DE102012010191A1

DE102012010191A1 - Einrichtung zur Hochgeschwindigkeits-Lasermaterialbearbeitung

Info

Publication number: DE102012010191A1
Application number: DE201210010191
Authority: DE
Inventors: Sascha Klötzer; Andre Streek; Lars Hartwig; Robby Ebert; Horst Exner
Original assignee: Hochschule Mittweida FH
Current assignee: MOEWE Optical Solutions GmbH
Priority date: 2011-05-19
Filing date: 2012-05-19
Publication date: 2012-11-22

Abstract

Die Erfindung betrifft Einrichtungen zur Hochgeschwindigkeits-Lasermaterialbearbeitung eines Gegenstandes mit einer Steuereinrichtung, einem Laser, einer laserstrahlablenkenden Einrichtung für eine Verschiebung des Laserstrahls auf dem Gegenstand und einer angetriebenen Spiegelvorrichtung mit einem oder mehreren Spiegelsegmenten für eine zeilenförmige Beaufschlagung des Gegenstandes mit dem Laserstrahl. Damit sind Materialien mit hoher Geschwindigkeit bei gleichzeitig hoher Positionsgenauigkeit bearbeitbar. Die Steuereinrichtung weist einen hoch stabilen Taktgenerator auf. Die angetriebene Spiegelvorrichtung besitzt eine Markierung für die Erzeugung eines Lagesignals. Die Spiegelvorrichtung und die Steuereinrichtung sind so miteinander verbunden, dass sowohl der Länge des Spiegelsegments oder den addierten Längen der Spiegelsegmente als auch dem Abstand zwischen der Kante des Spiegelsegmentes und der Markierung jeweils eine ganzzahlige Zahl von Systemtakten zugeordnet ist. Nach Durchlauf des Spiegelsegmentes oder der Spiegelsegmente wird mit dem darauffolgenden Systemtakt der Laserstrahl für eine weitere zeilenförmige Bearbeitung des Gegenstandes auf eine nächste Zeile positioniert.

Description

Die Erfindung betrifft Einrichtungen zur Hochgeschwindigkeits-Lasermaterialbearbeitung eines Gegenstandes mit einer Steuereinrichtung, einem Laser, einer laserstrahlablenkenden Einrichtung für eine Verschiebung des Laserstrahls auf dem Gegenstand und einer angetriebenen Spiegelvorrichtung mit einem oder mehreren Spiegelsegmenten für eine zeilenförmige Beaufschlagung des Gegenstandes mit dem Laserstrahl.
Bei der linienförmigen Bearbeitung von Gegenständen mit Laserstrahlen mit einer bewegten Spiegelvorrichtung erfolgt eine Verzerrung der beaufschlagten Oberfläche durch die Fokussieroptik oder durch die Bewegung der Spiegelvorrichtung, wobei sich bei Letzterem während der Bewegung der Abstand zwischen Spiegel und Gegenstand ändert.
Weiterhin kommt es bei einer konstanten Drehgeschwindigkeit eines Polygonspiegels oder der nichtlinearen Geschwindigkeitsfunktion eines Resonanzspiegels zu unterschiedlichen Geschwindigkeiten des Laserstrahls auf der Oberfläche des Gegenstandes. Daraus resultieren Unterschiede in der Bearbeitung des Gegenstandes.
Darüber hinaus sind bei der Bearbeitung von Gegenständen mit Laserstrahlen im μs-/ns-Bereich mit einer Auflösung von wenigen ns minimale Schaltzeiten zu beachten. Signallaufzeiten zwischen den Komponenten der Einrichtung zur Hochgeschwindigkeits-Lasermaterialbearbeitung und deren Reaktionsgeschwindigkeiten spielen mit steigender Schaltgeschwindigkeit eine entscheidende Rolle. Das gilt auch für die Datenverarbeitung in bekannten Datenverarbeitungssystemen, die bei bekannten Einrichtungen zur Lasermaterialbearbeitung zur Steuerung eingesetzt werden.
Der im Patentanspruch 1 angegebenen Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Materialien mit einem Laser mit hoher Geschwindigkeit zu bearbeiten.
Diese Aufgabe wird mit den im Patentanspruch 1 aufgeführten Merkmalen gelöst.
Die Einrichtungen zur Hochgeschwindigkeits-Lasermaterialbearbeitung eines Gegenstandes mit einer Steuereinrichtung, einem Laser, einer laserstrahlablenkenden Einrichtung für eine Verschiebung des Laserstrahls auf dem Gegenstand und einer angetriebenen Spiegelvorrichtung mit einem oder mehreren Spiegelsegmenten für eine zeilenförmige Beaufschlagung des Gegenstandes mit dem Laserstrahl zeichnen sich insbesondere dadurch aus, dass Materialien mit hoher Geschwindigkeit bei gleichzeitig hoher Positionsgenauigkeit bearbeitbar sind. Dazu ist die Steuereinrichtung eine verbindungsprogrammierte Steuerung mit einem hoch stabilen Taktgenerator für den Systemtakt der Steuereinrichtung. Die angetriebene Spiegelvorrichtung weist eine in ihrer Lage frei bestimmbare Markierung für die Erzeugung eines Lagesignals als Indexpuls in der Steuereinrichtung auf.
Weiterhin sind die angetriebene Spiegelvorrichtung und die Steuereinrichtung so miteinander verbunden,

