DE102018129407B4

DE102018129407B4 - Verfahren zum Schneiden eines Werkstücks mittels eines Laserstrahls und Laserbearbeitungssystem zum Durchführen des Verfahrens

Info

Publication number: DE102018129407B4
Application number: DE102018129407.7A
Authority: DE
Inventors: Niklas Weckenmann; Florian Opitz
Original assignee: Precitec GmbH and Co KG
Current assignee: Precitec GmbH and Co KG
Priority date: 2018-11-22
Filing date: 2018-11-22
Publication date: 2023-03-30
Anticipated expiration: 2038-11-23
Also published as: DE102018129407A1; WO2020104100A1; EP3883719A1; CN113348047A

Abstract

Verfahren zum Schneiden eines Werkstücks (1) mittels eines Laserstrahls (10), umfassend:Erzeugen eines Schnittspalts (2) auf dem Werkstück (1) entlang einer Schneidrichtung (20) mittels eines Laserstrahls (10) in einem Schneidvorgang;Richten eines optischen Messstrahls (13) eines optischen Kohärenztomographen auf den Schnittspalt (2);Auslenken des optischen Messstrahls (13); undVermessen wenigstens einer geometrischen Eigenschaft des Schnittspalts (2) mit Hilfe des optischen Kohärenztomographen,wobei der Laserstrahl (10) durch eine Austrittsöffnung (710) eines Laserbearbeitungskopfs (101) austritt, und eine Geometrie der Austrittsöffnung (710) vor und/oder während des Schneidvorgangs vermessen wird, und(I) wobei für einen asymmetrischen Schneidvorgang der Laserstrahl (10) eingestellt wird, um dezentral durch die Austrittsöffnung (710) auszutreten; und/oder(II) wobei eine Schneiddüse (700) die Austrittsöffnung (710) aufweist, und wobei basierend auf der bestimmten Geometrie der Austrittsöffnung (710) eine Aufnahmeposition der Schneiddüse (700) am Laserbearbeitungskopf (101) überprüft wird.

Description

Die vorliegende Offenbarung betrifft ein Laserbearbeitungssystem und ein Verfahren zum Schneiden eines Werkstücks mittels eines Laserstrahls. Die vorliegende Offenbarung betrifft insbesondere einen Laserschneidkopf mit einem optischen Kohärenz-Interferometer.
Stand der Technik
In einer Vorrichtung zur Materialbearbeitung mittels Laser, z.B. in einem Laserbearbeitungskopf zum 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 Kollimatoroptik und einer Fokussierungsoptik verwendet, wobei das Laserlicht über eine Lichtleitfaser, auch als Laserquelle bezeichnet, zugeführt wird.
Laserschneiden wird im Rahmen einer Automatisierung industrieller Trennvorgänge eingesetzt, da mit entsprechenden Laserbearbeitungssystemen das Schneiden großer Metallplatten weitestgehend verschleißfrei, prozesssicher und flexibel möglich ist. Voraussetzung für eine weitere Erhöhung des Automatisierungsgrads beim Laserschneiden ist eine Verbesserung der Prozessüberwachung und/oder Prozessregelung. Insbesondere ist es von Vorteil, auftretende Abweichungen im Trennprozess oder Schwankungen der Bearbeitungsqualität zu erkennen und zu vermeiden.
Es existieren Ansätze, wie Teilaspekte des Laserschneidprozesses überwacht und geregelt werden können. So werden zum Beispiel Sensoren verwendet, die Rückschlüsse auf den aktuellen thermophysikalischen Zustand eines Prozesses ermöglichen. Zum Beispiel beschreibt die EP 1 275 465 B1 ein System für die Verifizierung des Nichtvorhandenseins eines Grats mit einer Einrichtung zum Fokussieren eines Laserstrahls auf eine Schnitt- oder Perforationszone, einer Fotodioden-Sensoreinrichtung zum Erfassen der durch die Schnitt- oder Perforationszone ausgesendeten Strahlung, und einer elektronische Steuer- und Verarbeitungseinheit zum Verarbeiten der durch die Sensoreinrichtung ausgesendeten Signale.
