DE102015106618B4

DE102015106618B4 - Verfahren zur Anpassung der Fokuslage in einer laserbasierten Werkzeugmaschine und Werkzeugmaschine

Info

Publication number: DE102015106618B4
Application number: DE102015106618.1A
Authority: DE
Inventors: Stefan Dörr
Original assignee: Trumpf Laser und Systemtechnik GmbH
Current assignee: Trumpf Laser und Systemtechnik GmbH
Priority date: 2015-04-29
Filing date: 2015-04-29
Publication date: 2017-04-13
Anticipated expiration: 2035-04-30
Also published as: DE102015106618A1

Abstract

Verfahren zur Anpassung der Fokuslage in einer laserbasierten Werkzeugmaschine (11) für den Ausgleich einer laserleistungsabhängigen Fokuslagenverschiebung (Δf) in einem Strahlführungssystem (15) mit den Schritten: Bereitstellen einer vom Strahlführungssystem (15) abhängigen Kenngröße (TLK, D*) der Fokuslagenverschiebung (Δf) als gemessene Größe für das Strahlführungssystem (15) in Form einer Strahlführungskonstante gegeben durch D* = ΔfλM2/(ZRπΔP) oder eines Lastkoeffizienten gegeben durch TLK = (ΔfBPP/(ZRΔP))100%, mit Δf: gemessene Fokuslagenverschiebung, λ: Wellenlänge des Lasersystems, M2: Beugungsmaßzahl, ZR: Rayleigh-Länge und ΔP: vorliegende Leistungsänderung sowie BPP: Strahlparameterprodukt (gegeben durch BPP = λM2/π), Bereitstellen eines einzustellenden Laserleistungswertes (P), Bestimmen (31) einer vorzunehmenden Fokuslagenänderung (Δz) mit der vom Strahlführungssystem (15) abhängigen Kenngröße (TLK, D*) für den einzustellenden Laserleistungswert (P) zum Ausgleich der laserleistungsabhängigen Fokuslagenverschiebung (Δf) und Einstellen (35) einer korrigierten Fokuslage (zkorr) unter Berücksichtigung der bestimmten Fokuslagenänderung (Δz).

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Fokuslagenanpassung, insbesondere ein Verfahren zum Anpassen der Fokuslage bei der laserbasierten Materialbearbeitung. Ferner betrifft die Erfindung eine Werkzeugmaschine.
Beim Einsatz von Laser mit hoher Leistung und insbesondere hoher Strahlqualität können optische Elemente im Strahlführungssystem aufgrund einer Teilabsorption von Laserstrahlung ihre Brennweiten verändern. Die Teilabsorption kann z. B. zu einer Erwärmung eines optischen Elements und dadurch zur Ausbildung einer thermischen Linse führen. So kann sich z. B. bei Quarzlinsen der Brennpunkt (d. h. die Fokuslage) und damit bei der laserbasierten Materialbearbeitung die Bearbeitungszone aus dem Werkstück heraus oder in das Werkstück hinein verschieben, so dass ein Bearbeitungsprozess zu stoppen oder ein Prozessfenster/-bereich, in dem eine qualitativ hochwertige Bearbeitung möglich ist, einzuschränken ist.
Es ist bekannt, thermisch induzierte Brennweitenänderungen zu kompensieren. Beispielsweise kann ein Laserstrahl bei der Materialbearbeitung online in seiner Lage diagnostiziert werden, so dass regelungstechnisch einer Fokuslagenverschiebung gegengesteuert werden kann. Derartige beispielsweise temperaturbasierte Systeme sind aus GB 2 354 845 A1 und EP 1 637 272 A1 bekannt.
DE 10 2007 039 878 A1 und DE 11 2009 000 774 T5 offenbaren weitere Verfahren zur Fokuslagen-Stabilisierung. Insbesondere offenbart DE 11 2009 000 774 T5 eine Prozesssteuervorrichtung, die eine Fokusposition eines Laserstrahls steuert, während eine Laserprozessierungsvorrichtung mit Strahlumlenkungselementen, insbesondere einer Fokuspositionssteuereinheit, eine Laserbearbeitung durchführt. Dabei wird ein Änderungsbetrag einer Positionsabweichung der Fokusposition basierend auf einer Größenordnung der Ausgabe des Laserstrahls anhand eines thermischen Linseneffekts berechnet. Ferner offenbart DE 10 2007 039 878 A1 eine Fokuslagen-Stabilisierung, bei der eine notwendige Korrektur über eine momentane Leistung des Laserstrahls berechnet oder durch einen Autofokus-Sensor bestimmt wird.
Ferner können in speziell ausgelegten Strahlengängen optische Elemente verwendet werden, die zumindest teilweise eine passive Kompensation der Fokuslagenverschiebung bewirken. Ein derartiges Kompensieren ist z. B. in WO 2011/127356 A2 offenbart.
