DE102015001466A1 - Method and device for determining a three-dimensional geometric energy distribution of a laser beam - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ermittlung einer dreidimensionalen geometrischen Energieverteilung eines Laserstrahls (3) mit folgenden Schritten: Bereitstellen eines Testvolumens (5), das wenigstens ein auf einen zu prüfenden Laserstrahl (3) empfindliches Testmaterial (7) aufweist; Bestrahlen des Testvolumens (5) mit dem zu prüfenden Laserstrahl (3), und Auswerten des Testmaterials (7) in dem Testvolumen (5) in Hinblick auf eine dreidimensionale geometrische Energieverteilung des Laserstrahls (3).The invention relates to a method for determining a three - dimensional geometric energy distribution of a laser beam (3) comprising the following steps: providing a test volume (5) which has at least one test material (7) sensitive to a laser beam (3) to be tested; Irradiating the test volume (5) with the laser beam (3) to be tested, and evaluating the test material (7) in the test volume (5) with regard to a three-dimensional geometric energy distribution of the laser beam (3).
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zur Ermittlung einer dreidimensionalen geometrischen Energieverteilung eines Laserstrahls.The invention relates to a method and a device for determining a three-dimensional geometric energy distribution of a laser beam.
Insbesondere beim Laserschweißen und ganz besonders beim Schweißen von Kunststoffen, insbesondere von Polymerbauteilen, ist eine wesentliche Prozessgröße zur Beeinflussung der Qualität eine lokal in die zu verschweißenden Teile eingebrachte Energie sowie deren geometrische Verteilung. Diese eingebrachte Energie ist von einer Vielzahl an Parametern wie Wellenlänge, Bestrahldauer, Werkstoffe sowie Geometrie abhängig. Bei der Prozessentwicklung einer Laserschweißanwendung ist es für die Beeinflussung der Qualität von Vorteil, die von dem Laser eingebrachte Energie möglichst genau quantitativ lokal am Schweißort zu ermitteln, um den Prozess einzurichten.In particular, in laser welding and especially in the welding of plastics, in particular of polymer components, an essential process variable for influencing the quality of a locally introduced into the parts to be welded energy and their geometric distribution. This introduced energy depends on a variety of parameters such as wavelength, irradiation time, materials and geometry. In the process development of a laser welding application, it is advantageous for influencing the quality to determine the energy introduced by the laser as accurately as possible quantitatively locally at the welding site in order to set up the process.
Aus der deutschen Offenlegungsschrift
Aus der deutschen Offenlegungsschrift
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zu schaffen, welche die genannten Nachteile nicht aufweisen, wobei sie insbesondere einfach und industrietauglich anwendbar sind.The invention is therefore based on the object to provide a method and an apparatus which do not have the disadvantages mentioned, wherein they are particularly simple and suitable for industrial applications.
Die Aufgabe wird gelöst, indem die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche geschaffen werden. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.The object is achieved by providing the subject matters of the independent claims. Advantageous embodiments emerge from the subclaims.
Die Aufgabe wird insbesondere gelöst, indem ein Verfahren zur Ermittlung einer dreidimensionalen geometrischen Energieverteilung eines Laserstrahls mit folgenden Schritten geschaffen wird: Es wird ein Testvolumen bereitgestellt, dass wenigstens ein auf einen zu prüfenden Laserstrahl empfindliches Material aufweist. Das Testvolumen wird mit dem zu prüfenden Laserstrahl bestrahlt, und das Testmaterial wird in dem Testvolumen in Hinblick auf eine dreidimensionale Energieverteilung des Laserstrahls ausgewertet. Die Bereitstellung des Testvolumens mit dem auf den Laserstrahl empfindlichen Material ist einfach und äußerst kostengünstig möglich. Durch die Bereitstellung und Bestrahlung eines Testvolumens kann in äußerst einfacher und kostengünstiger Weise anhand einer Untersuchung des Testmaterials nach dem Bestrahlen mit dem Laserstrahl dessen dreidimensionale Energieverteilung ermittelt werden, ohne das es hier für aufwändiger und teurer Sensoren oder Auswertungs- beziehungsweise Regelungsmechanismen bedarf. Darüber hinaus ist durch die dreidimensionale Ausgestaltung des Testvolumens eine vollständige Information über die Energieverteilung des Laserstrahls in allen drei Raumrichtungen möglich. Durch die schnelle dreidimensionale Ermittlung der Energieverteilung insbesondere in einem Schweißbereich verkürzen sich Einrichtzeiten für ein Laserschweißverfahren, und eine Prozessstabilität und Schweißnahtgüte können gesteigert werden. Außerdem bedarf es keiner oder nur noch einer deutlich reduzierten Herstellung von Schliffbildern zur