nur Pulsfrequenzen von mehr als 500 KHz und maximal 1 MHz erzielen lassen.

Ein weiterer Vorteil der Unterbrechung des Laserstrahls mit dem akustooptischen Modulator besteht darin, dass gleichzeitig eine Leistungsmodulation der

Laserpulse zwischen den Unterbrechungen vorgenommen werden kann.

Demgegenüber kann mit einem reinen Pulslaser die Leistung des Laserstrahls nicht in Zwischenstufen gesteuert, sondern der Laser nur ein- und ausgeschaltet werden, wobei in eingeschaltetem Zustand immer dieselbe Leistung abgegeben wird. Anders als mittels eines reinen Pulslasers lässt sich somit durch die

Unterbrechung des Laserstrahls mittels eines Modulators oder Ablenkers insbesondere die Tiefe einzelner Bildpunkte innerhalb von Näpfchen oder anderen Vertiefungen variieren bzw. die Flanken der Näpfchen oder anderen Vertiefungen nach Bedarf mit einer steileren oder weniger steilen Flankenneigung versehen.

Eine weitere bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die Dauer der Laserpulse und die Dauer der Unterbrechungen während des Aushebens bzw. Gravierens der ununterbrochenen Spur in einem konstanten rationalen Verhältnis stehen, vorteilhaft einem ganzzahligen Verhältnis, vorzugsweise weniger als 5 und am besten 1 , 2 oder 3 Bildpunkten, sondern auch bei jeder Unterbrechung einer festen Anzahl von Bildpunkten entspricht, die vorzugsweise 1 beträgt. Bei einem Verhältnis von 1 : 1 ist die Dauer der Laserpulse gleich der Dauer der Unterbrechungen und die Länge der Auftreffpunkte benachbarter Laserpulse gleich der Länge der Unterbrechungen zwischen den benachbarten Auftreffpunkten ist. Bei Verwendung eines akustooptischen Modulators, in dem die Unterbrechung des Laserstrahls mittels einer Schallwelle erfolgt, lassen sich damit besonders schnelle Schaltvorgänge realisieren, wenn die Zeitdauer des Schaltvorgangs der für den Hindurchtritt der Schallwelle durch den Laserstrahl benötigten Zeit entspricht, während der ein weiterer Schaltvorgang nicht möglich ist.

Eine weitere bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die Dauer der Unterbrechungen und die Dauer der Laserpulse auf die Größe der Bildpunkte abgestimmt wird, aus denen zum Beispiel ein Näpfchen gebildet werden soll. Vorzugsweise wird die Dauer der Unterbrechungen und die Dauer der Laserpulse so gewählt bzw. so auf die Geschwindigkeit der Relativbewegung von Laserstrahl und Werkstückoberfläche abgestimmt, dass die Abmessungen der Auftreffpunkte der Laserpulse entlang der Spur, d.h. in Bewegungsrichtung des gepulsten Laserstrahls über das Werkstück, den Abmessungen von einem oder mehreren Bildpunkten entsprechen, vorzugsweise den Abmessungen von einem oder zwei Bildpunkten, um in dieser Richtung eine möglichst hohe Schreibauflösung zu erzielen. Die Abmessungen der Bildpunkte hängen wiederum von der gewählten Auflösung ab und betragen bei einer Auflösung von 1000 Linien pro Zentimeter 10 μιτι bzw. bei einer Auflösung von 2000 Linien pro Zentimeter 5 μιτι.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung wird die gewünschte Auflösung nicht durch Veränderung der Geschwindigkeit der

Relativbewegung sondern durch Veränderung der Frequenz der Steuersignale eingestellt, die zum akustooptischen Modulator zugeführt werden. Durch eine entsprechende Anpassung der Frequenz an eine vorgegebene

Relativgeschwindigkeit entspricht der Bewegungsweg des Werkstücks in Bezug zum Laserstrahl nicht nur bei jedem Laserpuls einer festen Anzahl von

Bildpunkten, sondern auch bei jeder Unterbrechung, so dass eine gleich

bleibende Auflösung erzielt wird. Dadurch kann auch ein vorgegebenes Raster eingehalten werden. Gleichzeitig kann auch das gewünschte rationale oder ganzzahlige Verhältnis zwischen der Dauer der Unterbrechungen und der Dauer der Laserpulse eingestellt werden, indem zum akustooptischen Modulator entsprechende

Steuersignale zugeführt werden, die abwechselnd aus a x 2ⁿ bits mit einem Wert von Null zur Erzeugung der Unterbrechungen und b x 2ⁿ bits mit einem von Null abweichenden Wert zum Ausheben von Vertiefungen bestehen, wobei a und b ganze Zahlen sind und a vorzugsweise 1 beträgt.

