DE102018106921A1 - Method and device for processing a composite material by means of laser and composite material - Google Patents

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Jan Werschnik
Stefan Franz
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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bearbeitung eines eine erste Schicht (118) und eine zweite Schicht (120) aufweisenden Verbundmaterials (102) mittels eines Laserstrahls (108), wobei bei einem Auftreffen des Laserstrahls (108) auf einen Bearbeitungsbereich des Verbundmaterials (102) Material des Verbundmaterials (102) entfernt wird. Das Verfahren umfasst einen Schritt des Ermittelns einer Änderung, insbesondere einer Frequenzänderung und/oder einer Intensitätsänderung, unter Verwendung eines Sensorsignals (128), das eine aus dem Bearbeitungsbereich ausgesandte Detektionsstrahlung (122) repräsentiert, einen Schritt des Vergleichens der Änderung mit einer vorgegebenen Änderung, die bei einem Übergang des Bearbeitungsbereichs aus der ersten Schicht (118) in eine weitere Schicht (120) erwartet wird, und einen Schritt des Ausgebens zumindest eines Steuersignals (134, 138, 140) zum Steuern der Bearbeitung abhängig von einem Ergebnis des Vergleichens der Änderung mit der vorgegebenen Änderung.The invention relates to a method for processing a composite material (102) having a first layer (118) and a second layer (120) by means of a laser beam (108), wherein upon impact of the laser beam (108) on a processing region of the composite material (102). Material of the composite material (102) is removed. The method comprises a step of determining a change, in particular a frequency change and / or a change in intensity, using a sensor signal (128) representing a detection radiation (122) emitted from the processing area, a step of comparing the change with a predetermined change, which is expected upon transition of the processing area from the first layer (118) to another layer (120), and a step of outputting at least one control signal (134, 138, 140) for controlling the processing in accordance with a result of comparing the change with the given change.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Bearbeitung eines Verbundmaterials mittels Laser sowie auf ein entsprechendes Verbundmaterial.The present invention relates to a method and apparatus for processing a composite material by laser as well as to a corresponding composite material.

Ein Verbundmaterial kann beispielsweise mittels Laserablation, Laserschneiden oder Laserschweißen bearbeitet werden. Die Lage des Laserfokus kann dabei beispielsweise durch Versuch und Irrtum bestimmt werden, um zu gewährleisten, dass bestimmte Schichten nicht verletzt werden.A composite material can be processed for example by means of laser ablation, laser cutting or laser welding. The position of the laser focus can be determined, for example, by trial and error, to ensure that certain layers are not injured.

Vor diesem Hintergrund schafft die vorliegende Erfindung ein verbessertes Verfahren zur Bearbeitung eines Verbundmaterials mittels Laser, eine entsprechende Vorrichtung sowie ein verbessertes Verbundmaterial gemäß den Hauptansprüchen. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung.Against this background, the present invention provides an improved method of processing a composite material by laser, a corresponding apparatus and an improved composite material according to the main claims. Advantageous embodiments will become apparent from the dependent claims and the description below.

Es wird ein Verfahren zur Bearbeitung eines eine erste Schicht und eine zweite Schicht aufweisenden Verbundmaterials mittels eines Laserstrahls vorgestellt, wobei bei einem Auftreffen des Laserstrahls auf einen Bearbeitungsbereich des Verbundmaterials Material des Verbundmaterials entfernt wird. Das Verfahren umfasst folgende Schritte:

  • Ermitteln einer Änderung unter Verwendung eines Sensorsignals, das eine aus dem Bearbeitungsbereich ausgesandte Detektionsstrahlung repräsentiert;
  • Vergleichen der Änderung mit einer vorgegebenen Änderung, die bei einem Übergang des Bearbeitungsbereichs aus der ersten Schicht in eine weitere Schicht erwartet wird; und
  • Ausgeben zumindest eines Steuersignals zum Steuern der Bearbeitung abhängig von einem Ergebnis des Vergleichens der Änderung mit der vorgegebenen Änderung.
The invention relates to a method for processing a composite material comprising a first layer and a second layer by means of a laser beam, wherein material of the composite material is removed when the laser beam strikes a processing region of the composite material. The method comprises the following steps:
  • Determining a change using a sensor signal representing a detection radiation emitted from the processing area;
  • Comparing the change with a predetermined change expected in a transition of the processing area from the first layer to another layer; and
  • Outputting at least one control signal for controlling the processing depending on a result of comparing the change with the predetermined change.

Unter einem Verbundmaterial kann ein aus mehreren Schichten unterschiedlichen Materials zusammengesetzter Schichtverbund verstanden werden. Beispielsweise kann es sich bei dem Verbundmaterial um kohle- oder glasfaserverstärkten Kunststoff oder einen metallhaltigen Verbundwerkstoff handeln. Auch kann das Verbundmaterial anisotrope Schichten aufweisen. Das Verbundmaterial kann dabei eine Mehrzahl aneinandergrenzender zu bearbeitender und nicht zu bearbeitender Schichten aufweisen. Unter dem Bearbeitungsbereich kann ein Abschnitt des Verbundmaterials verstanden werden, an dem unter Verwendung des Laserstrahls Material des Verbundmaterials abgetragen wird. Auch kann unter dem Bearbeitungsbereich ein an einen solchen Abschnitt angrenzender Raum verstanden werden. In dem Bearbeitungsbereich wird zumindest ein Anteil des Laserstrahls reflektiert, beispielsweise an dem Verbundmaterial oder an aus dem Verbundmaterial herausgelösten Material oder Plasma. Aufgrund der bei der Bearbeitung entstehenden Materialerhitzung wird ferner Infrarotstrahlung aus dem Bearbeitungsbereich ausgesendet. Somit kann es sich bei der Detektionsstrahlung um eine innerhalb des Bearbeitungsbereichs reflektierte oder erzeugte Strahlung handeln. Unter einer Änderung kann beispielsweise eine zeit-, ort- und/oder wellenlängenabhängige Änderung der Detektionsstrahlung verstanden werden, die beispielsweise in Form eines elektrischen Signals oder Wertes vorliegen kann. Die Änderung kann beispielsweise eine Änderung der Frequenz oder der Intensität der Detektionsstrahlung betreffen. Die Frequenzänderung kann einer Farbänderung entsprechen. Dementsprechend kann unter einer vorgegebenen Änderung zumindest ein Schwellenwert bezüglich eines die Änderung charakterisierenden Parameters verstanden werden. Beispielsweise kann die vorgegebene Änderung vor Beginn der Bearbeitung festgelegt oder während der Bearbeitung in einem Lernverfahren erlernt werden. Die erste und die zweite Schicht können direkt aneinandergrenzen. Alternativ kann eine Grenzfläche zwischen der ersten und zweiten Schicht durch eine zwischen den beiden Schichten angeordnete Indikatorschicht gebildet sein. In diesem Fall können die erste und die zweite Schicht je an die Indikatorschicht angrenzen. Das Steuersignal kann im Schritt des Ausgebens beispielsweise ausgegeben werden, um einen Laserpulsparameter, eine Laserpulsfolge und/oder eine Vorschubgeschwindigkeit des Laserfokus so zu ändern, so dass die zweite Schicht vom Laser nicht verletzt wird. Insbesondere kann das Steuersignal verwendet werden, um eine weitere Aussendung des Laserstrahls zu unterbinden.A composite material can be understood as meaning a layer composite composed of several layers of different material. For example, the composite material may be carbon or glass fiber reinforced plastic or a metal-containing composite. Also, the composite material may include anisotropic layers. The composite material may have a plurality of adjacent layers to be processed and not to be processed. The processing area can be understood as meaning a portion of the composite material at which material of the composite material is removed using the laser beam. Also, under the processing area, a space adjacent to such a section can be understood. At least a portion of the laser beam is reflected in the processing area, for example on the composite material or on material or plasma dissolved out of the composite material. Due to the material heating generated during processing, infrared radiation is also emitted from the processing area. Thus, the detection radiation may be radiation reflected or generated within the processing area. A change may, for example, be understood as a change of the detection radiation which is dependent on time, place and / or wavelength, which may be present for example in the form of an electrical signal or value. The change may, for example, relate to a change in the frequency or the intensity of the detection radiation. The frequency change may correspond to a color change. Accordingly, a predetermined change can be understood as at least one threshold value with respect to a parameter characterizing the change. For example, the predetermined change may be set prior to the start of processing or learned during processing in a learning process. The first and second layers can be directly adjacent. Alternatively, an interface between the first and second layers may be formed by an indicator layer disposed between the two layers. In this case, the first and the second layer can each adjoin the indicator layer. In the step of outputting, the control signal can be output, for example, in order to change a laser pulse parameter, a laser pulse sequence and / or a feed rate of the laser focus so that the second layer is not damaged by the laser. In particular, the control signal can be used to prevent further transmission of the laser beam.