Qualitätskontrolle sowie einer deutlich reduzierten begleitenden Prüfung der Schweißnahtqualität, wobei insgesamt die Einrichtkosten, die mit einem solchen Laserverfahren verbunden sind, reduziert werden können.The object is achieved in particular by providing a method for determining a three-dimensional geometric energy distribution of a laser beam with the following steps: A test volume is provided which has at least one material sensitive to a laser beam to be tested. The test volume is irradiated with the laser beam to be tested, and the test material is evaluated in the test volume with respect to a three-dimensional energy distribution of the laser beam. The provision of the test volume with the material sensitive to the laser beam is simple and extremely cost-effective. By providing and irradiating a test volume, its three-dimensional energy distribution can be determined in an extremely simple and cost-effective manner by examining the test material after irradiation with the laser beam, without the need for elaborate and expensive sensors or evaluation or control mechanisms. In addition, due to the three-dimensional design of the test volume, complete information about the energy distribution of the laser beam in all three spatial directions is possible. Due to the fast three-dimensional determination of the energy distribution, especially in a welding area, set-up times for a laser welding process are shortened, and a process stability and weld quality can be increased. In addition, there is no need or only a significantly reduced production of micrographs for quality control and a significantly reduced accompanying examination of the weld quality, the total set-up costs associated with such a laser process can be reduced.
Dass das Testmaterial auf den zu prüfenden Laserstrahl empfindlich ist, bedeutet insbesondere, dass sich das Testmaterial während der Interaktion mit dem Laserstrahl beziehungsweise unter Einwirkung des Laserstrahls verändert. Dabei ändert sich wenigstens eine physikalische und/oder chemische Eigenschaft des Testmaterials. Insbesondere ist es möglich, dass das Testmaterial unter Einwirkung des Laserstrahls reagiert, insbesondere chemisch reagiert, vorzugsweise mit Umgebungsgasen, beispielsweise Sauerstoff, dass das Testmaterial schmilzt, dass es auskristallisiert, und/oder dass es eine Belichtungsreaktion zeigt, insbesondere also eine Farbänderung und/oder eine Änderung seiner Absorptions- und/oder Transmissionseigenschaften erfährt. Diese Veränderungen, welche das Testmaterial lokal unter Einwirkung des Laserstrahls – insbesondere abhängig von einer lokalen Intensität oder Energieverteilung des Laserstrahls – erfährt, können nach der Bestrahlung des Testvolumens mit dem Laserstrahl ausgewertet werden, um dessen dreidimensionale geometrische Energieverteilung zu ermitteln.The fact that the test material is sensitive to the laser beam to be tested means, in particular, that the test material changes during the interaction with the laser beam or under the action of the laser beam. At least one physical and / or chemical property of the test material changes. In particular, it is possible that the test material reacts under the action of the laser beam, in particular chemically reacted, preferably with ambient gases, for example oxygen, that the test material melts, that it crystallizes, and / or that it exhibits an exposure reaction, in particular a color change and / or undergoes a change in its absorption and / or transmission properties. These changes, which the test material experiences locally under the action of the laser beam-in particular depending on a local intensity or energy distribution of the laser beam-can be evaluated after the irradiation of the test volume with the laser beam in order to determine its three-dimensional geometric energy distribution.
Es werden also bevorzugt lokale Veränderungen in dem Testmaterial zur Auswertung desselben festgestellt, wobei aus den lokalen Veränderungen auf die dreidimensionale geometrische Energieverteilung des Laserstrahls rückgeschlossen wird.Thus, local changes in the test material for evaluating the same are preferably determined, the local changes being inferred from the three-dimensional geometric energy distribution of the laser beam.
Unter einer Energieverteilung werden hier insbesondere auch eine Energiedichte, eine Leistungsverteilung oder Leistungsdichte, sowie eine geometrische Positionierung des Laserstrahls – insbesondere relativ zu dem Testvolumen – verstanden, wobei insbesondere die Fokuslage des Laserstrahls und die räumliche Ausdehnung des typischerweise schlauchförmigen Fokusbereichs ausgewertet werden.An energy distribution here also means, in particular, an energy density, a power distribution or power density, as well as a geometric positioning of the laser beam-in particular relative to the test volume-in particular the focal position of the laser beam and the spatial extent of the typically tubular focus area being evaluated.