Einem Aspekt der vorliegenden Offenbarung liegt die Aufgabe zugrunde, ein einfaches und leicht zu implementierendes Konzept zur Anpassung der Fokuslage bereitzustellen. Weiteren Aspekten dieser Offenbarung liegen die Aufgaben zugrunde, eine Nachrüstbarkeit eines derartigen Konzepts oder eine Anpassung an transientes Verhalten bei thermisch basierten Brennweitenänderungen zu ermöglichen.
Zumindest eine dieser Aufgaben wird gelöst durch ein Verfahren zur Anpassung der Fokuslage in einer laserbasierten Werkzeugmaschine nach Anspruch 1 und durch eine Werkzeugmaschine nach Anspruch 8. Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen angegeben.
In einem Aspekt weist ein Verfahren zur Anpassung der Fokuslage in einer laserbasierten Werkzeugmaschine für den Ausgleich einer laserleistungsabhängigen Fokuslagenverschiebung in einem Strahlführungssystem die Schritte Bereitstellen einer vom Strahlführungssystem abhängigen Kenngröße einer Fokuslagenverschiebung, Bereitstellen eines einzustellenden Laserleistungswertes, Bestimmen einer vorzunehmenden Fokuslagenänderung mit der vom Strahlführungssystem abhängigen Kenngröße für den einzustellenden Laserleistungswert zum Ausgleich der laserleistungsabhängigen Fokuslagenverschiebung und Einstellen einer korrigierten Fokuslage unter Berücksichtigung der bestimmten Fokuslagenänderung.
In einem weiteren Aspekt weist eine Werkzeugmaschine eine Laserquelle, ein Strahlführungssystem, das ein Fokussierelement aufweist, und eine Verschiebeeinheit zur Einstellung einer Fokuslage bezüglich eines zu bearbeitenden Werkstücks auf. Fermer weist die Werkzeugmaschine eine Steuerungseinheit, die dazu ausgebildet ist, eine vom Strahlführungssystem abhängige Kenngröße einer Fokuslagenverschiebung bereitzustellen und in Abhängigkeit eines einzustellenden Laserleistungswertes eine vorzunehmende Fokuslagenänderung mit der vom Strahlführungssystem abhängigen Kenngröße für den einzustellenden Laserleistungswert zum Ausgleich der laserleistungsabhängigen Fokuslagenverschiebung zu bestimmen und die Verschiebeeinheit zur Einnahme einer korrigierten Fokuslage unter Berücksichtigung der Fokuslagenänderung anzusteuern.
In einigen Ausführungsformen umfasst das Verfahren ferner den Schritt des Bereitstellens eines einzustellenden Strahldurchmessers, wobei der einzustellende Strahldurchmesser insbesondere durch Bereitstellen eines einzustellenden Abbildungsverhältnisses eines Strahlführungssystems bereitgestellt wird. Entsprechend wird die vom Strahlführungssystem abhängige Kenngröße ferner in Abhängigkeit vom Strahldurchmesser bereitgestellt.
In einigen Weiterbildungen ist die laserleistungsabhängige Kenngröße eine gemessene Größe für das Strahlführungssystem, beispielsweise in Form einer Strahlführungskonstante gegeben durch D* = ΔfλM²/(Z_RπΔP) oder in Form eines Lastkoeffizienten gegeben durch TLK = (ΔfBPP/(Z_RΔP))100%. Entsprechend kann die vorzunehmende Fokuslagenänderung Δz bestimmt werden durch Δz = D*Z_RπP/(λM²) oder Δz = TLKPZ_R/(BPP·100%) oder Δz = TLKP(D₀)²1000/(4BPP²·100%).
In einigen Ausführungsformen umfasst das Verfahren ferner den Schritt des Bestimmens der einzustellenden korrigierten Fokuslage durch Korrigieren einer Bearbeitungssollwertfokuslage um die vorzunehmende Fokuslagenänderung, wobei insbesondere bei einer Leistungsänderung eine verzögerte Einnahme der einzustellenden korrigierten Fokuslage, z. B. schrittweise, linear oder spezifisch an ein transientes Verhalten angepasst, bewirkt wird. Eine einzustellende korrigierte Fokuslage kann gemäß z_korr = z_s – Δz bestimmt werden, wobei Δz die vorzunehmende Fokuslagenänderung, z_s die Sollwert-Fokuslage und z_korr die korrigierten Fokuslage sind. Sie kann insbesondere gemäß z_korr = z_s – G(t)Δz bestimmt werden, wobei G(t) ein transientes Verhalten der Ausbildung der Fokuslagenverschiebung insbesondere in Abhängigkeit einer Leistungsänderung annähert.
In einigen Ausführungsformen der Werkzeugmaschine umfasst das Strahlführungssystem eine Zoomeinheit zur Einstellung unterschiedlicher Abbildungsverhältnisse, wobei die bereitgestellte vom Strahlführungssystem abhängige Kenngröße ferner als vom Abbildungsverhältnis abhängig bereitgestellt ist, und die Steuerungseinheit ferner dazu ausgebildet ist, die vorzunehmende Fokuslagenänderung in Abhängigkeit vom eingestellten Abbildungsverhältnis zu bestimmen. Ferner kann die Verschiebeeinheit zur Verschiebung des Strahlführungssystems und/oder der Fokussieroptik und/oder einer Werkstückhalterung der Werkzeugmaschine zur Einstellung der Fokuslage ausgebildet sein.