Derartige herkömmliche Ansätze können auftretende Abweichungen im Trennprozess oder Schwankungen der Bearbeitungsqualität allerdings nur unzureichend erkennen und sind zudem aufwändig in der Umsetzung.
DE 10 2015 012 565 B3 betrifft eine Messvorrichtung für ein Bearbeitungssystem zum Bearbeiten eines Werkstücks mittels eines hochenergetischen Bearbeitungsstrahls, wobei die Messvorrichtung dazu vorgesehen ist, mittels eines Messstrahls Positionsmessungen auf dem Werkstück durchzuführen, wobei die Messvorrichtung eine Messstrahlquelle zum Erzeugen eines Messstrahls durch einen optischen Kohärenztomographen umfasst, wobei der Messstrahl in den Bearbeitungsstrahl einkoppelbar und über eine Bearbeitungsstrahloptik auf das Werkstück richtbar ist, und wobei die Messvorrichtung ferner einen ortsauflösenden Sensor umfasst, der dazu ausgebildet ist, einen von dem Messstrahl vermessenen Bereich des Werkstücks mittels eines Sensorstrahls zu erfassen und darauf basierend ortsauflösenden Informationen zu erzeugen.
DE 10 2013 017 795 B3 betrifft ein Verfahren und Vorrichtung zur Prozessüberwachung und/oder Steuerung einer Bearbeitungsvorrichtung zur Bearbeitung eines Werkstücks mittels eines hochenergetischen Strahls, in dem bzw. der folgende Schritte durchgeführt werden: Erfassen von Prozessdaten der Bearbeitungsvorrichtung; Erfassen von Bildrohdaten eines Bildes einer Bearbeitungsstelle eines Werkstücks mittels eines Bildsensors; Verarbeiten der erfassten Bildrohdaten mittels eines Bildrohdatenverarbeitungsalgorithmus zu Bilddaten, und Auswerten der Bilddaten mittels eines Bilddatenauswertealgorithmus, wobei das Erfassen der Bildrohdaten und/oder Verarbeiten der Bildrohdaten und/oder Auswerten der Bilddaten basierend auf den erfassten Prozessdaten erfolgt.
EP 3 189 926 A1 betrifft eine Vorrichtung zur Überwachung und insbesondere zur Regelung eines Laserschneidprozesses an einem Werkstück, umfassend: eine Bilderfassungseinrichtung zur Aufnahme eines Bildes eines zu überwachenden Bereichs des Werkstücks, der insbesondere einen Wechselwirkungsbereich eines Laserstrahls mit dem Werkstück umfasst, sowie eine Auswerteeinrichtung zur Detektion von Materialbegrenzungen, insbesondere von Kanten des Werkstücks, anhand des aufgenommenen Bildes, wobei die Auswerteeinrichtung ausgelegt ist, anhand einer geometrischen Beziehung zwischen mindestens zwei der detektierten Materialbegrenzungen und/oder anhand des Wechselwirkungsbereichs mindestens eine charakteristische Kenngröße, insbesondere eine Schnittqualität, des Laserschneidprozesses zu ermitteln.
DE 10 2016 219 927 A1 betrifft eine Vorrichtung zur Überwachung eines thermischen Schneidprozesses an einem Werkstück, umfassend: eine Fokussiereinrichtung zur Fokussierung eines Bearbeitungsstrahls auf das Werkstück zur Ausbildung einer Schnittfuge an dem Werkstück, sowie eine Bilderfassungseinrichtung zur Erzeugung mindestens eines Bildes eines zu überwachenden Bereichs des Werkstücks, wobei eine Auswerteeinrichtung, die ausgebildet ist, anhand des mindestens einen Bildes mindestens eine Messgröße für den Verlauf der Spaltbreite der Schnittfuge in Dickenrichtung des Werkstücks zu bestimmen.