Vorzugsweise wird der Laserstrahl relativ zu dem Testvolumen so ausgerichtet, dass der Fokusbereich in dem Testmaterial oder zumindest an einer Eintrittsfläche des Laserstrahls in das Testmaterial angeordnet ist. Dadurch ist es möglich, die relevanten Eigenschaften der dreidimensionalen geometrischen Energieverteilung des Laserstrahls sicher, stabil und schnell zu ermitteln.Preferably, the laser beam is aligned relative to the test volume so that the focus area is disposed in the test material or at least at an entrance surface of the laser beam into the test material. This makes it possible to determine the relevant properties of the three-dimensional geometric energy distribution of the laser beam safely, stably and quickly.
Es wird auch eine Ausführungsform des Verfahrens bevorzugt, die sich dadurch auszeichnet, dass ein Laserstrahl geprüft wird, der eingerichtet und vorgesehen ist zum Laserschweißen von Polymerbauteilen, insbesondere aus einem thermoplastischen Material oder aus thermoplastischen Materialien. Dabei wird wenigstens ein Parameter des Laserstrahls für die Prüfung auf nachfolgende Schweißbedingungen abgestimmt. Dies bedeutet, dass der Laserstrahl, mit dem das Testvolumen bestrahlt wird, wenigstens bezüglich eines Parameters abgestimmt ist auf die nachfolgenden Schweißbedingungen, wobei er beispielsweise bezüglich der Leistung mit einem bekannten Faktor skaliert sein kann. Besonders bevorzugt ist der wenigstens eine Parameter allerdings identisch gewählt zu den nachfolgenden Schweißbedingungen, sodass der Laserstrahl genau so untersucht werden kann, wie er später auch beim Laserschweißen verwendet wird. Hierdurch können besonders realistische Informationen bei der Prüfung des Laserstrahls mithilfe des Testvolumens und des Testmaterials erhalten werden. Besonders bevorzugt sind alle Parameter des Laserstrahls identisch zu den später für das Laserschweißverfahren gewählten Bedingungen beziehungsweise Parametern gewählt. Der wenigstens eine Parameter ist vorzugsweise ausgewählt das aus einer Gruppe bestehend aus einer Laserleistung, einer Wellenlänge des Laserstrahls, einer Fokuslage desselben, einer Aufweitung, einer Strahlform, einer Vorschubgeschwindigkeit entlang eines vorbestimmten Verlagerungswegs für die Laserschweißung, einer Bestrahlungsdauer, insbesondere einer lokalen Verweilzeit entlang des Verlagerungswegs, einer Pulsdauer eines gepulsten Lasers und einer Shutteröffnungszeit eines kontinuierlichen Lasers (cw-Laser).An embodiment of the method is also preferred, which is characterized in that a laser beam is tested which is set up and provided for laser welding of polymer components, in particular of a thermoplastic material or of thermoplastic materials. In this case, at least one parameter of the laser beam is tuned for the test for subsequent welding conditions. This means that the laser beam with which the test volume is irradiated, at least with respect to one parameter, is tuned to the subsequent welding conditions, wherein it may, for example, be scaled with respect to the power with a known factor. However, the at least one parameter is particularly preferably chosen to be identical to the subsequent welding conditions, so that the laser beam can be examined exactly as it is later used in laser welding. As a result, particularly realistic information can be obtained when testing the laser beam using the test volume and the test material. Particularly preferably, all parameters of the laser beam are selected to be identical to the conditions or parameters selected later for the laser welding method. The at least one parameter is preferably selected from a group consisting of a laser power, a wavelength of the laser beam, a focal position thereof, a widening, a beam shape, a feed speed along a predetermined displacement path for the laser welding, an irradiation time, in particular a local residence time along the Displacement path, a pulse duration of a pulsed laser and a shutter opening time of a continuous laser (CW laser).
Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens entspricht das Testmaterial dem in einem nachfolgenden Schweißverfahren zu verschweißenden Kunststoff oder ist identisch zu diesem. Weiterhin weist es besonders bevorzugt eine identische Geometrie auf. In diesem Fall kann nicht nur die auf den Laserstrahl bezogene, dreidimensionale geometrische Energieverteilung ermittelt werden, sondern es kann direkt und unmittelbar die beim späteren Schweißvorgang in den zu verschweißenden Werkstoff eingebrachte Energie in ihrer dreidimensionalen Verteilung anhand des Testmaterials untersucht werden. Dabei ist besonders bevorzugt vorgesehen, dass der Laserstrahl bezüglich aller Parameter identisch zu den späteren Schweißbedingungen gewählt ist, wobei zugleich das Testmaterial einem zu verschweißenden Kunststoff entspricht oder identisch mit dem zu verschweißenden Kunststoff ist. Es können so einfach und schnell mit extrem hoher Genauigkeit und Sicherheit detaillierte Erkenntnisse über die in das zu verschweißende Material deponierte Energie und ihre räumlich-geometrische Verteilung gewonnen werden.In a particularly preferred embodiment of the method, the test material corresponds to the plastic to be welded in a subsequent welding process or is identical to this. Furthermore, it particularly preferably has an identical geometry. In this case, not only the three-dimensional geometric energy distribution related to the laser beam can be determined, but also directly and directly the energy introduced during the later welding process into the material to be welded can be examined in its three-dimensional distribution on the basis of the test material. It is particularly preferably provided that the laser beam is selected with respect to all parameters identical to the subsequent welding conditions, at the same time the test material corresponds to a plastic to be welded or is identical to the plastic to be welded. In this way, it is possible to gain detailed knowledge about the energy deposited in the material to be welded and its spatial-geometric distribution in an extremely simple and quick manner with extremely high accuracy and certainty.
Es wird auch eine Ausführungsform des Verfahrens bevorzugt, die sich dadurch auszeichnet, dass der Laserstrahl entlang eines vorbestimmten Verlagerungswegs relativ zu dem Testvolumen verlagert wird, wobei eine Veränderung der dreidimensionalen Energieverteilung entlang des Verlagerungswegs untersucht wird. Typischerweise wird der Laserstrahl beim Laserschweißen entlang eines vorbestimmten Verlagerungswegs geführt, um eine Schweißnaht zu erzeugen. Dabei ist es möglich, dass sich aufgrund verschiedener Effekte, beispielsweise einem sich ändernden Abstand zwischen der Laserquelle und dem Schweißwerkstoff, einer sich ändernden Fokuslage, einer sich gegebenenfalls abhängig von dem Verlagerungsweg ändernden Laserenergie und/oder einer Vielzahl anderer Parameter verschiedene Schweißbedingungen und insbesondere verschiedene Energieverteilungen des Laserstrahls entlang des Verlagerungswegs ergeben. Dies kann mithilfe der hier vorgeschlagenen Ausführungsform des Verfahrens in realistischer Weise sicher, schnell und kostengünstig untersucht werden. Der vorbestimmte Verlagerungsweg entspricht dabei vorzugsweise gerade dem Schweißweg zum Laserschweißen, wobei er besonders bevorzugt identisch ist mit dem Verlagerungsweg, welchen der Laserstrahl beim Laserschweißen nimmt.An embodiment of the method is also preferred, which is characterized in that the laser beam is displaced along a predetermined displacement path relative to the test volume, wherein a change in the three-dimensional energy distribution along the displacement path is examined. Typically, the laser beam is guided along a predetermined displacement path during laser welding to create a weld. It is possible that due to various effects, such as a changing distance between the laser source and the welding material, a changing focus position, optionally depending on the displacement path changing laser energy and / or a variety of other parameters different welding conditions and in particular different energy distributions of the laser beam along the displacement path. This can be realistically, safely, quickly and inexpensively investigated using the proposed embodiment of the method. The predetermined displacement path preferably corresponds exactly to the welding path for laser welding, wherein it is particularly preferably identical to the displacement path which the laser beam takes during laser welding.
