DE102018105364A1

DE102018105364A1 - Vorrichtung zur Bestimmung einer Fokuslage eines Laserstrahls in einem Laserbearbeitungssystem, Laserbearbeitungssystem mit derselben und Verfahren zur Bestimmung einer Fokuslage eines Laserstrahls in einem Laserbearbeitungssystem

Info

Publication number: DE102018105364A1
Application number: DE102018105364.9A
Authority: DE
Inventors: David Blázquez-Sánchez
Original assignee: Precitec GmbH and Co KG
Current assignee: Precitec GmbH and Co KG
Priority date: 2018-03-08
Filing date: 2018-03-08
Publication date: 2019-09-12
Anticipated expiration: 2038-03-09
Also published as: WO2019170412A1; US11673207B2; JP2020531292A; CN111247403B; CN111247403A; DE102018105364B4; US20200254561A1; EP3649447A1; JP6963680B2

Abstract

Die vorliegende Offenbarung betrifft eine Vorrichtung (200) zur Bestimmung einer Fokuslage (F) eines Laserstrahls (10) in einem Laserbearbeitungssystem (100). Die Vorrichtung (200) umfasst ein optisches Element (210), das für eine Reflektion eines Teils des Laserstrahls (10) zum Auskoppeln eines ersten Substrahls (12) des Laserstrahls (10) eingerichtet ist, einen ortsauflösenden Sensor (230), auf den der erste Substrahl (12) lenkbar ist, und eine Auswerteeinheit (240), die eingerichtet ist, um auf Basis eines Ist-Durchmessers des auf den ortsauflösenden Sensor (230) treffenden ersten Substrahls (12), einer Laserstrahlleistung und Kalibrierdaten eine Fokuslage (F) des Laserstrahls (10) zu bestimmen.

Description

Die vorliegende Offenbarung betrifft eine Vorrichtung zur Bestimmung einer Fokuslage eines Laserstrahls in einem Laserbearbeitungssystem oder einem Laserbearbeitungskopf, wie beispielsweise einem Schneid- oder Schweißkopf, ein Laserbearbeitungssystem mit einer solchen Vorrichtung und ein Verfahren zur Bestimmung einer Fokuslage eines Laserstrahls in einem Laserbearbeitungssystem. Die vorliegende Offenbarung betrifft insbesondere die Bestimmung und Korrektur einer Fokuslage eines Bearbeitungslaserstrahls in Echtzeit.
Stand der Technik
In einer Vorrichtung zur Materialbearbeitung mittels Laser, z.B. in einem Laserbearbeitungskopf etwa zum Laserschweißen oder Laserschneiden, wird der von einer Laserlichtquelle oder einem Ende einer Laserleitfaser austretende Laserstrahl mit Hilfe einer Strahlführungs- und Fokussierungsoptik auf das zu bearbeitende Werkstück fokussiert oder gebündelt. Standardmäßig wird ein Laserbearbeitungskopf mit einer Kollimator-Optik und einer Fokussierungsoptik verwendet, wobei das Laserlicht über eine Lichtleitfaser zugeführt wird.
Ein Problem bei der Lasermaterialbearbeitung ist die sogenannte „thermische Linse“, die auf die Erwärmung von optischen Elementen zur Laserstrahlführung- und fokussierung durch die Laserleistung, insbesondere im Multi-Kilowatt-Bereich und auf die Temperaturabhängigkeit der Brechzahl optischer Gläser zurückzuführen ist. Die thermische Linse führt bei der Lasermaterialbearbeitung zu einer Fokusverschiebung entlang der Strahlausbreitungsrichtung, die sich negativ auf die Bearbeitungsqualität auswirken kann.
Während des Lasermaterialbearbeitungsprozesses treten in erster Linie zwei Mechanismen auf, die zu einer Erwärmung der optischen Elemente führen. Ursächlich hierfür sind zum einen eine Erhöhung der Laserleistung und zum anderen eine Verschmutzung der optischen Elemente. Weiterhin ist es möglich, dass die optischen Elemente eine mechanische Deformation erfahren, die zu einer Änderung der Brennkraft führt. Die mechanische Deformation kann beispielsweise durch eine thermische Ausdehnung der Fassung der optischen Elemente hervorgerufen werden.
Um eine qualitativ hochwertige Laserbearbeitung sicher zu stellen, ist es erforderlich die jeweilige Fokuslage zu erfassen und die Fokuslagenverschiebung auszugleichen, also eine schnelle und genaue Fokuslagenregelung bereitzustellen.
Eine thermische Linse führt nicht nur zu einer Fokusverschiebung, sondern auch zu einer Verschlechterung der Strahlqualität, und kann beispielsweise Abbildungsfehler verursachen. Dies hat eine Änderung der gesamten Strahlkaustik, wie z.B. eines Fokusdurchmessers, zur Folge. Die Ermittlung der Fokuslage durch einen einfachen Vergleich mit Referenzwerten ist deswegen unpräzise. Insbesondere kann dies keine Vermessung und Regelung der Fokuslage in Echtzeit darstellen.
Die DE 10 2007 053 632 B4 beschreibt ein Verfahren zur online Strahlanalyse, dadurch gekennzeichnet, dass an einer reflektierenden Oberfläche eines lotrecht zum Hauptstrahl befindlichen optischen Elements ein definierter Prozentsatz eines in eine Bearbeitungszone mit Fokus geleiteten Strahles koaxial rückreflektiert wird, und dieser rückreflektierte Teilstrahl durch einen Strahlteiler vom Hauptstrahl separiert wird, so dass der rückreflektierte Teilstrahl während eines Bearbeitungsprozesses zur Strahlanalyse zur Verfügung steht, und Strahleigenschaften des rückreflektierten Teilstrahls analysiert werden.