Insbesondere wird hierin vorgeschlagen, mit Hilfe einer vorbestimmten thermischen Strahlführungskennzahl, die zu erwartende Fokuslagenverschiebung des Gesamtsystems aufgrund bekannter Parameter zu berechnen und daraus einen Korrekturwert der Soll-Fokuslage zur korrekten Einstellung der Bearbeitungszone zu bestimmen. Durch den Einsatz eines verstellbaren optischen Elements zur Veränderung der Fokuslage kann mit Hilfe eines derartigen Korrekturwerts die für den Arbeitsprozess optimale Fokuslage eingestellt bzw. beibehalten werden.
Im Unterschied zu Ansätzen, die das Fokuslagenänderungsproblem durch die Vermeidung von hohen Intensitäten auf optischen Elementen umgehen (was zu baulich großen, schweren und teuren Strahlführungssystemen führen kann) oder durch komplexe, fehleranfällig und teure Regelungs- und Überwachungssystem korrigieren, kann sich das hierin beschriebene Konzept zur Anpassung der Fokuslage sehr einfach und kostengünstig umsetzen lassen, da es z. B. auf einer (im Wesentlichen einmaligen) Vermessung des Strahlführungssystems und einer anschließenden Implementierung in die Steuerung, beispielsweise durch ein Softwareupdate, basieren kann. So kann das Konzept grundsätzlich auch in bestehenden Werkzeugmaschinen nachgerüstet werden, da insbesondere ein vorhandenes System zur laserbasierten Materialbearbeitung mit Steuerung, Antrieben und Steuerungseinheit zur Umsetzung der dargestellten Lösung genutzt werden kann.
Die hierin beschriebenen Konzepte betreffen insbesondere Werkzeugmaschinen, die eine Positionierung einer Laserbearbeitungszone zu einem Werkstück ermöglichen.
Hierin werden Konzepte offenbart, dies es erlauben, zumindest teilweise Aspekte aus dem Stand der Technik zu verbessern. Insbesondere ergeben sich weitere Merkmale und deren Zweckmäßigkeiten aus der folgenden Beschreibung von Ausführungsformen anhand der Figuren. Von den Figuren zeigen:
1A bis 1C schematische Darstellungen verschiedener Fokuslagen bei der laserbasierten Werkstückbearbeitung,
2 ein Diagramm zur Darstellung beispielhafter intensitätsabhängiger Fokuslagenverschiebungen,
3 ein beispielhaftes Kennfeld einer intensitäts- und abbildungsabhängigen Fokuslagenänderung zur Fokuslagenkorrektur,
4 eine schematische Darstellung einer laserbasierten Werkzeugmaschine mit einer Fokuslagenanpassung und
5 ein beispielhaftes Flussdiagramm für eine Anpassung der Fokuslage.
Hierin beschriebene Aspekte basieren zum Teil auf der Erkenntnis, dass anhand bekannter Parameter des Laserstrahls und der strahlführenden optischen Elemente eine Fokuslagenverschiebung in einem optischen System bei einer gewählten Leistung und einem gewählten (bekannten) Fokusdurchmesser abschätzend berechnet und entsprechend automatisiert korrigiert werden kann. Insbesondere können dabei den optischen Elementen des Strahlführungssystems ein oder mehrere Kennwerte zugeordnet werden, die eine Fokuslagenkompensation aktiv stützen.
Im Folgenden werden in Zusammenhang mit den 1A bis 1C Aspekte einer Fokuslagenverschiebung erläutert. 2 zeigt eine beispielhafte Leistungsabhängigkeit einer Fokuslagenverschiebung. 3 zeigt ein Kennfeld einer bestimmten Fokuslagenänderung in Abhängigkeit der Laserleistung und eines gewählten Abbildungsmaßstabs (Fokusdurchmessers). Die 4 und 5 verdeutlichen das Korrekturkonzept anhand eines beispielhaften Aufbaus einer Werkzeugmaschine und eines Flussdiagramms.
Wie eingangs erwähnt kann, werden Linsen mit einem Laserstrahl hoher Leistung durch – strahlt, ein (wenn auch meist geringer) Teil der Laserleistung in einem optischen Element, z. B. einer Linse, absorbiert werden. Die absorbierte Leistung kann dann in der Linse in Wärme umgesetzt werden und mit voranschreitender Erwärmung z. B. bei Quarzglas zu einer Verkürzung der effektiven Brennweite und somit zu einer Fokuslagenverschiebung des optischen Gesamtsystems führen. Ebenso können sich Umlenkspiegel aufgrund der einfallenden Laserleistung erwärmen, so dass die daraus resultierende Verformung eine ungewollte Strahldivergenzänderung bewirken und somit zu einer Fokuslagenverschiebung beitragen kann.
Die Summe derartiger Effekte in einem Strahlführungssystem kann letztlich zu einer Änderung der Leistungsdichte in der Bearbeitungszone während des Bearbeitungsprozess führen, da sich insbesondere der effektive Brennfleckdurchmesser auf dem Werkstück ändern kann.