Die Länge der in die Oberfläche des Werkstücks gravierten Spuren richtet sich bei einem zur Verwendung als Druckform bestimmten Werkstück nach den Bild- oder Videoinformationen, die aus einer Druck- oder Gravurvorlage gewonnen werden. Die bevorzugte Breite der Spuren kann über den Durchmesser des zur Gravur verwendeten Laserstrahls definiert werden, wobei diese Breite B vorzugsweise D + 50 % beträgt, wobei D der so genannte 50 %-Durchmesser des Laserstrahls ist, d.h. der Durchmesser, bei dem die Intensität einer als Glockenkurve oder Gauß- Verteilung ausgebildeten Intensitätsverteilung 50 % der maximalen Intensität, d.h. des Spitzenwerts der Glockenkurve oder Gauß-Verteilung entspricht. Bei der Gravur mit einem Fiberlaser weist der auf die Werkstückoberfläche fokussierte Laserstrahl einen Strahldurchmesser von etwa 10 pm auf, jedoch sind in Zukunft gegebenenfalls auch kleinere Strahldurchmesser möglich. Nach oben zu können Strahldurchmesser von 150 bis 200 μιτι verwendet werden, zum Beispiel bei der Bearbeitung von Werkstücken mit einer aus Zink bestehenden Oberfläche oder bei der Bearbeitung von Druckformen für den Flexodruck, bei denen die

Werkstückoberfläche aus Kunststoff besteht.

Bei den meisten Anwendungen besteht zumindest ein Teil der in die Oberfläche des Werkstücks gravierten zusammenhängenden Vertiefungen jeweils aus einer Mehrzahl von ununterbrochenen Spuren, die in der Bewegungsrichtung des gepulsten Laserstrahls über die Werkstückoberfläche nebeneinander angeordnet sind und sich mit benachbarten Spuren etwas überlappen. In diesem Fall sieht eine weitere bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung vor, dass die Auftreffpunkte der Laserpulse in benachbarten Spuren gegeneinander versetzt sind, wobei der Versatz vorteilhaft der Länge der Auftreffpunkte der Laserpulse entspricht. Mit anderen Worten ist dies gleichbedeutend damit, dass in einer zur Bewegungsrichtung des Laserstrahls senkrechten Richtung die Auftreffpunkte der Laserpulse entlang von einer Spur in den beiden benachbarten Spuren jeweils von Abschnitten dieser Spuren flankiert werden, die zwischen den Auftreffpunkten von zwei aufeinander folgenden Laserpulsen liegen.

Während im Vorangehenden zur Vereinfachung auf eine Gravur mit einem einzigen gepulsten Laserstrahl Bezug genommen wurde, versteht sich, dass die Gravur, d.h. das Ausheben einer oder mehrerer Vertiefungen gleichzeitig mit mehreren gepulsten Laserstrahlen vorgenommen werden kann. Vorzugsweise werden die einzelnen Laserstrahlen dabei so über die Oberfläche des Druck- oder Prägezylinders bewegt, dass ihre Auftreffpunkte nicht nur in der Vorschubrichtung des Laserbearbeitungsorgans sondern auch in Richtung der schraubenförmigen Bahn gegeneinander versetzt sind.

Im Folgenden wird die Erfindung anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Fig. 1 zeigt eine perspektivische Ansicht einer Graviermaschine mit einem darin eingespannten Tiefdruckzylinder; Fig. 2 zeigt eine schematische Querschnittsansicht der Graviermaschine und des Tiefdruckzylinders;

Fig. 3 zeigt eine Draufsicht auf die Oberfläche des Tiefdruckzylinders im Bereich eines Näpfchens, das mit einem gepulsten Laserstrahl graviert werden soll, wobei schwarze Rechtecke die Auftreffpunkte von Laserpulsen des gepulsten Laserstrahls und weiße Rechtecke Unterbrechungen des Laserstrahls darstellen;

Fig. 4 zeigt den Verlauf der Intensität des gepulsten Laserstrahls während der Gravur einer durchgehenden Spur innerhalb des Näpfchens;

Fig. 5 zeigt eine Ansicht entsprechend Fig. 3, jedoch von einem Näpfchen, das in Umfangsrichtung des Tiefdruckzylinders mit einer anderen Auflösung graviert werden soll; Fig. 6 zeigt den Verlauf der Intensität des gepulsten Laserstrahls während der Gravur einer durchgehenden Spur innerhalb des Näpfchens.