Der hier beschriebene Ansatz beruht auf der Erkenntnis, dass durch Beobachten einer Änderung in einer Detektionsstrahlung, die bei der Laserbearbeitung eines Verbundmaterials freigesetzt wird, und einen entsprechenden Vergleich der beobachteten Änderung mit einem oder mehreren bekannten Änderungsprofilen ein Schicht-übergang zu einer nicht zu bearbeitenden Schicht im Verbundmaterial zuverlässig und präzise erkannt werden kann. Dadurch kann eine schnelle und zielsichere Bearbeitung einzelner Schichten gewährleistet werden. Beispielsweise kann dadurch der Bearbeitungsprozess rechtzeitig gestoppt werden, sodass bestimmte Schichten nicht verletzt werden. Somit können die hohen Anforderungen an die Prozesskontrolle, die bei der Laserbearbeitung von Verbundmaterialien durch die unterschiedlichen Absorptionseigenschaften der Einzelschichten entstehen, bereits mit verhältnismäßig geringem Aufwand erfüllt werden, etwa bei der Vorbereitung von Oberflächen für Klebungen oder Reparaturen, beim Schneiden und Bohren von Konstruktions- und Hochleistungskunststoffen, insbesondere CFK und GFK, beim Fügen thermoplastischer Kunststoffe und faserverstärkter Verbundwerkstoffe oder beim Schneiden und Bohren von Kunststoffen und Faserverbundwerkstoffen. Darüber hinaus kann eine solche Prozesskontrolle hoch automatisiert erfolgen und beispielsweise durch maschinelles Lernen kontinuierlich verbessert werden.The approach described herein is based on the finding that by observing a change in detection radiation released in the laser processing of a composite material and a corresponding comparison of the observed change with one or more known change profiles, a layer transition to a non-processable layer can be detected reliably and precisely in the composite material. This ensures fast and accurate processing of individual shifts. For example, this can stop the machining process in time so that certain layers are not damaged. Thus, the high process control requirements that arise in the laser processing of composite materials by the different absorption properties of the individual layers can be met with relatively little effort, such as in the preparation of surfaces for bonding or repairs, cutting and drilling of construction and High-performance plastics, in particular CFRP and GFRP, when joining thermoplastics and fiber-reinforced composites or when cutting and drilling plastics and fiber composites. In addition, such process control can be highly automated and continuously improved, for example, through machine learning.

Gemäß einer Ausführungsform kann in einem Schritt des Beleuchtens der Bearbeitungsbereich mit einer sich von dem Laserstrahl unterscheidenden Beleuchtungsstrahlung beleuchtet werden. Dadurch kann zumindest ein Anteil der Detektionsstrahlung als aus dem Bearbeitungsbereich heraus reflektierter Anteil der Beleuchtungsstrahlung erzeugt werden. Somit kann sich die Detektionsstrahlung aus reflektierter Laserstrahlung und zusätzlich oder alternativ aus reflektierter Beleuchtungsstrahlung zusammensetzten. Die Beleuchtungsstrahlung kann Licht mit einem abhängig von der vorgegebenen Änderung definierten Spektrum sein. Das Beleuchten kann beispielsweise unter Verwendung einer farbselektiven, aktiven Beleuchtung erfolgen. Beispielsweise kann es sich bei dem Licht um Infrarotstrahlung im Bereich nahen, mittleren oder fernen Infrarots handeln. Durch diese Ausführungsform kann eine für die Grenzfläche charakteristische Signalerhöhung des Sensorsignals erreicht werden. Dadurch können die Schichten besonders zuverlässig identifiziert werden.According to an embodiment, in a step of illuminating, the processing area may be illuminated with illumination radiation different from the laser beam. As a result, at least a portion of the detection radiation can be generated as a proportion of the illumination radiation reflected from the processing area. Thus, the detection radiation of reflected laser radiation and additionally or alternatively composed of reflected illumination radiation. The illumination radiation may be light having a spectrum defined depending on the given change. The lighting can be done, for example, using a color-selective, active lighting. By way of example, the light may be infrared radiation in the region of near, middle or far infrared. By this embodiment, a characteristic of the interface signal increase of the sensor signal can be achieved. As a result, the layers can be identified particularly reliably.

Das Verfahren kann einen Schritt des Aussendens des Laserstrahls in den Bearbeitungsbereich umfassen. Dadurch kann das Verbundmaterial verarbeitet werden. Ferner kann das Verfahren einen Schritt des Erfassens des Sensorsignals umfassen. Dabei kann der Schritt des Erfassens zeitgleich zu dem Schritt des Aussendens ausgeführt werden. Dadurch kann eine sogenannte „Closed Loop“ Regelung realisiert werden, durch die eine sehr schnelle Steuerung der Bearbeitung des Verbundmaterials ermöglicht wird. Zusätzlich oder alternativ kann der Schritt des Erfassens zeitlich versetzt zu dem Schritt des Aussendens ausgeführt werden. Dadurch kann eine sogenannte „Open Loop“ Regelung realisiert werden, durch die beispielsweise auf eine kostengünstige Sensorik zur Erfassung der Detektionsstrahlung zurückgegriffen werden kann. Im Schritt des Aussendens kann der Laserstrahl ausgesendet werden, um Material des Verbundmaterials zu entfernen. Dazu kann der Laserstrahl eine geeignete Intensität und/oder Fokussierung aufweisen. Während des Schritts des Erfassens kann der Laserstrahl mit einer Intensität oder Fokussierung ausgesendet werden, die sich nicht zum Entfernen des Materials eignet oder es kann kein Laserstrahl und stattdessen die sich von dem Laserstrahl unterscheidende Beleuchtungsstrahlung ausgesendet werden. Auch kann ein sogenanntes Nachleuchten des Laserstrahls zur Generierung des Sensorsignals verwendet werden.The method may include a step of emitting the laser beam into the processing area. This allows the composite material to be processed. Furthermore, the method may comprise a step of detecting the sensor signal. At this time, the step of detecting may be performed at the same time as the sending step. As a result, a so-called "closed loop" control can be realized by which a very fast control of the processing of the composite material is made possible. Additionally or alternatively, the step of detecting may be performed offset in time from the step of sending. Thereby, a so-called "open loop" control can be realized, can be used, for example, by a cost-effective sensor for detecting the detection radiation. In the step of emission, the laser beam can be emitted to remove material of the composite material. For this purpose, the laser beam may have a suitable intensity and / or focusing. During the step of detecting, the laser beam may be emitted with an intensity or focus that is not suitable for removing the material or that no laser beam and instead the illumination radiation other than the laser beam may be emitted. Also, a so-called afterglow of the laser beam can be used to generate the sensor signal.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann das Sensorsignal eine spektral aufgelöste und/oder integrierte Intensität der Detektionsstrahlung repräsentieren. Unter einer spektral aufgelösten Intensität kann beispielsweise eine abhängig von einem Ort, einer Zeit oder einer Wellenlänge aufgelöste Intensität verstanden werden. Unter einer integrierten Intensität kann beispielsweise eine über einem bestimmten Parameter wie Zeit, Raumrichtung oder Wellenlänge teilintegrierte Intensität verstanden werden. Durch diese Ausführungsform kann der Vergleich der Änderung besonders schnell und effizient erfolgen.According to a further embodiment, the sensor signal may represent a spectrally resolved and / or integrated intensity of the detection radiation. A spectrally resolved intensity may, for example, be understood as an intensity resolved depending on a location, a time or a wavelength. An integrated intensity can, for example, be understood as an intensity that is partially integrated over a specific parameter such as time, spatial direction or wavelength. By this embodiment, the comparison of the change can be made particularly quickly and efficiently.

Das Verfahren kann einen Schritt des Bestimmens der vorgegebenen Änderung oder einer angepassten Änderung unter Verwendung des Sensorsignals umfassen. Auf diese Weise kann ein geeigneter Wert für die vorgegebene Änderung erlernt werden. Insbesondere kann der Schritt des Bestimmens nach Beginn der Bearbeitung erfolgen, beispielsweise in einem bekannten Zeitintervall, in dem die erste Schicht bearbeitet wird. Somit kann ein für die vorgegebene Änderung während der Bearbeitung der ersten Schicht erlernt werden. Beispielsweise kann dazu ein Verfahren des maschinellen Lernens eingesetzt werden. Dadurch können Zuverlässigkeit und Genauigkeit des Verfahrens kontinuierlich gesteigert werden.The method may include a step of determining the predetermined change or an adapted change using the sensor signal. In this way, a suitable value for the given change can be learned. In particular, the step of determining may take place after the beginning of the processing, for example in a known time interval in which the first layer is processed. Thus, one can be learned for the given change during the processing of the first layer. For example, a method of machine learning can be used for this purpose. As a result, the reliability and accuracy of the process can be continuously increased.

