DE10133341A1

DE10133341A1 - Laser cutting in surface of hard object involves re-focusing laser beam on floor of cut when increasing cut depth by adjusting focusing arrangement

Info

Publication number: DE10133341A1
Application number: DE10133341A
Authority: DE
Inventors: Peter Hering; Thomas Mitra; Mikhail Ivanenko
Original assignee: Stiftung Caesar Center of Advanced European Studies and Research
Current assignee: Stiftung Caesar Center of Advanced European Studies and Research
Priority date: 2001-07-12
Filing date: 2001-07-12
Publication date: 2003-01-23

Abstract

The method involves using a focused laser beam while the object is repeatedly scanned by the laser beam along the cut axis and the width off the cut is expanded by moving the focus perpendicularly to the cut axis. The beam is re-focused on the floor of the cut when increasing the cut depth by adjusting the focusing arrangement. AN Independent claim is also included for the following: an arrangement for automatically making a cut in the surface of a hard object with a focused laser beam.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur automatisierten Erzeugung eines Schnittes in die Oberfläche eines aus hartem Material bestehenden Objektes mittels eines durch ein Fokussiermittel fokussierten Laserstrahles, wobei der Schnitt eine Schnittachse, eine Schnittbreite und eine Schnittiefe aufweist, wobei das Objekt wiederholt entlang der Schnittachse mit dem Fokus des Laserstrahles überstrichen wird und wobei die Breite des Schnittes durch eine Bewegung des Fokus vertikal zur Schnittachse aufgeweitet wird. Die Erfindung betrifft auch ein System insbesondere zur Durchführung des Verfahrens. The present invention relates to a method for the automated generation of a Cut into the surface of an object made of hard material by means of a focused by a focusing means laser beam, wherein the cut a Cutting axis, a cutting width and a depth of cut, wherein the object repeatedly swept along the cutting axis with the focus of the laser beam and where the width of the cut is vertical due to a movement of the focus Cutting axis is widened. The invention also relates to a system in particular to carry out the process.

Allgemein spielt das Laserschneiden in einigen Gebieten eine zunehmend wichtige Rolle. Beispielsweise wird das Laserschneiden bei der Bearbeitung von metallischen Werkstücken eingesetzt. Auch im Bereich der Medizin, beispielsweise bei der Behandlung kariöser Zähne, werden Laserstrahlen zur Materialentfernung benutzt. Entsprechend der Vielzahl der Einsatzgebiete sind verschiedene Verfahren und Vorrichtungen zum Laserschneiden bekannt. Trotz der vielen Vorteile beim Einsatz von Lasern gehen die angewandten Techniken auch mit einer Reihe von Nachteilen einher. Gerade bei der Erzeugung vergleichsweise tiefer Schnitte treten die meisten Nachteile auf. In general, laser cutting is becoming increasingly important in some areas Role. For example, the laser cutting in the processing of metallic Workpieces used. Also in the field of medicine, for example in the Treatment of carious teeth, laser beams are used for material removal. According to the variety of applications are different methods and Devices for laser cutting known. Despite the many advantages in use Of lasers, the techniques used also come with a number of disadvantages associated. Especially in the production of relatively deep cuts occur most Disadvantages.