DE 10 2014 113 283 A1 betrifft eine Vorrichtung zur Remote-Laserbearbeitung von zumindest einem Werkstück mittels eines Bearbeitungslaserstrahls mit einer Laserleiteinheit und zumindest einer von der Laserleiteinheit optisch entkoppelten Sensoreinheit, die gemeinsam von einem Manipulator, insbesondere um und/oder entlang mehrerer Manipulatorachsen, bewegbar sind und/oder zu denen das Werkstück mittels eines Manipulators, insbesondere um und/oder entlang mehrerer Manipulatorachsen, relativ bewegbar ist, wobei der Bearbeitungslaserstrahl mittels der Laserleiteinheit zu einem Prozessort auf dem Werkstück leitbar ist und die Sensoreinheit einen optischen Sensor zum Erfassen eines Analysebereiches auf dem Werkstück und Mittel zum Bewegen des Analysebereiches relativ zur Bewegung des Manipulators und/oder Werkstücks aufweist. Erfindungsgemäß weist die Sensoreinheit als Mittel zum Bewegen des Analysebereiches zumindest ein optisches, insbesondere zumindest teilweise reflektierendes, Führungselement auf, das im Strahlengang zwischen dem Analysebereich und dem Sensor angeordnet ist und das derart beweglich ausgebildet ist, dass die Position des Analysebereiches auf dem Werkstück durch eine der Manipulator- und/oder Werkstückbewegung überlagerte Relativbewegung veränderbar ist.
Offenbarung der Erfindung
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Offenbarung, ein Laserbearbeitungssystem und ein Verfahren zum Schneiden eines Werkstücks mittels eines Laserstrahls anzugeben, die eine Prozessüberwachung verbessern können. Insbesondere ist eine Aufgabe der vorliegenden Offenbarung, ein Laserbearbeitungssystem und ein Verfahren anzugeben, mit denen auftretende Abweichungen im Trennprozess oder Schwankungen der Bearbeitungsqualität bereits während des Schneidvorgangs detektiert und vermieden werden können.
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 ein Laserbearbeitungssystem zum Schneiden eines Werkstücks mittels eines Laserstrahls angegeben. Das Laserbearbeitungssystem umfasst einen Laserbearbeitungskopf, der eingerichtet ist, um den Laserstrahl auf das Werkstück zum Erzeugen eines Schnittspalts entlang einer Schneidrichtung zu richten; eine optische Messeinrichtung mit einem optischen Kohärenztomographen (OCT), wobei die optische Messeinrichtung eingerichtet ist, um, vorzugsweise während des Schneidvorgangs, einen optischen Messstrahl auf den Schnittspalt zu richten; und eine Ablenkvorrichtung, die eingerichtet ist, um den optischen Messstrahl, beispielsweise bezüglich einer Strahlachse des Laserstrahls und/oder bezüglich der Schneidrichtung, auszulenken, um wenigstens eine geometrische Eigenschaft des Schnittspalts zu vermessen. Die Vermessung mit Hilfe des optischen Kohärenztomographen kann also basierend auf Abstandsdaten erfolgen, die für verschiedene Positionen auf dem Werkstück bzw. am und um den Schnittspalt durch den ausgelenkten optischen Messstrahl erhalten werden. Der optische Messstrahl kann koaxial oder parallel zum Laserstrahl auf das Werkstück treffen und bezüglich dieser Position ausgelenkt werden.
Die wenigstens eine geometrische Eigenschaft kann mindestens eine der folgenden Eigenschaften umfassen: eine Schneidfrontgeometrie, eine Breite des Schnittspalts und eine Schnittflankengeometrie. Die Schneidfrontgeometrie kann ein Profil der Schneidfront und/oder einen Schneidfrontwinkel umfassen. Die Schnittflankengeometrie kann einen Schnittkantenwinkel umfassen.
Mit „Schneiden“ wird hier beispielsweise ein Zerteilen oder Trennverfahren eines Werkstücks bezeichnet. Somit kann der Schnittspalt definiert sein als ein Spalt oder Schnitt, der das Werkstück vollständig durchdringt. Der Schnittspalt kann auch als Schnittfuge bezeichnet werden. Der Schnittspalt umfasst hierbei nicht nur den Spalt bzw. das Loch im Werkstück selbst, sondern auch dessen begrenzenden Ränder.