Die 1A bis 1C verdeutlichen die Auswirkung einer Verkürzung der Brennweite bei der Materialbearbeitung. 1A zeigt den Idealfall, bei dem ein Laserstrahl 1 ein durch eine Fokussierlinse mit Brennweite f und Divergenz θ_div vereinfacht dargestelltes Strahlführungssystem 3 durchläuft und von diesem auf die Oberfläche 5 eines Werkstücks 7 fokussiert wird.
Die Fokuslage wirkt sich z. B. auf Vorgänge zum Erzeugen eines Schnittspalts aus und kann so die Form des Schnittspaltes beeinflussen. Im Fokus ist die Intensität, die Leistungsdichte, am größten. Danach weitet sich der Laserstrahl 1 wieder auf, und die Leistungsdichte nimmt ab. Beim Brennschneiden kann der Fokus z. B. in der Nähe der Materialoberfläche 5 liegen. Beim Schmelzschneiden kann er tiefer im Material liegen. Für beide Verfahren gelten z. B. für jede Materialdicke eigene Werte für die optimale Fokuslage.
Die Konstellation in 1A entspricht einer Fokuslage auf der Oberfläche 5, so dass ein effektiver Strahldurchmessers df auf dem Werkstück 7 durch den Strahldurchmesser D₀ = 2w₀ der Strahltaille gegeben ist. Entsprechend erfolgt eine Strahlaufweitung von der Strahltaille mit Strahldurchmesser D₀ bis zur Rayleigh-Länge Z_R innerhalb des zu bearbeitenden Werkstücks 7.
1B zeigt den Fall einer zusätzlichen ausgebildeten thermischen Linse, aufgrund der die Strahltaille im Abstand der Fokuslagenänderung Δf vor der Oberfläche 5 des Werkstücks 7 liegt. Es bildet sich eine entsprechend größerer effektiver Strahldurchmessers df auf der Werkstückoberfläche 5 aus und nur noch ein Teil der Rayleigh-Länge Z_R liegt innerhalb des Werkstücks 7.
1C zeigt den Fall einer noch stärker ausgeprägten thermischen Linse, aufgrund der die Strahltaille im Abstand Δf'' vor der Oberfläche 5 des Werkstücks 7 liegt. Die Rayleigh-Länge Z_R liegt als Ganzes vor dem Werkstück 7 und es bildet sich ein entsprechend noch größerer effektiver Strahldurchmessers df'' auf der Werkstückoberfläche 5 aus.
Zusammengefasst hat eine Verkürzung der Brennweite eine Änderung (eine Vergrößerung in 1B und 1C) des effektiven Strahldurchmessers df auf der Werkstückoberfläche und somit auch eine Intensitätsänderung bei der Laserbearbeitung zur Folge. Dies kann entsprechend negative Auswirkungen auf den Bearbeitungsprozess haben. Beispielsweise kann es zu einem Totalausfall des Schneid- oder Schweißprozesses führen.
Zur Beschreibung von den eingangs angesprochenen thermischen Linseneffekten kann näherungsweise eine Strahlführungskonstante D* (auch als spezifische thermische Brechkraft bezeichnet, [mm²/(mmW)]) verwendet werden. Die Strahlführungskonstante D* ist durch die Gleichung D* = ΔfλM²/(ZRπΔP) gegeben, wobei Δf die Fokuslagenverschiebung, λ die Wellenlänge, M² die Beugungsmaßzahl, Z_R die Rayleigh-Länge und ΔP eine vorliegende Leistungsänderung darstellen.
Die Fokuslagenverschiebung Δf bei einer bestimmten Leistungsänderung ΔP kann mit Strahldiagnostikgeräten meßtechnisch erfasst werden. 2 zeigt schematisch für verschiedene Abbildungskonfigurationen eine gemessene Fokuslagenverschiebung Δf in Abhängigkeit von der Laserleistung P. Man erkennt eine näherungsweise lineare Zunahme der Fokuslagenverschiebung Δf mit zunehmender Laserleistung P.
Im Rahmen des hierin offenbarten Konzepts zur Anpassung der Fokuslage kann äquivalent zur Strahlführungskonstante D* als Strahlführungskennwert ein thermischer Lastkoeffizient TLK in [% Z_R mm mrad/kW] unter Verwendung des Strahlparameterprodukts eingeführt werden: TLK = (ΔfBPP/(Z_RΔP))100%, wobei das Strahlparameterprodukt (BPP: beam parameter product) durch BPP = λM²/π gegeben ist.
Thermische Lastkoeffizienten für Strahlführungssysteme bei Laserbearbeitungsmaschinen liegen z. B. bei etwa 20% Z_R mm mrad/kW, 60% Z_R mm mrad/kW oder 110% Z_R mm mrad/kW.
