DE102011118540A1

DE102011118540A1 - Apparatus and method for cutting or separating solids by material removal by means of energetic radiation

Info

Publication number: DE102011118540A1
Application number: DE201110118540
Authority: DE
Inventors: Dr. Noll Reinhard; Achim Lenenbach; Cristian Tulea
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2011-11-15
Filing date: 2011-11-15
Publication date: 2013-05-16
Anticipated expiration: 2031-11-16
Also published as: DE102011118540B4; WO2013072033A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Schneiden oder Trennen von Feststoffen mittels energetischer Strahlung mit einem handgeführten Bearbeitungskopf. In dem handgeführten Bearbeitungskopf wird ein Bearbeitungsstrahl über eine dynamische Strahlablenkeinheit durch eine Strahlaustrittsöffnung geführt, durch die der Bearbeitungsstrahl auf einen Bearbeitungsort gerichtet werden kann. Durch eine in oder an dem Bearbeitungskopf angeordnete Bilderfassungseinheit werden während der Bearbeitung kontinuierlich Bilder eines den Bearbeitungsort umfassenden Bereiches des Feststoffs aufgenommen. Eine Bildauswerte- und Steuereinheit ermittelt aus den Bildern eine Fehlbewegung bei der manuellen Führung des Bearbeitungskopfes und steuert die dynamische Strahlablenkeinheit zu einer Strahllagekorrektur an, mit der die Fehlbewegung zumindest teilweise kompensiert wird. Mit der vorgeschlagenen Vorrichtung und dem zugehörigen Verfahren können bei der Durchführung handgeführter Schnitt- und Trennvorgänge in Feststoffen schmale Schnittfugenbreiten mit hoher Qualität erzeugt werden.The present invention relates to an apparatus and method for cutting or separating solids by means of energetic radiation with a hand-held machining head. In the hand-held machining head, a machining beam is guided via a dynamic beam deflection unit through a beam exit opening, through which the machining beam can be directed to a processing location. Through an image acquisition unit arranged in or on the processing head, images of a region of the solid which includes the processing location are continuously recorded during the processing. An image evaluation and control unit determines from the images a malfunction in the manual guidance of the machining head and controls the dynamic beam deflection unit to a beam position correction, with which the erroneous movement is at least partially compensated. With the proposed apparatus and method, narrow kerf widths of high quality can be produced when performing hand-held cutting and separating operations in solids.

Description

Technisches AnwendungsgebietTechnical application

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Schneiden oder Trennen von Feststoffen unter Einsatz eines handführbaren Bearbeitungskopfes, mit dem ein Bearbeitungsstrahl, insbesondere ein Laserstrahl, auf einen Bearbeitungsort auf dem Feststoff gerichtet wird. Mit einer derartigen Vorrichtung und dem zugehörigen Verfahren lassen sich beispielsweise Schnitte in plattenförmigen Feststoffen wie beispielsweise Blechen oder Keramikplatten erzeugen. Weitere beispielhafte Anwendungsgebiete der Vorrichtung sind die Kraniotomie, die Wirbelsäulentherapie oder der Abtrag von Hartgewebe für operative Eingriffe in der Human- oder Veterinärmedizin.The present invention relates to a device and a method for cutting or separating solids using a hand-operable machining head, with which a processing beam, in particular a laser beam, is directed to a processing location on the solid. With such a device and the associated method can be, for example, cuts in plate-shaped solids such as sheets or ceramic plates produce. Further exemplary areas of application of the device are craniotomy, spinal column therapy or removal of hard tissue for surgical interventions in human or veterinary medicine.

Stand der TechnikState of the art

Mit maschinengeführten Vorrichtungen zum Abtragen und Schneiden mit Laserstrahlung sind hohe Genauigkeiten in der Schnittführung erzielbar, da der Bearbeitungsstrahl durch die Maschinenachsen sehr genau geführt werden kann. Für einige Anwendungen sind jedoch handgeführte Systeme zum Schneiden mit Laserstrahlung erforderlich, wie sie beispielsweise aus dem Dokument von C. Schmid, „Handgeführte Lasermaterialbearbeitung mit Faserlasern” in „http://www.bias.de/Events/Archive/Faserlaserseminar/Vo rtraege/6 Schmid.pdf” bekannt sind. Mit diesen Systemen werden im Wesentlichen thermisch induzierte Schneidprozesse in technischen Werkstoffen (Metalle, Keramik, Kunststoffe) durchgeführt, mit denen plattenförmige Werkstücke durchgeschnitten werden. Durch die Hand führung werden Schnittbreiten erzeugt, die typischerweise deutlich größer als 1 mm sind. Es können daher nicht die Schnittfugenqualitäten eines maschinengeführten Laserschneidprozess erreicht werden.With machine-guided devices for ablation and cutting with laser radiation, high accuracies in the cutting guide can be achieved because the machining beam can be guided very precisely through the machine axes. For some applications, however, hand-held systems for cutting with laser radiation are required, as shown for example in the document of C. Schmid, "Hand-guided laser material processing with fiber lasers" in "http://www.bias.de/Events/Archive/Faserlaserseminar/Vo rtraege / 6 Schmid.pdf" are known. With these systems, essentially thermally induced cutting processes in technical materials (metals, ceramics, plastics) are carried out, with which plate-shaped workpieces are cut through. The hand guidance cutting widths are generated, which are typically much larger than 1 mm. Therefore, it is not possible to achieve the kerf qualities of a machine-guided laser cutting process.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Vorrichtung zum Schneiden oder Trennen von Feststoffen mittels energetischer Strahlung mit einem handgeführten Bearbeitungskopf anzugeben, mit denen geringere Schnittfugenbreiten erzielbar sind.The object of the present invention is to provide an apparatus for cutting or separating solids by means of energetic radiation with a hand-held machining head, with which smaller kerf widths can be achieved.

Darstellung der ErfindungPresentation of the invention

Die Aufgabe wird mit der Vorrichtung und dem Verfahren gemäß den Patentansprüchen 1 und 15 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Vorrichtung sowie des Verfahrens sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche oder lassen sich der nachfolgenden Beschreibung sowie dem Ausführungsbeispiel entnehmen.The object is achieved with the device and the method according to claims 1 and 15. Advantageous embodiments of the device and the method are the subject of the dependent claims or can be found in the following description and the embodiment.

Die vorgeschlagene Vorrichtung umfasst einen handführbaren Bearbeitungskopf, in dem ein Bearbeitungsstrahl über eine dynamische Strahlablenkeinheit durch eine Strahlaustrittsöffnung geführt wird, durch die der Bearbeitungsstrahl mit dem Bearbeitungskopf auf einen Bearbeitungsort auf einen Feststoff gerichtet werden kann. Mit einer in oder an dem Bearbeitungskopf angeordneten Bilderfassungseinheit werden während einer Bearbeitung kontinuierlich Bilder des den Bearbeitungsort umfassenden Bereiches des Feststoffs aufgenommen.The proposed device comprises a hand-operable machining head, in which a machining beam is guided via a dynamic beam deflection unit through a beam exit opening, through which the machining beam can be directed with the machining head to a processing location on a solid. With an image acquisition unit arranged in or on the processing head, images of the area of the solid which includes the processing location are continuously recorded during a processing.

Eine Bildauswerte- und Steuereinheit der Vorrichtung ermittelt aus den Bildern eine Fehlbewegung bei der manuellen Führung des Bearbeitungskopfes und steuert die dynamische Strahlablenkeinheit zu einer Strahllagekorrektur des Bearbeitungsstrahls an, mit der die durch den Bediener verursachte Fehlbewegung zumindest teilweise kompensiert wird.An image evaluation and control unit of the device detects a malfunction in the manual guidance of the processing head from the images and controls the dynamic beam deflection unit to a beam position correction of the processing beam, with which the error caused by the operator is at least partially compensated.

Durch diese dynamische Strahllagekorrektur werden bei der Handführung verursachte Fehlbewegungen des Bedieners, wie beispielsweise Zitterbewegungen, vollständig oder zumindest teilweise kompensiert, so dass eine geringere Schnittfugenbreite und somit höhere Schnittfugenqualität erreicht werden. Dadurch wird bei Verwendung eines Kurzpulslasers zur Erzeugung des Bearbeitungsstrahls, bspw. eines ps-Lasers, eine hohe Prozesseffizienz erreicht, die ohne eine derartige Strahllagekorrektur nicht möglich wäre. Der Bediener führt den handführbaren Bearbeitungskopf dabei mit der Hand und wird von der Bildauswerte- und Steuereinheit als Assistenzsystem unterstützt. Durch das automatische Ausgleichen von Zitterbewegungen bei der Handführung kann eine schmale präzise Schnittfuge im Feststoff sowohl in ebener als auch in gekrümmter Plattengeometrie erzielt werden, deren makroskopischer Verlauf durch die Handführung bestimmt wird. Die Zitterbewegungen der Hand während der Bearbeitung würden sonst zu unkontrollierten Positionsschwankungen des Einwirkorts des Bearbeitungsstrahls auf den Feststoff führen.By means of this dynamic beam position correction, erroneous movements of the operator caused by the hand guide, such as, for example, jitter movements, are completely or at least partially compensated, so that a smaller kerf width and thus a higher kerf quality are achieved. As a result, when using a short pulse laser for generating the processing beam, for example. A ps laser, a high process efficiency is achieved, which would not be possible without such a beam position correction. The operator guides the manageable machining head by hand and is supported by the image evaluation and control unit as an assistance system. By automatically compensating for dithering in the handgrip, a narrow, precise kerf can be achieved in the solid in both planar and curved plate geometry, the macroscopic course of which is determined by the handgrip. The shaking movements of the hand during processing would otherwise lead to uncontrolled position fluctuations of the site of action of the processing beam on the solid.

