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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Mehrkopf-Laseranlage zum Bearbeiten und/oder Herstellen, insbesondere zum Markieren, Schweißen, Schneiden und/oder Sintern, eines Objektes mittels mehrerer Laserstrahlen, mit mehreren starr miteinander verbundenen Fertigungsscannern, die jeweils zumindest einen beweglichen Laser-Scannerspiegel aufweisen, mittels dem der jeweilige Laserstrahl derart ablenkbar ist, dass dessen Prozessort auf der Objektoberfläche innerhalb eines Arbeitsfeldes bewegbar ist, und mit zumindest einer starr mit den Fertigungsscannern verbundenen Sensoreinheit, die einen optischen Sensor aufweist, mittels dem auf der Objektoberfläche ein Analysebereich erfassbar ist.
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Aus der
DE 10 2012 110 646 A1 ist eine Mehrkopf-Laseranlage bekannt. Hierbei handelt es sich um eine Vorrichtung die mehrere Lasereinheiten aufweist, die jeweils einen Lichtstrahl erzeugen. Die Lichtstrahlen können mit jeweils einer Scannereinheit innerhalb eines vorgegebenen Raumwinkelbereiches gelenkt bzw. abgelenkt werden, so dass die von den Lichtstrahlen auf dem Objekt erzeugten Strahlpunkte in zwei Dimensionen bewegbar sind. Ferner können optische und/oder mechanische Mittel vorgesehen sein mittels derer ein Fokuspunkt der entsprechenden Lichtstrahlen in Richtung senkrecht zu der durch die zwei Dimensionen aufgespannten Ebene bewegbar ist Ferner umfasst die Vorrichtung eine Sensorvorrichtung. Diese ist außen an einem Gehäuse der Scannereinheit angeordnet. Die Sensoreinrichtung weist ein Sichtfeld auf, innerhalb dessen die Objekte erfassbar sind. Das Sichtfeld überlappt hierfür mit den Raumwinkelbereichen der Scannereinheiten. Hierfür muss das Sichtfeld der Sensorvorrichtung sehr groß gewählt werden, wodurch die Sensorauflösung reduziert wird. Infolgedessen leidet bei einem sehr großen Sichtfeld die Genauigkeit der Sensorvorrichtung. Hierdurch wird die über die Sensorvorrichtung erfolgte Datenerfassung ungenau, so dass die Ergebnisse diverser Anwendungen, insbesondere zur Genauigkeitsverbesserung des Bearbeitungsprozesses, zur Prozessüberwachung, zur Qualitätsüberprüfung und/oder zur Kalibrierung des Systems, verschlechtert werden.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es somit eine Mehrkopf-Laseranlage mit einer Sensoreinheit zu schaffen, mittels der die Datenqualität, insbesondere die Genauigkeit, der Sensoreinheit verbessert werden kann.
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Die Aufgabe wird gelöst durch eine Mehrkopf-Laseranlage mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 1.
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Vorgeschlagen wird eine Mehrkopf-Laseranlage zum Bearbeiten, insbesondere zum Markieren, Schweißen und/oder Schneiden, und/oder zum Herstellen, insbesondere zum Sintern, eines Objektes mittels mehrerer Laserstrahlen. Zusätzlich oder alternativ sind aber auch andere Bearbeitungs- und/oder Herstellungsanwendungen denkbar. Unter dem Wortbestandteil „Kopf“ in dem Wort „Mehrkopf-Laseranlage“ ist ein Bearbeitungskopf bzw. Fertigungsscanner zu verstehen, mittels dem ein Laserstrahl geführt und/oder auf eine Bearbeitungsoberfläche gelenkt sowie über die Bearbeitungsfläche bewegt werden kann. Die Mehrkopf-Laseranlage weist mehrere starr miteinander verbundene Fertigungsscanner auf. Die Fertigungsscanner bilden somit zueinander eine starre Einheit aus. Diese aus mehreren starr miteinander verbundenen Fertigungsscannern ausgebildete Einheit kann vorzugsweise ortsfest, d.h. unbeweglich, ausgebildet sein. Alternativ kann die Einheit aber auch mittels eines Manipulators beweglich ausgebildet sein. Vorzugsweise ist diese aus mehreren Fertigungsscannern bestehende Einheit ausschließlich translatorisch bewegbar. Jeder dieser Fertigungsscanner weist zumindest einen beweglichen Laser-Scannerspiegel auf. Mittels dieses Laser-Scannerspiegels ist der jeweilige Laserstrahl derart ablenkbar, dass dessen Prozessort auf der Objektoberfläche innerhalb eines Arbeitsfeldes bewegbar ist. Als Prozessort wird der Auftreffpunkt des Laserstrahls auf der Objektoberfläche bezeichnet.
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Des Weiteren umfasst die Mehrkopf-Laseranlage zumindest eine starr mit den Fertigungsscannern verbundene Sensoreinheit. Die Sensoreinheit kann beispielsweise fest oder lösbar mit zumindest einem der Fertigungsscanner verbunden sein. Die Sensoreinheit weist einen optischen Sensor auf, mittels dem auf der Objektoberfläche ein Analysebereich erfassbar ist. Der Analysebereich bildet demnach den Erfassungsbereich des optischen Sensors, innerhalb dessen der optische Sensor zeitgleich, d.h. zu einem bestimmten Zeitpunkt, Daten erfassen kann. Die Sensoreinheit weist zumindest ein in dem Sensorstrahlengang angeordnetes optisches Führungselement auf. Des Weiteren ist dieses optische Führungselement derart beweglich ausgebildet, dass der Analysebereich des optischen Sensors auf der Objektoberfläche innerhalb eines Analysefeldes bewegbar ist. Das Analysefeld ist somit größer als der vom optischen Sensor erfassbare Analysebereich. Das Analysefeld überlappt hierbei zumindest teilweise mit den Arbeitsfeldern der zumindest zwei Fertigungsscanner. Durch das Bewegen des Führungselementes, insbesondere durch eine Dreh- und/oder Schwenkbewegung des Führungselementes um eine Achse, kann der Analysebereich somit innerhalb seines Analysefeldes bewegt werden, so dass in mehreren Arbeitsfeldern Daten erfassbar sind. Durch die Beweglichkeit des Analysebereiches kann dieser vorteilhafterweise kleiner ausgebildet werden als das gesamte zu analysierende Analysefeld. Hierdurch kann infolgedessen die sensorische Auflösung des Sensors erhöht werden. Dennoch ist es möglich, ein im Vergleich zum Analysebereich großes Analysefeld innerhalb eines zum Verfahren des Analysebereiches benötigten Zeitfensters sensorisch zu überwachen. Hierdurch kann vorteilhafterweise die Qualität bzw. Datengenauigkeit der Sensoreinheit erhöht werden, wodurch wiederum die Qualität unterschiedlicher Applikationen verbessert werden kann.