Das hierin offenbarte Konzept zur Anpassung der Fokuslage verwendet die Leistungsabhängigkeit der Fokuslagenverschiebung Δf und insbesondere den thermischen Lastkoeffizienten TLK eines Strahlführungssystems als Beispiel einer vom Strahlführungssystem abhängigen Kenngröße zur Vorhersage einer zu erwartenden Fokuslagenänderung Δz bei einem bestimmten Betriebspunkt, gegeben u. a. durch eine für die Materialbearbeitung benötigte Laserleistung. Die Fokuslagenänderung Δz entspricht einer Korrekturgröße einer Sollwert-Fokuslage und ergibt sich für eine gewählte Laserleistung P aus: Δz = TLKPZ_R/(BPP·100%)
In Abhängigkeit vom gewählten Fokusdurchmesser D₀ – anstatt der Rayleigh-Länge Z_R als Eingangsparameter – ergibt sich folgende Darstellung für die Fokuslagenänderung Δz: Δz = TLKP(D₀)²1000/(1BPP²·100%)
Basierend auf der Fokuslagenänderung Δz kann anhand des variablen Parameters Laserleistung P (und anhand des Fokusdurchmesser D₀ – im Falle eines eingebauten Zooms) eine in etwa erwartete Fokuslagenverschiebung Δf für eine Strahlführungskonfiguration im Voraus bestimmt werden.
3 zeigt ein beispielhaftes Kennfeld K für eine Konfiguration eines Strahlführungssystems, das beispielsweise mittels eines Zooms mit einem Abbildungsmaßstab β von 1:1 bis 4:1 eingesetzt werden kann. Allgemein nimmt die vorzunehmende Fokuslagenänderung Δz mit der Leistung zu. Ein größerer Abbildungsmaßstab von z. B. 4:1 bedingt ferner eine kleinere Ausleuchtung von optischen Elementen, wodurch eine im Vergleich zu einem kleineren Abbildungsmaßstab von z. B. 1:1 größere thermische Linie bewirkt wird.
Das Kennfeld K kann insbesondere in üblichen Technologietabellen für verschiedene Bearbeitungsverfahren hinterlegt werden. So kann eine Technologietabelle zusätzlich zu Werten für die verschiedenen Bearbeitungsparameter wie etwa Laserleistung und Schneidgeschwindigkeit die leistungsabhängig vorzunehmende Fokuslagenänderung Δz, insbesondere den TLK-Wert als Kenngröße, aufweisen. Dabei können die hinterlegten Fokuslagenänderungen Δz u. a. auch Lasertyp (inkl. z. B. Wellenlänge und Pulsdauer) und Bearbeitungsoptiktyp (inkl. z. B. Linsenausleuchtung, Linsenbrennweite und optische Weglängen) berücksichtigen. Ferner können, da das Kennfeld K vom Aufbau der gesamten optischen Konfiguration der Strahlführung abhängen kann, z. B. auch eine Ausgangsstrahldivergenz nach der Faser, optische Weglängen zwischen den einzelnen optischen Elementen und Brennweiten zur hinreichenden Beschreibung eines spezifischen Kennfelds in einer Technologietabelle enthalten sein.
Strahlführungssysteme, die zur Bereitstellung eines festen Strahldurchmessers ausgebildet sind, können entsprechend mit einer rein leistungsabhängigen Fokuslagenänderung hinsichtlich der Fokuslagenverschiebung ausgeglichen werden.
Beispielsweise erlaubt es das in 3 dargestellte Kennfeld K für einen Laserleistungsbereich bis 8 kW bei einem eingestellten Abbildungsmaßstabs β im Bereich 1:1 bis 4:1 die zu erwartende Fokuslagenänderung Δz zu bestimmen und diese als Korrekturwert einer Sollwert-Fokuslage z_s zur Einstellung einer korrigierten Fokuslage z_korr zu verwenden. Die Sollwert-Fokuslage z_s ist der vorzunehmenden Bearbeitung und der Lage des Werkstücks zugeordnet. Dabei gilt: z_korr = z_s – Δz
Der korrigierte Fokuslagenwert z_korr wird beispielsweise an eine motorisch verschiebbare Linse (oder an einen adaptiven Spiegel) zur Einstellung der Fokuslage für den gewählten Betriebspunkt übertragen.
Es sei angemerkt, dass die Fokuslagenverschiebung insbesondere unter statischen Bedingungen gemessen werden kann, so dass die so gemessene Fokuslagenänderung ein transientes Verhalten einer thermischen Linse nicht widerspiegelt, sondern von einem quasi instantanen Übertragungsverhalten ausgeht. Sind die zeitlichen Aspekte vernachlässigbar, beispielsweise aufgrund von quasi-stationär verwendeten Laserleistungen, kann das transiente Verhalten bei der Fokuslagenkorrektur vernachlässigt werden. Alternativ kann entsprechend die Vornahme der Fokuslagenkorrektur einer entsprechenden zeitlichen Anpassung unterliegen, beispielsweise durch Überlagerung einer zeitlich kontrollierten Einnahme der korrekten Fokuslage z_korr.
So kann insbesondere bei einer Leistungsänderung eine verzögerte Einnahme der einzustellenden korrigierten Fokuslage, z. B. schrittweise, linear oder spezifisch an ein transientes Verhalten angepasst, bewirkt werden. Beispielsweise kann die Korrektur gemäß z_korr = z_s – G(t)Δz erfolgen, wobei die zeitabhängige Funktion G(t) ein transientes Verhalten der Ausbildung der Fokuslagenverschiebung insbesondere in Abhängigkeit einer Leistungsänderung annähert.