Es wird eine Ausführungsform des Verfahrens bevorzugt, die sich dadurch auszeichnet, dass als Testmaterial ein amorpher Polymerwerkstoff verwendet wird. Besonders bevorzugt wird Polycarbonat als Testmaterial verwendet. Ein amorpher Polymerwerkstoff wird gegenüber einem kristallinen Polymerwerkstoff insbesondere deswegen bevorzugt, weil er typischerweise eine höhere Transparenz aufweist. Wird das Testvolumen mit dem amorphen Polymerwerkstoff als Testmaterial durch den zu prüfenden Laserstrahl bestrahlt, ergeben sich Gefügeänderungen in dem dreidimensionalen Testmaterial, welche abhängig von der lokalen Laserleistung oder Energiedichte des Laserstrahls sind. Diese Gefügeänderungen können im Anschluss an eine Bestrahlung untersucht werden, wobei somit die geometrische Verteilung der Energie oder Leistung im Laserstrahl, sowie die Strahlpositionierung und Fokussierung ermittelt werden können.An embodiment of the method is preferred, which is characterized in that an amorphous polymer material is used as the test material. Polycarbonate is particularly preferably used as test material. An amorphous polymer material is preferred over a crystalline polymer material, in particular because it typically has a higher transparency. If the test volume with the amorphous polymer material as the test material is irradiated by the laser beam to be tested, structural changes occur in the three-dimensional test material, which are dependent on the local laser power or energy density of the laser beam. These microstructural changes can be examined following irradiation, whereby the geometric distribution of the energy or power in the laser beam, as well as the beam positioning and focusing can be determined.
Es wird auch eine Ausführungsform des Verfahrens bevorzugt, die sich dadurch auszeichnet, dass als Testmaterial ein fluides, ein granulares oder ein gelförmiges Material – insbesondere aus genau einem bestimmten chemischen Stoff – verwendet wird. Besonders bevorzugt wird ein Pulver, eine Flüssigkeit oder ein Gel als Testmaterial verwendet, wobei dieses/diese vorzugsweise in das Testvolumen eingebettet ist. Dabei ist das Testmaterial vorzugsweise durch den Laserstrahl schmelzbar. Um eine möglichst aussagekräftige Messung zu erhalten, wird bevorzugt, dass das Testmaterial erst oberhalb einer vorbestimmten Energiedichte des Laserstrahls tatsächlich durch diesen geschmolzen wird. Anhand der Position und der Menge an geschmolzenem Testmaterial kann die dreidimensionale, geometrische Energieverteilung des Lasers sowie dessen Positionierung und Fokussierung ermittelt werden.An embodiment of the method is also preferred, which is characterized in that a fluid, a granular or a gel-like material is used as the test material, in particular of exactly one particular chemical substance. Particularly preferably, a powder, a liquid or a gel is used as the test material, this being preferably embedded in the test volume. In this case, the test material is preferably meltable by the laser beam. In order to obtain as meaningful a measurement as possible, it is preferred that the test material is actually melted by it above a predetermined energy density of the laser beam. Based on the position and the amount of molten test material, the three-dimensional geometric energy distribution of the laser as well as its positioning and focusing can be determined.
Es wird auch eine Ausführungsform des Verfahrens bevorzugt, die sich dadurch auszeichnet, dass als Testmaterial ein – vorzugsweise homogenes – Gemisch von energieabhängig selektiv verschieden auf den Laserstrahl empfindlichen Materialien verwendet wird. Diese Materialien liegen bevorzugt in Form kleiner Partikel, insbesondere in Form von – bevorzugt farbig umhüllten – Kügelchen vor, welche energieabhängig mit dem Laserstrahl reagieren, wobei die Partikel der verschiedenen, miteinander gemischten Materialien bezüglich ihrer energieabhängigen Wechselwirkung mit dem Laserstrahl gekennzeichnet sind. Hierzu kann beispielsweise ein Farbcode gewählt werden, zum Beispiel derart, dass bei niedrigerer Energiedichte schmelzende Partikel blau eingefärbt sind, wobei bei höherer Energiedichte schmelzende Partikel rot eingefärbt sind, wobei Abstufungen bezüglich der konkreten Energiedichte, bei welcher die Partikel erstmal schmelzen, vorgesehen sein können. Die Partikel sind vorzugsweise homogen gemischt, wobei eine räumliche Auflösung des Verfahrens insbesondere durch einen Bereich vorgegeben ist, in welchem zumindest ein Partikel von jeder verwendeten Materialsorte vorkommt. Über die Feinkörnigkeit beziehungsweise die verwendete Partikelgröße der eingesetzten Materialien und die Homogenität der Durchmischung kann also die räumliche Auflösung des Verfahrens eingestellt werden. Wird das Material mit dem Laserstrahl bestrahlt, schmelzen lokal diejenigen Kügelchen, die bei und unterhalb der lokal herrschenden Energiedichte des Laserstrahls aufgeschmolzen werden, wobei diejenigen Partikel, welche erst oberhalb der lokal herrschenden Energiedichte aufgeschmolzen werden, nicht schmelzen. Anhand der Identität der lokal selektiv mit dem Laserstrahl interagierenden Partikel kann dann in einem nächsten Schritt die dreidimensionale geometrische Verteilung der Energiedichte des Lasers, dessen Positionierung und Fokussierung, ermittelt werden. Dabei können die Partikel der verschiedenen Materialien auch in anderer Weise als über ihre Farbe voneinander unterschieden werden, beispielsweise anhand ihrer Dichte.An embodiment of the method is also preferred which is characterized in that a preferably homogeneous mixture of energy-selectively selectively different materials sensitive to the laser beam is used as the test material. These