Die Bildauswerte- und Steuereinrichtung kann hierbei in einer Ausgestaltung so ausgeführt sein, dass sie einen Verlauf einer durch den Bediener vorab gesetzten Schnittmarkierung auf dem Feststoff erkennt und die Strahllagekorrektur jeweils unabhängig von der Bewegung des handgeführten Bearbeitungskopfes so durchführt, dass der Bearbeitungsstrahl der Schnittmarkierung auf dem Werkstück folgt. Dies kann selbstverständlich nur innerhalb der durch die dynamische Strahlablenkeinheit möglichen maximalen Korrektur erfolgen. Eine Zitterbewegung wird in dieser Alternative jedoch problemlos ausgeglichen. Auch eine durch ungenaue Führung des Bearbeitungskopfes verursachte Abweichung wird in dieser Alternative kompensiert, solange diese Abweichung eine bestimmte Größe nicht überschreitet, die von der dynamischen Strahlablenkeinheit nicht mehr kompensierbar ist.In one embodiment, the image evaluation and control device can be designed such that it detects a progression of a cut mark set on the solid by the operator and the beam position correction in each case independently of the movement of the handheld processing head so that the processing beam of the cut mark on the Workpiece follows. Of course, this can only be done within the maximum correction possible by the dynamic beam deflection unit. A dithering movement is easily compensated in this alternative. Even a deviation caused by inaccurate guidance of the machining head is compensated in this alternative, as long as this deviation does not exceed a certain size, which is no longer compensated by the dynamic beam deflection unit.

In einer weiteren Ausgestaltung ist die Bildauswerte- und Steuereinheit so ausgebildet, dass sie eine Zitterbewegung bei der manuellen Führung des Bearbeitungskopfes aus den Bildern erkennt und die dynamische Strahlablenkeinheit so ansteuert, dass die Zitterbewegung durch die Strahllagekorrektur zumindest teilweise kompensiert wird. Bei dieser Ausgestaltung erkennt die Vorrichtung vorzugsweise die Richtung der jeweils momentan auszuführenden Schnittkontur und damit aus den Bildern eine eventuell zu kompensierende Abweichung. Die Richtung der jeweils momentan auszuführenden Schnittkontur kann bspw. durch die momentane Drehlage des Bearbeitungskopfes um die Achse des Bearbeitungsstrahls oder eine dazu parallele Achse in Bezug auf den Feststoff erkannt werden. In einer Ausgestaltung des Bearbeitungskopfes mit Tubus und daran befestigtem Schaft, der in der Schnittfuge geführt wird, kann der Schaft auch mit einem oder mehreren Sensoren versehen sein, die eine Krafteinwirkung auf den Schaft durch eine vom Bediener ausgeführte Vorschubbewegung und somit die gewünschte Richtung erfassen. Ein Beispiel für derartige Sensoren sind Dehnungsmessstreifen im Schaft. Selbstverständlich bestehen auch noch andere Möglichkeiten, eine Zitterbewegung durch die Bildauswertung zu erkennen und dann entsprechend durch eine Strahllagekorrektur zumindest teilweise zu kompensieren.In a further embodiment, the image evaluation and control unit is designed such that it detects a dithering movement during manual guidance of the processing head from the images and controls the dynamic beam deflection unit so that the dithering movement is at least partially compensated by the beam position correction. In this refinement, the device preferably recognizes the direction of the cutting contour currently to be executed in each case, and thus from the images a deviation which may possibly be compensated. The direction of the cutting contour currently to be executed in each case can be detected, for example, by the instantaneous rotational position of the machining head about the axis of the machining beam or an axis parallel thereto with respect to the solid. In one embodiment of the machining head with tube and shaft attached thereto, which is guided in the kerf, the shaft can also be provided with one or more sensors which detect a force acting on the shaft by a feed movement performed by the operator and thus the desired direction. An example of such sensors are strain gauges in the shaft. Of course, there are other ways to detect a dithering motion through the image analysis and then compensate at least partially correspondingly by a beam position correction.

Vorzugsweise ist die Bildauswerte- und Steuereinheit so ausgebildet, dass sie bei Erreichen eines maximal möglichen Korrekturwertes der Strahllagekorrektur ein für den Bediener erkennbares Signal abgibt und die Bearbeitung unterbricht. Die dynamische Strahlablenkeinheit ist aufgrund der Konstruktion des Bearbeitungskopfes auf einen bestimmten Ablenkbereich beschränkt, so dass sie keine über diesen Ablenkbereich hinausgehende Strahllagekorrektur durchführen kann. Wird durch die Bildauswerteeinrichtung eine größere Abweichung erkannt, so wird dem Bediener die Überschreitung dieses Bereiches durch ein Signal angezeigt, so dass er darüber informiert ist. Die Bearbeitung kann dann wieder aufgenommen werden, sobald der Bediener den Bearbeitungskopf wieder in den korrigierbaren Bereich eingebracht hat.Preferably, the image evaluation and control unit is designed such that, when a maximum possible correction value of the beam position correction is reached, it emits a signal recognizable to the operator and interrupts the processing. The dynamic beam deflection unit is limited to a particular deflection range due to the design of the machining head so that it can not perform beam position correction beyond this deflection range. If a larger deviation is detected by the image evaluation device, the operator is shown the exceeding of this range by a signal, so that he is informed about it. The machining can then be resumed as soon as the operator has brought the machining head back into the correctable range.

Als Bearbeitungsstrahl wird bei der vorgeschlagenen Vorrichtung und dem vorgeschlagenen Verfahren vorzugsweise ein Laserstrahl eingesetzt. Der Bearbeitungskopf umfasst dabei in bekannter Weise eine Fokussieroptik zur Fokussierung des Laserstrahls auf den Bearbeitungsort. Auch weitere optische Elemente, insbesondere Umlenkelemente, können selbstverständlich für die Strahlführung im Bearbeitungskopf erforderlich sein. In einer bevorzugten Ausgestaltung ist auch eine Einrichtung zur Verstellung der Fokuslage bzw. des Fokusabstandes vorgesehen, die zur Erzeugung des optimalen Materialabtrags angesteuert wird. Bei Verringerung der Restschichtdicke des Feststoffes durch den Materialabtrag kann dann die Fokuslage nachgeführt werden. Die vorgeschlagene Vorrichtung sowie das vorgeschlagene Verfahren sind nicht auf den Einsatz von Laserstrahlung beschränkt. Es können hierbei auch andere Bearbeitungsstrahlen, beispielsweise Elektronen- oder Ionenstrahlen zum Einsatz kommen, deren Strahllage in gleicher Weise korrigiert werden kann.As a processing beam, a laser beam is preferably used in the proposed device and the proposed method. The processing head comprises in a known manner a focusing optics for focusing the laser beam on the processing site. Of course, other optical elements, in particular deflecting elements, may also be required for the beam guidance in the machining head. In a preferred embodiment, a device for adjusting the focus position and the focus distance is also provided, which is driven to produce the optimal material removal. When reducing the residual layer thickness of the solid by the removal of material then the focus position can be tracked. The proposed device and the proposed method are not limited to the use of laser radiation. In this case, it is also possible to use other processing beams, for example electron beams or ion beams, whose beam position can be corrected in the same way.