Das Verfahren kann einen Schritt des Auslesens umfassen, in dem ein die vorgegebene Änderung repräsentierender Wert aus einer Verbundmaterialdatenbank ausgelesen wird. Die Verbundmaterialdatenbank kann in einem internen Speicher einer Vorrichtung zur Bearbeitung eines Verbundmaterials angeordnet sein. Bei dem die vorgegebene Änderung repräsentierenden Wert kann es sich um einen Schwellwert handeln.The method may include a read-out step in which a value representing the predetermined change is read from a composite database. The composite database may be located in an internal memory of a composite material processing apparatus. The value representing the predetermined change may be a threshold.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann im Schritt des Ausgebens das Steuersignal ausgegeben werden, um die Bearbeitung zu stoppen, wenn das Ergebnis des Vergleichens anzeigt, dass ein Wert der Änderung einen Wert der vorgegebenen Änderung erreicht oder überschreitet. Beispielsweise kann das Stoppen durch ein Verfahren des Laserfokus relativ zum Verbundmaterial, ein Abblenden des Laserstrahls oder ein Abschalten der Laserquelle bewirkt werden. Dadurch kann sicher verhindert werden, dass die zweite Schicht durch den Laser verletzt wird.According to another embodiment, in the step of outputting, the control signal may be output to stop the processing when the result of the comparing indicates that a value of the change reaches or exceeds a value of the predetermined change. For example, the stopping may be effected by a method of laser focus relative to the composite material, a dimming of the laser beam, or a shutdown of the laser source. This can be safely prevented that the second layer is injured by the laser.

Zumindest ein Anteil des Sensorsignals kann eine Infrarotstrahlung repräsentieren. Dadurch kann zumindest ein Anteil der Detektionsstrahlung als aus dem Bearbeitungsbereich heraus reflektierter Anteil der Beleuchtungsstrahlung erzeugt werden. Bei der Infrarotstrahlung kann es sich beispielsweise um eine über einen Bereich des nahen Infrarots hinausgehende Infrarotstrahlung, beispielsweise um mittleres oder fernes Infrarot, handeln. Dadurch können einzelne Schichten des Verbundmaterials mittels Thermografie identifiziert werden. Auf diese Weise kann die Identifikation der einzelnen Schichten weiter verbessert werden.At least a portion of the sensor signal may represent infrared radiation. As a result, at least a portion of the detection radiation can be generated as a proportion of the illumination radiation reflected from the processing area. By way of example, the infrared radiation may be one over a region of the near infrared outgoing infrared radiation, for example, to medium or far infrared act. As a result, individual layers of the composite material can be identified by means of thermography. In this way, the identification of the individual layers can be further improved.

Der hier vorgestellte Ansatz schafft zudem ein Verbundmaterial mit folgenden Merkmalen:

  • zumindest einer ersten Schicht, die mittels zumindest eines Laserstrahls zu bearbeiten ist;
  • zumindest einer zweiten Schicht, die nicht mittels des Laserstrahls zu bearbeiten ist; und
  • zumindest einer zwischen der ersten Schicht und der zweiten Schicht angeordneten Indikatorschicht, die ausgebildet ist, um bei Kontakt mit dem Laserstrahl eine Detektionsstrahlung in einem Spektrum auszusenden, das für eine Grenzfläche zwischen der ersten Schicht und der zweiten Schicht charakteristisch ist.
The approach presented here also creates a composite material with the following features:
  • at least one first layer to be processed by means of at least one laser beam;
  • at least one second layer which is not to be processed by means of the laser beam; and
  • at least one indicator layer disposed between the first layer and the second layer and configured to emit, upon contact with the laser beam, detection radiation in a spectrum characteristic of an interface between the first layer and the second layer.

Unter einer Indikatorschicht kann beispielsweise eine vergleichsweise dünne Schicht aus einem preiswerten Indikatormaterial verstanden werden. Beispielsweise kann es sich bei dem Indikatormaterial um ein mit Fluoreszenzstoffen angereichertes oder stark reflektierendes Material handeln. Ein solches Verbundmaterial kann kostengünstig bereitgestellt werden und bietet zudem den Vorteil einer besonders schnellen, kostengünstigen und fehlerarmen Bearbeitbarkeit des Verbundmaterials.By an indicator layer, for example, a comparatively thin layer of a low-cost indicator material can be understood. For example, the indicator material may be a fluorescently enriched or highly reflective material. Such a composite material can be provided inexpensively and also offers the advantage of a particularly fast, inexpensive and low-error machinability of the composite material.

Eine Vorrichtung zur Bearbeitung eines eine erste Schicht und eine zweite Schicht aufweisenden Verbundmaterials mittels eines Laserstrahls ist ausgebildet ist, um die Schritte einer Variante eines hier vorgestellten Verfahrens in entsprechenden Einrichtungen durchzuführen, anzusteuern bzw. umzusetzen. Auch durch diese Ausführungsvariante der Erfindung in Form einer Vorrichtung kann die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe schnell und effizient gelöst werden. Vorteilhafterweise können die entsprechenden Einrichtungen oder Einheiten in einem Gehäuse integriert angeordnet sein.A device for processing a composite material comprising a first layer and a second layer by means of a laser beam is designed to perform or to control the steps of a variant of a method presented here in corresponding devices. Also by this embodiment of the invention in the form of a device, the object underlying the invention can be solved quickly and efficiently. Advantageously, the corresponding devices or units can be arranged integrated in a housing.

Die Vorrichtung kann einen Strahlteiler, eine Laserquelle zum Aussenden des Laserstrahls und einen optischen Sensor zum Erfassen des Sensorsignals umfassen. Dabei kann der optische Sensor in einem Transmissionskanal und die Laserquelle in einem Reflexionskanal des Strahlteilers angeordnet sein. Diese Anordnung eignet sich insbesondere für Bearbeitungen mit großer Laserleistung. Alternativ kann der optische Sensor in dem Reflexionskanal und die Laserquelle in dem Transmissionskanal des Strahlteilers angeordnet sein. Der Laserstrahl kann ausgehend von dem Strahlteiler durch ein Objektiv zu dem zu bearbeiteten Werkstück geführt werden.The device may comprise a beam splitter, a laser source for emitting the laser beam and an optical sensor for detecting the sensor signal. In this case, the optical sensor can be arranged in a transmission channel and the laser source in a reflection channel of the beam splitter. This arrangement is particularly suitable for machining with high laser power. Alternatively, the optical sensor can be arranged in the reflection channel and the laser source in the transmission channel of the beam splitter. The laser beam can be guided from the beam splitter through a lens to the workpiece to be machined.

Die Erfindung wird anhand der beigefügten Zeichnungen beispielhaft näher erläutert. Es zeigen:

  • 1 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel;
  • 2 eine schematische Darstellung eines Strahlengangs durch eine Vorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel;
  • 3 eine schematische Darstellung eines Verbundmaterials gemäß einem Ausführungsbeispiel;
  • 4 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens gemäß einem Ausführungsbeispiel;
  • 5 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel;
  • 6 eine schematische Darstellung eines beispielhaften Strahlengangs durch eine Vorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel;
  • 7 eine schematische Darstellung eines beispielhaften Strahlengangs durch eine Vorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel;
  • 8 eine schematische Darstellung eines Zielmaterials sowie einer Probe des Zielmaterials gemäß einem Ausführungsbeispiel; und
  • 9 eine schematische Darstellung eines Verbundmaterials gemäß einem Ausführungsbeispiel.
The invention will be described by way of example with reference to the accompanying drawings. Show it:
  • 1 a schematic representation of a device according to an embodiment;
  • 2 a schematic representation of a beam path through a device according to an embodiment;
  • 3 a schematic representation of a composite material according to an embodiment;
  • 4 a flowchart of a method according to an embodiment;
  • 5 a schematic representation of a device according to an embodiment;
  • 6 a schematic representation of an exemplary beam path through a device according to an embodiment;
  • 7 a schematic representation of an exemplary beam path through a device according to an embodiment;
  • 8th a schematic representation of a target material and a sample of the target material according to an embodiment; and
  • 9 a schematic representation of a composite material according to an embodiment.

In der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden für die in den verschiedenen Figuren dargestellten und ähnlich wirkenden Elemente gleiche oder ähnliche Bezugszeichen verwendet, wobei auf eine wiederholte Beschreibung dieser Elemente verzichtet wird.In the following description of preferred embodiments of the present invention, the same or similar reference numerals are used for the elements shown in the various figures and similarly acting, wherein a repeated description of these elements is omitted.