Zur Durchführung derart tiefer Schnitte ist es nötig, eine hohe Leistung im Schnitt zu gewährleisten, um eine maximal zerstörerische Wirkung bei minimaler Schädigung der Schnittrandzonen zu erzielen. Die Erzeugung tiefer Schnitte wird wesentlich durch die Energieverluste an den schrägen Schnittwänden und die Lichtabsorption im abgetragenen Material behindert. Diese unerwünschten Effekte können durch ein periodisches Schwenken des Strahles senkrecht zur Schnittachse stark vermindert werden. Beim Schwenken entsteht ein verbreiteter Schnittkanal mit steifen Wänden, so daß der Lichtstrahl nur wenig abgeschwächt auf den Schnittboden kommt. Die beim Schneiden entstandenen Abfallprodukte lassen sich gut aus dem künstlich verbreiterten Schnittkanal austreiben, da sie in einem größeren räumlichen Winkel austreten können. Somit kann das vom Strahl abgehobene Material effektiv beseitigt werden und die Leistung des Lasers im Schnitt wird nicht durch Absorption gemindert. To perform such deep cuts, it is necessary to have a high power on average ensure a maximum destructive effect with minimal damage to achieve the cut edge zones. The production of deep cuts becomes essential by the energy losses at the oblique cut walls and the light absorption obstructed in the worn material. These unwanted effects can be caused by a Periodic pivoting of the beam perpendicular to the cutting axis greatly reduced become. When panning creates a common cutting channel with stiff walls, so that the light beam comes only slightly weakened on the cut bottom. The When cutting waste products can be good from the artificially widen out widened cutting channel, as they are in a larger spatial angle can escape. Thus, the material lifted from the jet can be effectively eliminated and the laser's performance on average will not be due to absorption reduced.

Ein weiterer die Schnittiefe und die Schnittgeschwindigkeit beeinflussender Faktor ist die Strahldivergenz und der damit verbundene Intensitätsabfall in der Tiefe. Bei einigen speziellen Anwendungen, die wegen der zum Schneiden benötigten hohen Leistung kleine Fokallängen nutzen, ist es jedoch problematisch, daß die Laserleistung stark mit der Schnittiefe variiert und dadurch die mögliche Effektivität begrenzt ist. Another factor influencing the depth of cut and the cutting speed is the beam divergence and the associated intensity drop in depth. at some special applications that are high due to the high Use power small focal lengths, it is problematic, however, that the Laser power varies greatly with the depth of cut and thereby the possible effectiveness is limited.

Aufgabe der Erfindung ist es nunmehr, ein Verfahren zu schaffen, mit dem auf einfache und kostengünstige Weise große Schnittiefen in verschiedenen Materialien möglich sind. Gleichzeitig ist es Aufgabe der Erfindung, eine zuverlässige, einfache und kostengünstig zu realisierende Vorrichtung zur Anfertigung derartiger Schnitte zu schaffen. The object of the invention is therefore to provide a method with which simple and inexpensive way to cut large depths in different materials possible are. At the same time it is an object of the invention to provide a reliable, simple and inexpensive to implement device for making such cuts to accomplish.

Diese Aufgaben werden mit einem Verfahren nach Anspruch 1 und einer Vorrichtung nach Anspruch 12 gelöst. These objects are achieved by a method according to claim 1 and a device solved according to claim 12.

Bei den üblichen Schneideverfahren verhindern die Ränder des Schnittes (der Bohrung) die Verlagerung des Strahls in die Tiefe. Der Grundgedanke der Erfindung liegt also darin, den Strahl nicht nur zu schwenken, sondern ihn mit zunehmender Schnittiefe auf den Boden des Schnittes oder auf den momentanen Bearbeitungsort automatisch nachzufokussieren, so daß jederzeit die maximale Intensität auf minimaler Schnittfläche zum Schneiden zur Verfügung steht. Die selbsttätige Justierung erfolgt durch das Fokussiermittel, das beispielsweise durch Verschiebung der Optik oder Änderung der optischen Eigenschaften die Fokuslänge sukzessive vergrößert. Die selbsttätige Justierung läßt sich dabei auf verschiedene Weise erzielen: So ist eine Verschiebung der optischen Elemente in Richtung des Objekts oder eine Änderung der Brennweite möglich. Außerdem können zusätzliche optische Elemente eingesetzt werden, die die Laserstrahlparameter (Strahldurchmesser und -divergenz) vor dem Fokussiermittel ändern. In conventional cutting methods, the edges of the cut (the Bore) the displacement of the beam in the depth. The basic idea of the invention So it's not just about turning the beam, but about increasing it Depth of cut to the bottom of the cut or to the current machining location Refocus automatically, so that at any time the maximum intensity minimal cutting surface is available for cutting. The automatic Adjustment is made by the focusing, for example, by shifting the optics or change the optical properties of the focal length successively increased. The automatic adjustment can be done in different ways achieve: So is a shift of the optical elements in the direction of the object or a change of the focal length possible. In addition, additional optical Elements are used, the laser beam parameters (beam diameter and divergence) before the focusing agent.