materials are preferably in the form of small particles, in particular in the form of - preferably coated with colored beads - which react energy-dependent with the laser beam, wherein the particles of different, mixed materials are characterized in terms of their energy-dependent interaction with the laser beam. For this purpose, for example, a color code can be selected, for example such that at lower energy density melting particles are colored blue, with melting at higher energy density melting particles are red, with gradations with respect to the specific energy density at which the particles melt first, can be provided. The particles are preferably homogeneously mixed, with a spatial resolution of the method being predefined in particular by a region in which at least one particle from each type of material used occurs. On the fine granularity or the particle size of the materials used and the homogeneity of the mixing so the spatial resolution of the process can be adjusted. If the material is irradiated with the laser beam, locally melt those beads which are melted at and below the local prevailing energy density of the laser beam, whereby those particles which are melted only above the local prevailing energy density, do not melt. Based on the identity of the locally selectively interacting with the laser beam particles can then be determined in a next step, the three-dimensional geometric distribution of the energy density of the laser, its positioning and focusing. In this case, the particles of the different materials can also be distinguished from one another in a different way than by their color, for example based on their density.
Es wird auch eine Ausführungsform des Verfahrens bevorzugt, die sich dadurch auszeichnet, dass als Testvolumen – in Ausbreitungsrichtung des Laserstrahls gesehen – eine Mehrzahl von Lagen des Testmaterials verwendet wird. Dabei ist es möglich, dass verschiedenen Lagen in Form von Folien oder Platten vorliegen, die vorzugsweise übereinander geschichtet sind. Es ist möglich, dass die Lagen miteinander laminiert sind.An embodiment of the method is also preferred, which is characterized in that a plurality of layers of the test material is used as the test volume, as viewed in the propagation direction of the laser beam. It is possible that different layers in the form of films or plates are present, which are preferably stacked on top of each other. It is possible that the layers are laminated together.
Insbesondere in diesem Fall, aber auch in anderen Fällen ist es möglich, dass die Lagen gleichzeitig belichtet, also zugleich mit dem Laserstrahl bestrahlt werden. Alternativ ist es möglich, dass die einzelnen Lagen nacheinander, mithin sequenziell, bestrahlt werden. Dabei wird beispielsweise zunächst eine erste Lage des Testmaterials bestrahlt. Diese wird dann weggenommen, und es wird eine zweite, darunter angeordnete Lage bestrahlt. Diese wird dann wiederum weggenommen, und es wird eine dritte, darunter angeordnete Lage bestrahlt. Dies wird solange fortgesetzt, bis alle – in Ausbreitungsrichtung des Lasers gesehen – untereinander angeordneten Lagen des Testmaterials sequenziell nacheinander bestrahlt wurden. Die bestrahlten Lagen können ausgewertet werden, um anhand der Veränderung von einer Lage zu der darauffolgenden Lage die dreidimensionale geometrische Energieverteilung des Laserstrahls zu ermitteln.In particular, in this case, but also in other cases, it is possible that the layers exposed simultaneously, so are irradiated at the same time with the laser beam. Alternatively, it is possible that the individual layers are sequentially irradiated, thus sequentially. In this case, for example, first a first layer of the test material is irradiated. This is then taken away, and it is irradiated a second, arranged underneath layer. This is then taken away again, and it is a third, arranged underneath layer irradiated. This is continued until all layers of the test material, arranged one below the other in the direction of propagation of the laser, have been sequentially irradiated successively. The irradiated layers can be evaluated to reflect the change from one layer to the next To determine three-dimensional geometric energy distribution of the laser beam.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens ist vorgesehen, dass die verschiedenen Lagen genau einen bestimmten chemischen Stoff aufweisen, sodass das Testmaterial als Einstoffsystem ausgebildet ist. Alternativ ist es möglich, dass als Testmaterial ein bekannter Aufbau mit voneinander verschiedenen Materialien, insbesondere mit energieabhängig selektiv verschieden auf den Laserstrahl empfindlichen Materialien, verwendet wird. Dabei sind dann insbesondere die einzelnen Lagen energieabhängig selektiv verschieden auf den Laserstrahl empfindlich. Anhand der Identität der selektiv reagierenden laseraktiven Materialien kann dann – wie bereits zuvor erläutert – dreidimensional die geometrische Energie des Laserstrahls ermittelt werden.In a preferred embodiment of the method it is provided that the different layers have exactly one particular chemical substance, so that the test material is formed as a single-substance system. Alternatively, it is possible that the test material used is a known structure having mutually different materials, in particular with energy-dependent selectively different materials sensitive to the laser beam. In this case, in particular the individual layers are selectively sensitive to the laser beam depending on the energy. Based on the identity of the selectively reacting laser-active materials can then - as explained above - three-dimensional geometric energy of the laser beam can be determined.