1 zeigt eine schematische Darstellung einer Vorrichtung 100 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Die Vorrichtung 100 zur Bearbeitung eines Verbundmaterials 102 mittels Laser umfasst gemäß diesem Ausführungsbeispiel einen Transmissionskanal 104 mit einer Laserquelle 106 zum Erzeugen eines Laserstrahls 108, der beispielsweise über einen Strahlteiler 110, einen Scanner 112, etwa einen Galvanometer-Scanner, und ein Objektiv 114, etwa ein F-Theta-Objektiv, auf ein Werkstück aus dem Verbundmaterial 102 lenkbar ist, um dieses in einem bestimmten Laserbearbeitungsverfahren wie beispielsweise Laserablation, Laserschneiden oder Laserschweißen zu bearbeiten. Das Objektiv 114 ist gemäß einem Ausführungsbeispiel entsprechend farbkorrigiert, so dass Bearbeitungs- und Beobachtungswellenlänge im gleichen Brennpunkt liegen. Das ist insbesondere bei Ausführungen mit einem Galvo-Scanner wichtig, da sonst unterschiedliche Fokuslagen über das Bildfeld entstehen. Gemäß einem Ausführungsbeispiel wird jedoch ein für die Detektionswellenlänge(n) mitoptimiertes Objektiv 114 verwendet. Ebenso sind die Spiegel für beide Wellenlängenbereiche optimiert. Vorteilhafte Werkstoffe sind dabei je nach Wellenlänge beispielsweise Aluminium, Silber oder Gold. Der Laserstrahl 108 ist durch einen dicken Pfeil gekennzeichnet. Zur besseren Übersichtlichkeit ist das Verbundmaterial 102 gemäß 1 lediglich mit einer zu bearbeitenden ersten Schicht 118 und einer nicht zu bearbeitenden zweiten Schicht 120 dargestellt. In der Realität kann das Verbundmaterial 102 eine Vielzahl solcher Schichten 118, 120 aufweisen. Die beiden Schichten 118, 120 haben eine gemeinsame Grenzfläche, die durch eine gestrichelte Linie angedeutet ist. 1 shows a schematic representation of a device 100 according to an embodiment. The device 100 for processing a composite material 102 by means of laser according to this embodiment comprises a transmission channel 104 with a laser source 106 for generating a laser beam 108 for example, via a beam splitter 110 , a scanner 112 , such as a galvanometer scanner, and a lens 114 , such as an F-theta lens, on a workpiece made of the composite material 102 is steerable to process this in a particular laser processing method such as laser ablation, laser cutting or laser welding. The objective 114 According to one embodiment, it is correspondingly color-corrected, so that the processing and observation wavelengths are in the same focal point. This is particularly important in designs with a galvo scanner, otherwise different focus positions over the image field arise. According to one embodiment, however, a for the detection wavelength (s) with optimized lens 114 used. Likewise, the mirrors are optimized for both wavelength ranges. Advantageous materials are, depending on the wavelength, for example, aluminum, silver or gold. The laser beam 108 is indicated by a thick arrow. For better clarity, the composite material 102 according to 1 only with a first layer to be processed 118 and a second layer not to be processed 120 shown. In reality, the composite material can 102 a variety of such layers 118 . 120 exhibit. The two layers 118 . 120 have a common interface indicated by a dashed line.

Eine von dem Werkstück ausgehende Detektionsstrahlung 122, die beispielsweise von dem Verbundmaterial 102 bei Kontakt mit dem Laserstrahl 108 oder von einem durch den Laserstrahl 108 erzeugten Plasma reflektiert wird, gelangt beispielsweise über das Objektiv 114 und den Scanner 112 auf den Strahlteiler 110 und wird von diesem in eine von einer Richtung des Transmissionskanals 104 abweichende Richtung in einen Reflexionskanal 124 gelenkt. Die Detektionsstrahlung 122 ist mit mehreren dünnen Pfeilen gekennzeichnet. Ein im Reflexionskanal 124 angeordneter optischer Sensor 126, etwa eine optional hoch auflösende Kamera oder eine oder mehrere Fotodioden, ist ausgebildet, um die Detektionsstrahlung 122 zu erfassen und ein entsprechendes Sensorsignal 128 bereitzustellen. Das Sensorsignal 128 repräsentiert beispielsweise eine spektral aufgelöste oder (teil-)integrierte Intensität der Detektionsstrahlung 122.A detection radiation emanating from the workpiece 122 For example, from the composite material 102 upon contact with the laser beam 108 or from one through the laser beam 108 plasma generated, for example, passes through the lens 114 and the scanner 112 on the beam splitter 110 and becomes from this in one of a direction of the transmission channel 104 deviating direction in a reflection channel 124 directed. The detection radiation 122 is marked with several thin arrows. One in the reflection channel 124 arranged optical sensor 126 , such as an optional high resolution camera or one or more photodiodes, is configured to receive the detection radiation 122 to capture and a corresponding sensor signal 128 provide. The sensor signal 128 For example, it represents a spectrally resolved or (partially) integrated intensity of the detection radiation 122 ,

Zwischen dem optischen Sensor 126 und dem Strahlteiler 110 ist optional ein Bandpassfilter 130 angeordnet.Between the optical sensor 126 and the beam splitter 110 is optionally a bandpass filter 130 arranged.

Die Vorrichtung 100 umfasst eine Auswerteeinrichtung 132, die ausgebildet ist, um unter Verwendung des Sensorsignals 128 zumindest ein Steuersignal 134, 136, 138, 140 auszugeben, das geeignet ist, um eine weitere Bearbeitung des Verbundmaterials 102 zu beeinflussen. Gemäß einem Ausführungsbeispiel umfasst die Vorrichtung 100 eine Ermittlungseinrichtung, eine Vergleichseinrichtung und eine Ausgabeeinrichtung. Die Ermittlungseinrichtung ist ausgebildet, um einer Änderung, insbesondere eine Frequenzänderung und/oder eine Intensitätsänderung, der Detektionsstrahlung 122 unter Verwendung des Sensorsignals 128 zu ermitteln. Beispielsweise ist die Ermittlungseinrichtung ausgebildet, um als die Änderung eine Änderung der Farbe der Detektionsstrahlung 122 zu ermitteln. Die Vergleichseinrichtung ist ausgebildet, um die Änderung mit einer vorgegebenen Änderung zu vergleichen. Die vorgegebene Änderung entspricht beispielsweise einem Erwartungswert, der eine Änderung der Detektionsstrahlung 122 kennzeichnet, die erwartet wird, sobald der aktuell von dem Laserstrahl 108 getroffene Bearbeitungsbereich die Grenzfläche zwischen der ersten Schicht 118 und der zweiten Schicht 120 erreicht. Die Ausgabeeinrichtung ist ausgebildet, um das zumindest eine Steuersignal 134, 136, 138, 140 auszugeben. Beispielsweise ist die Ausgabeeinrichtung ausgebildet um das zumindest eine Steuersignal 134, 136, 138, 140 auszugeben, um eine weitere Bearbeitung des Verbundmaterials 102 zu beenden, insbesondere eine weitere Abtragung von Material in dem gerade bearbeiteten Bearbeitungsbereich zu verhindern, wenn die zuletzt ermittelte Änderung der Detektionsstrahlung 122 die vorgegebene Änderung erreicht oder überschreitet.The device 100 includes an evaluation device 132 , which is designed to be detected using the sensor signal 128 at least one control signal 134 . 136 . 138 . 140 output, which is suitable for further processing of the composite material 102 to influence. According to one embodiment, the device comprises 100 a determination device, a comparison device and an output device. The determination device is designed to detect a change, in particular a change in frequency and / or a change in intensity, of the detection radiation 122 using the sensor signal 128 to investigate. For example, the detecting means is adapted to detect as the change a change in the color of the detection radiation 122 to investigate. The comparison device is designed to compare the change with a predetermined change. The predetermined change corresponds, for example, to an expected value, which is a change in the detection radiation 122 which is expected as soon as the current from the laser beam 108 Machining area met the interface between the first layer 118 and the second layer 120 reached. The output device is designed to be the at least one control signal 134 . 136 . 138 . 140 issue. For example, the output device is designed around the at least one control signal 134 . 136 . 138 . 140 spend further processing of the composite material 102 to terminate, in particular to prevent further removal of material in the processing area just edited when the last detected change in the detection radiation 122 reaches or exceeds the specified change.

Die Auswerteeinrichtung 132, etwa in Form eines Controllers, ist gemäß einem Ausführungsbeispiel ausgebildet ist, um unter Verwendung des Sensorsignals 128 eine spektrale Analyse der Detektionsstrahlung 122 durchzuführen. Hierbei ermittelt die Auswerteeinrichtung 132 eine Änderung und vergleicht diese mit einer vorgegebenen Änderung, beispielsweise mit zumindest einer bekannten Änderung, die ein Vorliegen der Grenzfläche zwischen der ersten Schicht 118 und der zweiten Schicht 120 anzeigt. Die bekannte Änderung ist beispielsweise experimentell oder in einem Verfahren des maschinellen Lernens bestimmt worden.The evaluation device 132 , in the form of a controller, is configured in accordance with one embodiment, using the sensor signal 128 a spectral analysis of the detection radiation 122 perform. In this case, determines the evaluation 132 a change and compares this with a predetermined change, for example, with at least one known change, the presence of the interface between the first layer 118 and the second layer 120 displays. The known change has been determined, for example, experimentally or in a method of machine learning.