In einer bevorzugten Ausgestaltung weist die Vorrichtung in oder an dem handführbaren Bearbeitungskopf eine Messeinrichtung auf, die während der Bearbeitung eine Restschichtdicke des Feststoffs am Bearbeitungsort misst. Die Messeinrichtung ist dabei vorzugsweise so ausgebildet, dass sie bei Erreichen einer vorgebbaren Soll-Restschichtdicke oder bei vollständiger Durchtrennung des in der Regel plattenförmigen Feststoffs mit ebener oder gekrümmter Plattengeometrie ein für den Bediener erkennbares Signal abgibt und/oder automatisch die Bearbeitung unterbricht. Die Restdickenmessung kann zur Steuerung der Einrichtung zur Verstellung der Fokuslage sowie vor allem zur Steuerung des Materialabtrags verwendet werden, um eine definierte Restdicke zu erzeugen. Als Messeinrichtung für die Inline-Restdickenmessung zur Bestimmung der Restdicke des durchzutrennenden Materials während des Schneidvorgangs kann beispielsweise ein OCT-Sensor (OCT: Optical Coherence Tomography) eingesetzt werden.In a preferred embodiment, the device has a measuring device in or on the manageable machining head, which measures a residual layer thickness of the solid at the machining location during machining. The measuring device is preferably designed so that it emits a signal recognizable to the operator and / or automatically interrupts the processing upon reaching a predetermined target residual layer thickness or complete transection of the plate-shaped solid in general with a flat or curved plate geometry. The residual thickness measurement can be used to control the means for adjusting the focus position and especially for controlling the material removal in order to produce a defined residual thickness. For example, an OCT sensor (OCT: Optical Coherence Tomography) can be used as the measuring device for the inline residual thickness measurement for determining the residual thickness of the material to be separated during the cutting process.

Damit ermöglichen die vorgeschlagene Vorrichtung und das vorgeschlagene Verfahren die Durchführung handgeführter Schnitt- oder Trennvorgänge mit schmalen Schnittfugenbreiten und definierter Schnittfugentiefe in Feststoffen mit dem Bearbeitungsstrahl, insbesondere mit gepulster Laserstrahlung.Thus, the proposed device and the proposed method allow the implementation of hand-held cutting or separating operations with narrow kerf widths and defined depth of cut in solids with the processing beam, in particular with pulsed laser radiation.

Der Abtrag des Materials mit dem Bearbeitungsstrahl erfolgt vorzugsweise in einem strömenden Fluid, insbesondere einem Gasstrom oder einer strömenden Flüssigkeit, mit dem das abgetragene Material und thermische Energie aus dem Wechselwirkungsbereich herausgetragen wird. Durch den Abtrag im strömenden Fluid sind beispielsweise hohe Laserpuls-Repetitionsfrequenzen ohne Übersprecheffekte aufeinander folgender Pulse erreichbar sowie hohe mittlere Laserleistungen einsetzbar. Ein besonderer Vorteil besteht darin, dass thermische Einflüsse auf das abzutragende Material durch das strömende Fluid weitgehend reduziert oder vollständig ausgeschlossen werden. Gerade bei der Laserbearbeitung lässt sich durch die Beaufschlagung des Bearbeitungsortes mit einer Flüssigkeitsströmung Laserstrahlung hoher mittlerer Leistung einsetzen, ohne das Material um den Bearbeitungsort thermisch zu schädigen. Die Bearbeitung erfolgt dabei in der Flüssigkeit bzw. unter der Flüssigkeitsoberfläche, da die Flüssigkeit den Bearbeitungsort vollständig bedeckt. Für die Beaufschlagung des Bearbeitungsortes mit dem Fluid ist mindestens eine Düse am handführbaren Bearbeitungskopf angeordnet, die mit einer entsprechenden Zuführung für das Fluid verbindbar ist.The removal of the material with the machining beam is preferably carried out in a flowing fluid, in particular a gas stream or a flowing liquid, with which the removed material and thermal energy is carried out of the interaction region. By the removal in the flowing fluid, for example, high laser pulse repetition frequencies without crosstalk effects of successive pulses can be achieved and high average laser powers can be used. A particular advantage is that thermal influences on the material to be removed by the flowing fluid are largely reduced or completely excluded. Especially in the laser processing can be by applying the processing site with a liquid flow Use high average power laser radiation without thermally damaging the material around the work site. The processing takes place in the liquid or under the liquid surface, since the liquid completely covers the processing site. For the application of the fluid to the processing site, at least one nozzle is arranged on the manageable processing head, which can be connected to a corresponding feed for the fluid.

Der handgeführte Bearbeitungskopf weist in einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung einen Tubus auf, an dessen Ende die Strahlaustrittsöffnung ausgebildet ist. Dieser Tubus ist so bemessen, dass er den Bearbeitungsstrahl auf dem Weg zum Bearbeitungsort weitestgehend abschirmt, erstreckt sich im Falle eines fokussierten Laserstrahls als Bearbeitungsstrahl daher bis nahe an den Fokus des Laserstrahls. In einer Weiterbildung dieser Ausgestaltung ist am Ende des Tubus, d. h. im Bereich der Strahlaustrittsöffnung, ein Schaft mit dem Tubus verbunden, der über den Tubus hinausragt. Der Schaft ist vorzugsweise lateral und gegen eine Drehbewegung um seine Längsachse fixiert und derart ausgebildet, dass er sich in eine bereits durch die Bearbeitung erzeugte Schnittfuge am Feststoff einführen lässt. Damit kann der Tubus und somit der handgeführte Bearbeitungskopf während der weiteren Bearbeitung über diesen Schaft lateral geführt werden, indem der Schaft während der weiteren Bearbeitung in der Schnittfuge geführt wird. Am Ende des Schafts, unterhalb der Schnittfuge, ist in einer Weiterbildung der Vorrichtung ein plattenförmiges Element befestigt, das auf der Achse des Bearbeitungsstrahls liegt und somit den Bearbeitungsstrahl bei vollständigem Durchdringen des Feststoffs blockt. Bei Nutzung eines derart ausgebildeten Bearbeitungskopfes mit dem Schaft und dem daran befestigten Element wird zu Beginn der Bearbeitung mit geeigneten Mitteln, beispielsweise mit einem Bohrer, eine Öffnung in den Feststoff eingebracht, durch den sich der Schaft mit dem daran befestigten Element einführen und das Element unterhalb des Bearbeitungsortes bringen lässt.In a further advantageous embodiment, the hand-guided machining head has a tube, at the end of which the jet outlet opening is formed. This tube is dimensioned so that it shields the machining beam as far as possible on the way to the processing location, extends in the case of a focused laser beam as a processing beam therefore close to the focus of the laser beam. In a further development of this embodiment is at the end of the tube, d. H. in the region of the jet outlet opening, a shaft connected to the tube, which projects beyond the tube. The shaft is preferably fixed laterally and against a rotational movement about its longitudinal axis and designed such that it can be introduced into the solid already produced by the machining kerf. Thus, the tube and thus the hand-held machining head can be guided laterally during further processing on this shaft by the shaft is guided during further processing in the kerf. At the end of the shaft, below the kerf, in a development of the device, a plate-shaped element is fastened, which lies on the axis of the machining beam and thus blocks the machining beam upon complete penetration of the solid. When using such a trained machining head with the shaft and the element attached thereto is at the beginning of processing by suitable means, such as a drill, introduced an opening in the solid through which the shaft with the attached element and insert the element below of the processing location.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung wird der Schaft in axialer Richtung mit einem Federmechanismus nach oben gezogen, so dass das plattenförmige Element beim Trennvorgang stets auf der Unterseite des Feststoffs anliegt. Beim Einführen des Schafts und des plattenförmigen Elements durch die vorbereitete Öffnung wird der Schaft z. B. manuell – gegen die Federkraft – nach unten gedrückt und mit einer kleinen Vorschubbewegung wird das plattenförmige Element auf die Unterseite des Feststoffs geführt. Der Schaft wird dann wieder freigegeben und nun über den Federmechanismus stets nach oben gezogen, so dass das plattenförmige Element mit definierter Kraft auf der Unterseite des Feststoffs anliegt. In einer medizintechnischen Anwendung am Schädel übernimmt das plattenförmige Element die Funktion des Duraablösers, d. h. sie trennt mit der Vorschubbewegung des Bearbeitungskopfes die an der Innenseite des Schädelknochens anhaftende Hirnhaut vom Schädelknochen und vermeidet so eine Verletzung der Hirnhaut.In an advantageous embodiment, the shaft is pulled in the axial direction with a spring mechanism upwards, so that the plate-shaped element always rests during the separation process on the underside of the solid. When inserting the shaft and the plate-shaped element through the prepared opening of the shaft z. B. manually - against the spring force - pressed down and with a small feed movement, the plate-shaped element is guided on the underside of the solid. The shaft is then released again and now pulled over the spring mechanism always upwards, so that the plate-shaped element rests with a defined force on the underside of the solid. In a medical application on the skull, the plate-shaped element takes over the function of Duraablösers, d. H. it separates with the advancing movement of the processing head the adhering to the inside of the skull bone from the skull bone and thus avoids injury to the meninges.