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Vorteilhaft ist es, wenn die Sensoreinheit einen Sensorscanner umfasst. Die Sensoreinheit kann zusätzlich oder alternativ auch als Sensorscanner ausgebildet sein. Vorteilhafterweise weist der Sensorscanner zumindest einen als Führungselement ausgebildeten Sensor-Scannerspiegel auf. Der Sensor-Scannerspiegel ist vorzugsweise um zumindest eine Drehachse schwenkbar. Durch das Schwenken des Sensor-Scannerspiegels kann somit der Analysebereich des optischen Sensors innerhalb des Analysefeldes bewegt werden. Der Auslenkbereich des Sensor-Scannerspiegels definiert hierbei zumindest teilweise das maximal analysierbare Analysefeld.
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Auch ist es vorteilhaft, wenn der Sensor-Scannerspiegel im Vergleich zum Laser-Scannerspiegel des jeweiligen Fertigungsscanners um einen größeren Schwenkwinkel auslenkbar ist. Hierdurch kann vorteilhafterweise das Analysefeld des Sensorscanners im Vergleich zu dem Arbeitsfeld des jeweiligen Fertigungsscanners größer, d.h. insbesondere mit einer größeren Fläche, ausgebildet werden. Vorteilhafterweise kann somit das gesamte Arbeitsfeld eines der beiden Fertigungsscanner und zumindest ein Teil des Arbeitsfeldes des anderen Fertigungsscanners mit lediglich einem einzigen optischen Sensor überwacht bzw. sensorisch erfasst werden, der einen sehr kleinen und somit hochauflösenden Analysebereich umfasst.
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In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung grenzen die Arbeitsfelder der zumindest zwei Fertigungsscanner unmittelbar aneinander an. Alternativ dazu können sich diese aber auch in einem Überlappungsbereich überlappen.
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Damit die Fertigungsscanner, insbesondere deren Arbeitsfelder, vollständig mittels des optischen Sensors überwacht werden können, ist es vorteilhaft, wenn das, insbesondere zweidimensionale, Analysefeld des Sensorscanners die Arbeitsfelder der Fertigungsscanner vollständig umfasst. Bei zwei unmittelbar aneinander angrenzenden Arbeitsfeldern würde demnach die Fläche des Analysefeldes der Summe der beiden Arbeitsfelder entsprechen. Bei einem zwischen diesen beiden ausgebildeten Überlappungsbereichen würde das Analysefeld durch die Vereinigungsmenge der beiden Arbeitsfelder gebildet sein.
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Vorteilhaft ist es, wenn der Sensor-Scannerspiegel im Vergleich zum Laser-Scannerspiegel des jeweiligen Fertigungsscanners größer ausgebildet ist, insbesondere eine größere Spiegelfläche aufweist. Hierdurch kann mittels diesem ein im Vergleich zu den jeweiligen Fertigungsscanner größerer Bereich abgedeckt werden.
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Des Weiteren ist es vorteilhaft, wenn der Sensor-Scannerspiegel im Vergleich zum Laser-Scannerspiegel des jeweiligen Fertigungsscanners eine andere Beschichtung aufweist. Die Beschichtung des Sensor-Scannerspiegels ist hierbei vorzugsweise an den Wellenlängenbereich des optischen Sensors angepasst, d.h. in dem der optische Sensor arbeitet. Hierdurch kann die Qualität der vom optischen Sensor erfassten Daten zusätzlich verbessert werden. Im Gegensatz dazu kann der Laser-Scannerspiegel an die Wellenlänge des Bearbeitungslasers angepasst sein.
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Vorteilhaft ist es, wenn der Sensor-Scannerspiegel mittels eines Motors, insbesondere eines Encoder-Motors, ansteuerbar ist. Des Weiteren ist es diesbezüglich vorteilhaft, wenn der Motor des Sensor-Scannerspiegels im Vergleich zum Motor des Laser-Scannerspiegels eine höhere Genauigkeit, insbesondere Feinjustierbarkeit, aufweist.
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In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist der optische Sensor ein Bildsensor, insbesondere eine Kamera. Vorteilhafterweise können die erfassten Daten somit mittels Bildverarbeitung analysiert und ausgewertet werden. Die Kamera kann insbesondere eine Ferninfrarot- und/oder Nahinfrarotkamera sein. Ferner kann die Kamera insbesondere im Bereich des Wellenlängenspektrums des sichtbaren Lichts arbeiten.
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Auch ist es vorteilhaft, wenn der optische Sensor unmittelbar oder mittelbar, insbesondere unter Zwischenschaltung eines optischen Elementes auf den Sensor-Scannerspiegel, insbesondere auf dessen Zentrum, ausgerichtet ist.