– dass sowohl der Länge des Spiegelsegments oder den addierten Längen der Spiegelsegmente der angetriebenen Spiegelvorrichtung für eine zeilenförmige Bearbeitung des Gegenstandes eine ganzzahlige Zahl von Systemtakten als auch dem Abstand zwischen der Kante des Spiegelsegmentes und der Markierung eine ganzzahlige Zahl von Systemtakten zugeordnet ist,
– dass der Indexpuls gleichzeitig der Trigger für die Steuerung des Lasers zur zeilenförmigen Beaufschlagung des Gegenstandes mit Laserstrahlen in Form einer Folge von Pixeln ist, wobei die Pixeldauer frei wählbar und der Pixeldauer eine Festkommazahl von Systemtakten zugeordnet ist.

Darüber hinaus sind die Steuereinrichtung und die laserstrahlablenkende Einrichtung so miteinander verbunden, dass nach Durchlauf des Spiegelsegmentes oder der Spiegelsegmente mit dem darauffolgenden Systemtakt der Laserstrahl für eine weitere zeilenförmige Bearbeitung des Gegenstandes auf eine nächste Zeile positioniert wird.
Der Laserstrahl wird durch die laserstrahlablenkende Einrichtung für eine Positionsänderung des Laserstrahls, beispielsweise in Form eines bekannten Galvanometer-Scanners abgelenkt und trifft auf die angetriebene Spiegelvorrichtung als Facetten/Spiegelsegmente eines rotierenden Polygonspiegels oder eines Resonanzspiegels mit einem Segment. Der Laserstrahl kann weiterhin durch eine Fokussierungsoptik auf die Bearbeitungsstelle fokussiert werden.
Der Laser ist elektrisch schnell schaltbar (cw – continuous wave oder Einzelpulsanwahl) und/oder verfügt über einen schnellen optischen Schalter. Die Laserleistung oder Pulsenergie ist direkt durch die Laserleistungssteuerung oder indirekt über einen optische Schalter schnell änderbar. Gepulste Laser ohne Einzelpulsanwahl liefern ein Synchronisierungssignal.
Bei der Lasermaterialbearbeitung ist eine Verzerrung des Scanfeldes durch den sich ändernden Abstand zwischen dem Spiegelsegment während dessen Bewegung und/oder durch die Bearbeitungsoptik vorhanden. Weiterhin ist die Genauigkeit der Geschwindigkeit der angetriebenen Spiegelvorrichtung begrenzt, so dass es durch die konstante Drehgeschwindigkeit oder die nichtlineare Geschwindigkeitsfunktion des Resonanzspiegels zu unterschiedlichen Geschwindigkeiten des Laserstrahls auf dem Material in Bearbeitungsrichtung und damit zu Unterschieden in der Bearbeitung kommt. Darüber hinaus stellen auch Signallaufzeiten zwischen den einzelnen Komponenten und deren Reaktionsgeschwindigkeiten mit steigender Schaltgeschwindigkeit (MHz-Bereich) ein entscheidendes Problem dar.
Vorteilhafterweise wird mittels der Steuereinrichtung auf die direkte Abhängigkeit zwischen Positionssignal und Pixeltakt verzichtet. Entscheidend ist der Systemtakt der Steuereinrichtung.
Grundlage der Steuerung ist, dass der geometrischen Länge der Spiegelvorrichtung für eine zeilenförmige Bearbeitung des Gegenstandes eine ganzzahlige Zahl von Systemtakten zugeordnet wird. Dazu weist die angetriebene Spiegelvorrichtung die in ihrer Lage frei bestimmbare Markierung für die Erzeugung eines Lagesignals als Indexpuls in der Steuereinrichtung auf.