Die in Fig. 1 und 2 schematisch dargestellte Graviermaschine 10 dient zur Gravur von Tiefdruckzylindern 12, die einzeln in der Graviermaschine 10 eingespannt und von einem Drehantrieb (nicht dargestellt) mit relativ hoher Drehgeschwindigkeit um ihre Längsmittelachse 14 in Drehung versetzt werden können. Die Gravur eines in die Maschine 10 eingespannten und in Drehung versetzten Tiefdruckzylinders 12 erfolgt mit Hilfe eines Laserstrahls 16, der von einem Laserbearbeitungsorgan 18 aus auf die aus Kupfer oder einem anderen Metall bestehende Oberfläche 20 des Tiefdruckzylinders 12 gerichtet wird, um in der Zylinderoberfläche 20 an gewünschten Stellen Vertiefungen in Form von Näpfchen 22 auszuheben, die später zur Aufnahme von Druckfarbe dienen. Die Graviermaschine 10 umfasst neben dem Drehantrieb zwei Halterungen 24 zum Einspannen des Tiefdruckzylinders 12, einen Gravierwagen 26, der von einem Gravierwagenantrieb (nicht dargestellt) mittels einer Spindel 28 in axialer Richtung des Druckzylinders 12 an diesem entlang bewegt werden kann und das Laserbearbeitungsorgan 18 trägt, sowie ein Steuerpult 30, das auf Führungen 32 in axialer Richtung entlang des Zylinders 12 beweglich ist.

Wie in Fig. 2 dargestellt, ist das Laserbearbeitungsorgan 18 durch eine optische Faser 32 mit einem Dauerstrich-Fiberlaser 34 verbunden, der sich zusammen mit seiner Pumpquelle 36 und einem Kühlkörper 38 zum Kühlen der Pumpquelle 36 in einem stationären Unterteil 40 der Graviermaschine 10 befindet. Das Unterteil 40 enthält weiter ein Kühlsystems 39 zum Kühlen des Kühlkörpers 38, eine Maschinensteuereinheit 42 zur Steuerung des Drehantriebs und des Gravierwagen- antriebs sowie eine Lasersteuereinheit 44. Der von dem Fiberlaser 34 erzeugte ununterbrochene Laserstrahl wird durch die optische Faser 32 in das gasdicht verschlossene röhrenförmige Laserbearbeitungsorgan 18 eingespeist. Das letztere umschließt unter anderem einen von der Lasersteuereinheit 44 gesteuerten akustooptischen Modulator 48 sowie Optikelemente (nicht dargestellt), mit denen sich der aus dem Modulator 48 austretende gepulste Laserstrahl 16 auf einen Bearbeitungsfleck 46 auf der Zylinderoberfläche 20 fokussieren lässt.

Der akustooptische Modulator 48 umfasst in bekannter Weise einen für den Laserstrahl durchlässigen Kristall und einen piezoelektrischen Wandler (nicht dargestellt). Der Wandler ist mit einer Hochfrequenzquelle verbunden, mit der am Wandler elektrische Spannungssignale mit einer Frequenz von bis zu 3,5 MHz angelegt werden können. Der unter dem Bragg-Winkel in den Kristall einfallende ununterbrochene Laserstrahl aus dem Fiberlaser 34 wird im Modulator 48 durch Interaktion mit einem vom piezoelektrischen Wandler erzeugten Ultraschallfeld abgelenkt, das sich entsprechend der Frequenz der angelegten Spannungssignale verändert. Dadurch kann der Laserstrahl im akustooptischen Modulator 48 unterbrochen und in Form eines gepulsten Laserstrahls 16 in Richtung des Bearbeitungsflecks 46 abgegeben werden. Der gepulste Laserstrahl 16 besteht aus einer Reihe von abwechselnden Laserpulsen 50 und Unterbrechungen 52, wie am besten in den Figuren 4 und 6 dargestellt. Die maximale Intensität der Laserpulse 50 beträgt etwa 600 MW/cm². Dies reicht bei einer Einwirkzeit eines Laserpulses 50 von etwa 1 ps aus, um am Bearbeitungsfleck 46 auf einer Fläche mit einem Durchmesser von etwa 20 pm so viel Metall zu verdampfen, dass in der Zylinderoberfläche 20 eine Vertiefung mit einer Tiefe von bis zu 35 pm ausgehoben werden kann. Die Frequenz der Laserpulse 50 und der Unterbrechungen 52 entspricht der Frequenz der am Wandler des Modulators 48 angelegten elektrischen Spannungssignale. Der Modulator 48 dient gleichzeitig auch noch zur Modulation der Intensität der Laserpulse 50 entsprechend der gewünschten Graviertiefe von Bildpunkten 54 einer Druck- oder Gravurvorlage.