Gemäß einem Ausführungsbeispiel wird die vorgegebene Änderung vor Beginn der Bearbeitung des Verbundmaterials 102 mittels der Vorrichtung 100, beispielsweise in Form eines oder mehrerer Schwellenwerte eingestellt, beispielsweise in einen Speicher der Vorrichtung 100 geschrieben. Zusätzlich oder alternativ wird die vorgegebene Änderung während der Bearbeitung des Verbundmaterials 102 erlernt oder angepasst. Dazu kann beispielsweise unter Verwendung eines Lernverfahrens ein die vorgegebene Änderung repräsentierender Schwellenwert bestimmt werden, der sich ausreichend von Änderungen der Detektionsstrahlung 122 unterscheidet, die während der Bearbeitung der ersten Schicht 118 auftreten.According to one embodiment, the predetermined change is prior to commencement of processing of the composite material 102 by means of the device 100 , For example, set in the form of one or more thresholds, for example in a memory of the device 100 written. Additionally or alternatively, the predetermined change will be during processing of the composite material 102 learned or adapted. For this purpose, for example, using a learning method, a threshold value representing the predetermined change can be determined, which is sufficient for changes in the detection radiation 122 different during the processing of the first layer 118 occur.

Als Ergebnis des Vergleichs gibt die Auswerteeinrichtung 132 beispielhaft ein erstes Steuersignal 134 zur Ansteuerung einer Verfahreinrichtung 136 zum Verfahren des Werkstücks gegenüber einem Fokus des Laserstrahls 108, ein zweites Steuersignal 138 zur Ansteuerung des Scanners 112 und ein drittes Steuersignal 140 zur Ansteuerung der Laserquelle 106 aus. Die Ansteuerung mittels der Steuersignale 134, 138, 140 erfolgt dabei abhängig von einem Grad einer Übereinstimmung zwischen der ermittelten und der bekannten Änderung. Insbesondere ist die Auswerteeinrichtung 132 ausgebildet, um die Bearbeitung des Werkstücks abhängig von der Änderung der Detektionsstrahlung 122 so zu steuern, dass die zweite Schicht 120 durch den Laserstrahl 108 nicht beschädigt wird, etwa indem die Bearbeitung bei Erkennen der Grenzfläche gestoppt wird oder in einer von der Grenzfläche wegführenden Richtung fortgesetzt wird.As a result of the comparison gives the evaluation 132 for example, a first control signal 134 for controlling a traversing device 136 for moving the workpiece relative to a focus of the laser beam 108 , a second control signal 138 for controlling the scanner 112 and a third control signal 140 for controlling the laser source 106 out. The control by means of the control signals 134 . 138 . 140 takes place depending on a degree of agreement between the determined and the known change. In particular, the evaluation device 132 adapted to the machining of the workpiece depending on the change of the detection radiation 122 so control that the second layer 120 through the laser beam 108 is not damaged, such as the processing is stopped upon detection of the interface or continued in a direction away from the interface direction.

Gemäß einem Ausführungsbeispiel umfasst die Vorrichtung 100 eine Beleuchtungseinrichtung 142, die ausgebildet ist, um den Bearbeitungsbereich, auch als Bearbeitungszone bezeichnet, in dem das Verbundmaterial 102 mittels des Laserstrahls 108 bearbeitet wird, mit einer Beleuchtungsstrahlung 144, beispielsweise mit Licht in einem zur Identifizierung der Grenzfläche geeigneten Spektrum zu beleuchten. Die Ansteuerung der Beleuchtungseinrichtung 142 erfolgt beispielsweise mittels der Auswerteeinrichtung 132 in Abhängigkeit von den vorgegebenen Änderungsprofilen. Durch eine derartige farbselektive, aktive Beleuchtung der Bearbeitungszone kann eine Signalerhöhung zur eindeutigen und damit besonders sicheren Identifizierung der Schichten 118, 120 oder der Grenzfläche erzielt werden. In diesem Fall ist der optische Sensor 126 oder ein weiterer Sensor ausgebildet, um als Detektionsstrahlung 122 einen reflektierten Anteil der Beleuchtungsstrahlung 144 zu erfassen.According to one embodiment, the device comprises 100 a lighting device 142 , which is formed to the machining area, also referred to as a processing zone in which the composite material 102 by means of the laser beam 108 is processed, with a lighting radiation 144 For example, to illuminate with light in a suitable spectrum for the identification of the interface. The activation of the illumination device 142 takes place, for example, by means of the evaluation device 132 depending on the given change profiles. Such a color-selective, active illumination of the processing zone can increase the signal for unambiguous and thus particularly reliable identification of the layers 118 . 120 or the interface can be achieved. In this case, the optical sensor 126 or another sensor designed to be used as detection radiation 122 a reflected portion of the illumination radiation 144 capture.

Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist der optische Sensor 126 oder ein weiterer Sensor ausgebildet, um zusätzlich oder alternativ langwelliges Infrarotlicht im mittleren oder fernen Infrarotbereich zu erfassen und somit eine noch genauere Identifizierung der Schichten 118, 120 mittels Thermografie zu ermöglichen.According to one embodiment, the optical sensor 126 or another sensor designed to additionally or alternatively detect long-wave infrared light in the middle or far infrared range and thus an even more accurate identification of the layers 118 . 120 to enable by thermography.

Gemäß einem Ausführungsbeispiel wird die Änderung über eine breitbandige Optik und eine spektrale Analyse beobachtet. Sobald eine bestimmte Änderung bekannt ist, wird die Bearbeitung gestoppt. Die Vorrichtung 100 hat somit die Funktion, eine Information darüber bereitzustellen, wann die Bearbeitung der Schicht 118 abgeschlossen ist. Der Fokus des Laserstrahls 108 wird durch die Vorrichtung 100 in diesem Sinne automatisch bestimmt.According to one embodiment, the change is observed via broadband optics and spectral analysis. As soon as a specific change is known, processing is stopped. The device 100 thus has the function to provide information about when the processing of the layer 118 is completed. The focus of the laser beam 108 is through the device 100 automatically determined in this sense.

Die spektralen Änderungen der Detektionsstrahlung 122 werden gemäß einem Ausführungsbeispiel in einem Verfahren des maschinellen Lernens klassifiziert.The spectral changes of the detection radiation 122 are classified according to one embodiment in a method of machine learning.

Gemäß einem Ausführungsbeispiel sind der Scanner 112, das Objektiv 114, die Auswerteeinrichtung 132 und der Reflexionskanal 124, der auch als Kamerakanal bezeichnet werden kann, in einem kompakten Gerät integriert. Das Gerät weist gemäß einem Ausführungsbeispiel ein Gehäuse auf, in das der Scanner 112, das Objektiv 114, die Auswerteeinrichtung 132 und der Reflexionskanal 124 integriert angeordnet sind. Die Beobachtung über den Reflexionskanal 124 erfolgt beispielsweise koaxial. Der Reflexionskanal 124 ist beispielsweise durch ein Spektrometer oder ein bildgebendes Spektrometer ersetz- oder ergänzbar.According to one embodiment, the scanner 112 , the objective 114 , the evaluation device 132 and the reflection channel 124 , which can also be referred to as a camera channel, integrated in a compact device. The device has according to one embodiment, a housing into which the scanner 112 , the objective 114 , the evaluation device 132 and the reflection channel 124 are arranged integrated. The observation over the reflection channel 124 takes place, for example, coaxially. The reflection channel 124 is for example replaced by a spectrometer or an imaging spectrometer or supplemented.

Gemäß einem Ausführungsbeispiel erfolgt die Beobachtung der Bearbeitungszone zeitgleich mit der Bearbeitung. Hierzu eignen sich sehr schnelle Bildsensoren oder Fotodioden als optischer Sensor 126, da das Scannen des Lasers im kHz-Bereich, d. h. mit Verweilzeiten im µs-Bereich, erfolgt. Überschreitet das Sensorsignal 128 beispielsweise einen bestimmten Schwellenwert, so schaltet die Auswerteeinrichtung 132 den Laser sofort, d. h. in weniger als 1 µs, ab. Die Repetitionsraten der Kurzpulslaser liegen ebenfalls im dreistelligen kHz-Bereich. Ein solcher Verfahrensablauf kann auch als Closed Loop bezeichnet werden.According to one embodiment, the observation of the processing zone takes place simultaneously with the processing. For this purpose, very fast image sensors or photodiodes are suitable as an optical sensor 126 since the scanning of the laser in the kHz range, ie with residence times in the μs range, takes place. Exceeds the sensor signal 128 For example, a certain threshold, so switches the evaluation 132 the laser immediately, ie in less than 1 μs, from. The repetition rates of the short-pulse lasers are also in the three-digit kHz range. Such a procedure can also be referred to as a closed loop.

Alternativ erfolgt die Beobachtung nach der Bearbeitung. Dabei wird je nach Ergebnis der Beobachtung eine weitere Bearbeitung ausgelöst. Ein solcher Verfahrensablauf kann auch als Open Loop bezeichnet werden.Alternatively, the observation takes place after processing. Depending on the result of the observation, further processing is triggered. Such a procedure can also be referred to as open loop.