Offenbarung der Erfindung
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Offenbarung, eine Vorrichtung zur Bestimmung einer Fokuslage eines Laserstrahls in einem Laserbearbeitungssystem, ein Laserbearbeitungssystem mit einer solchen Vorrichtung und eine Verfahren zur Bestimmung einer Fokuslage eines Laserstrahls in einem Laserbearbeitungssystem anzugeben, die eine aktuelle Fokuslage eines Laserstahls zuverlässig bestimmen können. Insbesondere ist es eine Aufgabe der vorliegenden Offenbarung, eine Fokuslage eines Laserstrahls während eines Laserbearbeitungsprozesses in Echtzeit zu bestimmen und einzustellen.
Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
Gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung ist eine Vorrichtung zur Bestimmung einer Fokuslage eines Laserstrahls in einem Laserbearbeitungssystem angegeben. Die Vorrichtung umfasst ein optisches Element, das für eine Reflektion eines Teils des Laserstrahls zum Auskoppeln eines ersten Substrahls des Laserstrahls eingerichtet ist, einen ortsauflösenden Sensor, auf den der erste Substrahl lenkbar ist, und eine Auswerteeinheit, die eingerichtet ist, um auf Basis eines Ist-Durchmessers des auf den ortsauflösenden Sensor treffenden ersten Substrahls, einer Laserstrahlleistung und von der Laserstrahlleistung abhängigen Kalibrierdaten eine Fokuslage des Laserstrahls zu bestimmen. Das optische Element ist im Strahlengang des Laserstrahls angeordnet.
Gemäß weiteren Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung ist eine Vorrichtung zur Bestimmung einer Fokuslage eines Laserstrahls in einem Laserbearbeitungssystem angegeben. Die Vorrichtung umfasst ein optisches Element, das für eine Reflektion eines Teils des Laserstrahls zum Auskoppeln eines ersten Substrahls des Laserstrahls eingerichtet ist; einen ortsauflösenden Sensor zur Erfassung einer Intensitätsverteilung des ersten Substrahls; und eine Auswerteeinheit, die eingerichtet ist, um basierend auf der erfassten Intensitätsverteilung einen Ist-Durchmesser des ersten Substrahls zu ermitteln, und aus dem Ist-Durchmesser, einer Laserstrahlleistung und Kalibrierdaten eine Ist-Fokuslage des Laserstrahls zu bestimmen. Die Vorrichtung kann zur Fokuslagenkontrolle in Echtzeit eingerichtet sein.
Bevorzugte, optionale Ausführungsformen und besondere Aspekte der Offenbarung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen, den Zeichnungen und der vorliegenden Beschreibung.
Erfindungsgemäß wird mit Hilfe eines gemessenen Durchmessers eines Rückreflexes, der momentanen Laserleistung und leistungsabhängigen Kalibrierdaten für den Durchmesser die Fokuslage in Echtzeit berechnet. Basierend darauf kann die Fokuslage eingestellt werden, damit die Fokuslage beispielsweise einer Soll-Fokuslage entspricht. Die Daten des ortsauflösenden Sensors können zudem weitere Diagnosen erlauben. Zum Beispiel wird die Leistungsverteilung beeinflusst, wenn eine Optik deutlich verschmutz ist, wobei auf dem ortsauflösenden Sensor dann ein Hotspot erkennbar sein kann. Eine andere Möglichkeit ist eine Erkennung einer falschen Montage von Optikkomponenten (z.B. eine falschrum angeschraubte Linse) durch einen Vergleich von (Soll-) Leistungsverteilungen bzw. Strahldurchmessern für eine bestimmte Laserleistung.
Vorzugsweise ist das optische Element ein transmissives optisches Element. Das transmissive optische Element kann für eine Transmission eines ersten Teils des Laserstrahls und eine Reflektion wenigstens eines zweiten Teils des Laserstrahls eingerichtet sein. Der beispielsweise von einer Fläche des Elements reflektierte zweite Teil des Laserstrahls kann den ersten Substrahl bilden. Damit wird ein Teil des Laserstrahls, der ein Bearbeitungslaserstrahl sein kann, aus dem Laserstrahl ausgekoppelt und für eine Bestimmung der Fokuslage des Laserstrahls verwendet.
Gemäß Ausführungsformen weist das optische Element eine erste Fläche und eine der ersten Fläche gegenüberliegende zweite Fläche auf, wobei die erste Fläche eingerichtet ist, um den ersten Substrahl zu reflektieren und die zweite Fläche eingerichtet ist, um einen zweiten Substrahl des Laserstrahls zu reflektieren, und wobei die Vorrichtung eingerichtet ist, dass nur der erste Substrahl auf den ortsauflösenden Sensor gelenkt wird. Anders gesagt kann nur ein einzelner Rückreflex des optischen Elements auf den ortsauflösenden Sensor gelenkt werden bzw. nur ein einziger Durchmesser für das Bestimmen der aktuellen Fokuslage verwendet werden.
Der zweite Substrahl kann auf verschieden Arten eliminiert werden. Hierfür kann mindestens eine Fläche des optischen Elements eine Beschichtung zur Verstärkung oder zur Verringerung einer Reflexion aufweisen. In einem weiteren Beispiel kann das optische Element eine hinreichende Dicke aufweisen, so dass die Reflexe von beiden Flächen des optischen Elements auf zuverlässige Weise räumlich getrennt werden können, damit nur ein Rückreflex auf den ortsauflösenden Sensor trifft. Die vorliegende Offenbarung ist jedoch nicht hierauf begrenzt, und es können andere Arten zum Trennen der beiden Rückreflexe verwendet werden, wie beispielsweise ein Strahlteiler.