Damit ist eine Hochgeschwindigkeits-Materialbearbeitung mit einer Bearbeitungsgeschwindigkeit über 10 m/s mit Strukturauflösungen im μm Bereich möglich.
Die Steuereinrichtung ist dabei in eine konfigurierbare Logik, zum Beispiel FPGA (Field Programmable Gate Array), oder in einen ASIC (Application Specific Integrated Circuit – anwendungsspezifische integrierte Schaltung) implementierbar, so dass alle Berechnungen parallel und innerhalb weniger ns ausführbar sind.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Patentansprüchen 2 bis 7 angegeben.
Die frei wählbare Pulsdauer ist nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 2 eine an die durch das optische System hervorgerufene Verzerrung anpassbare Pulsdauer.
Nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 3 ist der Laser entweder ein kontinuierlich strahlender Laser oder ein gepulster Laser mit freier Pulsanwahl, wobei der Laser entsprechend einem Pixel oder mehreren Pixeln geschalten und/oder in seiner Leistung jeweils über die Länge des Spiegelsegmentes gesteuert wird. Darüber hinaus kann der Laser ein gepulster Laser mit kontinuierlichen Einzelpulsen sein, wobei ein Pixel durch den Takt der Laserpulse bestimmt ist.
Der Lasertakt ist eine Festkommazahl von Systemtakten, wobei der Fehler der Länge der Bearbeitung einer Zeile maximal ein Systemtakt ist und dieser Fehler negativ ist.
Die Steuereinrichtung weist nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 4 einen Segmenttreiber für die Pixelausgabe auf, der sich n – 1 mal beim nächsten Spiegelsegment neu startet, wobei n die Anzahl der Spiegelsegmente pro Umdrehung des Polygonspiegels oder die Schwingungsperiode des Resonanzspiegels ist.
Die Steuereinrichtung weist nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 5 einen durch den Segmenttreiber gestarteten Pixeltakt-Generator mit angekoppelten Intervallzähler auf, wobei

– der Takt mit dem die Pixel ausgegeben werden generiert und deren Anzahl gezählt werden,
– der Generator nach jeder Zeile stoppt und
– der Generator durch ein Signal des Segmenttreibers gestartet wird.

Die Steuereinrichtung und die Steuerung des Lasers sind nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 6 zur Konstanthaltung der Länge der Pixel trotz optischer Verzerrung innerhalb einer Zeile so miteinander verbunden,

– dass die Zeitbasis für die Taktgenerierung bei cw-Lasern und bei gepulsten Lasern mit freier Pulswahl entweder der Systemtakt der Steuereinrichtung oder ein auf dem Systemtakt basierender Sweep eines Sweep-Generators als Bestandteil der Steuereinrichtung ist oder
– dass die Zeitbasis für die Taktgenerierung bei gepulsten Lasern mit fester Frequenz wenigstens die einfache Pulsfrequenz des Lasers ist oder
– dass die Zeitbasis für die Taktgenerierung bei cw-Lasern und bei gepulsten Lasern mit freier Pulswahl über eine Lookup-Tabelle oder eine mathematische Funktion

