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Technisches Anwendungsgebiet
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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zur Bearbeitung einer Oberfläche mit einem Laserstrahl, bei dem der Laserstrahl über eine Strahlablenkeinheit durch eine Optik hindurch auf die Oberfläche gerichtet und mit der Strahlablenkeinheit entlang einer oder mehreren Bahnen über eine Bearbeitungszone der Oberfläche geführt wird, wobei von der Bearbeitungszone emittierte oder reflektierte Strahlung eines von der Wellenlänge des Laserstrahls abweichenden Wellenlängenbereiches durch die Optik hindurch mit einem Detektor erfasst wird.
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Für die Lasermaterialbearbeitung haben sich strahlablenkende Systeme etabliert, um die Bearbeitung in einer räumlich ausgedehnten Zone zu ermöglichen. Mit Hilfe einer geeigneten Optik, beispielsweise einer sog. F-Theta-Linse, wird der mit der Strahlablenkeinheit abgelenkte Laserstrahl auf die zu bearbeitende Oberfläche fokussiert (pre-objective scanning). Zur Überwachung der für den Bearbeitungsprozess relevanten Prozessparameter wird eine Prozessbeobachtung durchgeführt, bei der die Bearbeitungszone optisch auf die örtlich begrenzte Detektorfläche eines Detektors bzw. Messgerätes abgebildet wird. Für die Abbildung der Bearbeitungszone wird oft dieselbe Optik genutzt, mit der auch die Fokussierung des Laserstrahls auf die zu bearbeitende Oberfläche erfolgt. Die ideale Detektion der prozessrelevanten Parameter erfolgt dabei durch eine invariante Abbildung der Bearbeitungszone während der Auslenkung des Laserstrahls. Aufgrund der Wellenlängendifferenz zwischen dem Laserstrahl und der von der Bearbeitungszone emittierten Strahlung führt die Dispersion innerhalb der Optik zu chromatischen Aberrationen und stört die korrekte Abbildung auf die Detektorfläche. Während der axiale Farbfehler bei entsprechender Auslegung des Strahlengangs in der Regel durch ein achromatisches Linsendesign ausgeglichen werden kann, führt ein durch die Strahlablenkeinheit verursachter schräger Strahleinfall zu einem lateralen Farbfehler, der abhängig vom Auslenkungswinkel stark ausgeprägt ist. Durch diesen lateralen Farbfehler ergibt sich ein lateraler Versatz der von einem Ort der Bearbeitungsoberfläche emittierten oder reflektierten Strahlung gegenüber der Strahlachse des am gleichen Ort auf die Oberfläche auftreffenden Laserstrahls. Dieser seitliche bzw. laterale Versatz bildet sich auf die Detektorfläche ab. Aufgrund der begrenzten Apertur dieser Detektorfläche, die bspw. nur einen Durchmesser von 1 mm aufweisen kann, kommt es dann zu Abschattungsverlusten. Dies führt zu Informationsverlust und somit zu einer Beeinträchtigung der Prozessbeobachtung.
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Die
DE 102 61 667 A1 beschreibt ein Verfahren zur Bearbeitung eines Werkstücks mit einem Laserstrahl, bei dem der Laserstrahl über eine Strahlablenkeinheit durch eine Optik hindurch auf eine Oberfläche des Werkstücks gerichtet und entlang einer Bahn über eine Bearbeitungszone des Werkstücks geführt wird. Während der Bearbeitung wird von der Bearbeitungszone emittierte Plasmastrahlung, deren Wellenlänge von der Wellenlänge des Laserstrahls abweicht, durch die Optik hindurch mit einem Detektor erfasst. Die Druckschrift gibt jedoch keine Hinweise auf eine Vermeidung der obigen Probleme.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zur Bearbeitung einer Oberfläche mit einem Laserstrahl anzugeben, bei dem diese durch chromatische Aberration verursachten Abschattungsverluste verringert sind oder nicht mehr auftreten.