Die Vorteile der Erfindung liegen dabei auf der Hand. Durch die Konzentration der Leistung ist ein besonders schonendes Schneiden möglich, da die Leistung zum Abtragen und nicht nur zum Aufwärmen des Materials genutzt wird. Gleichzeitig lassen sich durch das Nachjustieren des Fokus größere Schnittiefen erzielen. Das Nachfokussieren bringt gerade bei den Anwendungen Vorteile, wo mit einer im Vergleich zur gewünschten Schnittiefe kleinen Länge des Fokus (Rayleighlänge) gearbeitet wird. Mit diesem Verfahren können Schnittiefen von bis zu 10 mm erreicht werden. The advantages of the invention are obvious. By the concentration of Performance is a particularly gentle cutting possible because the performance to Ablating and not only used to warm up the material. simultaneously can be achieved by readjusting the focus greater depths of cut. The Refocusing brings advantages especially in the applications, where with an im Comparison to the desired depth of cut small length of the focus (Rayleigh length) is working. With this method, cutting depths of up to 10 mm can be achieved become.

Dabei ist es besonders vorteilhaft, den der Fokus in einer oszillierenden Vertikalbewegung senkrecht zur Schnittachse zu schwenken, so daß der Fokus im zeitlichen Mittel etwas länger an den Rändern des Schnittes als in der Schnittachse verweilt. Das Verweilen des Fokus am Rande kann ergänzend durch entsprechende Vorkehrungen verzögert werden. Das Verschieben des Fokus geschieht im Idealfalle möglichst synchron zur Änderung der momentanen Schnittiefe. Die Geschwindigkeit der Verschiebung sollte zumindest nahezu der Geschwindigkeit der Vergrößerung der Schnittiefe entsprechen. It is particularly advantageous that the focus in an oscillating Vertical movement to pivot perpendicular to the cutting axis, so that the focus in Temporal mean slightly longer at the edges of the cut than in the cutting axis lingers. The lingering focus on the edge can be complemented by appropriate Arrangements are delayed. Moving the focus happens in the ideal case as synchronously as possible to change the current depth of cut. The speed The shift should be at least nearly the speed of enlargement correspond to the depth of cut.

Die Synchronisation der Geschwindigkeiten läßt sich dadurch realisieren, daß die Änderung der Schnittiefe anhand einer Messung erfolgt und das Fokussiermittel entsprechend nachjustiert wird. Ein Maß für die Güte der Justage sind die Lautstärke der Mikroexplosionen und Intensität des dabei entstehenden Lichts. Beide Effekte begleiten den Ablationsprozess. Sinkt die Energiedichte der Laserstrahlung am momentanen Bestrahlungsort beispielsweise dadurch, daß die Schnittiefe bereits die Größenordnung der Fokuslänge erreicht hat, so nehmen sowohl das akustische als auch das optische Signal ab. Somit läßt sich die Fokusposition durch Rückkopplung auf ein maximales optisches oder akustisches Signal regeln. Die Regelung kann dabei durch Standard-Algorithmen, wie z. B. ein P-T₂-Glied, erfolgen. Lautstärke und Frequenz des akustischen Signals können dabei mit einem preiswerten Mikrophon auf oder nahe an dem Objekt aufgenommen werden und mit einer einfachen Elektronik ausgewertet werden. Ähnliche Verfahren sind als Einkoppelkontrolle von Laserlicht in Lichtleiter bekannt. Die Intensität des Lichts, das den Ablationsprozess begleitet, kann beispielsweise mit einer Photodiode gemessen werden. Bei Materialien, die aus Schichten unterschiedlicher Zusammensetzung bestehen, ist weiterhin eine spektroskopische Analyse des Ablationsfunken möglich, um auf die Schnittiefe zu schließen. The synchronization of the speeds can be realized that the change in the depth of cut takes place on the basis of a measurement and the focusing is readjusted accordingly. A measure of the quality of the adjustment are the volume of the micro-explosions and intensity of the resulting light. Both effects accompany the ablation process. If the energy density of the laser radiation at the momentary irradiation site falls, for example due to the fact that the depth of cut has already reached the magnitude of the focal length, then both the acoustic and the optical signal decrease. Thus, the focus position can be controlled by feedback to a maximum optical or acoustic signal. The scheme can be performed by standard algorithms such. As a PT ₂ member done. Volume and frequency of the acoustic signal can be recorded with an inexpensive microphone on or close to the object and evaluated with a simple electronics. Similar methods are known as coupling control of laser light in optical fibers. The intensity of the light accompanying the ablation process can be measured, for example, with a photodiode. For materials consisting of layers of different composition, a spectroscopic analysis of the ablation spark is still possible to conclude on the depth of cut.