Allgemein können sich Restabweichungen bezüglich der idealen Fokuslage aufgrund einer nicht vollständigen Korrektur ergeben, wobei das hierin offenbarte Konzept zur Fokuslagenänderung die Abweichungen auf ein tolerierbares Maß reduzieren kann.

Die folgende Tabelle vergleicht bei z. B. 3 kW Laserleistung beispielhaft nicht korrigierte gemessene Fokuslagen Δz_{gemess, nicht-korr} bei unterschiedlichen Abbildungsmaßstäben (1,5:1; 2,5:1; 4:1) mit korrigierten gemessenen Fokuslagen Δz_{gemess, korr}, die mit z. B. gemäß dem Kennfeld K der 3 bestimmten Korrekturwerten Δz angepasst wurden. Die mit Hilfe des TLK-Werts berechneten Fokuslagenkorrekturwerte erlauben eine einfache Reduzierung der Fokusfehllage, beispielsweise mit einer Reduzierung der Abweichung im Bereich von 75% und mehr.

Abbildungsmaßstab	1,5:1	2,5:1	4:1
nicht-korrigierte Fokuslage Δz_{gemess, nicht-korr}	0,45	1,56	3,50
Fokuslagenänderung Δz (TLK-basiert)	0,56	1,57	4,01
Fokuslage nach Korrektur Δz_{gemess, korr}	0,12	0,01	0,52

4 zeigt beispielhaft eine schematisierte Werkzeugmaschine 11 mit einem Lasersystem 13, einem Strahlführungssystem 15 und einer Werkstückhalterung 17. Auf der Werkstückhalterung 17 ist das Werkstück 7 mit der Oberfläche 5 derart gelagert, dass ein Laserstrahl 1' des Lasersystems 13 durch das Strahlführungssystem 15 in eine Bearbeitungszone 19 geleitet wird. Die Werkzeugmaschine 11 weist ferner eine Steuerungseinheit 21 auf, die beispielsweise einen Schnittverlauf 23 durch das Werkstück 7 ansteuert, wobei der Schnitt beispielsweise mit einer Fokuslage gemäß 1A erzeugt wird.
Ferner erkennt man im Strahlführungssystem 15 eine schematisch dargestellte Zoomvorrichtung 15A (beispielsweise eine Teleskopanordnung) zur Anpassung eines Strahldurchmessers für die Einstellung eines Fokusdurchmessers sowie ein schematisch als Linse dargestelltes Fokussierelement 15B zur Fokussierung des Laserstrahls 1' in die Bearbeitungszone 19.
Die Zoomvorrichtung 15A erlaubt es z. B. unterschiedliche Abbildungsverhältnisse im Strahlführungssystem 15 einzustellen. Dadurch können unterschiedliche Fokusgrößen eingestellt werden, so dass die laserleistungsabhängige Kenngröße insbesondere ferner von der Fokusgröße, z. B. dem Abbildungsverhältnis abhängig bereitzustellen ist. Entsprechend ist die Steuerungseinheit 21 ferner dazu ausgebildet, die einzunehmende Fokuslagenänderung in Abhängigkeit vom eingestellten Abbildungsverhältnis vorzunehmen.
Zur Einstellung der Fokuslage bezüglich des Werkstücks 7 kann beispielsweise die Strahlführungseinheit 15 als Ganzes im Abstand zum Werkstück 7 verschoben werden (Verschiebeeinheit beispielhaft angedeutet durch einen Doppelpfeil 25A). Zusätzlich oder alternativ kann beispielsweise die Fokussierlinse 15B verschoben werden (Verschiebeeinheit beispielhaft angedeutet durch einen Doppelpfeil 25B). Ferner kann zusätzlich oder alternativ das Werkstück 7 beispielsweise mit Hilfe der Werkstückhalterung 17 verschoben werden (Verschiebeeinheit beispielhaft angedeutet durch einen Doppelpfeil 25C).
Die in 4 schematisch dargestellte Steuerungseinheit 21 erlaubt es, das über eine Steuerungsverbindung 27 ansteuerbare Lasersystem 13 insbesondere hinsichtlich der der Bearbeitungszone 19 zugeführten Laserleistung einzustellen. Weitere einstellbare Steuerungsparameter sind beispielsweise die Pulsdauer und die Wiederholrate von Laserpulsen im Fall von gepulsten Laserstrahlen sowie in einigen Ausführungsformen auch die Wellenlänge des Laserstrahls 1'. Ferner ist die Steuerungseinheit 21 über Steuerungsverbindungen 27 mit dem Strahlführungssystem 15 und der Werkstückhalterung 17 beispielsweise zur Einstellung der Fokusgröße und der Fokuslage bezüglich des Werkstücks 7 verbunden. Beispielsweise ist die Steuerungseinheit 21 zur Ansteuerung einer Verschiebeeinheit in der Werkstückhalterung 17 und/oder in der Strahlführungseinheit 15 ausgebildet.