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Das optische Element kann hierbei vorzugsweise ein Umlenkspiegel, eine Linse und/oder ein Objektiv sein. Zusätzlich oder alternativ kann die Sensoreinheit weitere optische Elemente wie beispielsweise Umlenkspiegel, Linsen und/oder Objektive aufweisen. Des Weiteren können diese entlang des Sensorstrahlengangs an unterschiedlichen Positionen angeordnet sein. Demnach kann beispielsweise ein Objektiv der Sensoreinheit dem beweglichen optischen Führungselement nachgeschalten und/oder vorgeschalten sein. Gleiches trifft auf den Umlenkspiegel und/oder die Linse zu. Des Weiteren ist es vorteilhaft, wenn die Sensoreinheit zumindest ein in Längsrichtung des Sensorstrahlengangs bewegliches optisches Element, beispielsweise eine Linse, aufweist, mittels dem der Fokuspunkt des Sensorstrahlengangs in z-Richtung verschoben werden kann.
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Insbesondere wenn der optische Sensor als Kamera ausgebildet ist, ist es vorteilhaft, wenn die Sensoreinheit, insbesondere der Sensorscanner, eine Bildverarbeitungseinheit aufweist und/oder mit einer solchen zusammenarbeitet, so dass die von der Kamera erfassten Bilddaten analysierbar und/oder die aus den Ergebnissen resultierenden Befehle an eine Steuerung der Fertigungsscanner übermittelbar sind.
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Vorzugsweise umfasst die Sensoreinheit den Sensorscanner und die Bildverarbeitungseinheit. Diese können vorzugsweise in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet sein und/oder zum Kalibrieren der Fertigungsscanner mit deren Steuerung verbunden werden und/oder sein.
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Insbesondere wenn das Analysefeld zweidimensional ausgebildet ist, ist es vorteilhaft, wenn der Sensorscanner einen ersten und einen zweiten Sensor-Scannerspiegel aufweist. Diese sind vorzugsweise im Sensorstrahlengang hintereinander geschalten bzw. angeordnet. Des Weiteren sind diese vorzugsweise beide beweglich ausgebildet. Diesbezüglich ist es ferner vorteilhaft, wenn die beiden Sensor-Scannerspiegel derart ausgebildet sind, dass innerhalb des Analysefeldes mittels des einen Sensor-Scannerspiegels die x-Koordinate und mittels des anderen Sensor-Scannerspiegels die y-Koordinate des Analysebereiches veränderbar ist. Hierfür ist es, wie bereits vorstehend erwähnt, vorteilhaft, wenn die Sensor-Scannerspiegel im Sensorstrahlengang hintereinander angeordnet, jeweils um eine einzige Drehachse schwenkbar und/oder deren Drehachsen schräg zueinander angeordnet sind.
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Des Weiteren ist es vorteilhaft, wenn die Mehrkopf-Laseranlage eine Fertigungseinheit umfasst. Diese ist vorzugsweise durch die zumindest zwei Fertigungsscanner gebildet. Die Fertigungsscanner weisen hierfür vorzugsweise jeweils ein separates Scannergehäuse auf. Des Weiteren umfasst die Fertigungseinheit vorzugsweise einen Trägerrahmen. Die Fertigungsscanner sind mittels des Trägerrahmens starr miteinander verbunden. Hierfür sind sie insbesondere mit ihrem Gehäuse fest oder lösbar an dem Trägerrahmen befestigt. Des Weiteren ist es vorteilhaft, wenn der Sensorscanner, insbesondere lösbar, mit der Fertigungseinheit verbunden ist. Der Sensorscanner und die Fertigungseinheit bilden somit eine zueinander starre bzw. unbewegliche Einheit aus. Insbesondere zum lösbaren Befestigen des Sensorscanners ist es vorteilhaft, wenn dieser ein separates Sensorgehäuse aufweist. Das Sensorgehäuse und zumindest ein Scannergehäuse sind vorzugsweise unmittelbar oder mittelbar miteinander verbunden. Vorzugsweise ist das Sensorgehäuse an seiner dem objektabgewandten Oberseite und/oder an zumindest einer seiner Seitenflächen mit der Fertigungseinheit verbunden.
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Vorteilhaft ist es, wenn der Sensorscanner in einer Seitenansicht der Mehrkopf-Laseranlage unterhalb, vorzugsweise an einer dem Objekt zugewandten Unterseite der Fertigungseinheit, angeordnet ist. Hierdurch kann der Sensorscanner sehr leicht montiert und demontiert werden. Ferner ist es vorteilhaft, wenn der Sensorscanner in einer Unteransicht der Mehrkopf-Laseranlage zentral und/oder mittig zwischen den zumindest zwei Fertigungsscannern angeordnet ist. Diesbezüglich ist es insbesondere vorteilhaft, wenn die Mehrkopf-Laseranlage vier Fertigungsscanner aufweist und der Sensorscanner insbesondere im Zentrum bzw. mittig zwischen diesen vier Fertigungsscannern angeordnet ist. Hierdurch kann vorteilhafterweise die Beweglichkeit des Analysebereiches symmetrisch ausgebildet sein, um jedes der vier Arbeitsfelder analysieren zu können.
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In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist die Fertigungseinheit zusammen mit dem Sensorscanner translatorisch, insbesondere in x- und/oder y-Richtung und/oder parallel zum Objekt, verfahrbar. Alternativ oder zusätzlich ist es ferner vorteilhaft, wenn ein Objektträger zum Aufnehmen des Objektes translatorisch, insbesondere in x- und/oder y-Richtung und/oder parallel zur Fertigungseinheit, verfahrbar ist.
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Des Weiteren ist es vorteilhaft, wenn die Sensoreinheit eine Beleuchtungsquelle zum zumindest bereichsweisen Beleuchten des Analysefeldes aufweist. Die Beleuchtungsquelle ist vorzugsweise an der Fertigungseinheit und/oder dem Sensorgehäuse, insbesondere an einer Außenseite des Sensorgehäuses befestigt. Diese Befestigung kann ferner lösbar ausgebildet sein.
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Um an jedem Ort des Analysefeldes eine ausreichende Beleuchtung gewährleisten zu können, ist es vorteilhaft, wenn der Beleuchtungsbereich der Beleuchtungsquelle das gesamte Analysefeld umfasst.