In einigen Ausführungsformen ist das optische Element bezüglich einer optischen Achse des Laserbearbeitungssystems verkippt angeordnet. Beispielsweise kann das optische Element bezüglich der optischen Achse um etwa 45° oder weniger verkippt angeordnet sein, damit der erste Substrahl bzw. Rückreflex vom Strahlengang des Laserstrahls weg und hin zum ortsauflösenden Sensor gelenkt werden kann. Beispielsweise kann der erste Substrahl ein Rückreflex der letzten bzw. hinteren Fläche (also der strahlausgangsseitigen bzw. der dem ortsauflösenden Sensor abgewandten Seite) des optischen Elements sein und kann mit Hilfe der Verkippung auf den ortsauflösenden Sensor gerichtet werden.
Gemäß manchen Ausführungsformen umfasst die Vorrichtung einen Leistungssensor, der eingerichtet ist, um die Laserstrahlleistung des Laserstrahls zu messen oder bestimmen. Der Leistungssensor kann die momentane bzw. aktuelle Laserstrahlleistung (auch als „Laserleistung“ bezeichnet) messen oder bestimmen. Alternative kann die Vorrichtung eine Datenschnittstelle umfassen, über die Daten bezüglich der aktuellen Laserstrahlleistung empfangen werden können. In diesem Fall kann das Laserbearbeitungssystem den Leistungssensor umfassen, der über die Datenschnittstelle mit der Vorrichtung kommunizieren kann, um die Daten bezüglich der aktuellen Laserstrahlleistung an die Auswerteeinheit zu liefern.
Typischerweise ist die Auswerteeinheit weiter eingerichtet, um einen Soll-Durchmesser des ersten Substrahls basierend auf der aktuellen Laserstrahlleistung, einer Soll-Fokuslage und den Kalibrierdaten, die gemessene Strahldurchmesser in Abhängigkeit der Laserleistung sein können, zu bestimmen. Anders gesagt kann bestimmt werden, wie groß der Durchmesser des Substrahls sein müsste. Durch einen Vergleich mit dem Ist-Durchmesser bzw. der Soll-Fokuslage mit der Ist-Fokuslage kann eine Regelung der Fokuslage erfolgen. Beispielsweise kann die Regelung derart erfolgen, dass der Ist-Durchmesser im Wesentlichen dem Soll-Durchmesser entspricht, wodurch die Ist-Fokuslage im Wesentlichen der Soll-Fokuslage entspricht.
Das optische Element kann gemäß Ausführungsformen in einem Fokusbereich des Laserstrahls angeordnet sein. Insbesondere kann das optische Element zwischen einer Fokussier-Optik und einer Fokuslage (oder einem Bearbeitungsbereich des Laserstrahls, wie beispielsweise einem Werkstück) angeordnet sein.
Vorzugsweise ist das optische Element ein Schutzglas. Das Schutzglas kann strahlausgangsseitig an einem Laserbearbeitungssystem, wie beispielsweise einem Laserbearbeitungskopf, angeordnet sein. Das Schutzglas kann vorhanden sein, um die (optischen) Elemente innerhalb des Laserbearbeitungssystems, und insbesondere die Fokussier-Optik, vor Verschmutzungen zu schützen, die z.B. durch Spritzer oder Schmauch verursacht werden können.
Gemäß Ausführungsformen kann die Vorrichtung eine Optik zum Abbilden des ersten Substrahls auf den ortsauflösenden Sensor und/oder wenigstens einen optischen Filter für den Substrahl und/oder eine Umlenkvorrichtung für den Substrahl aufweisen. Der optische Filter kann die Rückreflexe optisch filtern, so dass für die Detektion geeignete bzw. optimale Wellenlängen oder Wellenlängenbereiche den ortsauflösenden Sensor erreichen. Hierdurch kann beispielsweise ein Untergrund oder ein Rauschen im Sensorsignal reduziert werden. Der optische Filter kann auch dazu eingerichtet sein, eine Signalstärke für den ortsauflösenden Sensor anzupassen. Die Umlenkvorrichtung kann den Rückreflex Umlenken, beispielsweise mittels einem oder mehrerer Spiegel oder einem oder mehreren Strahlteilern, damit der Rückreflex auf den ortsauflösenden Sensor gelenkt wird.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Offenbarung ist ein Laserbearbeitungssystem angegeben. Das Laserbearbeitungssystem umfasst eine Laservorrichtung zum Bereitstellen eines Laserstrahls, eine Fokussier-Optik zum Fokussieren des Laserstrahls auf ein Werkstück und die zuvor beschriebene Vorrichtung zur Bestimmung einer Fokuslage eines Laserstrahls in einem Laserbearbeitungssystem. Das Laserbearbeitungssystem kann ein Laserschneidkopf oder ein Laserschweißkopf sein.
Vorzugsweise umfasst das Laserbearbeitungssystem eine Kollimator-Optik zum Kollimieren des von der Laservorrichtung bereitgestellten Laserstrahls. Insbesondere kann das optische Element der Vorrichtung zur Bestimmung einer Fokuslage in einem Fokusbereich der Fokussier-Optik, also im Strahlengang nach der Fokussier-Optik, angeordnet sein. Anders gesagt kann das optische Element der Vorrichtung strahlausgangsseitig nach der Fokussier-Optik angeordnet sein.
Gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung ist ein Verfahren zur Bestimmung einer Fokuslage eines Laserstrahls in einem Laserbearbeitungssystem angegeben. Das Verfahren umfasst ein Auskoppeln eines Rückreflexes eines optischen Elements, das in einem Strahlengang des Laserstrahls angeordnet ist, ein Bestimmen eines Durchmessers des Rückreflexes, und ein Bestimmen einer Fokuslage des Laserstrahls basierend auf einem Ist-Durchmesser des Rückreflexes, einer Laserstrahlleistung und Kalibrierdaten.