Die Steuerungseinheit 21 ist insbesondere dazu ausgebildet, eine die Abhängigkeit zur Laserleistung beschreibende Kenngröße einer leistungsbedingten Fokuslagenverschiebung bereitzustellen und in Abhängigkeit eines einzustellenden Laserleistungswertes und eventuell der eingestellten optischen Konfiguration (insbesondere des Abbildungsmaßstabs) eine vorzunehmende Fokuslagenänderung für den einzustellenden Laserleistungswert zum Ausgleich der laserleistungsabhängigen Fokuslagenverschiebung zu bestimmen.
Beispielsweise weist die Steuerungseinheit 21 ein Computersystem auf, in dem für verschiedene optische Konfigurationen Kennfelder mit einer oder mehrerer die Abhängigkeit zur Laserleistung beschreibende Kenngrößen abgelegt sind, die je nach optischer Konfiguration zum Einstellen einer korrigierten Fokuslage zur Berücksichtigung der thermischen Fokuslagenverschiebung herangezogen werden können. Zusätzlich oder ergänzend können funktionale Beschreibungen der Fokuslagenverschiebung und/oder eines transienten Verhaltens in der Steuerungseinheit 21 hinterlegt sein.
5 zeigt ein beispielhaftes Flussdiagramm zur Erläuterung von Verfahrensschritten für die Anpassung der Fokuslage beispielsweise in einer laserbasierten Werkzeugmaschine gemäß 4.
Für die Bestimmung einer vorzunehmenden Fokuslagenänderung Δz (Schritt 31) werden zum einen eine von der optischen Konfiguration abhängige Kenngröße wie z. B. ein thermischer Lastkoeffizient TLK und/oder eine Strahlführungskonstante D* hinsichtlich einer auszugleichenden Fokuslagenverschiebung sowie ein einzustellender Laserleistungswert wie z. B. die Laserleistung des Lasersystems 13 in 4 bereitgestellt. Ferner kann beispielsweise ein einzustellender Strahldurchmesser D₀ als Eingangsparameter der Bestimmung (Schritt 31) bereitgestellt werden.
Hinsichtlich der von der optischen Konfiguration abhängigen Kenngröße zeigt 5 schematisch eine Messung (Schritt 33), in der für ein spezifisches Strahlführungssystem die leistungsabhängige Fokuslagenverschiebung gemessen werden kann.
Als Ergebnis des Schritts 31 wird eine vorzunehmende Fokuslagenänderung Δz ausgegeben und bei der Einstellung einer korrigierten Fokuslage (Schritt 35) berücksichtigt.
Die Einstellung der korrigierten Fokuslage erfolgt beispielsweise durch Positionieren von Werkstück 7 und/oder Fokussierelement 15B, bzw. allgemein durch Anpassen des Strahlführungssystems 15.
Ferner kann bei der Einstellung der korrigierten Fokuslage ein transientes Verhalten berücksichtigt werden.
Wie bereits oben beschrieben kann zusammenfassend folgendes beispielhaftes Vorgehen bei der Anpassung der Fokuslage gewählt werden:

1. Aufnahme der Fokuslagen-Charakteristik (Fokuslagenverschiebung) eines optischen Systems über die Leistung (siehe 2).
2. Berechnung eines für das optische System typischen Kennwerts, z. B. TLK-Werts (siehe 3).
3. Implementierung der Bestimmung der leistungsabhängigen Fokuslagenänderung Δz in die Maschinensteuerung zur Berechnung des korrigierten Fokuslagenwerts.
4. Einstellung des korrigierten Fokuslagenwerts beispielsweise mit Hilfe eines motorisch verstellbaren optischen Elements.

Ferner kann alternativ zur Verwendung des Kennfelds K eine Hinterlegung einer Korrekturgröße beispielsweise in Form einer fokusdurchmesserabhängigen Proportionalitätskonstante erfolgen, die es erlaubt, in Abhängigkeit von Laserleistung und Fokusdurchmesser die Fokuslagenänderung Δz zu bestimmen.
Insbesondere kann das hier beschriebene Konzept der Fokuslagenanpassung bei Laserschneid- und Laserschweißmaschinen sowie bei Lasermaschinen zur generischen Fertigung von Bauteilen (bspw. mit Hilfe von Pulverwerkstoffen) eingesetzt werden.