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Alternativ oder zusätzlich zu einer außerhalb der Sensoreinheit starr mit dieser verbundenen Beleuchtungsquelle kann die Beleuchtungsquelle ebenso auch in den Sensorstrahlengang des Sensorscanners, insbesondere mittels eines halbtransparenten Umlenkspiegels, eingekoppelt sein. Infolgedessen ist der Beleuchtungsbereich mittels des Sensor-Scannerspiegels mit dem Analysebereich mitbewegbar. Des Weiteren leuchtet die Beleuchtungsquelle in diesem Fall das Analysefeld nur teilweise aus.
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Zusätzlich oder alternativ ist es des Weiteren vorteilhaft, wenn die Beleuchtungsquelle in einer separaten Beleuchtungs-Scannereinrichtung integriert ist. Hierdurch kann der Beleuchtungsbereich von den Fertigungsscannern und/oder dem Sensorscanner optisch entkoppelt bewegt werden. Auch in diesem Fall ist der Beleuchtungsbereich kleiner als das Analysefeld ausgebildet.
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Vorteilhaft ist es, wenn die Mehrkopf-Laseranlage ein Kalibriersystem umfasst. Das Kalibriersystem umfasst hierbei vorzugsweise die Sensoreinheit. Des Weiteren ist dieses vorzugsweise derart ausgebildet, dass mittels diesem jeder der Fertigungsscanner für sich selbst und/oder die Fertigungsscanner zueinander kalibrierbar sind.
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Zum Kalibrieren der Fertigungsscanner ist das Kalibriersystem vorteilhafterweise derart ausgebildet, dass zunächst mittels der Fertigungsscanner ein vorgegebenes Soll-Muster auf einem Referenzobjekt, z.B. einer Referenzplatte, erstellbar ist. Anschließend ist mittels der Sensoreinheit, insbesondere mittels Bildverarbeitung das von den Fertigungsscannern erstellte Ist-Muster erfassbar. Durch einen Ist-/Sollwertabgleich ist dann ein Korrekturwert ermittelbar. Vorzugsweise weist die Mehrkopf-Laseranlage eine Steuereinheit auf. Der Korrekturwert ist in dieser Steuereinheit der Mehrkopf-Laseranlage hinterlegbar, so dass die Bewegung der Fertigungsscanner korrigiert ist.
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Vorteilhaft ist es, wenn mittels der Sensoreinheit der Analysebereich, insbesondere zur Ermittlung des Ist-Musters, entlang einer Analysebahn führbar ist. Vorzugsweise ist hierbei das gesamte Analysefeld und/oder der Überlappungsbereich, insbesondere zeilenweise oder mäanderförmig, abfahrbar. Alternativ dazu ist es vorteilhaft, wenn nur ein in Abhängigkeit des Soll-Musters festgelegter Teilbereich des Analysefeldes abfahrbar ist.
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Zusätzlich oder alternativ zum Kalibriervorgang kann der Sensorscanner vorzugsweise auch für andere Anwendungen verwendet werden. Demnach ist es vorteilhaft, wenn der Sensorscanner, insbesondere nach dem Kalibriervorgang, im normalen Fertigungsbetrieb derart ansteuerbar ist, dass der Analysebereich zur Genauigkeitsverbesserung dem Prozessort in Bearbeitungsrichtung vorgelagert und/oder im Bereich der zu bearbeitenden Soll-Bahn positionierbar ist. Des Weiteren ist es diesbezüglich insbesondere vorteilhaft, wenn der Analysebereich dem Prozessort in einem, insbesondere konstanten und/oder variablen, Abstand vorausführbar ist.
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Des Weiteren ist es vorteilhaft, wenn der Sensorscanner derart ansteuerbar ist, dass der Analysebereich zur Prozessüberwachung im Prozessort positionierbar ist und/oder mit diesem mitführbar ist.
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Auch ist es vorteilhaft, wenn der Sensorscanner derart ansteuerbar ist, dass der Analysebereich zur Qualitätsüberprüfung, insbesondere einer Schweißnaht, Markierung oder Schnittkante, dem Prozessort in Bearbeitungsrichtung nachgelagert und/oder im Bereich der bearbeiteten Ist-Bahn positionierbar ist. Diesbezüglich ist es ferner vorteilhaft, wenn der Analysebereich dem Prozessort in einem insbesondere konstanten und/oder variablen Abstand nachführbar ist.
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Vorgeschlagen wird ferner ein Kalibrierverfahren für eine Mehrkopf-Laseranlage gemäß den Verfahrensmerkmalen der vorangegangenen Beschreibung, wobei die genannten Merkmale einzeln oder in beliebiger Kombination vorhanden sein können.
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Weitere Vorteile der Erfindung sind in den nachfolgenden Ausführungsbeispielen beschrieben. Es zeigt:
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1 eine schematische Schnittansicht einer Mehrkopf-Laseranlage mit mehreren Fertigungsscannern und einer Sensoreinheit, die einen innerhalb eines Analysefeldes bewegbaren Analysebereich umfasst,
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2 die Mehrkopf-Laseranlage gemäß 1 mit ausgeblendetem Analysefeld und
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3 die Mehrkopf-Laseranlage gemäß 1 mit ausgeblendeten Arbeitsfeldern.
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1 zeigt schematisch eine perspektivische Schnittansicht einer Mehrkopf-Laseranlage 1. Die Mehrkopf-Laseranlage 1 umfasst eine Fertigungseinheit. Diese weist mehrere Fertigungsscanner 2, 3 auf. Gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel umfasst die Fertigungseinheit zwei Fertigungsscanner 2, 3. Die Fertigungsscanner 2, 3 sind in einer gemeinsamen Ebene angeordnet. Sie weisen somit zu einem bearbeitenden und/oder herzustellenden Objekt 4 in z-Richtung den gleichen Abstand auf. Die Fertigungsscanner 2, 3 sind gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel nebeneinander angeordnet.