Dem Taktgenerator ist nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 7 eine den Systemtakt erhöhende PLL-Schaltung (PLL – Phase-locked loop) als ein Bestandteil der Steuereinrichtung nachgeschaltet, wobei die Pixelausgabe in Verbindung mit einem gepulsten Laser und der wie ein PID-Regler gedämpft wirkenden Spiegelvorrichtung entsprechend der frei wählbaren Länge der Pixel erfolgt.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Zeichnungen jeweils prinzipiell dargestellt wird im Folgenden näher beschrieben.
Es zeigen:
1 eine Einrichtung zur Hochgeschwindigkeits-Lasermaterialbearbeitung von Gegenständen mit einem Resonanzspiegel,
2 eine Einrichtung zur Hochgeschwindigkeits-Lasermaterialbearbeitung von Gegenständen mit einem Polygonspiegel,
3 eine Generierung des Pixeltaktes.
Eine Einrichtung zur Hochgeschwindigkeits-Lasermaterialbearbeitung besteht im Wesentlichen aus einer Steuereinrichtung 1, einem Laser 2, einer laserstrahlablenkenden Einrichtung 3 für eine Positionsänderung des Laserstrahls und einer angetriebenen Spiegelvorrichtung 6, 7 mit wenigstens einem Spiegelsegment.
Die 1 zeigt eine Einrichtung zur Hochgeschwindigkeits-Lasermaterialbearbeitung von Gegenständen mit einem Resonanzspiegel und die 2 eine Einrichtung zur Hochgeschwindigkeits-Lasermaterialbearbeitung von Gegenständen mit einem Polygonspiegel jeweils in einer prinzipiellen Darstellung.
Der Laser 2 ist

– entweder ein kontinuierlich strahlender Laser 2 mit einem externen Schalter zur zeitlich freien Pulswahl, wobei der Laser 2 entsprechend einem Pixel oder mehreren Pixeln geschalten und/oder in seiner Leistung jeweils über die Länge des Spiegelsegments gesteuert wird,
– oder ein gepulster Laser 2 mit Einzelpulsen, wobei ein Pixel durch den Lasertakt bestimmt ist.