Die Auswertung der Änderung erfolgt im Allgemeinen durch Kombination, d. h. durch mathematische Verknüpfung, mindestens einer Sensorantwort des optischen Sensors 126, wie beispielsweise einer spektral aufgelösten Intensität über (x, y, z, t, λ) oder einer (teil-)integrierten Intensität wie etwa I(t), I(z) oder I(λ).The evaluation of the change is generally by combination, ie by mathematical linkage, at least one sensor response of the optical sensor 126 , such as a spectrally resolved intensity over (x, y, z, t, λ) or a (partially) integrated intensity such as I (t), I (z) or I (λ).

Schwellenwerte so zur Auswertung der Änderung sind beispielsweise durch einen Bediener der Vorrichtung 100 definierbar. Trifft beispielsweise zu, dass das Funktional f[I(t)] größer als der Schwellenwert so ist, wird der Laser automatisch abgeschaltet.Threshold values for evaluating the change are, for example, by an operator of the device 100 definable. For example, if the functional f [I (t)] is greater than the threshold, the laser is automatically turned off.

Optional ist der Schwellenwert so kontextabhängig: s0 = s0[Objekteigenschaft, x, y, z, t]. Als Ergänzung zum Setzen harter Schwellenwerte wird der Schwellenwert so optional über einen geeigneten Algorithmus trainiert.Optionally, the threshold is so context-dependent: s 0 = s 0 [object property, x, y, z, t]. In addition to setting hard thresholds, the threshold is optionally trained via a suitable algorithm.

Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist eine externe oder interne Verbundmaterialdatenbank 150 vorgesehen. Aus der Verbundmaterialdatenbank 150 können in der Verbundmaterialdatenbank 150 gespeicherte Schwellwerte bzw. Bearbeitungsrezepte abgerufen werden. Bedarfe, beispielsweise aus unbeantworteten Abfragen, werden gemäß einem Ausführungsbeispiel in der Verbundmaterialdatenbank 150 gespeichert. Externe Dienstleister können Rezepte bzw. Schwellwerte in der Verbundmaterialdatenbank 150 generieren. Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist die Auswerteeinrichtung 132 über eine Schnittstelle mit der Verbundmaterialdatenbank 150 gekoppelt. Unter einem Schwellwert kann beispielsweise ein Intensitätswert der Detektionsstrahlung 122 verstanden werden. Wird ein solcher Schwellwert erreicht kann beispielsweise die Bearbeitung des Verbundmaterials 102 beendet werden.According to one embodiment, an external or internal composite material database 150 intended. From the composite database 150 can in the composite database 150 stored thresholds or processing recipes are retrieved. Demands, for example from unanswered queries, become, according to one embodiment, in the composite database 150 saved. External service providers can use recipes or thresholds in the composite database 150 to generate. According to one embodiment, the evaluation device 132 via an interface with the composite database 150 coupled. Below a threshold value, for example, an intensity value of the detection radiation 122 be understood. If such a threshold is reached, for example, the Processing of the composite material 102 to be ended.

2 zeigt eine schematische Darstellung eines beispielhaften Strahlengangs durch eine Vorrichtung 100 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Gezeigt ist ein Strahlenbündel aus mehreren Laserstrahlen 108 unterschiedlicher Wellenlängenbereiche, die über das Objektiv 114 auf der zu bearbeitenden Schicht 118 fokussiert werden. Wie zu erkennen, ist das Objektiv 114 als Linsensystem realisiert. Das Linsensystem ist nach einem Scan-Kopf des Scanners in den Strahlengang der Vorrichtung 100 eingebracht und hat die Funktion, die Laserstrahlen 108 auf einen Brennpunkt zu fokussieren und den Brennpunkt beim Scannen in einer zu einer optischen Achse des Objektivs 114 senkrechten Arbeitsebene zu halten. Beispielsweise folgt die Position des Brennpunkts in der Arbeitsebene näherungsweise der F-Theta-Bedingung, wobei eine Scan-Länge oder Bildhöhe etwa proportional zu einem eingestellten Scan-Winkel ist. Abweichungen von dieser Proportionalität sind durch eine entsprechende Ansteuerung von Spiegeln des Scanners kompensierbar. 2 shows a schematic representation of an exemplary beam path through a device 100 according to an embodiment. Shown is a beam of several laser beams 108 different wavelength ranges, over the lens 114 on the layer to be processed 118 be focused. How to recognize, is the lens 114 realized as a lens system. The lens system is after a scan head of the scanner in the beam path of the device 100 introduced and has the function, the laser beams 108 to focus on a focal point and the focal point when scanning in one to an optical axis of the lens 114 vertical working plane. For example, the position of the focal point in the working plane approximately follows the F-theta condition, where a scan length or height is approximately proportional to a set scan angle. Deviations from this proportionality can be compensated by a corresponding control of mirrors of the scanner.

3 zeigt eine schematische Darstellung eines Verbundmaterials 102 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Das Verbundmaterial 102 entspricht im Wesentlichen dem vorangehend anhand von 1 beschriebenen Verbundmaterial, mit dem Unterschied, dass gemäß diesem Ausführungsbeispiel zwischen die beiden Schichten 118, 120 eine dünne, gegebenenfalls preiswerte Indikatorschicht 300 eingebracht ist. Die Indikatorschicht 300 ist beispielsweise aus einem mit speziell fluoreszierenden Stoffen angereicherten oder stark reflektierenden Material, durch das bei Kontakt mit dem durch die Vorrichtung erzeugten Laserstrahl eine charakteristische Detektionsstrahlung erzeugt wird, die das Erreichen der Grenzfläche zwischen den beiden Schichten 118, 120 anzeigt. Durch die Indikatorschicht 300 ist es also möglich, ein besonders starkes Signal zu Identifizierung der Grenzfläche zu erzeugen. 3 shows a schematic representation of a composite material 102 according to an embodiment. The composite material 102 essentially corresponds to the above with reference to 1 described composite material, with the difference that according to this embodiment between the two layers 118 . 120 a thin, possibly inexpensive indicator layer 300 is introduced. The indicator layer 300 is, for example, a material which is enriched or highly reflective with specially fluorescents and by means of which, upon contact with the laser beam generated by the device, a characteristic detection radiation is generated which reaches the interface between the two layers 118 . 120 displays. Through the indicator layer 300 Thus, it is possible to generate a particularly strong signal for identification of the interface.

Gemäß einem Ausführungsbeispiel umfasst das Verbundmaterial 102 eine Mehrzahl solcher Indikatorschichten 300, die je zwischen einer zu bearbeitenden Schicht und einer nicht zu bearbeitenden Schicht des Verbundmaterials 102 angeordnet sind.According to one embodiment, the composite material comprises 102 a plurality of such indicator layers 300 each between a layer to be processed and an unprocessable layer of the composite material 102 are arranged.

4 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens 400 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Das Verfahren 400 zur Bearbeitung eines Verbundmaterials mittels Laser ist beispielsweise unter Verwendung der vorangehend anhand der 1 und 2 beschriebenen Vorrichtung ausführbar. Dabei wird in einem ersten Schritt 410 die Änderung der Detektionsstrahlung unter Verwendung des Sensorsignals ermittelt. In einem weiteren Schritt 420 wird die ermittelte Änderung mit zumindest einer vorgegebenen Änderung verglichen, die eine bei Erreichen der Grenzfläche zwischen der zu bearbeitenden Schicht und der nicht zu bearbeitenden Schicht auftretende charakteristische spektrale Änderung der Detektionsstrahlung repräsentiert. Abhängig vom Ergebnis dieses Vergleichs wird in einem weiteren Schritt 430 zumindest ein Steuersignal ausgegeben, durch das die Laserbearbeitung derart steuerbar ist, dass die nicht zu bearbeitende Schicht nicht verletzt wird. 4 shows a flowchart of a method 400 according to an embodiment. The procedure 400 for processing a composite material by means of laser is, for example, using the above with reference to the 1 and 2 described device executable. This will be done in a first step 410 determines the change of the detection radiation using the sensor signal. In a further step 420 the determined change is compared with at least one predetermined change which represents a characteristic spectral change of the detection radiation which occurs when the interface between the layer to be processed and the layer not to be processed is reached. Depending on the result of this comparison will be in a further step 430 at least one control signal output by which the laser processing is controllable such that the non-processed layer is not violated.

Die Schritte 410, 420, 430 werden beispielsweise fortlaufend ausgeführt, um eine kontinuierliche Überwachung des Bearbeitungsvorganges zu gewährleisten.The steps 410 . 420 . 430 For example, they are executed continuously to ensure continuous monitoring of the machining process.

5 zeigt eine schematische Darstellung einer Vorrichtung 100 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Die Vorrichtung 100 zur Bearbeitung eines Verbundmaterials mittels Laser entspricht der anhand von 1 beschriebenen Vorrichtung, mit dem Unterschied, dass die Anordnung von Laserquelle 106 und optischen Sensor 126 in Bezug auf den Strahlteiler 110 vertauscht ist. Dieses Ausführungsbeispiel eignet sich daher insbesondere zur Realisierung einer HighPower-Variante der Vorrichtung 100, beispielsweise für eine Vorrichtung 100 mit einer Laserquelle 106 mit einer Laserleistung von mehr als 100W. 5 shows a schematic representation of a device 100 according to an embodiment. The device 100 for processing a composite material by means of laser corresponds to the basis of 1 described device, with the difference that the arrangement of laser source 106 and optical sensor 126 with respect to the beam splitter 110 is reversed. This embodiment is therefore particularly suitable for realizing a high power variant of the device 100 For example, for a device 100 with a laser source 106 with a laser power of more than 100W.