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Zusätzlich könnte die Mehrkopf-Laseranlage 1 aber auch ebenso noch weitere, vorliegend nicht dargestellte Fertigungsscanner aufweisen. Diese könnten beispielsweise in y-Richtung hinter den dargestellten Fertigungsscannern 2, 3 angeordnet sein. Die in Spalten und Reihen angeordneten Fertigungsscanner würden demnach eine Matrix bilden.
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Mittels der Fertigungsscanner 2, 3 kann das Objekt 4 bearbeitet, insbesondere markiert, geschnitten und/oder mit weiteren Objekten verschweißt, werden. Zusätzlich oder alternativ kann die Mehrkopf-Laseranlage 1 auch zum Herstellen, insbesondere zum Sintern, eines Objektes 4 verwendet werden. Die Fertigungsscanner 2, 3 sind starr miteinander verbunden. Des Weiteren können diese mit ihrem jeweiligen Scannergehäuse 5, 6 unmittelbar oder, wie in dem abgebildeten Ausführungsbeispiel, mittelbar miteinander verbunden sein.
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Die Mehrkopf-Laseranlage 1 kann einen hier nicht dargestellten Trägerrahmen aufweisen, an dem die Fertigungsscanner 2, 3, insbesondere lösbar, befestigt sind. Die Fertigungsscanner 2, 3 bilden somit zueinander eine starre Einheit und können folglich zueinander keine Relativbewegungen durchführen.
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Jeder dieser Fertigungsscanner 2, 3 kann einen Laserstrahl 7, 8 führen. Dieser trifft jeweils in einem Prozessort 9, 10 auf dem Objekt 4, insbesondere auf dessen Objektoberfläche 11, auf. Die Fertigungsscanner 2, 3 weisen jeweils Mittel auf, mittels denen der Prozessort 9, 10 des jeweiligen Fertigungsscanners 2, 3 innerhalb eines Arbeitsfeldes 12, 13 bewegbar ist. Die Arbeitsfelder 12, 13 der Fertigungsscanner 2, 3 sind insbesondere in 2 gut ersichtlich, in der eine Sensoreinheit 15 der Mehrkopf-Laseranlage 1 – auf die in der nachfolgenden Beschreibung noch detailliert eingegangen wird – inaktiv ist. Gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel überlappen sich die beiden Arbeitsfelder 12, 13 der Fertigungsscanner 2, 3 teilweise in einem Überlappungsbereich 14.
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In einem hier nicht dargestellten Ausführungsbeispiel können die Arbeitsfelder 12, 13 zweier benachbarter Fertigungsscanner 2, 3 aber auch ebenso unmittelbar aneinander angrenzen. Infolgedessen würden diese keinen gemeinsamen Überlappungsbereich 14 aufweisen. Auch können die Arbeitsfelder 12, 13 zweier benachbarter Fertigungsscanner 2, 3 voneinander beabstandet sein. Infolgedessen wäre zwischen diesen ein bearbeitungsfreier Bereich ausgebildet, in den keiner der beiden Prozessorte 9, 12 bewegbar wäre.
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Im Folgenden werden die Fertigungsscanner 2, 3 beschrieben, die zueinander im Wesentlichen identisch aufgebaut sind. Aus Gründen der Übersichtlichkeit ist deshalb lediglich einer der beiden mit Bezugszeichen versehen. Die Fertigungsscanner 2, 3 umfassen, wie bereits vorstehend erwähnt, jeweils ein separates Scannergehäuse 5, 6. In dieses Scannergehäuse 5, 6 ist von einer hier nicht dargestellten Laserstrahlquelle ein Laserstrahl 7, 8 einbringbar. Dieser interagiert innerhalb des Scannergehäuses 5, 6 mit mehreren optischen Elementen 16, 17, 18, 19. Es kann entweder eine Laserstrahlquelle pro Fertigungscanner vorhanden sein oder ein von einer Laserstrahlquelle kommender Laserstrahl kann, z.B. mit Hilfe von Strahlteilungsmitteln, in Teilstrahlen aufgeteilt werden, die dann in die einzelnen Fertigungsscanner eingebracht werden.
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Gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel trifft der eingebrachte Laserstrahl 7 zunächst auf ein optisches Element 16. Dieses kann zur Verschiebung des Fokus entlang der Strahlrichtung in Längsrichtung des Laserstrahlengangs verschiebbar ausgebildet sein. Anschließend trifft der Laserstrahl 7 auf einen Laser-Umlenkspiegel 17. Des Weiteren umfasst der Fertigungsscanner 2, 3 einen drehbaren Laser-Scannerspiegel 18. Dieser ist um zumindest eine Drehachse derart drehbar gelagert, dass der Prozessort 9 in x- und/oder y-Richtung innerhalb des Arbeitsfeldes 12 bewegbar ist. Dies kann beispielsweise erreicht werden indem der Laser-Scannerspiegel mit einem Galvanometerantrieb gekoppelt ist. Gemäß dem dargestellten Ausführungsbeispiel kann der Fertigungsscanner 2, 3 hierfür einen einzigen drehbaren Laser-Scannerspiegel 18 aufweisen, der um mehrere Drehachsen drehbar gelagert ist. Hiermit ist der Prozessort 9 zweidimensional bewegbar.
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Alternativ kann der Fertigungsscanner 2, 3 in einem hier nicht dargestellten Ausführungsbeispiel aber auch mehrere bewegliche Laser-Scannerspiegel 18 umfassen, die jeweils für Auslenkung des Prozessortes 9, 10 in Richtung einer einzigen Koordinate zuständig sind.
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Gemäß 1 umfasst der Fertigungsscanner 2, 3 ferner ein Objektiv 19 zum Fokussieren des Laserstrahls 7, 8 auf die Objektoberfläche 11. Zusätzlich kann der Fertigungsscanner 2, 3 aber auch noch weitere optische Elemente aufweisen. Des Weiteren kann deren Anordnung zueinander von dem vorliegenden Ausführungsbeispiel abweichen. So ist es beispielsweise denkbar, dass das Objektiv 19 auch vor dem Laser-Scannerspiegel 18 angeordnet ist. Des Weiteren kann der Fertigungsscanner 2, 3, wie bereits vorstehend erwähnt, auch mehrere bewegliche Laser-Scannerspiegel 18 aufweisen, die jeweils um zumindest eine Achse beweglich gelagert sind. Die Drehachsen der beiden beweglichen Laser-Scannerspiegel 18 können zueinander unterschiedlich ausgerichtet sein, insbesondere derart, dass der Laser-Scannerspiegel 18 vorzugsweise für eine einzige Bewegungsdimension des Prozessortes 9, 10 zuständig ist.