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Darstellung der Erfindung
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Die Aufgabe wird mit dem Verfahren sowie der Vorrichtung gemäß den Patentansprüchen 1 und 6 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens sowie der Vorrichtung sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche oder lassen sich der nachfolgenden Beschreibung sowie dem Ausführungsbeispiel entnehmen.
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Bei dem vorgeschlagenen Verfahren zur Bearbeitung einer Oberfläche mit einem Laserstrahl, wird der Laserstrahl in bekannter Weise über eine erste dynamische Strahlablenkeinheit bzw. Scaneinrichtung durch eine Optik hindurch auf die Oberfläche gerichtet und mit der ersten Strahlablenkeinheit entlang einer oder mehreren Bahnen über eine Bearbeitungszone der Oberfläche geführt. Bei der Strahlablenkeinheit kann es sich bspw. um einen eindimensionalen Scanner handeln, der den Laserstrahl nur in einer Richtung ablenkt, oder auch um einen zweidimensionalen Scanner. Die Optik dient zumindest der Kollimierung, vorzugsweise jedoch der Fokussierung des Laserstrahls auf die Oberfläche. Diese Optik kann aus einer einzigen optischen Komponente, insbesondere einer Linse, aber auch aus einer Kombination mehrerer optischer Komponenten bzw. Linsen bestehen. In einer bevorzugten Ausgestaltung wird eine F-Theta-Linse eingesetzt, die auf die Wellenlänge des Laserstrahls abgestimmt ist, diesen also unabhängig von der Strahlablenkung durch die Strahlablenkeinheit immer auf die gleiche Ebene fokussiert. Bei dem vorgeschlagenen Verfahren wird die während der Bearbeitung von der Oberfläche bzw. der Bearbeitungszone emittierte Strahlung, auch unter dem Begriff Sekundäremission bekannt, durch die Optik hindurch mit einem Detektor erfasst. Bei diesem Detektor kann es sich – je nach zu erfassenden Parametern – bspw. um ein Pyrometer oder auch um einen CMOS-Sensor handeln. Selbstverständlich sind auch andere Detektorarten in Abhängigkeit von den zu erfassenden Parametern möglich. Die Sekundäremission entsteht durch die starke Aufheizung des Materials der Oberfläche am Ort des auftreffenden Laserstrahls. Es kann sich hierbei auch um Plasmastrahlung eines durch den Bearbeitungslaserstrahl erzeugten Plasmas an der Oberfläche handeln. Eine weitere Möglichkeit besteht darin, die Oberfläche mit einer externen Lichtquelle zu beleuchten, um dann die im Bereich des Auftreffortes des Laserstrahls von der Bearbeitungszone reflektierte Beleuchtungsstrahlung mit dem Detektor zu erfassen. Für die Abbildung der Bearbeitungszone auf die Detektorfläche des Detektors können auch zusätzliche optische Elemente im Strahlengang der von der Oberfläche emittierten oder reflektierten Strahlung angeordnet sein.