Gemäß weiteren Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung ist ein Verfahren zur Bestimmung einer Fokuslage eines Laserstrahls in einem Laserbearbeitungssystem angegeben. Das Verfahren umfasst Auskoppeln eines Rückreflexes bzw. eines Substrahls eines optischen Elements, das in einem Strahlengang des Laserstrahls angeordnet ist; Erfassen einer ortsaufgelösten Intensitätsverteilung des Rückreflexes; Bestimmen eines Ist-Durchmessers des Rückreflexes aus der erfassten Intensitätsverteilung; und Bestimmen einer Ist-Fokuslage des Laserstrahls basierend auf dem Ist-Durchmesser des Rückreflexes, einer Laserstrahlleistung und Kalibrierdaten.
Vorzugsweise umfasst das Verfahren ein Bestimmen eines Soll-Durchmessers des Rückreflexes des Laserstrahls basierend auf einer Soll-Fokuslage, der Laserstrahlleistung und den Kalibrierdaten. Das Bestimmen des Soll-Durchmessers kann weiter eine Extrapolation oder Interpolation der Kalibrierdaten umfasst. Durch ein Vergleichen des Ist-Durchmessers und des Soll-Durchmessers kann ein Einstellen der Fokuslage erfolgen. Beispielsweise kann die Fokuslage durch einen entsprechenden Mechanismus angepasst werden, damit der gemessene Durchmesser (also die Ist-Fokuslage) dem Soll-Durchmesser (also der Soll-Fokuslage) entspricht.
Das Verfahren kann die Merkmale und Eigenschaften der Vorrichtung zur Bestimmung einer Fokuslage eines Laserstrahls in einem Laserbearbeitungssystem und des Laserbearbeitungssystems gemäß den hier beschriebenen Ausführungsformen umfassen und implementieren.
Figurenliste
Ausführungsbeispiele der Offenbarung sind in den Figuren dargestellt und werden im Folgenden näher beschrieben. Es zeigen:

1 ein Laserbearbeitungssystem mit einer Vorrichtung zur Bestimmung einer Fokuslage eines Laserstrahls in einem Laserbearbeitungssystem gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung,
2 ein Detail der Vorrichtung zur Bestimmung einer Fokuslage eines Laserstrahls in einem Laserbearbeitungssystem sowie eine Kollimator- und Fokussier-Optik des Laserbearbeitungssystems gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung, und
3 Kalibrierdaten, die gemäß den Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung für die Bestimmung der aktuellen Fokuslage und die Korrektur der Fokuslage verwendet werden.

Ausführungsformen der Offenbarung
Im Folgenden werden, sofern nicht anders vermerkt, für gleiche und gleichwirkende Elemente gleiche Bezugszeichen verwendet.
1 zeigt ein Laserbearbeitungssystem 100 gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung. 2 zeigt ein Detail der Vorrichtung 200 zur Bestimmung der Fokuslage F sowie eine Kollimator- und Fokussier-Optik 115, 120 des Laserbearbeitungssystems 100.
Das Laserbearbeitungssystem 100 kann einen Bearbeitungskopf 101, wie beispielsweise einen Schneidkopf oder Schweißkopf, umfassen oder ein solcher Bearbeitungskopf 101 sein. 1 zeigt beispielhaft einen geraden Aufbau des Laserbearbeitungssystems 100 bzw. des Strahlengangs des Laserstrahls 10. Selbstverständlich kann aber auch ein gewinkelter Aufbau, z.B. mit einem Winkel von 90°, verwendet werden. Zum Zwecke der Übersichtlichkeit ist der Laserstrahl 10 in der 1 lediglich angedeutet und sein Strahlengang nicht vollständig dargestellt.
Das Laserbearbeitungssystem 100 umfasst eine Laservorrichtung 110 zum Bereitstellen eines Laserstahls 10 (auch als „Bearbeitungsstrahl“ oder „Bearbeitungslaserstrahl“ bezeichnet). Die Laservorrichtung 110 kann eine Lichtleitfaser umfassen oder eine Lichtleitfaser sein, über die der Laserstrahl 10 in den Bearbeitungskopf 101 geliefert wird. Das Laserbearbeitungssystem 100 kann eine Kollimator-Optik 115, wie beispielsweise eine Kollimatorlinse oder ein Zoomsystem mit mehreren Linsen, zur Kollimation des Laserstrahls 10 aufweisen. Der Laserstrahl 10 kann von der Laservorrichtung 110 über eine optionale optische Vorrichtung 140, die ein Schutzglas vor der Kollimator-Optik, eine Linse oder eine Blende oder eine Kombination davon sein kann, zur Kollimator-Optik 115 laufen.
Typischerweise umfasst das Laserbearbeitungssystem 100 eine Fokussier-Optik 120, wie beispielsweise eine Fokuslinse zur Fokussierung des Laserstrahls 10 auf ein Werkstück 1. Die Kollimator-Optik 115 und die Fokussier-Optik 120 können in den Bearbeitungskopf 101 integriert sein. Beispielsweise kann der Bearbeitungskopf 101 ein Kollimator-Modul umfassen, das in den Bearbeitungskopf 101 integriert oder am Bearbeitungskopf 101 montiert ist.
Das Laserbearbeitungssystem 100 oder Teile davon, wie beispielsweise der Bearbeitungskopf 101, kann gemäß Ausführungsformen entlang einer Bearbeitungsrichtung 20 bewegbar sein. Die Bearbeitungsrichtung 20 kann eine Schweißrichtung und/oder eine Bewegungsrichtung des Laserbearbeitungssystems 100, wie beispielsweise des Bearbeitungskopf 101, bezüglich des Werkstücks 1 sein. Insbesondere kann die Bearbeitungsrichtung 20 eine horizontale Richtung sein. Die Bearbeitungsrichtung 20 kann auch als „Vorschubrichtung“ bezeichnet werden.