Ein Pixel (Bildpunkt oder Rasterpunkt) ist dabei der Abtastwert, dessen Breite der Abstand des X-Rasters und dessen Höhe der Abstand des Y-Rasters ist. Die Pixelbreite, auch als Pixeldauer bezeichnet, ist die Anschaltdauer des Laserstrahls und definiert die Auflösung in Zeilenrichtung. Die Pixelhöhe bestimmt den Zeilenabstand und damit die Auflösung in vertikaler Richtung (Spalte).
Der Pixeltakt ist dabei die Frequenz mit der die einzelnen Pixel ausgegeben werden.
Die angetriebene Spiegelvorrichtung 6, 7 ist ein Polygonspiegel 7 mit Segmenten oder ein Resonanzspiegel 6 mit einem Segment, um jeweils eine Zeile mit Laserstrahlen zu beaufschlagen.
Die angetriebene Spiegelvorrichtung 6, 7 weist eine in ihrer Lage frei bestimmbare Markierung für die Erzeugung eines Lagesignals als Indexpuls in der Steuereinrichtung 1 auf. Das Lagesignal wird mit einem Sensor 4, 5 gewonnen, der mit der Steuereinrichtung 1 verbunden ist. Dem Abstand zwischen der Markierung und dem Spiegelsegment sowie der Länge des Spiegelsegments des Resonanzspiegels 6 oder den aufsummierten Längen der Spiegelsegmente des Polygonspiegels 7 ist in der Steuereinrichtung 1 jeweils eine ganzzahlige Anzahl von Systemtakten zugeordnet.
Die laserstrahlablenkende Einrichtung 3 dient der Positionsänderung des Laserstrahls und ist beispielsweise ein bekannter Galvanometer-Scanner 3. Die Positionsänderung führt dabei zu einer Verschiebung der Zeile der Beaufschlagung des Gegenstandes 9 mit Laserstrahlen. Alternativ kann der mit dem Laserstrahl zu beaufschlagende Gegenstand auch selbst bewegt werden, um eine Verschiebung der Zeile zu bewirken. Dazu ist der Gegenstand an einen Antrieb gekoppelt.
Über die Mechanismen des Zeilenvorschubs kann auch eine Korrektur der optischen Verzerrung senkrecht zur Scanrichtung des Resonanz- 6 oder Polygonspiegels 7 erfolgen, in dem die Position innerhalb einer Zeile korrigiert wird. Die dafür notwendige Positionsänderung kann analog zur Korrektur der Pixeldauer auf Basis einer Berechnung oder einer LUT erfolgen.
Zwischen dem Resonanz- 6 oder Polygonspiegel 7 und dem Gegenstand befindet sich vorteilhafterweise eine Fokussierungsoptik 8 zur Materialbearbeitungsrichtung.
Die Steuereinrichtung 1 ist eine verbindungsprogrammierte Steuerung 1 mit einem hoch stabilem Taktgenerator beispielsweise in Form eines Quarzoszillators für den Systemtakt der Steuereinrichtung 1. Dabei wird in der Steuereinrichtung 1 der Länge des Spiegelsegments oder der Spiegelsegmente für eine zeilenförmige Bearbeitung des Gegenstandes 9 eine ganzzahlige Zahl von Systemtakten zugeordnet. Der Indexpuls ist dabei gleichzeitig der Trigger für eine Pixelausgabe zur Steuerung des Lasers 2 zur Beaufschlagung des Gegenstandes 9 mit Laserstrahlen, wobei die Pixel in ihrer Länge frei wählbar sind. Darüber hinaus steuert die Steuereinrichtung 1 die laserstrahlablenkende Einrichtung 3 nach Durchlauf des Spiegelsegments des Resonanzspiegels 6 oder der Spiegelsegmente des Polygonspiegels 7 als eine ganzzahlige Pulszahl des Systemtaktes mit dem darauffolgenden Takt für eine weitere zeilenförmige Bearbeitung des Gegenstandes 9 an.
Der Systemtakt wird mittels dem Taktgenerator und einer nachgeschalteten PLL-Schaltung gewonnen. Dabei ist eine Frequenz größer 100 MHz als Systemtakt in der Steuereinrichtung 1 erzeugbar.
Darüber hinaus kann ein optionaler Takt aus dem Synchronisierungssignal des gepulsten Lasers 2 gewonnen werden. Aus dem Systemtakt und diesem optionalen Takt ist ein Sweep erzeugbar, der die Geschwindigkeitsänderung des Laserstrahles innerhalb einer Zeile kompensiert.
Grundlage der Steuerung ist, dass der geometrischen Länge des Spiegelsegments des Resonanzspiegels 6 oder der Spiegelsegmente des Polygonspiegels 7 für eine zeilenförmige Bearbeitung des Gegenstandes 9 eine ganzzahlige Zahl von Systemtakten zugeordnet wird. Dazu weist die angetriebene Spiegelvorrichtung 6, 7 die in ihrer Lage frei bestimmbare Markierung für die Erzeugung eines Lagesignals als Indexpuls in der Steuereinrichtung 1 auf.
Mit der Steuereinrichtung 1 wird damit

– einer der Periodendauer entsprechenden Anzahl von Systemtakten nBasis pro Umdrehung/Schwingung der angetriebenen Spiegelvorrichtung ein- oder mehrmalig bestimmt,
– die Dauer für die Start-Timer mit