Oft ist eine solche "On-Line" Messung der Tiefe jedoch aufwendig und unpraktikabel. In den Fällen, in denen sich diese Art der Regelung nicht oder nur schwer realisieren läßt, ist es vorteilhaft, wenn die Schneidgeschwindigkeit des Strahles für ein bestimmtes Material und für spezifizierte Strahlparameter zunächst experimentell ermittelt und als empirischer Wert registriert wird. Dieser Wert dient dann beim späteren Schneiden dazu, die Justierung der Fokussiermittel zu steuern. Auch wenn damit keine sonderlich hohe Präzision der Fokussierung erzielt wird, so ist es in der Praxis ausreichend, den Strahl entsprechend des empirisch ermittelten Wertes nachzufokussieren. Dieses Verfahren, das einer einfachen Steuerung entspricht, läßt sich einfach und kostengünstig umsetzen. However, such "on-line" measurement of depth is often cumbersome and impractical. In cases where this type of regulation is difficult or impossible to achieve it is advantageous if the cutting speed of the beam for a certain material and for specified beam parameters first experimentally determined and registered as an empirical value. This value is then used in later cutting to control the adjustment of the focusing means. Even if so that no particularly high precision of the focus is achieved, so it is in the Practice sufficient, the beam according to the empirically determined value refocus. This method, which corresponds to a simple control, can be implemented easily and inexpensively.

Das Verfahren läßt sich beispielsweise mit einer Vorrichtung (Laserhandstück) zur Einbringung eines Schnittes in ein Objekt mittels eines Laserstrahles umsetzen, die ein System zur Strahlführung aufweist. Dieses System umfaßt einerseits Mittel zur Fokussierung des Laserstrahles und andererseits Mittel, die eine Auslenkung des Laserstrahles um eine in der Strahlführung befindliche Achse oder eine Auslenkung in der Art einer Parallelverschiebung ermöglichen. Weiterhin umfaßt das System eine elektronische Regelung der Fokusposition mittels eines Detektors, der das optische oder akustische Signal bei der Ablation aufnimmt. The method can be, for example, with a device (laser handpiece) for Implementing a cut into an object by means of a laser beam, the has a system for beam guidance. This system comprises on the one hand means for Focusing the laser beam and on the other hand means that a deflection of the Laser beam around an axis located in the beam guide or a deflection in the manner of a parallel shift. Furthermore, the system includes an electronic control of the focus position by means of a detector, the receiving optical or acoustic signal during ablation.

In der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist beispielsweise durch das Gehäuse des Strahlführungssystems ein Referenzpunkt definiert, der während der Einbringung des Schnittes einen gleichbleibenden Abstand zur nicht vom Strahl beaufschlagten Oberfläche des Objektes hat. Erfindungsgemäß weist die Vorrichtung justierbare Mittel zur Fokussierung des Laserstrahls auf, die eine Verschiebung des Fokus gegenüber dem Referenzpunkt in Strahlrichtung entsprechend der sich ändernden Schnittiefe ermöglichen. Das bedeutet, daß ein Teil der Vorrichtung einen festen Abstand zum Objekt hat, während der Fokus im Verhältnis zu der Vorrichtung verschieblich ist. In the device according to the invention, for example, by the housing of the Beam guiding system defines a reference point during insertion the cut a constant distance to the not acted upon by the beam Surface of the object has. According to the invention, the device is adjustable Means for focusing the laser beam on, which is a shift of the focus opposite the reference point in the beam direction corresponding to the changing one Allow depth of cut. This means that a part of the device has a solid Distance to the object has, while the focus in relation to the device is displaceable.