Die Bilderfassungseinheit ist bei der vorgeschlagenen Vorrichtung vorzugsweise durch eine Kamera und eine Beleuchtungseinrichtung realisiert, die so in oder an dem handgeführten Bearbeitungskopf angeordnet sind, dass die Bilder des den Bearbeitungsort umfassenden Bereiches koaxial zum Bearbeitungsstrahl aufgenommen werden. Im Falle der obigen Ausbildung des Bearbeitungskopfes mit einem Tubus werden die Bilder daher vorzugsweise durch den Tubus hindurch aufgezeichnet. Der Bearbeitungsstrahl sowie der Beleuchtungsstrahl werden durch Umlenkelemente und Strahlteiler geeignet im Bearbeitungskopf geführt. Zur Unterdrückung der vom Bearbeitungsort emittierten Sekundärstrahlung und reflektierten Bearbeitungsstrahlung werden vorzugsweise Filter vor der Kamera eingesetzt, die die Wellenlängen des Beleuchtungsstrahls weitestgehend passieren lassen, die Wellenlängen der Bearbeitungs- und Sekundärstrahlung jedoch weitestgehend blockieren. Die Wellenlänge der Beleuchtungsstrahlung wird hiezu geeignet gewählt.The image acquisition unit is preferably realized in the proposed device by a camera and a lighting device, which are arranged in or on the hand-held processing head, that the images of the area encompassing the processing location are recorded coaxially to the processing beam. In the case of the above embodiment of the processing head with a tube, therefore, the images are preferably recorded through the tube. The processing beam and the illumination beam are guided by deflection elements and beam splitters suitable in the processing head. In order to suppress the secondary radiation emitted by the processing site and the reflected processing radiation, it is preferable to use filters in front of the camera which allow the wavelengths of the illumination beam to pass as far as possible, but block the wavelengths of the processing and secondary radiation as far as possible. The wavelength of the illumination radiation is chosen to be suitable.

Für die Materialbearbeitung wird bei der vorgeschlagenen Vorrichtung vorzugsweise ein Laser, insbesondere ein Kurzpulslaser eingesetzt. Dieser Laser kann außerhalb des handgeführten Bearbeitungskopfes angeordnet und über eine flexible oder gelenkige Strahlführung mit dem Bearbeitungskopf verbunden sein. Hierbei kann es sich beispielsweise um eine Faseroptik oder einen Gelenkspiegelarm handeln. Im Falle der Nutzung kleinerer Laser, beispielsweise von Halbleiterlasern, kann der Laser selbstverständlich auch im oder am handgeführten Bearbeitungskopf untergebracht sein. Auch die Bildauswerte- und Steuereinrichtung kann sowohl in oder an dem handgeführten Bearbeitungskopf als auch außerhalb dieses Bearbeitungskopfes angeordnet sein.For material processing, a laser, in particular a short-pulse laser, is preferably used in the proposed device. This laser can be arranged outside the hand-held machining head and connected to the machining head via a flexible or articulated beam guide. This may be, for example, a fiber optic or Gelenkspiegelarm. In the case of the use of smaller lasers, for example of semiconductor lasers, the laser can of course also be accommodated in or on the hand-guided processing head. The image evaluation and control device can be arranged both in or on the hand-held processing head and outside of this processing head.

Bei dem vorgeschlagenen Verfahren wird somit ein Bearbeitungsstrahl mit einem handgeführten Bearbeitungskopf auf einen Bearbeitungsort auf einem Feststoff gerichtet, wobei durch eine in oder an dem Bearbeitungskopf angeordnete Bilderfassungseinheit während einer Bearbeitung kontinuierlich Bilder eines den Bearbeitungsort umfassenden Bereiches des Feststoffs aufgenommen werden. Aus den Bildern wird eine Fehlbewegung bei der manuellen Führung des Bearbeitungskopfes ermittelt und eine im Bearbeitungskopf angeordnete dynamische Strahlablenkeinheit zu einer Strahllagekorrektur angesteuert, mit der die Fehlbewegung zumindest teilweise kompensiert wird.In the proposed method, a processing beam is thus directed to a processing location on a solid with a hand-held processing head, whereby images of a region of the solid comprising the processing location are continuously recorded during processing by a processing unit arranged in or on the processing head. From the images, a malfunction in the manual guidance of the machining head is determined and a arranged in the processing head dynamic beam deflection unit is driven to a beam position correction, with which the erroneous movement is at least partially compensated.

Die vorgeschlagene Vorrichtung kann sehr vorteilhaft auch im medizinischen Bereich eingesetzt werden, beispielsweise für neurochirurgische Operationen am Kopf oder an der Wirbelsäule. Hierbei können Zugänge – Kraniotomien – zum Operationsfeld hergestellt und Hartgewebeteile mit der Vorrichtung entfernt werden. Die Vorrichtung ermöglicht bei diesen Anwendungen den Verzicht auf bisher eingesetzte handgeführte mikrochirurgische Instrumente wie Bohrer und Knochenfräsen, die Knochenmaterial mechanisch abtragen. Der durch den Operateur beim Abtrag des Knochens mit der Fräse zu erzeugende hohe Anpressdruck mit dem Fräskopf auf den abzutragenden Knochen entfällt bei Nutzung der vorgeschlagenen Vorrichtung. Auch bei Operationen am Stütz- oder Bewegungsapparat sowie in der Mund- und Kieferchirurgie und bei Operationen am Gehörapparat können bisherige mechanische Operationswerkzeuge durch die vorgeschlagene Vorrichtung ersetzt werden. The proposed device can be used very advantageously also in the medical field, for example for neurosurgical operations on the head or on the spine. Accesses - craniotomies - can be made to the operating field and hard tissue parts can be removed with the device. In these applications, the device makes it possible to dispense with previously used hand-guided microsurgical instruments such as drills and burs, which mechanically remove bone material. The high contact pressure to be generated by the surgeon when removing the bone with the milling cutter with the milling head on the bone to be removed is eliminated when using the proposed device. Also in operations on the musculoskeletal system and in oral and maxillofacial surgery and operations on the hearing aid previous mechanical surgical tools can be replaced by the proposed device.

Kurze Beschreibung der ZeichnungenBrief description of the drawings

Die vorgeschlagene Vorrichtung und das zugehörige Verfahren werden nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den Zeichnungen nochmals näher erläutert. Hierbei zeigen:The proposed device and the associated method will be explained in more detail below with reference to embodiments in conjunction with the drawings. Hereby show:

1 ein Beispiel für eine Ausgestaltung der vorgeschlagenen Vorrichtung in schematischer Darstellung; 1 an example of an embodiment of the proposed device in a schematic representation;

2 ein Beispiel für die Durchführung eines Schnittes mit der vorgeschlagenen Vorrichtung; und 2 an example of performing a cut with the proposed device; and

3 ein Beispiel für eine Ausgestaltung der Vorrichtung mit einem Gelenkspiegelarm zwischen Laser und handgeführtem Bearbeitungskopf. 3 an example of an embodiment of the device with a Gelenkspiegelarm between laser and hand-guided machining head.

Wege zur Ausführung der ErfindungWays to carry out the invention

Die 1 und 2 zeigen beispielhaft das erfindungsgemäße Verfahren und die zugehörige Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens. Eine gepulste Laserstrahlquelle 1 erzeugt einen Laserstrahl 2, der über eine Strahlführung 3 einem handführbaren Bearbeitungskopf 19 – im Folgenden auch Handstück genannt – zugeleitet wird. Die Strahlführung 3 ist beispielsweise ein Gelenkspiegelarm oder eine Faseroptik.The 1 and 2 show by way of example the method according to the invention and the associated device for carrying out the method. A pulsed laser beam source 1 generates a laser beam 2 that has a beam guide 3 a manageable processing head 19 - hereinafter referred to as handpiece - is forwarded. The beam guidance 3 is for example a Gelenkspiegelarm or a fiber optic.

Im Handstück 19 gelangt der Laserstrahl 4 über zwei Ablenkelemente 8, 5 zu einer Positioniereinheit 10, die den Laserstrahl in zwei Raumrichtungen (x- und y-Richtung, siehe Koordinatensystem 18 in 1) ablenkt und die Fokuslage des Laserstrahls (in z-Richtung) bestimmt. Der abgelenkte und in seiner Fokuslage beeinflusste Laserstrahl 11 wird über ein Ablenkelement 12 und eine Fokussierlinse 23 durch ein Fenster 24 in einem Tubus 19' geführt und erreicht den Wechselwirkungs- bzw. Bearbeitungsort 14 am Feststoff 15 als Bearbeitungsstrahl 13.In the handpiece 19 the laser beam arrives 4 over two baffles 8th . 5 to a positioning unit 10 , the laser beam in two spatial directions (x and y direction, see coordinate system 18 in 1 ) and determines the focal position of the laser beam (in the z-direction). The deflected and in his focus influenced laser beam 11 is via a deflector 12 and a focusing lens 23 through a window 24 in a tube 19 ' guided and reaches the interaction or processing location 14 on the solid 15 as a processing beam 13 ,

Im Feststoff 15 erzeugt der Laserstrahl eine Schnittfuge 16, die in 1 im Längsschnitt parallel zur x-Richtung dargestellt ist. Die y-Koordinate zeigt senkrecht zur Schnittfuge, die z-Koordinate zeigt in das Material hinein.In the solid 15 the laser beam generates a kerf 16 , in the 1 is shown in longitudinal section parallel to the x-direction. The y-coordinate points perpendicular to the kerf, the z-coordinate points into the material.