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Aufgrund der unterschiedlichen Wellenlängen der Laserstrahlung und der als Beobachtungsstrahlung dienenden, von der Oberfläche bzw. Bearbeitungszone reflektierten oder emittierten Strahlung sowie der oft schrägen Durchtrittswinkel dieser Strahlung durch die Optik führt die chromatische Aberration der Optik zu einem seitlichen Versatz dieser Strahlung gegenüber der Strahlachse der Laserstrahlung. Bei dem vorgeschlagenen Verfahren wird dieser seitliche Versatz der von der Bearbeitungszone emittierten oder reflektierten Strahlung, im Folgenden auch als Beobachtungsstrahlung bezeichnet, auf der Detektorfläche mit einer zweiten Strahlablenkeinheit zumindest teilweise kompensiert, die die von der Bearbeitungszone kommende Beobachtungsstrahlung nach Durchgang durch die Optik und die erste Strahlablenkeinheit auf den Detektor bzw. die Detektorfläche richtet. In einer Ausgestaltung, bei der jeweils nacheinander nur kleine Bereiche der Bearbeitungszone bearbeitet werden, kann die zweite Strahlablenkeinheit hierzu für jeden Bereich zur annähernden Kompensation fest eingestellt werden. Vor der Bearbeitung des jeweils nächsten Bereiches wird die Strahlablenkeinheit dann entsprechend zur Kompensation bei der geänderten Geometrie verstellt. Da der Versatz in Abhängigkeit von der Strahlablenkung der Laserstrahlung durch die erste Strahlablenkeinheit jedoch häufig dynamisch über einen größeren Bereich variiert, wird die Kompensation durch die zweite Strahlablenkeinheit in der bevorzugten Ausgestaltung ebenfalls dynamisch und in Abhängigkeit von der Strahlablenkung durch die erste Strahlablenkeinheit durchgeführt. Der Zusammenhang ist nichtlinear, so dass die Koppelung der beiden Strahlablenkungen, d. h. der Strahlablenkung durch die erste Strahlablenkeinheit und der Strahlablenkung durch die zweite Strahlablenkeinheit, über eine entsprechende nichtlineare Funktion erfolgen muss.
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Eine derartige Funktion kann bspw. über ein optisches Modell der in der Bearbeitungsvorrichtung eingesetzten Optik unter Berücksichtigung der Wellenlängen der Laserstrahlung und der Beobachtungsstrahlung vorab berechnet werden. Alternativ kann der Zusammenhang auch vorab experimentell ermittelt werden.
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Mit dem vorgeschlagenen Verfahren kann der durch die chromatische Aberration verursachte Versatz der Beobachtungsstrahlung gegenüber der Strahlachse der Laserstrahlung auf der Detektorfläche kompensiert werden, so dass auf der Detektorfläche keinerlei Abschattungsverluste durch diese chromatische Aberration mehr auftreten. Dies ist besonders bei kleinen Detektorflächen von bspw. ≤ 1 mm2 wichtig, da dort sehr schnell entsprechende Abschattungsverluste auftreten können. Durch die gezielte Ansteuerung der zweiten Strahlablenkeinheit findet in der bevorzugten Ausgestaltung eine dynamische Adaption des optischen Systemverhaltens statt und infolge dessen eine Kompensation der durch den lateralen Farbfehler hervorgerufenen Abschattungsverluste.
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Die für die Durchführung des Verfahrens ausgebildete Vorrichtung weist zumindest eine Laserstrahlquelle zur Emission des Laserstrahls, eine Optik für die Fokussierung oder Kollimierung des Laserstrahls und eine Strahlablenkeinheit auf, durch die der Laserstrahl durch die Optik hindurch auf die Oberfläche gerichtet und entlang einer oder mehrerer Bahnen über eine Bearbeitungszone der Oberfläche geführt werden kann. Die Vorrichtung umfasst auch wenigstens einen Detektor, mit dem von der Bearbeitungszone emittierte oder reflektierte Strahlung durch die Optik hindurch erfassbar ist. Eine zweite Strahlablenkeinheit ist im Strahlengang der von der Bearbeitungszone emittierten oder reflektierten Strahlung zwischen der Optik und dem Detektor angeordnet. Diese zweite Strahlablenkeinheit richtet die von der Bearbeitungszone emittierte oder reflektierte Beobachtungsstrahlung auf den Detektor. Die zweite Strahlablenkeinheit ist dabei so ausgebildet, dass ein durch chromatische Aberration der Optik verursachter seitlicher Versatz der von der Bearbeitungszone emittierten oder reflektierten Beobachtungsstrahlung gegenüber der Laserstrahlachse zumindest teilweise kompensierbar ist.
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Vorzugsweise umfasst die Vorrichtung auch eine Steuereinrichtung für die Steuerung der ersten und zweiten Strahlablenkeinheit. Diese Steuerung ist dann so ausgebildet, dass sie die zweite Strahlablenkeinheit zur zumindest teilweisen dynamischen Kompensation des seitlichen Versatzes der von der Bearbeitungszone emittierten oder reflektierten Strahlung ansteuert.