Die Figuren 3 und 5 zeigen schematische Draufsichten auf einen Ausschnitt der Oberfläche 20 des Tiefdruckzylinders 12, in die mit dem gepulsten Laserstrahl 16 Näpfchen 22 graviert werden sollen. Die in den Figuren 3 und 5 dargestellten, aus einzelnen Bildpunkten 54 zusammengesetzten Näpfchen 22 bilden nach der Gravur in der Zylinderoberfläche 20 Vertiefungen, die beim Drucken zur Aufnahme von Druckfarbe dienen.

Jedes Näpfchen 22 ist von benachbarten Näpfchen 22 durch gerade Stege 56 getrennt, die beim späteren Drucken als Auflagefläche für eine Rakel dienen, mit der überschüssige Druckfarbe abgestreift werden soll. Die zusammenhängenden Stege 56 erstrecken sich in Form eines Quadrats (Fig. 3) oder einer Raute (Fig. 5) um jedes Näpfchen 22 herum, wobei sie eine Rastermasche eines Rasters bilden, das durch eine beliebige Rasterung der Druck- oder Gravurvorlage erzeugt wird. Jede der Rastermaschen enthält ein Näpfchen 22.

Wie man aus den Figuren 3 und 5 sehen kann, kann das gebildete Raster unter- schiedliche Rasterwinkel und unterschiedliche Auflösungen besitzen. Zum Beispiel besitzt das Raster in Fig. 3 einen Rasterwinkel von 45 Grad und eine

Auflösung von 1000 Linien/Zentimeter in Umfangsrichtung und in Achsrichtung des Tiefdruckzylinders, während das Raster in Fig. 5 einen Rasterwinkel von 70 Grad und eine Auflösung von 2000 Linien pro Zentimeter in Umfangsrichtung und von 1000 Linien pro Zentimeter in Achsrichtung des Tiefdruckzylinders besitzt. Der Begriff Auflösung bezeichnet dabei die Anzahl der einzeln gravierten Bildpunkte 54 pro Zentimeter, die innerhalb jedes Näpfchens 22 in Umfangsrichtung bzw. in Achsrichtung des Tiefdruckzylinders 12 nebeneinander angeordnet sind. Die Anzahl der Bildpunkte 54 in jedem Näpfchen 22 sowie deren Tiefen werden von einem Gravurrechner entsprechend dem Tonwert der Druck- oder Gravur- vorläge an der Stelle des Näpfchens 22 festgelegt. Jeder der Bildpunkte 54 eines Näpfchens 22 wird unabhängig von den anderen Bildpunkten 54 mit einer gewünschten Tiefe graviert, indem die Intensität des jeweiligen, zur Gravur des Bildpunktes 54 dienenden Laserpulses 50 mit Hilfe des Modulators 48 und der Lasersteuerung 44 auf der Grundlage der aus der Druck- oder Gravurvorlage abgeleiteten Gravurdaten entsprechend der gewünschten Graviertiefe moduliert wird. Weiter wird die Frequenz der am Wandler des Modulators 48 angelegten elektrischen Spannungssignale bzw. die Dauer t der dadurch erzeugten Laserpulse 50 so auf die Drehgeschwindigkeit des Tiefdruckzylinders 12 abgestimmt, dass jeder Laserpuls 50 innerhalb eines Näpfchens 22 einen einzelnen Bildpunkt 54 graviert. Durch die Größe der Bildpunkte wird auch die Auflösung in

Umfangsrichtung Bewegungsrichtung des Laserstrahls urch auswahl der

Die in die Oberfläche 20 des Druckzylinders 12 gravierten Näpfchen 22 besitzen je nach Druckdichte der Druck- oder Gravurvorlage seitliche Abmessungen zwischen 20 und 100 μητι, während ihre Tiefe bis etwa 35 pm beträgt. Der gepulste Laserstrahl 16 weist einen Strahldurchmesser von etwa 10 pm auf.