Der zu trennende Feststoff habe eine Dicke d 21. Im Einwirkbereich des gepulsten Laserstrahls wird eine Schnitttiefe d_s erzeugt, wobei gilt: d_s ≤ d (1) The solid to be separated has a thickness d 21 , In the area of action of the pulsed laser beam, a depth of cut d _{s is} generated, where: d _s ≤ d (1)

Die Schnitttiefe ist also stets kleiner oder gleich groß wie die Dicke des plattenförmigen Feststoffs am Bearbeitungsort 14. Vorzugsweise wird d_s d gewählt, so dass eine Restdicke 22 verbleibt: d_r = d – d_s > 0.The depth of cut is thus always smaller or equal to the thickness of the plate-shaped solid at the processing site 14 , Preferably d _s d is chosen so that a residual thickness 22 remains: d _r = d - d _s > 0.

Diese Restdicke wird mit einer koaxial zum gepulsten Laserstrahl geführten Messstrahlung inline, d. h. während des Abtragsprozesses, gemessen. Dazu wird der Messstrahl 7 z. B. eines OCT-Sensors 6 über das auch als Strahlvereiniger wirkende Element 5 mit dem Ablativnslaserstrahl 9 überlagert und der Positioniereinheit 10 zugeführt. Nach dem Austritt aus der Positioniereinheit 10 wird dieser Messstrahl zusammen mit dem Laserstrahl 11 über das Ablenkelement 12, die Fokussieroptik 23 und das Fenster 24 schließlich durch den Tubus 19' auf den Bearbeitungsort 14 gerichtet. Das rückgestreute Licht der Messstrahlung läuft antiparallel zum einfallenden Strahl über den gleichen Weg wieder zurück bis zum OCT-Sensor 6 wie durch die Doppelpfeile auf diesem Strahlpfad (13, 11, 9 und 7) angedeutet ist.This residual thickness is measured inline with a measurement radiation guided coaxially to the pulsed laser beam, ie during the removal process. For this purpose, the measuring beam 7 z. B. an OCT sensor 6 via the element which also acts as a beam combiner 5 with the ablative laser beam 9 superimposed and the positioning unit 10 fed. After exiting the positioning unit 10 This measuring beam is combined with the laser beam 11 over the deflector 12 , the focusing optics 23 and the window 24 finally through the tube 19 ' on the processing site 14 directed. The backscattered light of the measuring radiation runs antiparallel to the incident beam over the same path back to the OCT sensor 6 as indicated by the double arrows on this beam path ( 13 . 11 . 9 and 7 ) is indicated.

Der OCT-Sensor 6 bestimmt die Restdicke d_r 22. Vorzugsweise wird die Restdicke während des Materialabtrags gemessen. Das gewonnene Signal der Restdicke wird für die Steuerung der Laserstrahlquelle 1 und der Positioniereinheit 10 verwendet, um eine definierte Größe der Restdicke zu erzielen.The OCT sensor 6 determines the residual thickness d _r 22 , Preferably, the residual thickness is measured during the material removal. The obtained residual thickness signal is used to control the laser beam source 1 and the positioning unit 10 used to achieve a defined size of the residual thickness.

Mit dem Tubus 19' verbunden ist ein Schaft 20, der durch die bereits erzeugte Schnittfuge 16 auf die Unterseite des Feststoffs 15 reicht (siehe 1). Am Ende des Schafts befindet sich eine Platte 20'. Schaft 20 und Platte 20' sind so am Tubus 19' montiert, dass die Platte 20' sich unterhalb der gedachten Verlängerung des Bearbeitungsstrahls 13 befindet. Beispielsweise hat die Platte 20' kreisförmige Gestalt und steht senkrecht auf dem Schaft 20. Der Schaftquerschnitt ist so gewählt, dass seine größte Abmessung kleiner ist als die Schnittfugenbreite. Auf diese Weise kann er mit dem Handstück 19 in der bereits erzeugten Schnittfuge 16 bewegt werden. Alternativ kann die Platte 20' z. B. zur Bearbeitung stark gekrümmter Flächen – wie in der Wirbelsäulenchirurgie – entfallen.With the tube 19 ' connected is a shaft 20 caused by the kerf already created 16 on the bottom of the solid 15 is enough (see 1 ). At the end of the shaft is a plate 20 ' , shaft 20 and plate 20 ' are like that on the tube 19 ' mounted that plate 20 ' below the imaginary extension of the machining beam 13 located. For example, the plate has 20 ' circular shape and is perpendicular to the shaft 20 , The shank cross-section is chosen so that its largest dimension is smaller than the kerf width. That way he can handle the handpiece 19 in the already produced kerf 16 to be moved. Alternatively, the plate 20 ' z. B. for processing strong curved surfaces - as in spinal surgery - omitted.

Der Bediener bewegt manuell das Handstück 19 mit dem Tubus 19' und dem damit verbundenen Schaft 20 in x-Richtung. Handstück und Tubus stehen näherungsweise senkrecht auf der Oberfläche des Feststoffs 15. Der Schaft ermöglicht eine laterale Führung des Handstücks (Einschränkung des Bewegungsspielraums in y-Richtung am Ort des Schafts 20).The operator manually moves the handpiece 19 with the tube 19 ' and the associated shaft 20 in X direction. Handpiece and tube are approximately perpendicular to the surface of the solid 15 , The shaft allows a lateral guidance of the handpiece (restriction of the travel in the y-direction at the location of the shaft 20 ).

Weiterhin gibt der Schaft 20 dem Bediener eine haptische Rückkopplung. Mit dem Schaft 20 kann der Bediener ein Stück des Feststoffs, das zuvor mit dem gepulsten Laserstahl bis auf die Restdicke abgetragen wurde, durch mechanische Einwirkung mit dem Schaft herauslösen. Die dafür erforderliche Kraft hängt von den werkstofflichen Eigenschaften des Feststoffs und der Größe der Restdicke ab. Das mechanisch abgelöste oder abgebrochene Stückchen wird über das strömende Fluid aus der Wechselwirkungszone getragen.Furthermore, the shaft gives 20 the operator a haptic feedback. With the shaft 20 For example, the operator may extract a piece of the solid previously removed with the pulsed laser steel to the residual thickness by mechanical action with the stem. The required force depends on the material properties of the solid and the size of the residual thickness. The mechanically detached or broken piece is carried over the flowing fluid from the interaction zone.

Das Fluid wird über eine Düse 19''', auch als Effusionsdüse bezeichnet, sowie im vorliegenden Beispiel zusätzlich über eine Anordnung mehrerer weiterer Düsen 19'' (Düsenkranz) am oder im Tubus 19' in den Wechselwirkungsbereich eingeströmt. Aus dem Düsenkranz strömt das Fluid in Richtung unteres Ende des Tubus 19' und hält abgetragende Partikel vom Fenster 24 fern sowie den Strahlpropagationsweg zwischen dem Fenster 24 und dem Bearbeitungs- bzw. Wechselwirkungsort 14 frei. Die Effusionsdüse 19''' ist mit ihrem Austrittsende möglichst nahe am Wechselwirkungsbereich angeordnet. Aus dieser Düse wird das Fluid mit großer lokaler Strömungsgeschwindigkeit auf den Bearbeitungsort 14 gerichtet. Dadurch wird die lokale Austauschrate im Wechselwirkungsbereich weiter erhöht und damit die Abtragseffizienz gesteigert.The fluid is delivered via a nozzle 19 ''' , Also referred to as Effusionsdüse, and in the present example in addition to an arrangement of several other nozzles 19 '' (Nozzle ring) on or in the tube 19 ' has flowed into the interaction region. From the nozzle ring, the fluid flows towards the lower end of the tube 19 ' and keeps abraded particles off the window 24 remote as well as the beam propagation path between the window 24 and the processing or interaction location 14 free. The effusion nozzle 19 ''' is arranged with its outlet end as close as possible to the interaction region. From this nozzle, the fluid is at a high local flow rate to the processing site 14 directed. This further increases the local exchange rate in the interaction region and thus increases the removal efficiency.