Das Laserbearbeitungssystem 100 bzw. der Laaerbearbeitungskopf 101 umfasst die Vorrichtung 200 für eine Bestimmung einer Fokuslage des Laserstrahls 10 gemäß den Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung. Die in 1 und 2 dargestellte Vorrichtung 200 umfasst mindestens ein optisches Element 210, das für eine Reflektion eines Teils des Laserstrahls 10 zum Auskoppeln eines ersten Substrahls 12 des Laserstrahls 10 eingerichtet ist, einen ortsauflösenden Sensor 230, auf den der erste Substrahl 12 lenkbar ist, und eine Auswerteeinheit 240, die eingerichtet ist, um auf Basis eines Ist-Durchmessers des auf den ortsauflösenden Sensor 230 treffenden ersten Substrahls 12, einer Laserstrahlleistung und/oder Kalibrierdaten eine Fokuslage F des Laserstrahls 10 zu bestimmen. Alternativ kann die optische Vorrichtung 200 mehrere optische Elemente umfassen, die jeweils mindestens einen Substrahl des Laserstrahls auskoppeln.
Das optische Element 210 ist im Strahlengang des Laserstrahls 10 angeordnet und koppelt einen Teil des Laserstrahls 10, der den ersten Substrahl 12 bildet, aus dem Laserstrahl 10 aus. Das optische Element 210 kann in einem Winkel, beispielsweise einem Winkel ungleich 90° oder einem Winkel von ungefähr 45° zur optischen Achse bzw. der Laserstrahlausbreitungsrichtung angeordnet sein. Als optisches Element 210 kann ein Schutzglas o.ä. vorgesehen sein. Erfindungsgemäß wird der aktuelle Durchmesser des ersten Substrahls 12 gemessen, und mit Hilfe der aktuellen Laserstrahlleistung und der Kalibrierdaten die aktuelle Fokuslage bestimmt. Damit kann eine Fokuslage des Laserstrahls in Echtzeit (online) bestimmt und korrigiert werden. Insbesondere kann ein System zur Lasermaterialbearbeitung bereitgestellt werden, das in bautechnisch kompakter und modularer Weise eine Fokuslagenmessung in Echtzeit und dadurch auch eine Regelung der Fokuslage in Echtzeit ermöglicht.
Der ortsauflösende Sensor 230 kann angeordnet sein, damit der erste Substrahl 12 im Wesentlichen senkrecht auf eine Sensorebene 232 des ortsauflösenden Sensors 230 trifft. Beispielsweise kann die Sensorebene 232 des ortsauflösenden Sensors 230 im Wesentlichen parallel zum optischen Element 210 ausgerichtet sein. Damit kann eine Verzerrung des Durchmessers vermieden werden. Der Querschnitt des ersten Substrahls 12 kann im Wesentlichen kreis- oder ringförmig sein, ist jedoch nicht hierauf begrenzt. Die Kalibrierdaten könne für beliebige geeignete Formen und Durchmesser bestimmt werden, wie beispielsweise kreisförmige Formen und/oder ovale Formen des Substrahls. Für nicht ganz kreisrunde Formen oder ovale Formen kann beispielsweise ein mittlerer Durchmesser berechnet und verwendet werden.
Als ortsauflösender Sensor 230 kann jeder Sensor eingesetzt werden, mit dem beispielsweise ein Durchmesser des auf den ortsauflösenden Sensor 230 auftreffenden Strahls, also der Substrahlen, ermittelt werden kann. Beispielsweise wird als ortsauflösender Sensor 230 eine Kamera eingesetzt, deren Sensorfläche beispielsweise von einem CCD-Sensor gebildet wird. Der Sensor 230 kann dazu eingerichtet sein, eine Intensitätsverteilung des auftreffenden Substrahls 12 zu erfassen. Daraus kann eine Auswerteeinheit den aktuellen Durchmesser des Substrahls 12 ermitteln.
Die Fokuslage F des Laserstrahls 10 kann im Wesentlichen parallel zu einer optischen Achse 2 des Laserbearbeitungssystems 100 definiert sein bzw. bestimmt werden. In der 1 ist die Fokuslage F beispielhaft oberhalb einer Oberfläche des Werkstücks 1 dargestellt. Das Laserbearbeitungssystem 100 kann gemäß Ausführungsformen einen Mechanismus 150 zum Einstellen der Fokuslage umfassen. Basierende auf der durch die Vorrichtung 200 ermittelten Fokuslage F kann der Mechanismus 150 die Fokuslage F einstellen. Zum Beispiel kann die Fokuslage F so eingestellt werden, dass sie einer Soll-Fokuslage beispielsweise in einem Bereich des Werkstücks 1, wie an einer Oberfläche oder innerhalb des Werkstücks 1, entspricht. Der Mechanismus 150 zum Einstellen der Fokuslage F kann beispielsweise einen Stellantrieb umfassen, der zur Fokuslageregelung zumindest ein optisches Element der Strahlführungsoptik verschiebt, wie beispielsweise die Kollimator-Optik 115 und/oder die Fokussier-Optik 120.
Das optische Element 210 der Vorrichtung 200 kann in einem Fokusbereich der Fokussier-Optik 120, also im Strahlengang des Laserstrahls 10 im Anschluss an die Fokussier-Optik 120 bzw. nachgelagert zur Fokussier-Optik 120, angeordnet sein. Insbesondere kann das optische Element 210 zwischen der Fokussier-Optik 120 und der Fokuslage F angeordnet sein. Typischerweise ist das optische Element 210 zwischen der Fokussier-Optik 120 und einer Strahldüse 130 angeordnet, um das Innere des Bearbeitungskopfes 101 und insbesondere die Fokussier-Optik 120 vor Verschmutzungen zu schützen.