Erfindungsgemäß erfolgt eine Prozessüberwachung durch Vermessung der geometrischen Eigenschaft und optional eine Prozessregelung beim Laserschneiden. Hierzu ist ein optischer Kohärenztomograph (OCT) als Messsensor vorgesehen, der beispielsweise die gleichzeitige Erfassung verschiedener relevanter Prozessgrößen während des Laserschnitts ermöglicht. Bei den erfassten Prozessgrößen handelt es sich insbesondere um geometrische Größen, d.h. die Schneidfrontgeometrie und/oder die Breite des Schnittspalts und/oder die Schnittflankengeometrie. Damit ist es möglich, auftretende Abweichungen im Trennprozess oder Schwankungen der Bearbeitungsqualität bereits während des Schneidvorgangs zu detektieren. Durch eine Anpassung der aktuellen Bearbeitungsparameter (z.B. Vorschubgeschwindigkeit, Vorschubrichtung, Fokuslage, Gasdruck, etc.) können Schneidfehler vermieden werden. Somit kann gemäß den Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung eine Detektion verschiedener topographischer Eigenschaften und eine zugehörige Regelung des Prozesses mit nur einer Messvorrichtung erfolgen.
In einer Ausführungsform kann die Ablenkvorrichtung eingerichtet sein, um den optischen Messstrahl senkrecht und/oder parallel zur Schneidrichtung auszulenken. Die Vermessung kann entweder kontinuierlich oder diskret an verschiedenen Punkten mittels des optischen Messstrahls erfolgen. Vorzugsweise ist die Ablenkvorrichtung eingerichtet, um den optischen Messstrahl im Wesentlichen parallel zur Schneidrichtung bzw. zur Vorschubbewegung des Schnittspalts auszulenken, beispielsweise für eine Vermessung der Schneidfrontgeometrie des Schnittspalts. Insbesondere kann die Schneidrichtung einem vorgegebenen linearen, nicht-linearen oder kombiniert linearen und nicht-linearen Pfad folgen, wobei der optische Messstrahl entlang des Pfades bzw. parallel zum Pfad ausgelenkt werden kann. Zum Beispiel kann das Auslenken in Form einer oszillierenden Bewegung bzw. einer Pendelbewegung des optischen Messstrahls entlang der aktuellen Schneidrichtung bzw. des lokalen Pfades erfolgen, wodurch beispielsweise die gesamte Schneidfrontgeometrie des Schnittspalts abgetastet und vermessen werden kann. Vorzugsweise ist die Ablenkvorrichtung eingerichtet, um den optischen Messstrahl parallel zur Schneidrichtung durch einen aktuellen Bearbeitungspunkt und durch mindestens einen Punkt im Vorlauf und/oder Nachlauf zum aktuellen Bearbeitungspunkt oder zum Laserstrahl hin- und herzubewegen. Mit dem aktuellen Bearbeitungspunkt wird im Folgenden insbesondere der Punkt auf der Werkstückoberfläche bezeichnet, an dem die Strahlachse des Laserstrahls auf die Werkstückoberfläche trifft. Das Vermessen der Schneidfrontgeometrie durch eine Pendelbewegung des optischen Messstrahls über die Schneidfront kann sicherstellen, dass die Schneidfrontgeometrie optimal ist, wodurch ein stabil verlaufender Laserschneidprozess ermöglicht wird.
Vorzugsweise umfasst die Schneidfrontgeometrie ein (geometrisches) Profil der Schneidfront und/oder einen lokalen Schneidfrontwinkel/oder einen globalen Schneidfrontwinkel. Damit kann sichergestellt werden, dass die Schneidfront ein vorgegebenes Profil oder einen vorgegebenen Schneidfrontwinkel aufweist. Die Schneidfront darf nicht zu steil und nicht zu flach sein, um einen stabil verlaufenden Laserschneidprozess zu ermöglichen.