Zur Gravur der Zylinderoberfläche 20 wird der Tiefdruckzylinder 12 mit hoher Geschwindigkeit in Drehung versetzt, während der Gravierwagen 26 mit dem Laserbearbeitungsorgan 18 in axialer Richtung am Zylinder 12 entlang bewegt wird. Auf diese Weise wird der Laserstrahl 16 entlang von einer schraubenförmigen Bahn 60 über die Zylinderoberfläche 20 bewegt. Größere Näpfchen bestehen aus mehreren nebeneinander liegenden ununterbrochenen Spuren 62, die sich jeweils der schraubenförmigen Bahn 60 des gepulsten Laserstrahls 16 liegen. Die aus der Druck- oder Gravurvorlage berechnete Form und Größe jedes Näpfchens 22 wird durch die Länge der Spuren 62 innerhalb des Näpfchens 22 gesteuert. Die Breite der einzelnen Spuren 62 hängt von der gewünschten Auflösung in Achsrichtung des Druckzylinders 12 ab und beträgt bei der zuvor genannten Auflösung von 1000 Linien/ Zentimeter 10 pm, wobei dieser Wert dem Strahldurchmesser des Laserstrahls 16 entspricht. Jedoch entspricht der Durchmesser des Einwirkbereichs 64 eines Laserpulses 50, in dem das Metall an der Zylinderoberfläche 20 verdampft oder geschmolzen wird, mit 20 pm etwa dem Doppelten des Strahldurchmessers des Laserstrahls 16, so dass sich die Einwirkbereiche 64 des Laserstrahls 16 in benachbarten Spuren 62 überlappen. Die Einwirkbereiche 64 sind in Fig. 3 in einem Teil des mittleren Näpfchens 22 als graue Kreise dargestellt. Durch die Überlappung der Einwirkbereiche 64 bleiben am Boden jedes ausgehobenen Näpfchens 22 zwischen den benachbarten Spuren 62 nur flache Erhebungen stehen, während der Boden ansonsten glatt ist. Jede der nebeneinander liegenden Spuren 62 setzt sich aus einer Mehrzahl von einzelnen, nacheinander gravierten Bildpunkten 54 zusammen, die in Bewegungsrichtung des gepulsten Laserstrahls 16 hintereinander entlang der jeweiligen Spur 62 angeordnet sind. Die Mitten der Bildpunkte 54 fallen jeweils mit den Mitten der Einwirkbereiche 64 der Auftreffpunkte der Laserpulse 50 zusammen, die in Fig. 3 und 5 als schwarze Quadrate bzw. Rechtecke 70 dargestellt sind. Wie bereits ausgeführt wurde, wird der Laserstrahl im Modulator 48 in einzelne Laserpulse 50 unterbrochen, wobei die Dauer jeder Unterbrechung 52 zwischen benachbarten bzw. aufeinander folgenden Laserpulsen 50 gleich der Dauer der einzelnen Laserpulse 50 ist, wie in Fig. 4 und 6 dargestellt. Dies hat zur Folge, dass die Längen der in den Figuren 3 und 5 in Form der weißen Rechtecke 72 dargestellten Unterbrechungen 52 in Richtung von jeder Spur 62 genau den Längen der in den Figuren 3 und 5 als schwarze Rechtecke 72 dargestellten Auftreffpunkte entsprechen. Während bei der in Fig. 3 dargestellten Auflösung von 1000

Linien/Zentimeter in Umfangsrichtung des Tiefdruckzylinders 12 die Länge jedes Auftreffpunkts ebenso wie die Länge jeder Unterbrechung 10 pm beträgt, weisen die Auftreffpunkte und die Unterbrechungen bei der Auflösung von 2000

Linien/Zentimeter in Fig. 5 ebenso wie die Unterbrechungen in Umfangsrichtung des Tiefdruckzylinders 12 jeweils eine Länge von 5 pm auf.