In einigen Ausführungsformen ist das optische Element 210 ein transmissives optisches Element. Das transmissive optische Element kann für eine Transmission eines ersten Teils des Laserstrahls 10 und eine Reflektion wenigstens eines zweiten Teils des Laserstrahls 10 eingerichtet sein. Der erste Teil des Laserstrahls 10 kann zur Materialbearbeitung auf das Werkstück 1 gelenkt werden. Der zweite Teil des Laserstrahls kann aus dem Strahlengang ausgekoppelt und für die Bestimmung der Fokuslage F des Laserstrahls 10 verwendet werden. Anders gesagt sind die Substrahlen bzw. Rückreflexe des Laserstrahls 10 ausgekoppelte Teile oder Strahlteile des Laserstrahls 10, der auch als „Hauptstrahl“ bezeichnet wird.
Typischerweise ist das optische Element 210 aus Glas, und kann insbesondere ein Schutzglas sein. Das Schutzglas kann strahlausgangsseitig an der Strahldüse 130 angeordnet sein. Das Schutzglas kann vorhanden sein, um die (optischen) Elemente innerhalb des Laserbearbeitungssystems, und insbesondere die Fokussier-Optik 120, vor Verschmutzungen zu schützen, die z.B. durch Spritzer oder Schmauch verursacht werden können.
Das optische Element 210 weist eine erste Fläche 212 und eine der ersten Fläche 212 gegenüberliegende zweite Fläche 214 auf. Die Flächen können Planflächen sein. Typischerweise verlaufen die erste Fläche 212 und die zweite Fläche 214 im Wesentlichen parallel zueinander. Der erste Substrahl 12 kann von der ersten Fläche 212 oder der zweiten Fläche 214 reflektiert werden. Insbesondere kann der erste Substrahl 12 kann von der ersten Fläche 212 des optischen Elements 210 reflektiert werden. Die erste Fläche 212 kann eine strahlausgangsseitig zeigende Fläche sein, kann also der Fokuslage F zugewandt sein. Anders gesagt kann die erste Fläche 212 des optischen Elements 210 eine dem ortsauflösenden Sensor 230 abgewandte Fläche sein (z.B. eine hintere Fläche des optischen Elements 210).
Gemäß Ausführungsformen ist die erste Fläche 212 eingerichtet, um den ersten Substrahl 12 zu reflektieren und die zweite Fläche ist eingerichtet, um einen zweiten Substrahl (nicht gezeigt) des Laserstrahls zu reflektieren. Die Vorrichtung 200 kann eingerichtet sein, so dass nur der erste Substrahl 12 auf den ortsauflösenden Sensor 230 gelenkt wird. Anders gesagt kann nur ein einzelner Rückreflex auf den ortsauflösenden Sensor 230 gelenkt werden bzw. nur ein einziger Durchmesser für das bestimmen der Fokuslage verwendet werden.
Der zweite Substrahl kann auf verschieden Arten eliminiert werden. In einem Beispiel kann das optische Element 210 eine hinreichende Dicke aufweisen, so dass die Reflexe von beiden Flächen des optischen Elements 210 auf zuverlässige Weise räumlich getrennt werden können, damit nur ein Rückreflex auf den ortsauflösenden Sensor trifft. Alternativ oder zusätzlich kann auch die erste und/oder die zweite Fläche 212, 214 eine Beschichtung aufweisen, die eine Reflektionseigenschaft verstärkt bzw. abschwächt. Die vorliegende Offenbarung ist jedoch nicht hierauf begrenzt, und es können andere Arten zum Trennen der beiden Rückreflexe verwendet werden, wie beispielsweise ein Strahlteiler oder Filter.
In einigen Ausführungsformen ist das optische Element 210 bezüglich der optischen Achse 2 des Laserbearbeitungssystems 100 verkippt angeordnet. Beispielsweise kann das optische Element 210 bezüglich der optischen Achse 2 um etwa 45° oder weniger verkippt angeordnet sein, damit der erste Substrahl 12 bzw. Rückreflex vom Strahlengang des Laserstrahls 10 weg und hin zum ortsauflösenden Sensor 230 gelenkt werden kann. Die vorliegende Offenbarung ist jedoch nicht hierauf begrenzt und das optische Element 210 kann im Wesentlichen senkrecht zur optischen Achse 2 des Laserbearbeitungssystems 100 ausgerichtet sein. Insbesondere können die erste Fläche 212 und die zweite Fläche 214 im Wesentlichen senkrecht zur optischen Achse 2 ausgerichtet sein. Der erste Substrahl 12 kann in einem solchen Fall über eine geeignete Umlenkvorrichtung, wie z.B. einem Strahlteiler, hin zum ortsauflösenden Sensor 230 gelenkt werden.
Gemäß manchen Ausführungsformen umfasst die Vorrichtung 200 ein Mittel zum Erfassen der aktuellen Laserstrahlleistung. Die Vorrichtung 200 oder das Laserbearbeitungssystem 100 bzw. der Laserbearbeitungskopf kann beispielsweise einen Leistungssensor 220 aufweisen, der eingerichtet ist, um die Laserstrahlleistung des Laserstrahls 10 zu messen oder bestimmen. Der Leistungssensor 220 kann die momentane bzw. aktuelle Laserstrahlleistung messen oder bestimmen. Alternativ kann die Vorrichtung 200 eine Datenschnittstelle umfassen, über die Daten bezüglich der aktuellen Laserstrahlleistung beispielsweise von der Laservorrichtung 110 oder einer Steuerung des Laserbearbeitungssystems 100 bzw. des Laserbearbeitungskopfs empfangen werden können.