tTimer = kStart·nBasis – kVerzögerung

Bei der Berechnung für die Timer der Position in der Zeile wird kStart durch kPeriode ersetzt, welche die Zeit zwischen den Spiegelsegmenten repräsentiert, wobei die Verzögerung nicht abgezogen wird.
Die Länge des Pixels und damit die Pixeldauer kann auch einen gebrochenen Teil des Systemtaktes annehmen.
Die 3 zeigt dazu eine Generierung des Pixeltaktes in einer prinzipiellen Darstellung.
Die bei der Berechnung der TIMER-Variablen ermittelte, von der Resonanz- oder Drehfrequenz abhängige, errechnete Pixeldauer in Basistakten (Festkommazahl) wird mit einem eventuell vorher vorhandenen Übertrag (Festkommazahl) addiert. Der Ganzzahlige Teil des Ergebnisses wird als Startwert in den TIMER kopiert und dieser gestartet. Der TIMER erzeugt mithilfe eines Basistaktes in Form des Systemtaktes den Pixeltakt. Der Anteil der Nachkommastellen am Ergebnis wird als Übertrag gesichert und in der nächsten Addition verwendet.
Beispielsweise ist der Inhalt des Zählers bei einer Länge des Pixels von 7,25; 7,25; 7,50; 7,75; 8,00; 7,25; 7,50; ... das zu einem Pixeltakt der Folge: 7; 7; 7; 7; 8; 7; 7; ... führt, im Schnitt also 7,25. Der absolute Lagefehler innerhalb einer Zeile ist so immer auf maximal eine Länge entsprechend eines Systemtaktes begrenzt.
Die Fehler Addieren sich durch den ganzzahligen TIMER zur Erzeugung des Pixeltaktes nicht fortwährend auf (wie im Beispiel in der Reihenfolge der Takte ab dem ersten Takt: 4%; 4%; 4%; 0%; 0,8%; 1,3%; 1,7%; 0%; 0,4%; 0,8% ...). Der Fehler der Länge von Strukturen auf dem Gegenstand 9 beträgt immer maximal das Äquivalent von maximal einem Basistakt und ist immer negativ.
Die möglichen Schwing- oder Drehfrequenzen sind nur durch die Bitbreite des TIMERS und seiner minimalen Zykluszeit (beispielsweise zwei bis fünf Basistakte) begrenzt. Die Pixeldauer kann während der Ausgabe einer Zeile variiert werden, ohne den Vorgang der Pixeltakterzeugung zu stören und somit die Pixellänge der optischen Verzerrung anzupassen.
Die geometrische Vorlage (Basis) für die Bearbeitung des Gegenstandes 9 ist eine Bitmap (Rasterbild), deren Zeilen denen der zeilenförmigen Bearbeitung entsprechen und deren Pixel die Stellen der Bearbeitung repräsentieren. Das Bitmap ist in der Steuerung gespeichert und wird mit dem Pixeltakt ausgegeben.
Die Steuereinrichtung besitzt einen Segmenttreiber für die Pixelausgabe, der sich n – 1 mal beim nächsten Spiegelsegment neu startet, wobei n die Anzahl der Spiegelsegmente pro Umdrehung des Polygonspiegels 7 oder die Schwingungsperiode des Resonanzspiegels 6 ist. Weiterhin ist ein durch den Segmenttreiber gestarteter Pixeltakt-Generator mit angekoppelten Intervallzähler vorhanden, wobei