Vorzugsweise ist die Ablenkvorrichtung eingerichtet, um den optischen Messstrahl im Wesentlichen senkrecht zur Schneidrichtung auszulenken. In einem Ausführungsbeispiel kann die Ablenkvorrichtung eingerichtet sein, um den optischen Messstrahl sowohl senkrecht als auch parallel zur Schneidrichtung, oder in einer beliebigen Scanbewegung auszulenken. Um eine Breite des Schnittspalts und/oder eine Schnittflankengeometrie zu vermessen, kann die Ablenkvorrichtung eingerichtet sein, den optischen Messstrahl im Nachlauf zum aktuellen Bearbeitungspunkt bzw. zum Laserstrahl senkrecht zur Schneidrichtung, z.B. in einer Pendelbewegung, auszulenken.
Bei einem stabilen Laserschneidprozess kann die Breite des Schnittspalts in etwa so groß wie der Durchmesser des Laserstrahls auf der Oberfläche des Werkstücks sein. Bei einer ungeeigneten Wahl der Schneidparameter, wie zum Beispiel der Vorschubgeschwindigkeit, der Vorschubrichtung, der Fokuslage, des Gasdrucks, etc., kann eine unerwünschte Aufweitung des Schnittspalts auftreten. Durch die Verwendung des optischen Kohärenztomographen lässt sich die Schnittspaltbreite während des Trennvorgangs messen und die Prozessführung entsprechend regeln.
Ein weiteres Qualitätsmerkmal von Laserschnitten ist die Schnittflankengeometrie, wie zum Beispiel ein Schnittkantenwinkel bezüglich der Oberseite des Werkstücks. Insbesondere kann eine Rechtwinkligkeit der Schnittflanke bezüglich der Werkstückoberfläche Aufschluss über die Qualität des Laserschnitts geben. Hierzu kann die Ablenkvorrichtung eingerichtet sein, den optischen Messstrahl im Wesentlichen senkrecht zur Schneidrichtung, z.B. oszillatorisch bzw. in einer Pendelbewegung, auszulenken, um den Schnittkantenwinkel zu vermessen.
Vorzugsweise umfasst das Laserbearbeitungssystem eine Steuervorrichtung, die eingerichtet ist, um wenigstens einen Prozessparameter basierend auf der vermessenen wenigstens einen geometrischen Eigenschaft des Schnittspalts, wie der Schneidfrontgeometrie und/oder der Breite des Schnittspalts und/oder der Schnittflankengeometrie einzustellen. Der wenigstens eine Prozessparameter kann aus der Gruppe ausgewählt sein, die eine Laserleistung, eine Fokuslage des Laserstrahls, einen Fokusdurchmesser des Laserstrahls, eine Prozessgaszusammensetzung, einen Prozessgasdruck, eine Vorschubgeschwindigkeit, -richtung und einen Abstand zwischen dem Laserbearbeitungskopf und dem Werkstück umfasst.
Beim Schneiden metallischer Materialien mittels Laserstrahlung kann üblicherweise gemeinsam mit dem Laserstrahl ein Prozessgas aus dem Schneidkopf auf das Werkstück gerichtet werden. Zu diesem Zweck kann an einem Laserbearbeitungskopf des Laserbearbeitungssystems eine Schneiddüse angebracht sein, durch die Laserstrahlung und Prozessgas auf ein zu bearbeitendes Werkstück gerichtet werden. Das Prozessgas kann ein inertes Medium (z.B. Stickstoff N₂) oder ein reaktives Gas (z.B. Sauerstoff O₂) sein. Der wenigstens eine Prozessparameter kann eine Zusammensetzung des Prozessgases und/oder einen Druck des Prozessgases umfassen. Durch das gezielte Einstellen der Zusammensetzung und/oder des Drucks des Prozessgases basierend auf der vermessenen Geometrie des Schnittspalts kann eine Qualität des Schneidprozesses verbessert werden.