Gemäß diesem Ausführungsbeispiel führt der Transmissionskanal 104 von dem Strahlteiler 110 über den optionalen Filter 130 zu dem optischen Sensor 126. Der Reflexionskanal 124 führt von dem Strahlteiler 110 zu der Laserquelle 106.According to this embodiment, the transmission channel leads 104 from the beam splitter 110 via the optional filter 130 to the optical sensor 126 , The reflection channel 124 leads from the beam splitter 110 to the laser source 106 ,

Gemäß einem Ausführungsbeispiel umfasst dass unter Verwendung des von der Laserquelle 106 ausgestrahlten Laserstrahls 108 zu bearbeitende Werkstück Schichten mit hoher Reflexivität auf. Solche Schichten in Reflexion sind beispielsweise gerade bei Wellenlängen von 1030nm - 1080nm mit sehr hoher Reflektivität realisiert. Daraus resultierende Verluste im Kamerakanal, hier in dem Transmissionskanal 104, also in Transmission, sind nicht kritisch. Im Laserkanal würden solche Verluste dagegen zu hohen Wärmeverlusten und damit Instabilitäten im System führen.According to one embodiment, that includes using the laser source 106 emitted laser beam 108 Workpiece to be machined layers with high reflectivity. Such layers in reflection are realized, for example, precisely at wavelengths of 1030 nm-1080 nm with very high reflectivity. The resulting losses in the camera channel, here in the transmission channel 104 , ie in transmission, are not critical. In the laser channel, however, such losses would lead to high heat losses and thus instabilities in the system.

6 zeigt eine schematische Darstellung eines beispielhaften Strahlengangs durch eine Vorrichtung 100 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Dabei kann es sich um die anhand von 5 beschriebene Vorrichtung handeln. Insbesondere ist dabei der Bildkanal zu dem optischen Sensor 126 gezeigt, der gemäß diesem Ausführungsbeispiel den Transmissionskanal 104 durch den Strahlteiler 110 umfasst. 6 shows a schematic representation of an exemplary beam path through a device 100 according to an embodiment. These may be the ones based on 5 act described device. In particular, the image channel to the optical sensor 126 shown, the transmission channel according to this embodiment 104 through the beam splitter 110 includes.

Ein Objektiv 650 ist in dem Transmissionskanal 104 angeordnet und bildet ein Objekt 652 in ein Zwischenbild 654 ab. Ein weiteres Objektiv 656, hier beispielhaft eine einfache Ausführung durch zwei Plankonxlinsen 658, 660, bildet das Zwischenbild 654 auf den Sensor 126 ab.A lens 650 is in the transmission channel 104 arranged and forms an object 652 in an intermediate picture 654 from. Another lens 656 , here a simple example by two Plankonxlinsen 658 . 660 , forms the intermediate image 654 on the sensor 126 from.

Diese Ausführung hat den Vorteil, dass sie vignettierunsgfrei erfolgen kann, was z.B. für radiometrische Messgrößen wichtig ist.This embodiment has the advantage that it can be done vignettierunsgfrei, which is e.g. important for radiometric measures.

Würde beispielsweise ein sogenannter Leistungssensor als Sensor 126 eingesetzt, so würde ohne die Zwischenabbildung 654 eine Abschattung über das Feld entstehen, was z.B. bei Leistungsmessungen Fehler erzeugt bzw. eine aufwendige Kalibrierung erfordert.For example, would a so-called power sensor as a sensor 126 used, so without the intermediate image 654 shading over the field arise, which generates errors eg in power measurements or requires a complex calibration.

Gemäß einem Ausführungsbeispiel wird das Objektiv 656 durch zwei Plankonvex-Linsen 658, 660 realisiert. Gemäß einem alternativen Ausführungsbeispiel ist die Implementierung des Objektivs 656 komplizierter, beispielsweise unter Verwendung von 3 bis 4 Linsen, wodurch das Objektiv 656 kürzer wird. Je nach Ausführung ist die Implementierung auch farbkorrigiert. Dies ist beispielsweise vorteilhaft, falls die Beleuchtung mehrere Wellenlängen benutzt.According to one embodiment, the lens 656 through two plano-convex lenses 658 . 660 realized. According to an alternative embodiment, the implementation of the objective is 656 more complicated, for example, using 3 to 4 lenses, which makes the lens 656 gets shorter. Depending on the version, the implementation is also color-corrected. This is advantageous, for example, if the illumination uses several wavelengths.

Der Strahlteiler 110 ermöglicht weitere Ein- und Auskopplungen. Beispielhaft ist eine mögliche Einkopplung eines Laserstrahls über den Reflexionskanal 124 gezeigt.The beam splitter 110 allows further coupling and uncoupling. An example is a possible coupling of a laser beam over the reflection channel 124 shown.

7 zeigt eine schematische Darstellung eines beispielhaften Strahlengangs durch eine Vorrichtung 100 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Dabei kann es sich um die anhand von 5 beschriebene Vorrichtung handeln. Insbesondere ist dabei der Laserstrahl 108 gezeigt, der entlang des Reflexionskanals 124 zu dem Strahlteiler 110 und von dem Strahlteiler 110, beispielsweise über das Objektiv 114 zu dem Werkstück verläuft. 7 shows a schematic representation of an exemplary beam path through a device 100 according to an embodiment. These may be the ones based on 5 act described device. In particular, the laser beam is 108 shown along the reflection channel 124 to the beam splitter 110 and from the beam splitter 110 , for example via the lens 114 runs to the workpiece.

8 zeigt eine beispielhafte schematische Darstellung eines Zielmaterials 802 sowie eine Probe 803 des Zielmaterials oder ein Bereich, der „geopfert“ werden kann. Das Zielmaterial 802 ist beispielsweise ein Material einer Schicht des zu bearbeitenden Verbundmaterials. 8th shows an exemplary schematic representation of a target material 802 as well as a sample 803 of the target material or an area that can be "sacrificed". The target material 802 is, for example, a material of a layer of the composite material to be processed.

9 zeigt eine schematische Darstellung eines beispielhaften Verbundmaterials 102 mit drei übereinander angeordneten Schichten. Laserstrahlen 108 sind in unterschiedliche Tiefen des Verbundmaterials 102 vorgedrungen. 9 shows a schematic representation of an exemplary composite material 102 with three layers arranged one above the other. laser beams 108 are in different depths of the composite material 102 penetrated.

Gemäß einem Ausführungsbeispiel werden zur Analyse des Verbundmaterials 102, beispielsweise systematisch, Parameter durchgefahren und vermessen. Diese Parametertests, sogenannte Rezepte, werden beispielsweise von einem Server abgerufen, angewendet und durch einen Algorithmus bewertet. Daraus resultierende Schwellwerte und/oder Bearbeitungsrezepte werden beispielsweise in der in 1 gezeigten Verbundmaterialdatenbank gespeichert und können später bei der Bearbeitung eines das Verbundmaterial 102 aufweisenden Werkstücks abgerufen werden.According to one embodiment, for analysis of the composite material 102 For example, systematically, parameters are run through and measured. For example, these parameter tests, known as recipes, are retrieved from a server, applied and evaluated by an algorithm. Resulting threshold values and / or processing recipes are described, for example, in US Pat 1 stored composite database and can later when editing a the composite material 102 be retrieved with the workpiece.

Bei einem Parametertest wird gemäß einem Ausführungsbeispiel zunächst S(z(t),lambda) aufgenommen. Anschließend ermittelt ein Algorithmus einen optimalen Stopp. Ein Verifikationszyklus - mit und ohne Freigabe - testet die Reproduzierbarkeit. Anschließend wird das Verfahren angewandt und das Rezept hinterlegt, beispielsweise in der Verbundmaterialdatenbank.In a parameter test, according to one exemplary embodiment, S (z (t), lambda) is first recorded. An algorithm then determines an optimal stop. A verification cycle - with and without release - tests the reproducibility. Then the process is applied and the recipe is deposited, for example in the composite database.