Bei einem Polygonspiegel 7 wird mit einem Regler die Drehzahl des Polygonspiegels 7 auf den gewünschten Wert eingestellt und gehalten. Das kann beispielsweise über einen bekannten PID-Regler erfolgen. Durch Multiplikation und Addition mit Systemkonstanten wird eine Wartezeit bis zum nächsten Start der Pixel-Ausgabe errechnet. Durch Multiplikation mit Systemkonstanten wird die grundlegende Dauer eines Pixels berechnet. Ein Pixel ist dabei der kleinste benötigte Abtastwert, dessen Breite der Abstand des X-Rasters und dessen Höhe der Abstand des Y-Rasters ist.
Der Pixeltakt ist dabei die Frequenz mit der die einzelnen Pixel ausgegeben werden. Zur Steigerung der Genauigkeit kann die Dauer eines Pixels gebrochene Werte annehmen, welche durch eine Logik in eine Sequenz von ganzen Zahlen umgewandelt wird, wobei die Dauer der gesamten Zeile oder Teile dieser immer mit einer Genauigkeit von kleiner ±1 Systemtakt ausgegeben wird.
Wird kein Sweep benutzt, kann die Dauer der Pixel über eine Lockup-Tabelle oder eine Berechnung in Abhängigkeit der Lage in der Zeile durch eine Multiplikation als mathematische Funktion zusätzlich skaliert werden, um die unterschiedlichen Geschwindigkeiten des Laserstrahls innerhalb der Zeile der optischen Verzerrung auszugleichen. Basierend auf dem Systemtakt oder dem auf dem Systemtakt basierenden Sweep werden die Pixel aus einem Bitmap-RAM ausgelesen und über eine Schiebelogik ausgegeben, um den Laserstrahl auf den Gegenstand 9 zu schalten.
Durch Multiplikation und Addition mit Systemkonstanten wird die Wartezeit zwischen den einzelnen Spiegelsegmenten berechnet.
Bei einem Resonanzspiegel 6 wird durch Multiplikation und Addition mit Systemkonstanten eine Wartezeit bis zum nächsten Start der Resonanzspiegel-Bewegung errechnet (Start-Timer). Durch Multiplikation mit Systemkonstanten werden die Startzeitpunkte für die Bewegung des Resonanzspiegels 6 für den Zeilensprung errechnet. Über eine Lockup-Tabelle oder Berechnung wird die Korrekturbewegung innerhalb der Zeile in Abhängigkeit der Position in der Zeile ermittelt, welche die Verzerrung kompensiert. Der Resonanzspiegel 6 wird mittels einer ein Signal generierenden Logik positioniert. Analog zur Bewegung des Polygonspiegels 7 wird ein Signal zur Steuerung der Laserleistung (oder Pulsleistung) generiert, die Leistung kann der Einfachheit halber analog zum Pixeltakt über den Sweep gesteuert werden.
Dazu sind Bestandteile der Einrichtung mit einem Resonanzspiegel 6 und die der Einrichtung mit einem Polygonspiegel 7 entsprechend der Darstellungen in den 1 und 2 miteinander verbunden.
Wie folgt dienen die Verbindungen
10 – Laseransteuerung (Strahl Ein/Aus und Leistungssteuerung),
11 – Positionierung der vertikalen Strahlablenkung,
12 – Lagesignal der horizontalen Strahlablenkung,
13 – optionale Amplitudensteuerung des Resonanzspiegels 6,
14 – optionale Drehzahlsteuerung des Polygonspiegels 7 und
15 – optionales Synchronisierungssignal eines gepulsten Lasers 2.