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Gemäß dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel kann mittels des Fertigungsscanners 2, 3 der jeweilige Prozessort 9, 10 somit zumindest zweidimensional, d.h. in x- und y-Richtung, innerhalb des jeweils zugeordneten Arbeitsfeldes 12, 13 bewegt werden. Des Weiteren kann der Fokus der Laserstrahlen 7, 8 bzw. der Prozessorte 9, 10 in z-Richtung mittels der verschiebbaren Linse 16 beeinflusst werden.
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Wie bereits vorstehend erwähnt, umfasst die Mehrkopf-Laseranlage 1 zumindest eine Sensoreinheit 15. Die Sensoreinheit 15 ist immer zumindest zwei Fertigungsscannern 2, 3 zugeordnet. Wenn die Mehrkopf-Laseranlage 1 mehr als zwei Fertigungsscanner 2, 3 umfasst, kann diese auch mehrere Sensoreinheiten 15 aufweisen, die jeweils unterschiedlichen Fertigungsscannern und/oder zumindest teilweise den gleichen Fertigungsscannern zugeordnet sind.
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Die Sensoreinheit 15 umfasst gemäß 1 und 3 ein von den Scannergehäusen 5, 6 separates Sensorgehäuse 20. Gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel ist die Sensoreinheit 15 zwischen den beiden Fertigungsscannern 2, 3 angeordnet. Hierbei sind die beiden Fertigungsscanner 2, 3 an zwei gegenüberliegenden Seiten des Sensorgehäuses 20, insbesondere lösbar, befestigt.
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In einem hier nicht dargestellten Ausführungsbeispiel kann die Sensoreinheit 15 aber auch an der Unterseite der zumindest die beiden Fertigungsscanner 2, 3 umfassenden Fertigungseinheit angeordnet sein. Hierdurch kann die Sensoreinheit 15 sehr leicht und schnell an der Fertigungseinheit montiert sowie demontiert werden.
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Die Sensoreinheit 15 bildet zusammen mit den Fertigungsscannern 2, 3 eine starre Einheit aus. Diese kann gegenüber dem Objekt 4 optional translatorisch in x- und/oder y-Richtung bewegt werden. Alternativ dazu kann die die Fertigungsscanner 2, 3 und die zumindest eine Sensoreinheit 15 umfassende Einheit auch ortsfest ausgebildet sein. Ferner kann auch das Objekt 4 bzw. ein hier nicht dargestellter Objektträger gegenüber der Einheit translatorisch bewegbar sein.
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Gemäß 1 und 3 umfasst die Sensoreinheit 15 einen optischen Sensor 21. Mittels diesem ist ein Analysebereich 22 auf der Objektoberfläche 11 erfassbar. Der optische Sensor 21 ist vorzugsweise ein Bildsensor, beispielsweise eine Kamera. Die Größe des Analysebereiches 22 ist somit vom Öffnungswinkel der Kamera und/oder von den in dem Sensorstrahlengang 23 angeordneten optischen Elementen 25, 27, 28, 29 abhängig.
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Wie aus 1 und 3 hervorgeht, ist der Analysebereich 22 des optischen Sensors 21, d. h. derjenige Erfassungsbereich, in dem der optische Sensor 21 zu einem konkreten Zeitpunkt Daten erfassen kann, kleiner ausgebildet als das Analysefeld 24 und die jeweiligen Arbeitsfelder 12, 13.
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Um in einem im Vergleich zum Analysebereich 22 größeren Analysefeld 24 Daten erfassen zu können, umfasst die Sensoreinheit 15 ein in den Sensorstrahlengang 23 eingekoppeltes schwenkbares optisches Führungselement 25, mittels dem der Analysebereich 22 innerhalb des gewünschten Analysefeldes 24 bewegbar ist. Das Analysefeld 24 überlappt gemäß 1 zumindest teilweise mit den beiden Arbeitsfeldern 12, 13 der Fertigungsscanner 2, 3.
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Wie insbesondere in 1 ersichtlich ist, entspricht die Größe des Analysefeldes 24 der Vereinigungsmenge der beiden Arbeitsfelder 12, 13. Alternativ dazu ist es aber auch ebenso denkbar, dass sich das Analysefeld 24 nur auf einen Teilbereich von einem der beiden oder aber auch von beiden Arbeitsfeldern 12, 13 erstreckt. Für zusätzliche Anwendungen, insbesondere zur Genauigkeitsverbesserung des Bearbeitungs- und/oder Herstellungsprozesses, zur Prozessüberwachung und/oder zur Qualitätsüberprüfung bietet es sich jedoch an, das Analysefeld 24 auf die gesamte von den beiden Fertigungsscannern 2, 3 zu bearbeitende Fläche, d.h. sowohl auf das erste Arbeitsfeld 12 als auch auf das zweite Arbeitsfeld 13, zu erstrecken.
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Der Sensorstrahlengang 23 ist in der schematischen Darstellung vereinfacht als gestrichelte Linie dargestellt. Zum Bewegen des Analysebereiches 22 innerhalb des Analysefeldes 24 ist dem optischen Sensor 21 das drehbare optische Führungselement 25 vom Objekt 4 ausgehend vorgeschalten. Das optische Führungselement 25 ist gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel als schwenkbarer Sensor-Scannerspiegel 26 ausgebildet. Die Sensoreinheit 15 umfasst demnach einen Sensorscanner oder ist als ein solcher ausgebildet.