Vorzugsweise ist die Ablenkvorrichtung eingerichtet, um den optischen Messstrahl bezüglich der Schneidrichtung oder des Schneidpfades in wenigstens eine Raumrichtung oszillierend zu bewegen. Insbesondere kann die Ablenkvorrichtung eingerichtet sein, um den optischen Messstrahl parallel und/oder senkrecht zur Schneidrichtung oder zum Schneidpfad zu bewegen. Beispielsweise kann die Ablenkvorrichtung eingerichtet sein, um den optischen Messstrahl im Wesentlichen parallel und/oder senkrecht zur Schneidrichtung oder dem Schneidpfad oder in einer beliebigen geeigneten Bewegungsform zu oszillieren. Hierdurch können verschiedene topografische Merkmale des Schneidprozesses flächig erfasst werden.
Vorzugsweise ist die Ablenkvorrichtung im Messstrahlengang angeordnet und eingerichtet, um mit dem optischen Messstrahl einen Bereich der Werkstückoberfläche abzutasten. Der Bereich der Werkstückoberfläche kann den Schnittspalt und optional einen den Schnittspalt umgebenden Bereich und/oder den aktuellen Bearbeitungspunkt umfassen. Insbesondere kann der optische Messstrahl dynamisch und unabhängig vom Laserstrahl auf dem Werkstück positioniert werden. Die Ablenkvorrichtung kann beispielsweise zumindest einen reflektierenden, um mindestens eine Achse beweglichen Spiegel aufweisen. Der Spiegel ist vorzugsweise um zwei aufeinander senkrecht stehende Achsen schwenkbar. Die Ablenkvorrichtung kann insbesondere ein Scanner-System sein. Für die dynamische Messfleckpositionierung sind weitere Ausführungsformen der Ablenkvorrichtung, die beispielsweise transmittierende optische Elemente umfassen oder ein Verschieben des Faserendes des Messstrahls beinhalten, möglich.
Vorzugsweise ist die optische Messeinrichtung eingerichtet, um den optischen Messstrahl vor dem Beginn des Schneidvorgangs auf das Werkstück zu richten und aus einer Reflexion des optischen Messstrahls ein Material des Werkstücks zu bestimmen. Zum Beispiel kann der optische Messstrahl mit einer definierten Intensität und/oder einer definierten Zeitdauer auf das Werkstück gerichtet werden. Der optische Messstrahl wird zum Teil zurückreflektiert und gelangt mit einer bestimmten Intensität auf den Sensor der optischen Messeinrichtung. Das Verhältnis aus den beiden Intensitäten ist ein Maß für den Reflexionsgrad des Materials. Daraus kann wiederum die vorliegende Materialart bestimmt werden. Die Steuervorrichtung kann eingerichtet sein, basierend auf dem bestimmten Material automatisiert einen entsprechenden Prozessparametersatz und/oder Werte für Prozessparameter, wie z.B. mindestens einen der Prozessparameter Laserleistung, Fokuslage des Laserstrahls, Fokusdurchmesser des Laserstrahls, Prozessgaszusammensetzung, Prozessgasdruck, Vorschubrichtung und Vorschubgeschwindigkeit, auszuwählen. Ebenso kann überprüft werden, ob das Material entsprechend der aktuellen Bearbeitungsaufgabe in der Schneidmaschine vorhanden ist.