Claims

Verfahren zur Anpassung der Fokuslage in einer laserbasierten Werkzeugmaschine (11) für den Ausgleich einer laserleistungsabhängigen Fokuslagenverschiebung (Δf) in einem Strahlführungssystem (15) mit den Schritten: Bereitstellen einer vom Strahlführungssystem (15) abhängigen Kenngröße (TLK, D*) der Fokuslagenverschiebung (Δf) als gemessene Größe für das Strahlführungssystem (15) in Form einer Strahlführungskonstante gegeben durch D* = ΔfλM²/(Z_RπΔP) oder eines Lastkoeffizienten gegeben durch TLK = (ΔfBPP/(Z_RΔP))100%, mit Δf: gemessene Fokuslagenverschiebung, λ: Wellenlänge des Lasersystems, M²: Beugungsmaßzahl, Z_R: Rayleigh-Länge und ΔP: vorliegende Leistungsänderung sowie BPP: Strahlparameterprodukt (gegeben durch BPP = λM²/π), Bereitstellen eines einzustellenden Laserleistungswertes (P), Bestimmen (31) einer vorzunehmenden Fokuslagenänderung (Δz) mit der vom Strahlführungssystem (15) abhängigen Kenngröße (TLK, D*) für den einzustellenden Laserleistungswert (P) zum Ausgleich der laserleistungsabhängigen Fokuslagenverschiebung (Δf) und Einstellen (35) einer korrigierten Fokuslage (z_korr) unter Berücksichtigung der bestimmten Fokuslagenänderung (Δz).
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die vom Strahlführungssystem (15) abhängige Kenngröße (TLK, D*) in Abhängigkeit vom Strahldurchmesser (D₀) bereitgestellt wird und das Verfahren ferner den Schritt Bereitstellen eines einzustellenden Strahldurchmessers (D₀) aufweist.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei die vorzunehmende Fokuslagenänderung (Δz) bestimmt wird durch Δz = D*Z_RπP/(λM²) oder Δz = TLKPZ_R/(BPP·100%) oder Δz = TLKP(D₀)²1000/(4BPP²·100%), mit Δz: vorzunehmende Fokuslagenänderung.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner mit dem Schritt Bestimmen der einzustellenden korrigierten Fokuslage (z_korr) durch Korrigieren einer Bearbeitungssollwertfokuslage (z_s) um die vorzunehmende Fokuslagenänderung (Δz).
Verfahren nach Anspruch 4, wobei bei einer Leistungsänderung eine verzögerte Einnahme der einzustellenden korrigierten Fokuslage (z_korr) schrittweise, linear oder spezifisch an ein transientes Verhalten angepasst bewirkt wird.
Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, wobei die einzustellende korrigierte Fokuslage (z_korr) bestimmt wird durch z_korr = z_s – Δz, mit Δz: vorzunehmende Fokuslagenänderung, z_s: Sollwert-Fokuslage und z_korr: korrigierten Fokuslage oder durch z_korr = z_s – G(t)Δz, wobei G(t) ein transientes Verhalten der Ausbildung der Fokuslagenverschiebung (Δf) annähert.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die vom Strahlführungssystem (15) abhängige Kenngröße (TLK, D*) in Form einer Funktion oder eines Kennfelds bereitgestellt wird.
Werkzeugmaschine (11) mit einer Laserquelle (13), einem Strahlzuführungssystem (15), das ein Fokussierelement (15B) aufweist, einer Einstelleinheit (25A, 25B, 25C) zur Einstellung einer Fokuslage bezüglich eines zu bearbeitenden Werkstücks (5) und einer Steuerungseinheit (21), die dazu ausgebildet ist, eine vom Strahlführungssystem (15) abhängige Kenngröße (TLK, D*) einer Fokuslagenverschiebung (Δf) als gemessene Größe für das Strahlführungssystem (15) in Form einer Strahlführungskonstante gegeben durch D* = ΔfλM²/(Z_RπΔP) oder eines Lastkoeffizienten gegeben durch TLK = (ΔfBPP/(Z_RΔP))100%, mit Δf: gemessene Fokuslagenverschiebung, λ: Wellenlänge des Lasersystems, M²: Beugungsmaßzahl, Z_R: Rayleigh-Länge und ΔP: vorliegende Leistungsänderung sowie BPP: Strahlparameterprodukt (gegeben durch BPP = λM²/π) bereitzustellen und in Abhängigkeit eines einzustellenden Laserleistungswertes (P) eine vorzunehmende Fokuslagenänderung (Δz) mit der vom Strahlführungssystem (15) abhängigen Kenngröße (TLK, D*) für den einzustellenden Laserleistungswert (P) zum Ausgleich der laserleistungsabhängigen Fokuslagenverschiebung (Δf) zu bestimmen und die Einstelleinheit (25A, 25B, 25C) zur Einnahme einer korrigierten Fokuslage (z_korr) unter Berücksichtigung der Fokuslagenänderung (Δz) anzusteuern.
Werkzeugmaschine (11) nach Anspruch 8, wobei das Strahlführungssystem (15) eine Zoomeinheit (15A) zur Einstellung unterschiedlicher Abbildungsverhältnisse (β) aufweist und die bereitgestellte laserleistungsabhängige Kenngröße (TLK, D*) ferner als vom Abbildungsverhältnis abhängig bereitgestellt ist, und die Steuerungseinheit (21) ferner dazu ausgebildet ist, die vorzunehmende Fokuslagenänderung (Δz) in Abhängigkeit vom eingestellten Abbildungsverhältnis (β) zu bestimmen.
Werkzeugmaschine (11) nach Anspruch 8 oder Anspruch 9, wobei die Einstelleinheit (25A, 25B, 25C) zur Verschiebung und/oder Einstellung des Strahlführungssystems (15) zur Einstellung der Fokuslage ausgebildet ist.