Der Abtrags- und Messvorgang wird vorzugsweise im Fluid durchgeführt, so dass beispielsweise das Innere des Tubus 19' bis zum optischen Fenster 24 und Teile der Schnittfuge 16 insbesondere im Bereich des Bearbeitungsortes 14 vollständig mit dem Fluid gefüllt sind. Als Fluid kommen insbesondere wässrige Lösungen, wie z. B. destilliertes Wasser, Kochsalzlösungen etc. in Betracht. Durch die Anordnung des Fensters 24 im unteren Bereich des Tubus 19' wird das Fluidvolumen zwischen dem Fenster 24 und dem Feststoff 15 minimiert und damit ein schnellerer Fluidaustausch (Volumeneinheit pro Zeiteinheit) erzielt. Letzteres ist wiederum für eine hohe Abtragseffizienz und zur Vermeidung von thermischen Schädigungen des Feststoffs wichtig.The removal and measurement process is preferably carried out in the fluid, so that, for example, the interior of the tube 19 ' to the optical window 24 and parts of the kerf 16 especially in the area of the processing location 14 completely filled with the fluid. As a fluid, in particular aqueous solutions, such as. B. distilled water, saline solutions, etc. into consideration. By the arrangement of the window 24 in the lower part of the tube 19 ' will the volume of fluid between the window 24 and the solid 15 minimized and thus a faster fluid exchange (volume unit per unit time) achieved. The latter, in turn, is important for high removal efficiency and to avoid thermal damage to the solid.

Die Wellenlänge des Ablationslasers 1 ist so gewählt, dass sie im Fluid, wie z. B. in einer wässrigen Lösung, nur eine geringe Absorption aufweist. Für wässrige Lösungen wird vorzugsweise eine Wellenlänge im grünen Spektralbereich gewählt, wie z. B. die verdoppelte Grundschwingung eines Nd:YAG Lasers bei 532 nm.The wavelength of the ablation laser 1 is chosen so that they are in the fluid, such. B. in an aqueous solution, has only a low absorption. For aqueous solutions, a wavelength in the green spectral range is preferably selected, such as. B. the doubled fundamental of a Nd: YAG laser at 532 nm.

Das Emissionsspektrum der Strahlquelle des OCT-Sensors 5 wird so gewählt, dass einerseits das Fluid mit geringer Absorption durchdrungen wird und andererseits die Restdicke des Feststoffs vermessen werden kann. Das heißt, dass die Messstrahlung zumindest z. B. in der Lage sein muss, den Feststoff im Bereich der Restdicke zu durchdringen und somit ein OCT-Signal sowohl von der Oberseite als auch von der Unterseite zu gewinnen. Beispielsweise beträgt die Restdicke eines Schädelknochens 1 μm bis 1 mm.The emission spectrum of the beam source of the OCT sensor 5 is chosen so that on the one hand, the fluid is penetrated with low absorption and on the other hand, the residual thickness of the solid can be measured. This means that the measuring radiation at least z. B. must be able to penetrate the solid in the region of the residual thickness and thus to gain an OCT signal from both the top and bottom. For example, the residual thickness of a cranial bone is 1 μm to 1 mm.

Ist der Feststoff 15 ein Hartgewebe, wie z. B. ein Knochen, wird ein Schwerpunkt des Emissionsspektrums der Strahlquelle des OCT-Sensors im Bereich von 700 bis 1100 nm gewählt. Beispielsweise wird eine Superlumineszenzdiode mit einer maximalen Emission bei 905 nm gewählt.Is the solid 15 a hard tissue, such as. As a bone, a focus of the emission spectrum of the beam source of the OCT sensor is selected in the range of 700 to 1100 nm. For example, a superluminescent diode with a maximum emission at 905 nm is chosen.

Die optischen Komponenten 5, 10, 12, 23, 24 sind so beschaffen, dass sie sowohl die Wellenlänge des Ablationslasers 1 als auch die Wellenlänge des OCT-Sensors 6 hinreichend reflektieren oder transmittieren.The optical components 5 . 10 . 12 . 23 . 24 are designed to match both the wavelength of the ablation laser 1 as well as the wavelength of the OCT sensor 6 sufficiently reflect or transmit.

Die Positioniereinheit 10 enthält vorzugsweise zwei 2D-Scannerspiegel. Unter einem 2D-Scannerspiegel wird ein Spiegel verstanden, der in zwei Raumrichtungen (zweidimensional = 2D) abgelenkt werden kann. Alternativ können einer oder beide 2D-Scannerspiegel durch zwei 1D-Scannerspiegel ersetzt werden. Einer der beiden 2D-Scannerspiegel wird zur kontinuierlichen Führung des Laserstrahls zum Materialabtrag über die zu bearbeitende Oberfläche in zwei Dimensionen verwendet. Der zweite 2D-Scannerspiegel in der Positioniereinheit 10 wird zur dynamischen Strahllagekorrektur verwendet und dient dazu, die Zitterbewegungen des Bedieners bei der manuellen Führung des Handstücks 19 auszugleichen.The positioning unit 10 preferably contains two 2D scanner mirrors. A 2D scanner mirror is understood to be a mirror that can be deflected in two spatial directions (two-dimensional = 2D). Alternatively, one or both 2D scanner mirrors can be replaced by two 1D scanner mirrors. One of the two 2D scanner mirrors is used for continuous guidance of the laser beam for material removal over the surface to be machined in two dimensions. The second 2D scanner mirror in the positioning unit 10 is used for dynamic beam position correction and serves to control the dithering of the operator during manual guidance of the handpiece 19 compensate.

In einer anderen Ausführungsform können beide Aufgaben – kontinuierliche Strahlführung und dynamische Strahllagekorrektur – von einem einzigen 2D-Scannerspiegel übernommen werden.In another embodiment, both tasks - continuous beam steering and dynamic beam position correction - can be handled by a single 2D scanner mirror.

Die Positioniereinheit 10 enthält neben den Scannerspiegeln noch eine Verstelleinheit für die axiale Lage (z-Richtung in 1) des Laserfokus im Bearbeitungsraum. Diese Verstelleinheit wird z. B. mit einer Teleskopoptik ausgeführt, die bspw. motorisch verstellbar sein kann.The positioning unit 10 contains in addition to the scanner mirrors nor an adjustment for the axial position (z-direction in 1 ) of the laser focus in the processing room. This adjustment is z. B. executed with a telescope optics, for example, can be adjusted by motor.

Für die dynamische Strahllagekorrektur wird der Feststoff innerhalb des Bereichs der dem Feststoff zugewandten Öffnung des Tubus 19' mit einer Kamera 17 koaxial beobachtet. Dazu wird der Wechselwirkungsbereich 14 mit einer – in 1 nicht dargestellten – Strahlquelle beleuchtet, deren Licht an der Oberfläche des Feststoffs und der Schnittfuge gestreut und zur Bildgebung verwendet wird. Dabei können sowohl Hellfeld- als auch Dunkelfeldbeleuchtungsanordnungen verwendet werden. For the dynamic beam position correction, the solid becomes within the area of the solid-facing opening of the tube 19 ' with a camera 17 observed coaxially. This is the interaction area 14 with a - in 1 not shown - beam source illuminated, the light is scattered on the surface of the solid and the kerf and used for imaging. Both bright field and dark field illumination arrangements can be used.

Die Wellenlänge der Beleuchtungsstrahlquelle und ihre Bestrahlungsstärke sind so gewählt, dass trotz der durch den Laserabtrag bedingten breitbandigen Plasmastrahlung am Wechselwirkungsort ein auswertbares Bild der Abtragsszenerie und ihrer Umgebung aufgenommen werden kann. Vorzugsweise wird eine schmalbandige Laserstrahlquelle für die Beleuchtung verwendet, z. B. mit der Wellenlänge 808 nm. Vor der Kamera 17 befindet sich ein Filterelement 17', das die Beleuchtungswellenlänge transmittiert und die Störstrahlung des Plasmaeigenleuchtens des Abtragsprozesses als auch die Streustrahlung des Ablationslaserlichts und des OCT-Messstrahls weitgehend unterdrückt. Als Beleuchtungsstrahlquelle wird vorzugsweise eine Laserdiode im Emissionsbereich zwischen 600 nm und 1000 nm gewählt, wie z. B. bei 808 nm.The wavelength of the illumination beam source and its irradiance are chosen so that despite the caused by the laser ablation broadband plasma radiation at the interaction site an evaluable image of the Abtragsszenerie and its surroundings can be recorded. Preferably, a narrow band laser beam source is used for the illumination, e.g. B. with the wavelength 808 nm. In front of the camera 17 there is a filter element 17 ' that transmits the illumination wavelength and largely suppresses the spurious radiation of the plasma self-illumination of the ablation process as well as the scattered radiation of the ablation laser light and the OCT measurement beam. As the illumination beam source, a laser diode in the emission range between 600 nm and 1000 nm is preferably selected, such as. At 808 nm.

2 illustriert das Verfahren zur Erzeugung handgeführter Laserschnitte in plattenförmigen oder gekrümmten Feststoffen. In den Feststoff 15 wird mit herkömmlichen Methoden eine Zugangsöffnung 25 erstellt, z. B. durch einen Bohrer. Der Durchmesser dieser Durchgangsbohrung ist so gewählt, dass die Platte 20' am Schaft 20 des Handstücks 19 durchgeführt werden kann. 2 illustrates the process of producing hand-held laser cuts in plate-shaped or curved solids. In the solid 15 becomes an access opening by conventional methods 25 created, z. B. by a drill. The diameter of this through hole is chosen so that the plate 20 ' on the shaft 20 of the handpiece 19 can be carried out.