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Als Strahlablenkeinheiten können bei dem vorgeschlagenen Verfahren und der zugehörigen Vorrichtung in der bevorzugten Ausgestaltung alle optischen Einrichtungen eingesetzt werden, mit denen optische Strahlung in einer oder zwei Dimensionen dynamisch abgelenkt werden kann. Hierzu eignen sich bspw. Galvanometerscanner, akustooptische Module oder auch mikro-optoelektronische mechanische Systeme (MOEMS). Dies ist selbstverständlich keine abschließende Aufzählung.
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Das Verfahren und die Vorrichtung lassen sich für beliebige Anwendungen der Laserbearbeitung einsetzen, bei denen eine entsprechende Prozessüberwachung über Sekundäremission oder an der Oberfläche reflektierte Beobachtungsstrahlung erfolgen soll. Beispiele sind die Off-Axis-Lasermaterialbearbeitung, die Remote-Lasermaterialbearbeitung, die On-The-Fly-Lasermaterialbearbeitung oder auch andere Techniken, bei denen mittels Laserstrahl die Oberfläche bearbeitet, bspw. auch lediglich erwärmt, werden soll. Ein weiteres Beispiel ist der Bereich des Additive Manufacturing, bei dem ein pulverförmiges Material mit dem Laserstrahl aufgeschmolzen wird. Auch dies ist selbstverständlich keine abschließende Aufzählung.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Das vorgeschlagene Verfahren und die zugehörige Vorrichtung werden nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels in Verbindung mit den Zeichnungen nochmals näher erläutert. Hierbei zeigen:
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1 ein Beispiel für den schematischen Aufbau einer Vorrichtung zur Laserbearbeitung gemäß dem Stand der Technik;
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2 ein Beispiel für den schematischen Aufbau einer Vorrichtung zur Laserbearbeitung gemäß der vorliegenden Erfindung; und
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3 ein Beispiel für die Realisierung einzelner Komponenten der vorgeschlagenen Vorrichtung.
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Wege zur Ausführung der Erfindung
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1 zeigt im linken Teil ein Beispiel für den schematischen Aufbau einer Vorrichtung zur Laserbearbeitung gemäß dem Stand der Technik. Der Laserstrahl 3 einer Laserstrahlquelle 7 wird hierzu über einen Strahlteiler 4 auf eine Strahlablenkeinheit 2 gelenkt, die den Laserstrahl 3 durch eine F-Theta-Linse 1 auf eine Oberfläche fokussiert. Der Laserstrahl 3 wird mit der Strahlablenkeinheit 2 in zwei Dimensionen dynamisch abgelenkt, um ihn in gewünschter Weise entlang vorgebbarer Bahnen über eine Bearbeitungszone der Oberfläche zu führen. Die zweidimensionale Strahlablenkung ist in der Figur mit den beiden gekreuzten Pfeilen angedeutet.
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Bei der Laserbearbeitung wird durch die hohe Laserintensität von der Oberfläche Strahlung emittiert, im vorliegenden Beispiel Wärmestrahlung, die als Beobachtungsstrahlung 8 dient und über die F-Theta-Linse 1 und die Strahlablenkeinheit 2 auf den Strahlteiler 4 trifft, durch den sie in diesem Beispiel hindurchtritt und über ein optisches System 5 auf einen Detektor 6 gerichtet wird. Der Strahlteiler 4 ist so ausgebildet, dass er die Wellenlänge des Laserstrahls 3 reflektiert, für den gegenüber dieser Wellenlänge stark verschobenen Wellenlängenbereich der als Beobachtungsstrahlung 8 dienenden Wärmestrahlung jedoch durchlässig ist.