Claims

Einrichtung zur Hochgeschwindigkeits-Lasermaterialbearbeitung eines Gegenstandes mit einer Steuereinrichtung (1), einem Laser (2), einer laserstrahlablenkenden Einrichtung (3) für eine Verschiebung des Laserstrahls auf dem Gegenstand (9) und einer angetriebenen Spiegelvorrichtung (6, 7) mit einem oder mehreren Spiegelsegmenten für eine zeilenförmige Beaufschlagung des Gegenstandes (9) mit dem Laserstrahl, dadurch gekennzeichnet, a) dass die Steuereinrichtung (1) eine verbindungsprogrammierte Steuerung (1) mit einem hoch stabilen Taktgenerator für den Systemtakt der Steuereinrichtung (1) ist, b) dass die angetriebene Spiegelvorrichtung (6, 7) eine in ihrer Lage frei bestimmbare Markierung für die Erzeugung eines Lagesignals als Indexpuls in der Steuereinrichtung (1) aufweist, c) dass die angetriebene Spiegelvorrichtung (6, 7) und die Steuereinrichtung (1) so miteinander verbunden sind, – dass sowohl der Länge des Spiegelsegments oder den addierten Längen der Spiegelsegmente der angetriebenen Spiegelvorrichtung (6, 7) für eine zeilenförmige Bearbeitung des Gegenstandes (9) eine ganzzahlige Zahl von Systemtakten als auch dem Abstand zwischen der Kante des Spiegelsegmentes und der Markierung eine ganzzahlige Zahl von Systemtakten zugeordnet ist, – dass der Indexpuls gleichzeitig der Trigger für die Steuerung des Lasers (2) zur zeilenförmigen Beaufschlagung des Gegenstandes (9) mit Laserstrahlen in Form einer Folge von Pixeln ist, wobei die Pixeldauer frei wählbar und der Pixeldauer eine Festkommazahl von Systemtakten zugeordnet ist, und d) dass die Steuereinrichtung (1) und die laserstrahlablenkende Einrichtung (3) so miteinander verbunden sind, dass nach Durchlauf des Spiegelsegmentes oder der Spiegelsegmente mit dem darauffolgenden Systemtakt der Laserstrahl für eine weitere zeilenförmige Bearbeitung des Gegenstandes (9) auf eine nächste Zeile positioniert wird.
Einrichtung nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die frei wählbare Pulsdauer eine an die durch das optische System hervorgerufene Verzerrung anpassbare Pulsdauer ist.
Einrichtung nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Laser (2) entweder ein kontinuierlich strahlender Laser (2) oder ein gepulster Laser (2) mit freier Pulsanwahl ist, wobei der Laser (2) entsprechend einem Pixel oder mehreren Pixeln geschalten und/oder in seiner Leistung jeweils über die Länge des Spiegelsegmentes gesteuert wird, oder dass der Laser (2) ein gepulster Laser (2) mit kontinuierlichen Einzelpulsen ist, wobei ein Pixel durch den Takt der Laserpulse bestimmt ist, und dass der Lasertakt eine Festkommazahl von Systemtakten ist, wobei der Fehler der Länge der Bearbeitung einer Zeile maximal ein Systemtakt ist und dieser Fehler negativ ist.
Einrichtung nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung (1) einen Segmenttreiber für die Pixelausgabe aufweist, der sich n – 1 mal beim nächsten Spiegelsegment neu startet, wobei n die Anzahl der Spiegelsegmente pro Umdrehung des Polygonspiegels (7) oder die Schwingungsperiode des Resonanzspiegels (6) ist.
Einrichtung nach Patentanspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung (1) einen durch den Segmenttreiber gestarteten Pixeltakt-Generator mit angekoppelten Intervallzähler aufweist, wobei – der Takt mit dem die Pixel ausgegeben werden generiert und deren Anzahl gezählt werden, – der Generator nach jeder Zeile stoppt und – der Generator durch ein Signal des Segmenttreibers gestartet wird.
Einrichtung nach Patentanspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung (1) und die Steuerung des Lasers (2) zur Konstanthaltung der Länge der Pixel trotz optischer Verzerrung innerhalb einer Zeile so miteinander verbunden sind, dass die Zeitbasis für die Taktgenerierung bei cw-Lasern (2) und bei gepulsten Lasern (2) mit freier Pulswahl entweder der Systemtakt der Steuereinrichtung (1) oder ein auf dem Systemtakt basierender Sweep eines Sweep-Generators als Bestandteil der Steuereinrichtung (1) ist oder dass die Zeitbasis für die Taktgenerierung bei gepulsten Lasern (2) mit fester Frequenz wenigstens die einfache Pulsfrequenz des Lasers (2) ist oder dass die Zeitbasis für die Taktgenerierung bei cw-Lasern (2) und bei gepulsten Lasern (2) mit freier Pulswahl über eine Lookup-Tabelle oder eine mathematische Funktion angepasst wird.
Einrichtung nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass dem Taktgenerator eine den Systemtakt erhöhende PLL-Schaltung als ein Bestandteil der Steuereinrichtung (1) nachgeschaltet ist, wobei die Pixelausgabe in Verbindung mit einem gepulsten Laser (2) und der wie ein PID-Regler gedämpft wirkenden Spiegelvorrichtung (6, 7) entsprechend der frei wählbaren Länge der Pixel erfolgt.