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Der Sensor-Scannerspiegel 26 ist vorzugsweise hinsichtlich seiner mechanischen Beweglichkeit und/oder hinsichtlich seiner Anordnung zu weiteren optischen Elementen, wie z.B. Linsen, Umlenkspiegeln und/oder Objektiven, wie die vorstehend beschriebenen Varianten des Laser-Scannerspiegels 18 ausgebildet. Demnach kann die als Sensorscanner ausgebildete Sensoreinheit 15 gemäß dem dargestellten Ausführungsbeispiel einen einzigen Sensor-Scannerspiegel 26 umfassen, der vorzugsweise um mehrere Drehachsen beweglich, d.h. insbesondere drehbar und/oder schwenkbar, ausgebildet ist. Hierdurch kann aufgrund der insbesondere lotrecht zueinander ausgerichteten Drehachsen der Analysebereich 22 sowohl in x- als auch in y-Richtung bewegt werden.
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Alternativ oder zusätzlich ist es aber auch ebenso möglich, dass die Sensoreinheit 15 mehrere, beispielsweise zwei, derartige optische Führungselemente 25 aufweist. Diese sind dann im Sensorstrahlengang 23 hintereinander geschalten bzw. angeordnet. Ferner sind diese vorzugsweise jeweils nur um eine einzige Drehachse schwenkbar. Dies kann beispielsweise erreicht werden indem jedes optische Führungselement mit jeweils einem Galvanometerantrieb gekoppelt ist. Die Drehachsen der beiden Sensor-Scannerspiegel sind zueinander ferner windschief ausgerichtet. Hierdurch können der eine Sensor-Scannerspiegel zur Bewegung des Analysebereiches 22 in x-Richtung und der andere Sensor-Scannerspiegel zur Bewegung des Analysebereiches 22 in y-Richtung ausgebildet sein.
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Gemäß 1 weist die Sensoreinheit 15 einen Sensorumlenkspiegel 27 auf, mittels dem der Sensorstrahlengang 23 im Inneren des Sensorgehäuses 20 gefaltet ist. Hierdurch kann die Sensoreinheit 15 sehr bauraumsparend ausgebildet werden.
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Gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel umfasst die Sensoreinheit 15 des Weiteren ein dem beweglichen optischen Führungselement 25 bzw. Sensor-Scannerspiegel 26 nachgelagertes – d.h. in Bezug auf den Sensorstrahlengang 23 vom Analysebereich 22 ausgehend nachgeschaltenes – erstes optisches Element 28. Hierbei kann es sich beispielsweise gemäß dem dargestellten Ausführungsbeispiel um eine Linse handeln. Diese kann ferner in Axialrichtung, d. h. in Richtung des Sensorstrahlengangs 23, verschiebbar sein. Beispielsweise kann hierdurch die Position des Fokus des Sensorstrahlengangs 23 in z-Richtung verändert werden.
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Des Weiteren umfasst die Sensoreinheit 15 gemäß 1 ein zweites optisches Element 29, dass dem Sensor-Scannerspiegel 26 vom Analysebereich 22 ausgehend vorgeschalten ist bzw. vom optischen Sensor 21 ausgehend nachgeschalten ist. Das zweite optische Element 29 kann beispielsweise ein Objektiv sein.
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Die Anordnung sowie Anzahl der in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel dargestellten optischen Elemente 27, 28, 29 kann von dem dargestellten Ausführungsbeispiel abweichen. So ist es beispielsweise auch denkbar, dass das Objektiv in Bezug zum Sensorstrahlengang 23 zwischen dem Sensor-Scannerspiegel 26 und dem optischen Sensor 21 angeordnet ist. Des Weiteren kann der optische Sensor 21 auch ebenso unmittelbar, d.h. zumindest ohne dazwischen angeordnete Linse und/oder Objektiv, auf das bewegliche optische Führungselement 25 ausgerichtet sein.
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Wie insbesondere aus 1 hervorgeht, ist das Analysefeld 24 in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel größer ausgebildet als die jeweiligen Arbeitsfelder 12, 13 der Fertigungsscanner 2, 3. Infolgedessen weist die Sensoreinheit 15 im Vergleich zu den Fertigungsscannern 2, 3 einen größeren Auslenkwinkel auf. Das optische Führungselement 25 der Sensoreinheit 15 ist somit im Vergleich zu dem jeweiligen Laser-Scannerspiegel 18 um einen größeren Winkel schwenkbar.
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Es ist vorteilhaft, wenn der Sensor-Scannerspiegel 26 mittels eines hier nicht dargestellten Motors, insbesondere eines Encoder-Motors, ansteuerbar ist, der im Vergleich zum Motor des Laser-Scannerspiegels 18 eine höhere Geschwindigkeit und/oder Genauigkeit, insbesondere Feinjustierbarkeit, aufweist. Auch kann die Beschichtung des Sensor-Scannerspiegels 26 im Vergleich zum Laser-Scannerspiegel 18 unterschiedlich ausgebildet sein, wobei diese insbesondere an die Wellenlänge des optischen Sensors 21 angepasst ist.
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Wie bereits vorstehend erwähnt, ist es vorteilhaft, wenn der optische Sensor 21 als Bildsensor, insbesondere Kamera, ausgebildet ist. In diesem Fall kann die Sensoreinheit 15 eine hier nicht dargestellte Bildverarbeitungseinheit aufweisen und/oder mit einer solchen zur Datenübertragung kommunizieren, so dass die jeweils zu einem bestimmten Zeitpunkt von der Kamera im Analysebereich 22 erfassten Bilddaten von der Bildverarbeitungseinheit analysiert werden können. Die Sensoreinheit 15 kann demnach einen Sensorscanner und eine Bildverarbeitungseinheit umfassen. Bei der Bildverarbeitungseinheit kann es sich um eine eigenständige Recheneinheit handeln, die vorzugsweise räumlich mit dem Sensorscanner gekoppelt ist, so dass diese zusammen montierbar und demontierbar sind. Alternativ oder zusätzlich kann die Bildverarbeitungseinheit aber auch durch eine Steuerung und/oder Recheneinheit der Fertigungsscanner 2, 3 gebildet sein.