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Im rechten oberen Teil der Abbildung ist stark schematisiert die Verteilung 9 der Intensität der auf die Detektorfläche auftreffenden Beobachtungsstrahlung 8 bei einem ruhenden System zu erkennen, bei dem der Laserstrahl 3 durch das Zentrum der F-Theta-Linse 1 auf die Oberfläche trifft. Die Apertur 10 des Detektors ist in dieser Figur ebenfalls angedeutet. Bei einer Strahlablenkung durch die Strahlablenkeinheit 2 und dem damit verbundenen schrägen Durchtritt durch die F-Theta-Linse 1 tritt jedoch eine chromatische Aberration auf, die aufgrund der unterschiedlichen Wellenlängen von Laserstrahlung und Beobachtungsstrahlung auf der von der Objektoberfläche abgewandten Seite der F-Theta-Linse 1 einen deutlichen Strahlversatz der Beobachtungsstrahlung 8 gegenüber der Strahlachse des Laserstrahls 3 erzeugt. Dieser Strahlversatz ist abhängig vom momentanen Ablenkwinkel und hat einen seitlichen Versatz der Intensitätsverteilung 9 der Beobachtungsstrahlung 8 auf der Detektorfläche zur Folge, wie dies im rechten unteren Teil der Figur angedeutet ist. Dies kann zu einer teilweisen Abschattung der Beobachtungsstrahlung und somit zur Beeinträchtigung der Prozessbeobachtung führen.
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Zur Vermeidung dieser Problematik ist bei dem vorgeschlagenen Verfahren sowie der vorgeschlagenen Vorrichtung eine zusätzliche dynamische Strahlablenkeinheit 5a im Strahlengang zwischen dem Strahlteiler 4 und dem Detektor 6 angeordnet. Diese zusätzliche Strahlablenkeinheit 5a bzw. Scaneinrichtung ist Teil des optischen Systems 5, mit dem die Beobachtungsstrahlung 8 auf den Detektor 6 gerichtet wird, und im linken Teil der 2 schematisch angedeutet. Durch eine der primären Scanbewegung angepassten, sekundären Strahlablenkung mittels der zweiten Strahlablenkeinheit 5a erfolgt dann die dynamische Verschiebung des vom Fokusspot des Laserstrahls 3 in der Beobachtungszone emittierten Anteils der Beobachtungsstrahlung 8 auf der Detektorfläche in Abhängigkeit des primären Scanwinkels und somit der Position des Laserstrahls 3 in der Bearbeitungszone. Die Abschattungsverluste durch die begrenzte Apertur der Detektorfläche können durch diese dem Bearbeitungsfeld adaptierte Abbildung der Bearbeitungszone auf den Detektor vermieden werden. Dies ist im rechten Teil der 2 zu erkennen, die wiederum in der oberen Abbildung das ruhende System und in der unteren Abbildung das Ergebnis der Korrektur auf der Detektorfläche bei einer Strahlablenkung durch die Strahlablenkeinheit 2 bzw. einem schrägen Durchgang durch die F-Theta-Linse 1 zeigt.
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3 zeigt schließlich eine detailliertere Darstellung eines Beispiels der vorgeschlagenen Vorrichtung, bei der die Strahlengänge des Laserstrahls 3 sowie der Beobachtungsstrahlung 8 wie auch der Aufbau des optischen Systems 5 für die Detektion der Beobachtungsstrahlung 8 erkennbar sind. In diesem optischen System 5 ist sind zwei Linsenanordnungen 5b, 5c für die Abbildung der Beobachtungszone über die Strahlablenkeinheit 5a auf die Detektorfläche des Detektors 6 zu erkennen. Als Strahlablenkeinheiten 2, 5a werden in diesem Beispiel Galvanometerscanner eingesetzt.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- F-Theta-Linse
- 2
- erste Strahlablenkeinheit
- 3
- Laserstrahl
- 4
- Strahlteiler
- 5
- optisches System
- 5a
- zweite Strahlablenkeinheit
- 5b
- Linsenanordnung
- 5c
- Linsenanordnung
- 6
- Detektor
- 7
- Laserstrahlquelle
- 8
- Beobachtungsstrahlung
- 9
- Intensitätsverteilung der Beobachtungsstrahlung
- 10
- Begrenzung der Detektorfläche