Wie man anhand der Einwirkbereiche 64 in Fig. 3 sehen kann, beträgt jedoch auch in Bewegungsrichtung des Laserstrahls 16 der Durchmesser des Einwirk- bereichs 64 jedes Laserpulses 50, in dem das Metall an der Zylinderoberfläche 20 verdampft oder geschmolzen wird, etwa 20 pm, so dass sich auch in dieser Richtung die Einwirkbereiche 64 benachbarter Laserpulse 50 überlappen. Dies hat zur Folge, dass das Metall an der Zyiinderoberfläche 20 zwischen benachbarten Auftreffpunkten von Laserpulsen 50 verdampft oder geschmolzen wird, so dass zwischen den einzelnen Bildpunkten 54 in jeder Spur 62 am Boden der Näpfchen 22 ebenfalls nur flache Erhebungen stehen bleiben.

Die Figuren 4 und 6 zeigen den Verlauf der Intensität des modulierten gepulsten Laserstrahls 16, während sich dieser entlang einer Spur 62 durch ein Näpfchen 22 hindurch bewegt. Bei dem Beispiel in Fig. 4 besitzen alle Laserpulse 50 dieselbe Intensität, so dass die Tiefe der gravierten Bildpunkte 54 entlang der Spur 62 konstant bleibt. Bei dem Beispiel in Fig. 6 nimmt hingegen die Intensität der Laserpulse 50 und damit auch die Tiefe der Bildpunkte 54 von den Stegen 62 in

Richtung der Mitte des Näpfchens 22 zu.

Wie man aus den Figuren 4 und 6 sieht, weisen in beiden Fällen die Laserpulse 50 und die Unterbrechungen 52 jeweils dieselbe Dauer auf, die zum Beispiel bei einer Frequenz von 1 MHz eine Mikrosekunde beträgt. Innerhalb jedes Laserpulses 50 baut sich während dieses Zeitraums von einer Mikrosekunde zuerst über eine Zeitdauer von etwa 150 ns die Intensität des Laserpulses 50 bis zu dem gewünschten Intensitätswert auf und bleibt dann konstant, bis sie sich kurz nach dem Beginn der nachfolgenden Unterbrechung 52 über eine Zeitdauer von ebenfalls etwa 150 ns wieder auf Null abbaut.

Durch Versuche wurde festgestellt, dass durch die Verwendung des gepulsten Laserstrahls 16 an Stelle eines ununterbrochenen Laserstrahls zur Gravur einer durchgehenden Spur 62 innerhalb der Näpfchen 22 oder anderer Vertiefungen das Ausräumen von Abraum, wie Schmelzauswurf oder Schmauch, aus den Näpfchen 22 bzw. Vertiefungen verbessert werden konnte, da die Laserpulse 50 nur kurzzeitig auf das Metall einwirken. Dies führt dazu, dass das verdampfte oder geschmolzene Metall explosionsartig und stärker in radialer Richtung des Tiefdruckzylinders 12 von der Oberfläche 20 weg aus den Näpfchen 22 ausgeworfen wird, wodurch es besser abgesaugt werden kann. Dadurch verringert sich die Menge des Abraums, der sich innerhalb der Näpfchen 22 sowie auf den Stegen 56 zwischen den benachbarten Näpfchen 22 niederschlägt. Am Boden der Näpfchen 22 bildet sich im Bereich jedes Bildpunkts 54 eine flache kalottenartige Einbuchtung, die durch flache Erhebungen von den Einbuchtungen im Bereich der benachbarten Bildpunkte 54 innerhalb derselben Spur 62 und von entsprechenden Einbuchtungen in der benachbarten Spuren 62 getrennt sind. Ein besonders gutes Ausräumverhalten wird erreicht, wenn die Auftreffpunkte der Laserpulse 50 in den benachbarten Spuren 62 jeweils um die Länge des Auftreffpunktes eines Laserpulses 50 bzw. um die Länge einer Unterbrechung 52 gegeneinander versetzt sind. Mit anderen Worten ist dies der Fall, wenn beiderseits vom Auftreffpunkt eines Laserpulses 50 in einer Spur 62 in den beiden benachbarten Spuren 62 jeweils kein Auftreffpunkt eines Laserpulses 50 angeordnet ist, sondern der Laserstrahl 16 an dieser Stelle eine Unterbrechung 52 aufweist. Dies ist in Fig. 3 und 5 durch den Versatz der schwarzen und weißen Rechtecke 70 bzw. 72 in benachbarten Spuren 62 dargestellt.