Besonders bevorzugt wird eine Ausführungsform des Verfahrens, bei welcher als Testvolumen ein Block mit einer Mehrzahl von Lagen Fotopapier verwendet wird. Dieser Block mit Fotopapier wird lagenweise von oben nach unten zweidimensional belichtet. Nach erfolgter Belichtung einer ersten, obersten Lage in einem ersten Schritt wird beispielsweise in einem zweiten Schritt die oberste Lage entfernt, und in einem dritten Schritt wird die nächste, zweite Lage belichtet. Dies wird solange fortgesetzt, bis alle Lagen des Blocks belichtet sind. Anhand der Veränderung des zweidimensionalen Belichtungsmusters von einer Lage zu der darauffolgenden Lage kann schließlich die dreidimensionale Energieverteilung in dem Laserstrahl und insbesondere die dreidimensionale Laserfokussierung bestimmt werden.Particularly preferred is an embodiment of the method in which a block with a plurality of layers of photo paper is used as the test volume. This block of photo paper is exposed two-dimensionally in layers from top to bottom. After exposure of a first, uppermost layer in a first step, for example, in a second step, the uppermost layer is removed, and in a third step, the next, second layer is exposed. This will continue until all layers of the block have been exposed. Finally, the three-dimensional energy distribution in the laser beam and in particular the three-dimensional laser focusing can be determined on the basis of the change of the two-dimensional exposure pattern from one layer to the next layer.
Die Aufgabe wird auch gelöst, indem eine Vorrichtung zur Ermittlung einer dreidimensionalen geometrischen Energieverteilung eines Laserstrahls geschaffen wird, die ein Testvolumen aufweist, das wenigstens ein auf einen zu prüfenden Laserstrahl empfindliches Material aufweist. In Zusammenhang mit der Vorrichtung ergeben sich die Vorteile, die bereits in Zusammenhang mit dem Verfahren erläutert wurden.The object is also achieved by providing a device for determining a three-dimensional geometric energy distribution of a laser beam which has a test volume which has at least one material sensitive to a laser beam to be tested. In connection with the device, the advantages that have already been explained in connection with the method result.
Das Testmaterial weist vorzugsweise einen amorphen Polymerwerkstoff auf oder besteht aus diesem. Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist der amorphe Polymerwerkstoff Polycarbonat.The test material preferably comprises or consists of an amorphous polymer material. In a preferred embodiment, the amorphous polymer material is polycarbonate.
Alternativ oder zusätzlich ist vorgesehen, dass das Testmaterial ein fluides, granulares oder gelförmiges Material aufweist, oder aus einem fluiden, granularen oder gelförmigen Material – insbesondere aus genau einem bestimmten chemischen Stoff – besteht. Insbesondere handelt es sich dabei bevorzugt um ein Pulver, eine Flüssigkeit oder ein Gel. Das Material ist vorzugsweise durch den Laser schmelzbar, wobei besonders bevorzugt eine vorbestimmte Energiedichte existiert, oberhalb derer das Material durch den Laserstrahl schmelzbar ist.Alternatively or additionally, it is provided that the test material comprises a fluid, granular or gel-like material, or consists of a fluid, granular or gel-like material, in particular of exactly one particular chemical substance. In particular, it is preferably a powder, a liquid or a gel. The material is preferably fusible by the laser, more preferably a predetermined energy density exists above which the material is fusible by the laser beam.