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Die Sensoreinheit 15 kann beispielsweise Teil eines Kalibriersystems zum Kalibrieren der beiden Fertigungsscanner 2, 3 sein. Hierbei können in einem Arbeitsschritt jeder der beiden Fertigungsscanner 2, 3 sowie die beiden Fertigungsscanner 2, 3 zueinander kalibriert werden. In einem diesbezüglichen Kalibrierungsverfahren wird in einem ersten Schritt mittels der Fertigungsscanner 2, 3 ein Referenzobjekt 4, z.B. eine Referenzplatte bearbeitet und dabei mit einem Muster versehen. Die Steuerung der Fertigungsscanner 2, 3 erfolgt dabei gemäß einem vorgegebenen Soll-Muster. In einem zweiten Schritt wird dann mittels der Sensoreinheit 15 das von den Fertigungsscannern 2, 3 tatsächlich erstellte Ist-Muster erfasst, wobei zwischen beiden Schritten weder die bearbeiteten Platten noch die Sensoreinheit bewegt wird, wodurch eine sehr genaue Vermessung der Muster ermöglicht wird. Zur Erfassung der Ist-Muster wird der Analysebereich 22 an viele Positionen innerhalb des Analysefeldes 24 bewegt, an denen jeweils Daten erfasst werden. Die Positionen werden so gewählt, dass an jeder Stelle des Ist-Musters mindestens einmal Daten erfasst werden und das Ist Muster wird aus den an allen Positionen erfassen Daten zusammengesetzt. Ist der optische Sensor beispielsweise als Bildsensor ausgebildet und mit einer Bildverarbeitungseinheit verbunden so werden an vielen Positionen Bilddaten erfasst, die dann mittels der Bildverarbeitungseinheit zu einem Gesamtbild des Ist-Musters zusammengesetzt werden. Mittels einer Recheneinheit und/oder der Bildverarbeitungseinheit wird ein entsprechender Ist-/Sollwertabgleich vorgenommen und ein Korrekturwert berechnet. Dieser wird anschließend in der Steuereinheit der Mehrkopf-Laseranlage 1 hinterlegt und bei der anschließenden Bearbeitung und/oder Herstellung berücksichtigt, so dass jeder der Fertigungsscanner kalibriert ist und die Arbeitsfelder der Fertigungsscanner 2, 3 exakt aufeinander eingestellt sind.
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Vor dem Kalibrieren der Fertigungsscanner kann, falls erforderlich, zuerst die Sensoreinheit selbst kalibriert werden. Zu diesem Zweck wird ein Referenzobjekt, insbesondere eine Referenzplatte, die ein hoch-präzises und bekanntes Referenzmuster aufweist, in die Anlage eingebracht. Das Referenzobjekt wird mittels der Sensoreinheit erfasst. Die Kalibrierung der Sensoreinheit erfolgt dann, analog zum oben beschriebenen, basierend auf dem erfassten Muster und dem bekannten Referenzmuster.
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Zum Ermitteln des Ist-Musters kann der Analysebereich 22 beispielsweise entlang einer Analysebahn geführt werden. Beispielsweise ist es denkbar, dass der Analysebereich 22 zeilenweise oder mäanderförmig den relevanten Bereich des Analysefeldes 24 abfährt, in dem das Ist-Muster vermutet wird. Auch kann das Analysefeld 24 immer vollständig abgescannt werden.
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Abgesehen von der Kalibrierung des Systems kann die Sensoreinheit 15 aber auch im laufenden Betrieb der Mehrkopf-Laseranlage 1 eingesetzt werden. Demnach kann der Analysebereich 22 unter Kenntnis der zu bearbeitenden Soll-Bahn dem jeweiligen Prozessort 9, 10 vorausgeführt werden. Hierdurch kann die Positionsgenauigkeit des Prozessortes 9, 10 durch einen entsprechenden Regelkreis verbessert werden, z.B. wenn erkannt wird, dass die reale Position einer zu bearbeitenden Kontur von der erwarteten Position einer zu bearbeitenden Kontur abweicht. Zusätzlich oder alternativ ist es ebenso auch denkbar, den Analysebereich 22 genau mit dem Prozessort 9, 10 mitzuführen, um den eigentlichen Bearbeitungs- und/oder Herstellungsprozess zu überwachen. Des Weiteren kann der Analysebereich 22 dem Prozessort 9, 10 auch nachgeführt werden. Hierdurch kann nachträglich die Qualität des Bearbeitungs- und/oder Herstellungsprozesses überprüft werden.
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Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die dargestellten und beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt. Abwandlungen im Rahmen der Patentansprüche sind ebenso möglich wie eine Kombination der Merkmale, auch wenn diese in unterschiedlichen Ausführungsbeispielen dargestellt und beschrieben sind.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Mehrkopf-Laseranlage
- 2
- erster Fertigungsscanner
- 3
- zweiter Fertigungsscanner
- 4
- Objekt
- 5
- erstes Scannergehäuse
- 6
- zweites Scannergehäuse
- 7
- erster Laserstrahl
- 8
- zweiter Laserstrahl
- 9
- erster Prozessort
- 10
- zweiter Prozessort
- 11
- Objektoberfläche
- 12
- erstes Arbeitsfeld
- 13
- zweites Arbeitsfeld
- 14
- Überlappungsbereich
- 15
- Sensoreinheit
- 16
- Linse
- 17
- Laserumlenkspiegel
- 18
- Laser-Scannerspiegel
- 19
- Objektiv
- 20
- Sensorgehäuse
- 21
- optischer Sensor
- 22
- Analysebereich
- 23
- Sensorstrahlengang
- 24
- Analysefeld
- 25
- optisches Führungselement
- 26
- Sensor-Scannerspiegel
- 27
- Sensorumlenkspiegel
- 28
- erstes optisches Element
- 29
- zweites optisches Element
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102012110646 A1 [0002]