Optional wird ein zusätzlicher Sensor unter der Materialprobe eingesetzt, der in der späteren Anwendung nicht möglich ist, der jedoch während des Parametertests eingesetzt werden kann und eine Rückmeldung, ein sogenanntes Feedback, geben kann, das zu Erstellung des Rezepts verwendet werden kann. Beispielsweise kann der zusätzliche Sensor einen Hinweis auf die noch bestehende Materialstärke liefern. Umfasst ein Ausführungsbeispiel eine „und/oder“ Verknüpfung zwischen einem ersten Merkmal und einem zweit Merkmal, so kann dies so gelesen werden, dass das Ausführungsbeispiel gemäß einer Ausführungsform sowohl das erste Merkmal als auch das zweiten Merkmal und gemäß einer weiteren Ausführungsform entweder nur das erste Merkmal oder nur das zweite Merkmal aufweist.Optionally, an additional sensor is placed under the material sample, which is not possible in later use, but which can be used during the parameter test and can provide feedback, a so-called feedback, that can be used to create the recipe. For example, the additional sensor can provide an indication of the remaining material thickness. If an exemplary embodiment comprises a "and / or" link between a first feature and a second feature, this can be read so that the embodiment according to one embodiment, both the first feature and the second feature and according to another embodiment, either only the first Feature or only the second feature.

Claims (13)

Verfahren (400) zur Bearbeitung eines eine erste Schicht (118) und eine zweite Schicht (120) aufweisenden Verbundmaterials (102) mittels eines Laserstrahls (108), wobei bei einem Auftreffen des Laserstrahls (108) auf einen Bearbeitungsbereich des Verbundmaterials (102) Material des Verbundmaterials (102) entfernt wird, und wobei das Verfahren (400) folgende Schritte umfasst: Ermitteln (410) einer Änderung, insbesondere einer Frequenzänderung und/oder einer Intensitätsänderung, unter Verwendung eines Sensorsignals (128), das eine aus dem Bearbeitungsbereich ausgesandte Detektionsstrahlung (122) repräsentiert; Vergleichen (420) der Änderung mit einer vorgegebenen Änderung, die bei einem Übergang des Bearbeitungsbereichs aus der ersten Schicht (118) in eine weitere Schicht (120; 300) erwartet wird; und Ausgeben (430) zumindest eines Steuersignals (134, 138, 140) zum Steuern der Bearbeitung abhängig von einem Ergebnis des Vergleichens der Änderung mit der vorgegebenen Änderung.Method (400) for processing a composite material (102) having a first layer (118) and a second layer (120) by means of a laser beam (108), wherein when the laser beam (108) strikes a processing region of the composite material (102) the composite (102) is removed, and wherein the method (400) comprises the steps of: Determining (410) a change, in particular a frequency change and / or a change in intensity, using a sensor signal (128) representing a detection radiation (122) emitted from the processing area; Comparing (420) the change with a predetermined change expected upon transition of the processing area from the first layer (118) to another layer (120; 300); and Outputting (430) at least one control signal (134, 138, 140) for controlling the processing depending on a result of comparing the change with the predetermined change. Verfahren (400) gemäß Anspruch 1, mit einem Schritt des Beleuchtens des Bearbeitungsbereichs mit einer sich von dem Laserstrahl (108) unterscheidenden Beleuchtungsstrahlung (144), um zumindest einen Anteil der Detektionsstrahlung (122) als aus dem Bearbeitungsbereich heraus reflektierten Anteil der Beleuchtungsstrahlung (144) zu erzeugen.Method (400) according to Claim 1 with at least one step of illuminating the processing area with illuminating radiation (144) different from the laser beam (108) generate a portion of the detection radiation (122) as a portion of the illumination radiation (144) reflected from the processing area. Verfahren (400) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, mit einem Schritt des Aussendens des Laserstrahls (108) in den Bearbeitungsbereich und einem Schritt des Erfassens des Sensorsignals (128), wobei der Schritt des Erfassens zeitgleich oder zeitlich versetzt zu dem Schritt des Aussendens ausgeführt wird.The method (400) according to one of the preceding claims, comprising a step of emitting the laser beam (108) into the processing area and a step of detecting the sensor signal (128), wherein the step of detecting is carried out at the same time or with a time offset to the step of transmitting , Verfahren (400) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, bei dem das Sensorsignal (128) eine spektral aufgelöste und/oder integrierte Intensität der Detektionsstrahlung (122) repräsentiert.Method (400) according to one of the preceding claims, in which the sensor signal (128) represents a spectrally resolved and / or integrated intensity of the detection radiation (122). Verfahren (400) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, mit einem Schritt des Bestimmens der vorgegebenen Änderung unter Verwendung des Sensorsignals (128).A method (400) according to any one of the preceding claims, comprising a step of determining the predetermined change using the sensor signal (128). Verfahren (400) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, mit einem Schritt des Auslesens eines die vorgegebene Änderung repräsentierenden Werts aus einer Verbundmaterialdatenbank (150).The method (400) of any one of the preceding claims, comprising a step of reading out a value representing a predetermined change from a composite database (150). Verfahren (400) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, bei dem im Schritt des Ausgebens (430) das Steuersignal (134, 138, 140) ausgegeben wird, um die Bearbeitung zu stoppen, wenn das Ergebnis des Vergleichens (420) anzeigt, dass ein Wert der Änderung einen Wert der vorgegebenen Änderung erreicht oder überschreitet.The method (400) according to one of the preceding claims, wherein in the step of outputting (430) the control signal (134, 138, 140) is output to stop the processing when the result of the comparing (420) indicates that a value the change reaches or exceeds a value of the given change. Verfahren (400) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, bei dem zumindest ein Anteil des Sensorsignals (128) eine Infrarotstrahlung repräsentiert.Method (400) according to one of the preceding claims, in which at least a portion of the sensor signal (128) represents an infrared radiation. Verfahren (400) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, bei dem die vorgegebene Änderung, eine charakteristische Änderung repräsentiert, die bei einem Übergang des Bearbeitungsbereichs von der ersten Schicht (118) in eine zwischen der ersten Schicht (118) und der zweiten Schicht (120) angeordnete Indikatorschicht (300) erwartet wird.Method (400) according to one of the preceding claims, in which the predetermined change represents a characteristic change which occurs when the processing region changes from the first layer (118) into one between the first layer (118) and the second layer (120). arranged indicator layer (300) is expected. Verbundmaterial (102) mit folgenden Merkmalen: zumindest einer ersten Schicht (118), die mittels zumindest eines Laserstrahls (108) zu bearbeiten ist; zumindest einer zweiten Schicht (120), die nicht mittels des Laserstrahls (108) zu bearbeiten ist; und zumindest einer zwischen der ersten Schicht (118) und der zweiten Schicht (120) angeordneten Indikatorschicht (300), die ausgebildet ist, um bei Kontakt mit dem Laserstrahl (108) eine Detektionsstrahlung (122) in einem Spektrum auszusenden, das für eine Grenzfläche zwischen der ersten Schicht (118) und der zweiten Schicht (120) charakteristisch ist.Composite material (102) having the following features: at least one first layer (118) to be processed by means of at least one laser beam (108); at least one second layer (120) that is not to be processed by the laser beam (108); and at least one indicator layer (300) disposed between the first layer (118) and the second layer (120) and configured to emit, upon contact with the laser beam (108), a detection radiation (122) in a spectrum suitable for an interface between the first layer (118) and the second layer (120) is characteristic. Vorrichtung (100) zur Bearbeitung eines eine erste Schicht (118) und eine zweite Schicht (120) aufweisenden Verbundmaterials (102) mittels eines Laserstrahls (108), wobei die Vorrichtung Einheiten (106, 110, 112, 114, 126, 130, 132, 136, 142) aufweist, die ausgebildet sind, um das Verfahren (400) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8 auszuführen und/oder anzusteuern.A device (100) for processing a composite material (102) having a first layer (118) and a second layer (120) by means of a laser beam (108), the device comprising units (106, 110, 112, 114, 126, 130, 132 , 136, 142), which are configured to implement the method (400) according to one of the Claims 1 to 8th execute and / or control. Vorrichtung (100) gemäß Anspruch 11, mit einem Gehäuse, in dem die Einheiten (106, 110, 112, 114, 126, 130, 132, 136, 142) integriert angeordnet sind.Device (100) according to Claim 11 , comprising a housing in which the units (106, 110, 112, 114, 126, 130, 132, 136, 142) are integrated. Vorrichtung (100) gemäß Anspruch 11 oder 12, mit einem Strahlteiler (110), einer Laserquelle (106) zum Aussenden des Laserstrahls (108) und einem optischen Sensor (126) zum Erfassen des Sensorsignals (128), wobei der optische Sensor (126) in einem Transmissionskanal (104) und die Laserquelle (106) in einem Reflexionskanal (124) des Strahlteilers (110) angeordnet ist, oder wobei der optische Sensor (126) in dem Reflexionskanal (124) und die Laserquelle (106) in dem Transmissionskanal (104) des Strahlteilers (110) angeordnet ist.Device (100) according to Claim 11 or 12 , comprising a beam splitter (110), a laser source (106) for emitting the laser beam (108) and an optical sensor (126) for detecting the sensor signal (128), wherein the optical sensor (126) in a transmission channel (104) and the Laser source (106) in a reflection channel (124) of the beam splitter (110) is arranged, or wherein the optical sensor (126) in the reflection channel (124) and the laser source (106) in the transmission channel (104) of the beam splitter (110) is.
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