Typischerweise ist die Auswerteeinheit 240 weiter eingerichtet, um einen Soll-Durchmesser des ersten Substrahls 12 basierend auf der aktuellen Laserstrahlleistung, einer Soll-Fokuslage und Kalibrierdaten, die gemessene Strahldurchmesser in Abhängigkeit der Laserleistung sein können, zu bestimmen. Anders gesagt kann während des Bearbeitungsprozesses bestimmt werden, wie groß der Durchmesser des Substrahls für eine gegebene Laserstrahlleistung und Fokuslage sein müsste. Des Weiteren kann die Auswerteeinheit 240 eingerichtet sein, eine aktuelle Fokuslage in Echtzeit unter Verwendung von den Kalibrierdaten und erfassten oder ermittelten aktuellen bzw. momentanen Daten zu bestimmen. Diese momentanen Daten können den momentanen Strahldurchmesser, der basierend auf den Daten des ortsauflösenden Sensors ermittelt wird, und momentane Leistungsdaten umfassen, die entweder durch einen Leistungssensor 220 erfasst oder über eine Schnittstelle zu Verfügung gestellt werden. Durch einen Vergleich des Soll-Durchmessers mit dem Ist-Durchmesser bzw. der Soll-Fokuslage mit der Ist-Fokuslage kann eine Regelung der Fokuslage erfolgen. Beispielsweise kann die Regelung derart erfolgen, dass der Ist-Durchmesser im Wesentlichen dem Soll-Durchmesser entspricht, wodurch die Ist-Fokuslage im Wesentlichen der Soll-Fokuslage entspricht. Diese Vorgänge können zumindest teilweise oder vollständig während eines Laserbearbeitungsprozesses durchgeführt werden.
In manchen Ausführungsformen kann die Vorrichtung 200 eine Optik zum Abbilden der Rückreflexe, wie beispielsweise des ersten Substrahls 12, auf den ortsauflösenden Sensor 230 aufweisen. In weiteren Ausführungsformen umfasst die Vorrichtung 200 optional wenigstens einen optischen Filter für die Rückreflexe, wie beispielsweise den ersten Substrahl 12. Der optische Filter kann die Rückreflexe optisch Filtern, so dass für die Detektion geeignete bzw. optimale Wellenlängen den ortsauflösenden Sensor 230 erreichen. Hierdurch kann beispielsweise ein Untergrund oder ein Rauschen im Sensorsignal reduziert werden. Der optische Filter kann auch einen Filter zur Anpassung einer Signalstärke für den ortsauflösenden Sensor 230, der ein optischer Sensor sein kann, umfassen.
3 zeigt Kalibrierdaten, die gemäß den Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung für die Bestimmung der aktuellen Fokuslage verwendet werden können. Insbesondere sind Kalibrierdaten bei 1 kW (durchgezogene Linie) und 6 kW (gestrichene Linie) sowie berechnete Soll-Durchmesser (gepunktet Linie) für eine Leistung L für 1 kW < L < 6 kW gezeigt, die beispielsweise durch eine Interpolation bestimmt werden können. Alternativ können auch andere Algorithmen für eine Interpolation oder eine Extrapolation verwendet werden. 3 zeigt die Strahldurchmesser in Abhängigkeit eines Spannungswerts der Kollimator-Optik. Möglich wäre auch eine Darstellung in Abhängigkeit von der Fokuslage, die mit der Kollimatorspannung korrelieren kann. Eindeutig zu erkennen ist der Einfluss der Laserleistung auf die Soll-Durchmesser, beispielsweise aufgrund einer Verschlechterung der Strahlqualität.
Gemäß der vorliegenden Offenbarung kann die Ist-Fokuslage des Laserstrahls basierend auf einem Ist-Durchmesser des Rückreflexes bzw. des Substrahls 12, einer Ist-Laserstrahlleistung und den Kalibrierdaten bestimmt werden. Insbesondere entspricht der gemessene Ist-Wert des Durchmessers für die gegebene Laserleistung einer Ist-Fokuslage (bzw. einem entsprechenden Spannungswert der Kollimatorlinse).
In einigen Ausführungsformen kann ein Soll-Durchmesser des Rückreflexes des Laserstrahls basierend auf einer Soll-Fokuslage, der Laserstrahlleistung und den Kalibrierdaten berechnet werden. Bezugnehmend auf die 3 ergibt sich aus der Soll-Fokuslage (bzw. einem entsprechenden Spannungswert der Kollimatorlinse) für eine gegebene Laserleistung ein Soll-Durchmesser des Rückreflexes. Durch einen Vergleich des gemessenen Ist-Durchmessers (bzw. der Ist-Fokuslage) mit dem Soll-Durchmesser (bzw. der Soll-Fokuslage) kann eine Abweichung der Fokuslage bestimmt werden. Die Fokuslage kann beispielswiese mittels einer Verschiebung der Kollimator-Optik verändert werden, so dass der Ist-Durchmesser dem Soll-Durchmesser und damit die Ist-Fokuslage der Soll-Fokuslage entspricht. Dieses Konzept ist auch bei Verschmutzungen der Optik robust und ermöglicht trotzdem eine genaue Fokuslagenkontrolle in Echtzeit.
Die Kalibrierdaten können für eine Vielzahl von Laserleistungen gemessen bzw. bereitgestellt werden. Die Kalibrierdaten können interpoliert oder extrapoliert werden, um Kalibrierdaten für andere Laserleistungen zu erhalten.