Der Laserbearbeitungskopf kann ein oder mehrere optische Elemente aufweisen. Hierbei können alle optischen Elemente des Laserbearbeitungskopfes reflektive Optiken sein. Alternativ können alle optischen Elemente des Laserbearbeitungskopfes transmissive Optiken sein oder die optischen Elemente können sowohl transmissive als auch reflektive Optiken umfassen. Vorzugsweise umfasst der Laserbearbeitungskopf zumindest ein optisches Element, das bezüglich einer optischen Achse verschiebbar ist, um eine Fokuslage des Laserstrahls und/oder eine Fokuslage des wenigstens einen optischen Messstrahls einzustellen. Das zumindest eine optische Element kann transmissive und/oder reflektive Optiken umfassen, und kann beispielsweise eine Linse, eine Linsengruppe, eine Zoomoptik, eine Spiegeloptik oder ähnliches umfassen oder sein. Das zumindest eine optische Element kann aus der Gruppe ausgewählt sein, die eine Kollimator-Optik für den Laserstrahl, eine Kollimator-Optik für den wenigstens einen optischen Messstrahl und eine Fokussier-Optik umfasst oder daraus besteht. Die Fokussier-Optik kann eine gemeinsame Fokussieroptik für den Laserstrahl und den wenigstens einen optischen Messtrahl sein. Diese Optiken können eine Linse oder eine Linsengruppe sein oder umfassen. Vorzugsweise weist der Laserbearbeitungskopf eine Austrittsöffnung auf, durch die der Laserstrahl und optional auch Schneidgas aus dem Laserbearbeitungskopf austreten und auf das Werkstück gerichtet werden kann. Die Laserstrahl-Austrittsöffnung kann zum Beispiel in der Schneiddüse ausgebildet sein. In diesem Fall kann die Austrittsöffnung als „Düsenöffnung“ bezeichnet werden. Die optische Messeinrichtung kann eingerichtet sein, um eine Geometrie der Austrittsöffnung zu vermessen. Die Vermessung der Geometrie der Austrittsöffnung kann zum Beispiel für ein asymmetrisches Schneiden und/oder eine Überprüfung des Düsendurchmessers verwendet werden.
Beispielsweise kann die optische Messeinrichtung eingerichtet sein, um einen Mittelpunkt bzw. ein Zentrum und/oder einen Umfangsrand der Laserstrahl-Austrittsöffnung zu bestimmen, beispielsweise um eine Einstellung zum asymmetrischen Schneiden vorzunehmen. Unter dem Begriff „asymmetrisches Schneiden“ wird verstanden, dass das Zentrum des Laserstrahls und das Zentrum der Austrittsöffnung nicht deckungsgleich sind. Hierzu kann das Laserbearbeitungssystem eingerichtet sein, um den Laserstrahl basierend auf der vermessenen Geometrie der Austrittsöffnung abzulenken oder die Strahlachse des Laserstrahls zu verschieben, so dass der Laserstrahl dezentral durch die Laserstrahl-Austrittsöffnung hindurch tritt. Ein derartiges asymmetrisches Schneiden kann die Schneidqualität in bestimmten Situationen verbessern.
Vorzugsweise ist die optische Messeinrichtung eingerichtet, um einen Durchmesser der Austrittsöffnung zu bestimmen. Insbesondere nach einem Wechsel der Schneiddüse kann die optische Messeinrichtung verwendet werden, um den Düsendurchmesser nach seiner Montage am Schneidkopf zu kontrollieren. Hierdurch kann überprüft werden, ob die richtige Düse ausgewählt wurde oder ob eine Düse korrekt am Schneidkopf montiert wurde.
Die optische Messeinrichtung kann einen Kohärenz-Interferometer, und insbesondere einen Kurzkohärenz-Interferometer umfassen, um die geometrischen Eigenschaften des Schnittspalts zu bestimmen.
Gemäß einem weiteren unabhängigen Aspekt der vorliegenden Offenbarung ist ein Verfahren zum Schneiden eines Werkstücks mittels eines Laserstrahls angegeben. Das Verfahren umfasst: Richten eines Laserstrahls auf das Werkstück zum Erzeugen eines Schnittspalts entlang einer Schneidrichtung; Richten eines optischen Messstrahls eines optischen Kohärenztomographen auf den Schnittspalt während des Schneidvorgangs mit dem Laserstrahl; Ablenken des optischen Messstrahl bezüglich der Schneidrichtung, und Vermessen wenigstens einer geometrischen Eigenschaft des Schnittspalts. Die wenigstens eine geometrische Eigenschaft kann aus der Gruppe ausgewählt sein, die eine Schneidfrontgeometrie, ein Profil der Schneidfront, einen Schneidfrontwinkel, eine Breite des Schnittspalts, einen Schnittkantenwinkel und eine Schnittflankengeometrie umfasst.