Claims

Patentansprüche

1. Verfahren zur Bearbeitung eines Werkstücks (12) mit mindestens einem

Laserstrahl (16), insbesondere zur Herstellung einer Druckform, Prägeform oder dergleichen, wobei das Werkstück (12) relativ zu dem Laserstrahl (16) bewegt und von dem Laserstrahl (16) zusammenhängende Vertiefungen (22) aus dem Werkstück (12) ausgehoben werden, wobei die

zusammenhängenden Vertiefungen (22) jeweils aus mindestens einer in Richtung der Relativbewegung verlaufenden ununterbrochenen Spur (62) bestehen, wobei die ununterbrochene Spur (62) mittels eines gepulsten Laserstrahls (16) ausgehoben wird, der aus abwechselnden Laserpulsen (50) und Unterbrechungen (52) besteht, dadurch gekennzeichnet, dass der gepulste Laserstrahl (16) von einer Laserstrahlungsquelle (34) als

kontinuierlicher Laserstrahl erzeugt und dass mittels eines im Strahlengang des Laserstrahls angeordneten akustooptischen Modulators (48) die Dauer der Unterbrechungen (52) und die Intensität der Laserpulse (50) moduliert wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Dauer der Unterbrechungen (52) und die Intensität der Laserpulse (50) so moduliert werden, dass nicht nur an den Auftreffpunkten der Laserpulse (50) sondern auch zwischen benachbarten Auftreffpunkten Material abgetragen wird, um die ununterbrochene Spur (62) auszuheben.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Dauer der Unterbrechungen (52) und die Intensität der Laserpulse (50) in

Abhängigkeit von der Geschwindigkeit der Relativbewegung zwischen dem Werkstück (12) und dem Laserstrahl (16) moduliert werden, um ohne eine Veränderung der Geschwindigkeit der Relativbewegung unterschiedliche

Auflösungen zu erzielen.

4. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass dem akustooptischen Modulator (48) während des Aushebens der ununterbrochenen Spur (62) eine Folge von digitalen Hochfrequenzsignalen zugeführt wird, die abwechselnd aus 2" bits mit einem Wert von Null und 2ⁿ bits mit einem von Null abweichenden Wert bestehen.

5. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch

gekennzeichnet, dass die Dauer der Unterbrechungen (52) und die Dauer der Laserpulse (50) während des Aushebens der ununterbrochenen Spur (62) in einem konstanten rationalen Verhältnis stehen.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das rationale Verhältnis ganzzahliges Verhältnis ist.

7. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Laserstrahl (16) mit einer Frequenz von mehr als 1 MHz unterbrochen wird.

8. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekenn- zeichnet, dass mindestens ein Teil der zusammenhängenden Vertiefungen

(22) aus einer Mehrzahl von nebeneinander in Richtung der Relativbewegung verlaufenden ununterbrochenen Spuren (62) besteht und dass die Auftreff- punkte der Laserpulse (50) in benachbarten Spuren (62) gegeneinander versetzt sind.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Auftreffpunkte der Laserpulse (50) in benachbarten Spuren (62) in Bewegungsrichtung des Laserstrahls (16) einen Versatz aufweisen, welcher der Länge der Auftreffpunkte und/oder der Unterbrechungen entspricht.

10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Versatz der Auftreffpunkte des Laserstrahls (16) in benachbarten Spuren (62) der Spurbreite oder einem Mehrfachen der Spurbreite entspricht.

11. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Werkstück (12) in Drehung versetzt wird und dass ein den Laserbearbeitungsorgan (18) mit dem akustooptischen Modulator (48) in axialer Richtung des rotierenden Werkstücks (12) bewegt wird.

12. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Werkstück (12) gleichzeitig mit mehreren gepulsten Laserstrahlen bearbeitet wird, und dass die Auftreffpunkte der einzelnen Laserstrahlen gegeneinander versetzt sind.

13. Verfahren nach Anspruch 11 und 12, dadurch gekennzeichnet, dass die

Auftreffpunkte der einzelnen Laserstrahlen sowohl in axialer Richtung des rotierenden Werkstücks (12) als auch in Richtung der Bewegung der

Laserstrahlen über die Oberfläche des rotierenden Werkstücks

gegeneinander versetzt sind.