Erfindungsgemäß kann mit Hilfe eines gemessenen Durchmessers eines Rückreflexes, der momentanen Laserleistung und leistungsabhängigen Kalibrierdaten für den Durchmesser die Fokuslage in Echtzeit berechnet werden. Basierend darauf kann die Fokuslage eingestellt werden, damit die Fokuslage beispielsweise einer Soll-Fokuslage entspricht. Die Daten des ortsauflösenden Sensors können zudem weitere Diagnosen erlauben. Zum Beispiel wird die Leistungsverteilung beeinflusst, wenn eine Optik deutlich verschmutzt ist, wobei auf dem ortsauflösenden Sensor dann ein Hotspot erkennbar sein kann. Eine andere Möglichkeit ist eine Erkennung einer falschen Montage von Optikkomponenten (z.B. eine falschrum angeschraubte Linse) durch einen Vergleich von (Soll-) Leistungsverteilungen bzw. Strahldurchmessern für eine bestimmte Laserleistung.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102007053632 B4 [0007]

Claims

Vorrichtung (200) zur Bestimmung einer Fokuslage (F) eines Laserstrahls (10) in einem Laserbearbeitungssystem (100), umfassend: ein optisches Element (210), das für eine Reflektion eines Teils des Laserstrahls (10) zum Auskoppeln eines ersten Substrahls (12) des Laserstrahls (10) eingerichtet ist; einen ortsauflösenden Sensor (230) zur Erfassung einer Intensitätsverteilung des ersten Substrahls (12); und eine Auswerteeinheit (240), die eingerichtet ist, um basierend auf der erfassten Intensitätsverteilung einen Ist-Durchmesser des ersten Substrahls (12) zu ermitteln, und aus dem Ist-Durchmesser, einer Laserstrahlleistung und Kalibrierdaten eine Ist-Fokuslage (F) des Laserstrahls (10) zu bestimmen.
Die Vorrichtung (200) nach Anspruch 1, wobei das optische Element (210) ein transmissives optisches Element und/oder ein Schutzglas ist.
Die Vorrichtung (200) nach einem der vorausgehenden Ansprüche, wobei das optische Element (210) bezüglich einer optischen Achse (2) des Laserbearbeitungssystems (100), vorzugsweise um 45° oder weniger, verkippt angeordnet ist.
Die Vorrichtung (200) nach einem der vorausgehenden Ansprüche, weiter umfassend einen Leistungssensor (220), der eingerichtet ist, um die Laserstrahlleistung des Laserstrahls (10) zu messen oder bestimmen.
Die Vorrichtung (200) nach einem der vorausgehenden Ansprüche, weiter umfassend eine Datenschnittstelle zum Empfangen von Daten bezüglich der Laserstrahlleistung des Laserstrahls (10).
Die Vorrichtung (200) nach einem der vorausgehenden Ansprüche, wobei die Kalibrierdaten in Abhängigkeit von der Laserstrahlleistung gemessene Strahldurchmesser umfassen.
Die Vorrichtung (200) nach einem der vorausgehenden Ansprüche, wobei die Auswerteeinheit (240) weiter eingerichtet ist, um einen Soll-Durchmesser des ersten Substrahls (12) basierend auf der Laserstrahlleistung, einer Soll-Fokuslage und den Kalibrierdaten zu bestimmen.
Laserbearbeitungssystem (100), umfassend: eine Laservorrichtung (110) zum Bereitstellen eines Laserstrahls (10); eine Fokussier-Optik (120) zum Fokussieren des Laserstrahls (10) auf ein Werkstück (1); und die Vorrichtung (200) nach einem der vorausgehenden Ansprüche.
Das Laserbearbeitungssystem (100) nach Anspruch 8, wobei die Auswerteeinheit (240) dazu eingerichtet ist, den Ist-Durchmesser des ersten Substrahls (12) mit einem Soll-Durchmesser zu vergleichen, und das Laserbearbeitungssystem (100) zur Fokuslagenkontrolle eingerichtet ist, die Fokuslage basierend auf dem Vergleich durch Einstellen von mindestens einem optischen Element des Laserbearbeitungssystems (100), insbesondere der Fokussier-Optik (120), einzustellen.
Das Laserbearbeitungssystem (100) nach Anspruch 10, wobei das optische Element (210) der Vorrichtung (200) in einem Strahlengang des Laserbearbeitungssystems der Fokussier-Optik (120) nachgelagert angeordnet ist.
Das Laserbearbeitungssystem (100) nach Anspruch 10 oder 11, wobei das Laserbearbeitungssystem (100) einen Laserschneidkopf oder einen Laserschweißkopf (101) umfasst oder ein Laserschneidkopf oder ein Laserschweißkopf (101) ist.
Verfahren zur Bestimmung einer Fokuslage (F) eines Laserstrahls (10) in einem Laserbearbeitungssystem (100), umfassend: Auskoppeln eines Rückreflexes (12) eines optischen Elements (120), das in einem Strahlengang des Laserstrahls (10) angeordnet ist; Erfassen einer ortsaufgelösten Intensitätsverteilung des Rückreflexes (12); Bestimmen eines Ist-Durchmessers des Rückreflexes (12) aus der erfassten Intensitätsverteilung; und Bestimmen einer Ist-Fokuslage (F) des Laserstrahls (10) basierend auf dem Ist-Durchmesser des Rückreflexes (12), einer Laserstrahlleistung und Kalibrierdaten.
Das Verfahren nach Anspruch 12, weiter umfassend: Bestimmen eines Soll-Durchmessers des Rückreflexes des Laserstrahls (10) basierend auf einer Soll-Fokuslage, der Laserstrahlleistung und den Kalibrierdaten.
Das Verfahren nach Anspruch 12 oder 13, wobei das Bestimmen der Ist-Fokuslage und/oder das Bestimmen des Soll-Durchmessers weiter eine Extrapolation oder Interpolation der Kalibrierdaten umfasst.
Das Verfahren nach Anspruch 12, 13 oder 14, weiter umfassend: Vergleichen des Ist-Durchmessers und des Soll-Durchmessers; und Einstellen der Fokuslage basierend auf dem Vergleich.