Alternativ oder zusätzlich weist das Testmaterial ein – vorzugsweise homogenes – Gemisch von energieabhängig selektiv verschieden auf den Laserstrahl empfindlichen Materialien auf oder besteht aus einem solchen Gemisch.Alternatively or additionally, the test material comprises a - preferably homogeneous - mixture of energy-dependent selectively differently sensitive to the laser beam materials or consists of such a mixture.
Alternativ oder zusätzlich weist das Testvolumen – in Ausbreitungsrichtung des Laserstrahls gesehen – eine Mehrzahl von Lagen des Testmaterials auf, welche vorzugsweise nacheinander bestrahlt werden können, wobei insbesondere bestrahlte Lagen derart entfernt werden können, dass darunter angeordnete Lagen bestrahlt werden können. Besonders bevorzugt weist das Testvolumen einen Block mit einer Mehrzahl von Lagen an Fotopapier auf.Alternatively or additionally, the test volume - seen in the direction of propagation of the laser beam - a plurality of layers of the test material, which can preferably be irradiated successively, in particular irradiated layers can be removed so that underlying layers can be irradiated. Particularly preferably, the test volume has a block with a plurality of layers of photo paper.
Es wird auch ein Ausführungsbeispiel der Vorrichtung bevorzugt, dass sich dadurch auszeichnet, dass das Testvolumen ein Gefäß oder einen Rahmen aufweist, in dem das Testmaterial angeordnet ist.It is also preferred an embodiment of the device that is characterized in that the test volume comprises a vessel or a frame in which the test material is arranged.
In einer Ebene senkrecht zur Ausbreitungsrichtung des Laserstrahls weist das Testvolumen vorzugsweise eine Erstreckung auf, die mindestens so groß ist wie der größte mittels des Testvolumens zu untersuchende Durchmesser des Laserstrahls. Auf diese Weise ist es möglich, eine vollständige Information über einen interessierenden Bereich des Laserstrahls zu erhalten.In a plane perpendicular to the propagation direction of the laser beam, the test volume preferably has an extent which is at least as great as the largest diameter of the laser beam to be examined by means of the test volume. In this way it is possible to obtain complete information about a region of interest of the laser beam.
Die Beschreibung der Vorrichtung einerseits und des Verfahrens andererseits sind komplementär zueinander zu verstehen. Verfahrensschritte, die explizit oder implizit in Zusammenhang mit der Vorrichtung beschrieben wurden, sind bevorzugt einzeln oder miteinander kombiniert Schritte einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens. Merkmale der Vorrichtung, die explizit oder implizit in Zusammenhang mit dem Verfahren beschrieben wurden, sind bevorzugt einzeln oder miteinander kombiniert Merkmale eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Vorrichtung. Das Verfahren zeichnet sich bevorzugt durch wenigstens einen Verfahrensschritt aus, der durch wenigstens ein Merkmal der Vorrichtung bedingt ist. Die Vorrichtung zeichnet sich bevorzugt durch wenigstens ein Merkmal aus, welches durch wenigstens einen Verfahrensschritt einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens bedingt ist.The description of the device on the one hand and the method on the other hand are to be understood as complementary to each other. Procedural steps that have been described explicitly or implicitly in connection with the device are preferably individually or combined with each other steps of a preferred embodiment of the method. Features of the device that have been described explicitly or implicitly in the context of the method are preferably individually or combined together features of a preferred embodiment of the device. The method is preferably characterized by at least one method step, which is caused by at least one feature of the device. The device is preferably characterized by at least one feature, which is due to at least one method step of a preferred embodiment of the method.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert.The invention will be explained in more detail below with reference to the drawing.
Dabei zeigen:Showing:
Es ist möglich, dass das Testmaterial
Der Laserstrahl
Im Rahmen der in
In
Dieses Volumen hat typischerweise die Form einer Sanduhr, insbesondere weist es eine Einschnürung am Ort des Fokus des Laserstrahls auf. Ein entsprechendes Volumen ist schematisch dargestellt und mit dem Bezugszeichen
Das Testmaterial
Bei dem Testmaterial
Bevorzugt weist das Testvolumen
Bei der Ausführungsform gemäß
Den
Insgesamt zeigt sich, dass mithilfe des Verfahrens und der Vorrichtung
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
- DE 102007051688 A1 [0003] DE 102007051688 A1 [0003]
- DE 102007021715 A1 [0004] DE 102007021715 A1 [0004]
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
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R230 | Request for early publication | ||
R119 | Application deemed withdrawn, or ip right lapsed, due to non-payment of renewal fee |