Der Bediener hat zuvor die gewünschte Schnittkontur 26 auf dem Feststoff 15 markiert oder in seiner Vorstellung festgelegt. Nun führt der Bediener das Handstück 19 in der Richtung 27 entlang der Markierung oder gemäß seiner Vorstellung der Schnittkontur 26. Aufgrund der manuellen Führung und der endlichen Breite der Markierung kann er dies nur mit begrenzter Genauigkeit durchführen.The operator has previously the desired cutting contour 26 on the solid 15 marked or defined in his imagination. Now the operator guides the handpiece 19 in that direction 27 along the marking or according to his idea of the cutting contour 26 , Due to the manual guidance and the finite width of the mark, he can do so only with limited accuracy.

Eie Recheneinheit und ein Programm (Bildverarbeitungsalgorithmus) werten kontinuierlich die Daten der Kamera 17 und des – z. B. OCT-Sensors 6 – aus. Die Kameradaten werden für ein Verfolgen (Tracking) von Merkmalen der Feststoffoberfläche, der Markierung – sofern vorhanden – und der erzeugten Schnittgeometrie verwendet. Aus dem Tracking werden Steuersignale für den dynamischen 2D-Scanner in der Positioniereinheit 10 abgeleitet, so dass trotz einer Zitterbewegung bei der manuellen Führung des Handstücks 19 der Ablationslaserstrahl auf die Schnittfuge geführt wird und eine optimale Abtragsrate (Volumen des abgetragenen Feststoffs pro Zeiteinheit) und Abtragsgeometrie erzielt wird. Eine optimale Abtragsrate wird erzielt, wenn der Laserstrahl mit einer definierten Scanbewegung (in x- und y-Richtung, siehe 1) im Bereich der zu erzeugenden Schnittfuge bewegt wird.An arithmetic unit and a program (image processing algorithm) continuously evaluate the data of the camera 17 and of - z. B. OCT sensors 6 - out. The camera data is used for tracking of solid surface features, marking, if any, and the generated cut geometry. The tracking generates control signals for the dynamic 2D scanner in the positioning unit 10 derived, so that despite a dithering during manual guidance of the handpiece 19 the ablation laser beam is guided onto the kerf and an optimum removal rate (volume of the removed solid per unit time) and removal geometry is achieved. An optimal removal rate is achieved when the laser beam with a defined scanning movement (in the x and y direction, see 1 ) is moved in the region of the kerf to be produced.

Die beschriebene Kompensation ist nur innerhalb eines begrenzten Fangbereichs möglich. Wird die Grenze des Fangbereichs erreicht, so erzeugt die Recheneinheit eine Signalisierung – z. B. durch Leuchtzeichen oder Signaltöne am Handstück oder den zugehörigen Peripheriegeräten – so dass der Bediener erkennt, dass die Grenze des Fangbereichs erreicht ist. In diesem Fall wird die Laserablation unterbrachen.The described compensation is possible only within a limited capture range. If the limit of the capture range is reached, the arithmetic unit generates a signaling - z. As by lights or beeps on the handpiece or the associated peripherals - so that the operator recognizes that the limit of the capture range is reached. In this case, the laser ablation is interrupted.

Vorzugsweise wird die Signalisierung so gestaltet, dass der Bediener erfährt, in welcher Richtung er das Handstück bewegen muss, um wieder in den Fangbereich zu gelangen. Ist das Handstück wieder im Fangbereich, wird der Abtragsprozess fortgesetzt.Preferably, the signaling is designed so that the operator learns in which direction he has to move the handpiece to get back into the capture area. If the handpiece is back in the capture area, the removal process continues.

Die OCT-Messungen oder andere optische Messverfahren erfassen die Restdicke. Wird ein zuvor definierter Schwellwert für die Restdicke erreicht oder unterschritten, so wird der Abtragsprozess an dieser Stelle abgebrochen. Eine Signalisierung zeigt dem Bediener an, dass er ein gedünntes Stückchen mit dem Schaft 20 herauslösen kann.The OCT measurements or other optical measuring methods record the residual thickness. If a previously defined threshold value for the remaining thickness is reached or undershot, the ablation process is terminated at this point. A signaling indicates to the operator that he has a thinned piece with the stem 20 can dissolve out.

Alternativ kann der Feststoff komplett durchtrennt werden. Dies ist z. B. bei nicht-klinischen Applikationen möglich.Alternatively, the solid can be cut completely. This is z. B. in non-clinical applications possible.

Das Handstück ist durch Schutzeinrichtungen so gestaltet, dass für den Bediener ein Lasersystem der Klasse 1 vorliegt. Dazu wird der Tubus 19' am dem Feststoff zugewandten Ende mit einer flexiblen Muffe versehen, die den Austritt gestreuter Laserstrahlung aus dem Wechselwirkungsbereich verhindert. Der Durchtritt der Laserstrahlung auf die Rückseite des Feststoffs wird einerseits dadurch verhindert, dass der Abtrag nur bis auf eine endliche Restdicke erfolgt und andererseits durch die Platte 20' blockiert wird.The handpiece is designed with protective devices that provide the operator with a class laser system 1 is present. This is the tube 19 ' provided at the end facing the solid with a flexible sleeve, which prevents the leakage of scattered laser radiation from the interaction region. The passage of the laser radiation to the back of the solid is on the one hand prevented by the removal takes place only to a finite residual thickness and on the other hand by the plate 20 ' is blocked.

Für den Ablationslaser wird vorzugsweise ein Pikosekundenlaser verwendet. Dieser arbeitet mit Pulsfrequenzen zwischen 1 kHz und 1000 MHz, bei mittleren Leistungen von 1 W bis 1000 W. Die Pulsdauer beträgt < 500 ps. Alternativ werden Nanosekunden- oder Femtosekunden-Pulse verwendet.For the ablation laser, a picosecond laser is preferably used. This operates with pulse frequencies between 1 kHz and 1000 MHz, with average powers of 1 W to 1000 W. The pulse duration is <500 ps. Alternatively, nanosecond or femtosecond pulses are used.

3 zeigt ein Beispiel für eine Ausgestaltung der vorgeschlagenen Vorrichtung mit einem Gelenkspiegelarm als Strahlführung 3 zwischen einem stationären Teil 28 der Vorrichtung und dem handgeführten Bearbeitungskopf 19. Eine derartige Ausgestaltung bietet sich für eine Anwendung in der Kraniotomie an, wie dies in der Figur angedeutet ist. In dem stationären Teil 28 der Vorrichtung befinden sich der Laser sowie die Bildauswerte- und Steuereinrichtung, die über entsprechende, ebenfalls im oder am Gelenkspiegelarm geführte Kabel mit den entsprechenden Komponenten des handgeführten Bearbeitungskopfes 19 verbunden sind. 3 shows an example of an embodiment of the proposed device with a Gelenkspiegelarm as a beam guide 3 between a stationary part 28 the device and the hand-held processing head 19 , Such a configuration lends itself to an application in craniotomy, as indicated in the figure. By doing stationary part 28 the device are the laser and the Bildauswerte- and control device, via the corresponding, also guided in or on Gelenkarmarm cable with the corresponding components of the hand-held processing head 19 are connected.

Die vorgeschlagene Vorrichtung und das zugehörige Verfahren ermöglichen die Erzeugung präziser schmaler Schnitte in Feststoffen mit einem handgeführten Bearbeitungskopf und geeigneter Bearbeitungsstrahlung, insbesondere gepulster Laserstrahlung. Durch Nutzung eines Tubus mit einem darüber hinaus stehenden Schaft wird eine haptische Kopplung durch Abtrag bis auf eine definierte Restdicke und manuelles Herauslösen des gedünnten Feststoffteils mit dem Schaft ermöglicht. Der Abtrag erfolgt vorzugsweise in einer strömenden Flüssigkeit zum Abtransport des abgetragenen Materials und zur Vermeidung thermischer Schädigungen am Feststoff. Mit der Vorrichtung werden mechanische Drehimpulseinwirkungen auf den Feststoff vermieden, wie sie beispielsweise beim Fräsen auftreten. Damit sinken bei medizinischen Anwendungen die dadurch bedingten Verletzungsrisiken für einen Patienten. Die Vorrichtung bietet Schutz vor Durchdringung des Feststoffs mit der ablatierten Laserstrahlung durch das Restdickenprinzip und eine zusätzliche Platte, so dass eine Laserklasse 1 erreichbar ist. Der Abtrag der Feststoffe erfolgt ohne die Bewegung träger Massen, so dass sich der Abtragprozess auch instantan beenden lässt. Im Falle klinischer Anwendungen wird mit der Vorrichtung eine erhöhte Operationssicherheit bei reduzierten Verletzungsgefahren erreicht.The proposed device and the associated method enable the production of precise narrow cuts in solids with a hand-held machining head and suitable machining radiation, in particular pulsed laser radiation. By using a tube with a shaft standing beyond a haptic coupling is made possible by removal to a defined residual thickness and manual detachment of the thinned solid part with the shaft. The removal is preferably carried out in a flowing liquid for the removal of the removed material and to avoid thermal damage to the solid. With the device mechanical effects of angular momentum on the solid are avoided, as they occur for example during milling. This reduces the risk of injury to a patient in medical applications. The device provides protection against penetration of the solid with the ablated laser radiation through the residual thickness principle and an additional plate, allowing a laser class 1 is reachable. The removal of the solids takes place without the movement of inert materials, so that the removal process can also be terminated instantaneously. In the case of clinical applications, the device achieves increased operating safety with reduced risk of injury.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