Eine solche Vorrichtung läßt sich besonders vorteilhaft im medizinischen Bereich als "Laserskalpell" einsetzen. So ist es mit dem erfindungsgemäßen Laserskalpell, das sich beispielsweise eines gütegeschalteten CO₂-Lasers oder TEA-CO₂-Lasers bedient, möglich, Schnitte von 10 mm Tiefe in Knochengewebe einzubringen. Die Pulsdauer des gütegeschalteten CO₂-Lasers liegt dabei im Bereich von 200 ns bei einer Frequenz von 5000 Hz und einer Energiedichte von 9 J/cm² im Fokus. Ein solches Laserskalpell läßt sich daher besonders vorteilhaft zum Öffnen der Schädeldecke einsetzen, da damit der sonst beim mechanischen Sägen übliche im Gehirn verbleibende Abrieb der Sägeblätter vermieden wird, der Artefakte auf diagnostischen Kontroll-Aufnahmen erzeugt. Such a device can be used particularly advantageously in the medical field as a "laser scalpel". Thus, with the laser scalpel according to the invention, which uses, for example, a Q-switched CO ₂ laser or TEA CO ₂ laser, it is possible to introduce sections of 10 mm depth into bone tissue. The pulse duration of the Q-switched CO ₂ laser is in the range of 200 ns at a frequency of 5000 Hz and an energy density of 9 J / cm ² in focus. Such a laser scalpel can therefore be used particularly advantageously for opening the skull, since this avoids the abrasion of the saw blades that would otherwise be present in the brain during mechanical sawing and generates artifacts on diagnostic control recordings.

Bei einer solchen Vorrichtung ist es vorteilhaft, Distanzmittel vorzusehen, die einen gleichbleibenden Abstand zwischen dem Referenzpunkt und der Oberfläche des Objektes gewährleisten. Im Falle des Laserskalpells für kleine Eingriffe kann das Distanzmittel direkt durch den Kopf eines Laserhandstücks gebildet werden oder als Sonde auf diesem angebracht sein. Dieses Laserhandstück ist vorteilhafterweise ähnlich wie ein Schreibgerät mit einem Griff ausgestattet. Es ist vorteilhaft, bei großen Eingriffen, wie beispielsweise beim Öffnen einer Schädeldecke, das Laserskalpell nach Vorgaben von bildgebenden Diagnostikverfahren durch einen Rechner zu führen und zu steuern. In such a device, it is advantageous to provide spacer means, the one constant distance between the reference point and the surface of the Ensure object. In the case of the Laserskalpells for small interferences that can Spacers are formed directly through the head of a laser handpiece or as Probe be mounted on this. This laser handpiece is advantageously similar to a writing instrument equipped with a handle. It is beneficial at major interventions, such as when opening a skull, the Laser scalpel according to specifications of diagnostic imaging methods by a To run and control computers.

In der Figur ist das Nachjustieren eines Laserstrahles schematisch gezeigt. In the figure, the readjustment of a laser beam is shown schematically.

Gezeigt ist ein Laserstrahl 1, der auf den Boden 2 eines Schnittes in einem aus harn Material bestehenden Objekt fokussiert ist. Der Laserstrahl ist durch ein nicht gezeigtes Fokussiermittel fokussiert, wobei der Schnitt eine Schnittachse 4, eine Schnittbreite 5 und eine Schnittiefe 6 aufweist. Das Objekt wird wiederholt entlang der Schnittachse 4 mit dem Fokus des Laserstrahles 1 überstrichen wird und die Breite des Schnittes wird durch eine pendelnde Bewegung 7 des Fokus vertikal zur Schnittachse 4 aufgeweitet. Zur Vergrößerung der Schnittiefe 6 wird der Strahl 1 durch selbsttätige Justierung des Fokussiermittels auf den Boden 2 des Schnittes in einer axialen Bewegung 8 nachfokussiert. Shown is a laser beam 1 which is focused on the bottom 2 of a section in an object made of urethane material. The laser beam is focused by a focusing means, not shown, wherein the section has a cutting axis 4 , a cutting width 5 and a depth of cut 6 . The object is repeatedly swept along the cutting axis 4 with the focus of the laser beam 1 and the width of the cut is widened by a swinging motion 7 of the focus vertical to the cutting axis 4 . To increase the depth of cut 6 of the beam 1 is refocused by automatic adjustment of the focusing on the bottom 2 of the section in an axial movement 8 .

Claims

A method of automatically producing a cut in the surface of an object made of hard material by means of a laser beam focused by a focusing means, the cut having a cutting axis, a cutting width and a depth of cut, the object repeated along the cutting axis with the focus of the laser beam is swept and wherein the width of the cut is widened by a movement of the focus vertical to the cutting axis, characterized in that the beam is refocused by increasing the depth of cut by automatically adjusting the focusing on the bottom of the cut.

2. The method according to claim 1, characterized in that the focus in one Oscillating vertical movement is swept over the cutting axis.

3. The method according to claim 1 or 2, characterized in that the object is repeated is swept over with the focus along the cutting axis, wherein the Beam slightly misaligned with each pass perpendicular to the cutting axis is used to create an extended cut.

4. Method according to one of the preceding claims, characterized in that the beam through a Displacement of the focusing means, in particular a focusing lens or a focusing mirror, refocused in the direction of the object is, wherein the speed of displacement at least almost Speed of enlargement of the depth of cut corresponds.

5. Method according to one of the preceding claims, characterized in that the speed of Enlargement of the depth of cut for a material and for a beam quality determined experimentally and registered as an empirical value.

6. The method according to claim 5, characterized in that the beam according to empirical value is refocused.

7. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the speed of Magnification of the depth of cut during cutting is measured and the beam is refocused according to the measured value.

8. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the depth of cut or the quality the adjustment by measuring the acoustic or optical signal, the arises during ablation, is determined.

9. Method according to one of the preceding claims, characterized in that the laser beam dynamic is focused on the current job to be edited specifiable cutting profile or to the focus position on the To adjust unevenness of the object.

10. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the pivoting speed and thus the local irradiation time is varied to a predeterminable one Create cutting profile.

11. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the object with a Water spray is moistened.

12. Device for introducing a cut in the surface of a Object by means of a laser beam, in particular for carrying out the Method according to one of the preceding claims, with a Beam guiding system, the means for focusing the laser beam and Having means for deflecting the laser beam, wherein the Beam guiding system has a reference point in the Insertion of the cut a constant distance to not from Has beam impacted surface of the object, characterized in that the means for focusing of the laser beam, a shift of focus relative to the Reference point in beam direction according to the changing Allow depth of cut.

13. Device according to claim 12, characterized by spacer means, the one constant distance between the reference point and the Ensure the surface of the object.

14. Device according to claim 12 or 13, characterized in that the spacer means by the Head of a laser handpiece can be made or upside down are attached and while cutting on the surface can be placed.

15. Device according to one of claims 12 to 14, characterized in that the means for focusing of the laser beam are arranged in the laser handpiece.

16. Device according to claim 12 to 15, characterized in that the laser handpiece a Handle, which allows manual handling.

17. Device according to claim 16, characterized in that the means for focusing of the laser beam are arranged in the laser handpiece.

18. Device according to one of claims 12 to 17, characterized in that the laser handpiece a Sprayer has over the water spray on and in the cut is sprayable.

19. Device according to one of claims 12 to 18, characterized by means that provide a measurement of Depth of cut or adjustment based on an acoustic or optical Signals that arise during ablation allow.