11: Gepulste LaserstrahlquellePulsed laser beam source
22: Laserstrahllaser beam
33: Strahlführungbeamline
44: Laserstrahllaser beam
55: Ablenkelement, StrahlvereinigerDeflection element, beam combiner
66: OCT-SensorOCT sensor
77: Messstrahlmeasuring beam
88th: Ablenkelementdeflector
99: Laserstrahllaser beam
1010: Positioniereinheitpositioning
1111: Laserstrahllaser beam
1212: Ablenkelementdeflector
1313: Bearbeitungs- bzw. AblationsstrahlProcessing or ablation beam
1414: Bearbeitungsortprocessing location
1515: Feststoffsolid fuel
1616: Schnittfugekerf
1717: Kameracamera
17'17 ': Filterfilter
1818: Koordinatensystemcoordinate system
1919: handgeführter Bearbeitungskopfhand-guided machining head
19'19 ': Tubustube
19''19 '': Düsenkranznozzle ring
19'''19 '' ': Düsejet
2020: Schaftshaft
20'20 ': Platteplate
2121: Dicke dThickness d
2222: Restdicke d_r Residual thickness d _r
2323: Fokussierlinsefocusing lens
2424: Fensterwindow
2525: Zugangsöffnungaccess opening
2626: gewünschte Schnittkonturdesired cutting contour
2727: Schnittrichtungcutting direction
2828: stationärer Teil der Vorrichtungstationary part of the device

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.This list of the documents listed by the applicant has been generated automatically and is included solely for the better information of the reader. The list is not part of the German patent or utility model application. The DPMA assumes no liability for any errors or omissions.

Zitierte Nicht-PatentliteraturCited non-patent literature

C. Schmid, "Hand-guided laser material processing with fiber lasers" in "http://www.bias.de/Events/Archive/Faserlaserseminar/Vo rtraege / 6 Schmid.pdf" [0002]

Claims

Apparatus for cutting or separating solids by removal of material, comprising - a manageable machining head ( 19 ), in which a processing beam ( 13 ) via a dynamic beam deflection unit ( 10 ) is guided through a jet outlet opening through which the processing beam ( 13 ) with the processing head ( 19 ) to a processing location ( 14 ) on a solid ( 15 ), - one in or on the processing head ( 19 ) image capture unit ( 17 ), with which during a processing continuously pictures of the processing location ( 14 ) extensive area of the solid ( 15 ), and - an image evaluation and control unit, which makes a mistake in the manual guidance of the processing head ( 19 ) and the dynamic beam deflection unit ( 10 ) to a beam position correction, with which the erroneous movement is at least partially compensated.

Apparatus according to claim 1, characterized in that the Bildauswerte- and control unit is designed so that it a dithering during the manual guidance of the machining head ( 19 ) and the dynamic beam deflection unit ( 10 ) so that the dithering motion is at least partially compensated by the beam position correction.

Apparatus according to claim 1, characterized in that the Bildauswerte- and control unit is formed so that it a course of a cutting mark on the solid ( 15 ) and the beam position correction is performed such that the processing beam ( 13 ) of the cut mark on the solid ( 15 ) follows.

Device according to one of claims 1 to 3, characterized in that the Bildauswerte- and control unit is formed so that it is a direction of each currently executed sectional contour by a current rotational position of the machining head ( 19 ) about the axis of the machining beam ( 13 ) or an axis parallel thereto with respect to the solid ( 15 ) recognizes.

Device according to one of claims 1 to 4, characterized in that the Bildauswerte- and control unit is designed so that it outputs a recognizable signal for an operator signal upon interruption of a maximum possible correction value of the beam position correction and interrupts the processing.

Device according to one of claims 1 to 5, characterized in that at least one nozzle ( 19 '' . 19 ''' ) on the manageable processing head ( 19 ), over which the processing location ( 14 ) can be acted upon during processing with a fluid flow.

Device according to one of claims 1 to 6, characterized in that the jet outlet opening at one end of a tube ( 19 ' ) is formed, which the processing beam ( 13 ) on the way to the processing site ( 14 ) shields.

Apparatus according to claim 7, characterized in that in the region of the jet outlet opening a shaft ( 20 ) via the tube ( 19 ' protrudes, which is rigidly connected to the tube and formed so that it is in a kerf produced by the machining ( 16 ) on the solid ( 15 ) and thereby a lateral guidance of the tube ( 19 ' ) while editing.

Apparatus according to claim 8, characterized in that on a the tube ( 19 ' ) opposite end of the shaft ( 20 ) a plate-shaped element ( 20 ' ), which passes through the tube ( 19 ' ) extending axis of the machining beam ( 13 ) cuts.

Apparatus according to claim 8 or 9, characterized in that the Bildauswerte- and control unit is formed so that it is a direction of each currently executed sectional contour of a force on the shaft ( 20 ) detected by a feed movement performed by the operator.

Device according to one of claims 1 to 10, characterized in that in or on the manageable processing head ( 19 ) a measuring device ( 6 ), which during processing has a residual layer thickness ( 22 ) of the solid ( 15 ) at the processing site ( 14 ) measures.

Apparatus according to claim 11, characterized in that the measuring device ( 6 ) is designed such that, when a desired residual layer thickness or a complete separation of the solid ( 15 ) emits a recognizable signal for an operator and / or interrupts the processing.

Apparatus according to claim 11 or 12, characterized in that the measuring device ( 6 ) comprises an OCT sensor.

Device according to one of claims 1 to 13, characterized in that the dynamic beam deflection unit ( 10 ) comprises at least one 2D scanning unit.

Device according to one of claims 1 to 14, characterized in that the image acquisition unit ( 17 ) is arranged so that the pictures of the processing type ( 14 ) comprehensive range of the solid ( 15 ) coaxial with the processing beam ( 13 ).

Device according to one of claims 1 to 15, characterized in that the device is an outside of the manageable processing head ( 19 ) arranged laser ( 1 ) for generating a laser beam ( 2 ) as a processing beam, wherein the laser beam ( 2 ) via a flexible or articulated beam guiding device ( 3 ) in the processing head ( 19 ) to be led.

Method for cutting or separating solids by material removal, in which a processing beam ( 13 ) with a hand-operated processing head ( 19 ), in which the processing beam via a dynamic beam deflection unit ( 10 ) is directed through a jet exit opening onto a processing location ( 14 ) on a solid ( 15 ), wherein by a in or on the processing head ( 19 ) image capture unit ( 17 ) continuously process images of a processing location during processing ( 14 ) comprehensive range of the solid ( 15 ), from the images a misalignment in the manual guidance of the processing head ( 19 ) and the dynamic beam deflection unit ( 10 ) is driven to a beam position correction, with which the erroneous movement is at least partially compensated.

Method according to claim 17, characterized in that the processing location ( 14 ) is applied during processing with a fluid flow.

A method according to claim 17 or 18, characterized in that a hand-guided machining head ( 19 ) is used, wherein the jet outlet opening at one end of a tube ( 19 ' ) is formed, which the processing beam ( 13 ) on the way to the processing site ( 14 ) shields.

A method according to claim 17 or 18, characterized in that a hand-guided machining head ( 19 ) is used, wherein the jet outlet opening at one end of a tube ( 19 ' ) is formed, which the processing beam ( 13 ) on the way to the processing site ( 14 ) shields, wherein in the region of the jet outlet opening a shaft ( 20 ) via the tube ( 19 ' protrudes, which is rigidly connected to the tube, and that the shaft ( 20 ) in a kerf produced by the machining ( 16 ) on the solid ( 15 ) and during processing in the kerf ( 16 ) to be led.

Method according to claim 19 or 20, characterized in that the type of processing ( 14 ) during processing through the tube ( 19 ' ) is acted upon by a liquid flow, so that the tube ( 19 ' ) at least partially filled with the liquid and the processing takes place in the liquid.

Method according to one of claims 17 to 21, characterized in that during processing via a on or in the processing head ( 19 ) arranged measuring device ( 6 ) a residual layer thickness ( 22 ) of the solid ( 15 ) at the processing site ( 14 ) and upon reaching a desired residual layer thickness or during a complete separation of the solid ( 15 ) emits a recognizable signal for an operator and / or the processing is automatically interrupted.