Gemäß einem weiteren Aspekt wird ein Verfahren zum Schneiden eines Werkstücks mittels eines Laserstrahls angegeben, in dem die geometrischen Eigenschaften des ablaufenden Bearbeitungsprozesses und/oder der beteiligten Komponenten mit einem optischen Kohärenztomographen überwacht werden. Die überwachte geometrische Eigenschaft des Bearbeitungsprozesses kann eine Schneidfrontgeometrie des Schnittspalts sein. Ein optischer Messstrahl des Kohärenztomographen kann für eine Vermessung der Schneidfrontgeometrie in einer Pendelbewegung parallel zur Schneidrichtung ausgelenkt werden. Hierbei können zumindest die Abstände eines Punktes im Vorlauf und eines Punktes im Nachlauf des aktuellen Bearbeitungspunktes erfasst werden. Aus den Abständen kann eine durchschnittliche Neigung der Schneidfront berechnet werden. Die überwachte geometrische Eigenschaft des Bearbeitungsprozesses kann eine Breite des Schnittspalts sein. Zur Vermessung der Breite kann ein optischer Messstrahl des Kohärenztomographen in einer Pendelbewegung senkrecht zur Schneidrichtung auf Höhe eines aktuellen Bearbeitungspunktes und/oder im Nachlauf eines aktuellen Bearbeitungspunktes in Bezug auf die Schneidrichtung ausgelenkt werden. Die überwachte geometrische Eigenschaft des Bearbeitungsprozesses kann eine Schnittflankengeometrie sein. Zur Vermessung der Schnittflankengeometrie kann ein optischer Messstrahl des Kohärenztomographen in einer Pendelbewegung senkrecht zur Schneidrichtung im Nachlauf eines aktuellen Bearbeitungspunktes in Bezug auf die Schneidrichtung ausgelenkt werden. Der Schneidprozess kann hinsichtlich der geometrischen Eigenschaft gesteuert oder geregelt werden. Der Regelparameter kann aus der Gruppe ausgewählt werden, die Folgendes umfasst: eine Laserleistung, eine Fokuslage des Laserstrahls, ein Fokusdurchmesser des Laserstrahls, eine Prozessgaszusammensetzung, ein Prozessgasdruck, eine Vorschubrichtung, eine Vorschubgeschwindigkeit, und einen Abstand zwischen dem Laserbearbeitungskopf und dem Werkstück. Die überwachte geometrische Eigenschaft einer beteiligten Komponente kann ein Durchmesser oder ein Mittelpunkt einer Austrittsöffnung einer Schneiddüse sein. Die überwachte geometrische Eigenschaft kann verwendet werden, um den Laserstrahl für einen asymmetrischen Schneidvorgang dezentral durch die Austrittsöffnung der Schneiddüse zu lenken.
Das hierin beschriebene Laserbearbeitungssystem zum Schneiden eines Werkstücks mittels eines Laserstrahls kann insbesondere eingerichtet sein, ein Verfahren gemäß einem Aspekt dieser Offenbarung durchzuführen.
Gemäß einem weiteren Aspekt wird ein Software- (SW) Programm beschrieben. Das SW Programm kann eingerichtet werden, um auf einem Prozessor ausgeführt zu werden, und um dadurch das in diesem Dokument beschriebene Verfahren auszuführen.
Gemäß einem weiteren Aspekt wird ein Speichermedium beschrieben. Das Speichermedium kann ein SW Programm umfassen, welches eingerichtet ist, um auf einem Prozessor ausgeführt zu werden, und um dadurch das in diesem Dokument beschriebene Verfahren auszuführen.
Figurenliste
Ausführungsbeispiele der Offenbarung sind in den Figuren dargestellt und werden im Folgenden näher beschrieben. Es zeigen:

1 ein Laserbearbeitungssystem gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung,
2 die Vermessung einer Schneidfrontgeometrie gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung,
3 die Vermessung eines Schneidfrontwinkels gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung,
4 eine Vermessung der Breite des Schnittspalts gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung,
5 eine Vermessung einer Schnittflanke des Schnittspalts gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung,
6 und 7 eine Vermessung eines Düsendurchmessers gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung, und
8 asymmetrisches Schneiden gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung.

Ausführungsformen der Offenbarung
Im Folgenden werden, sofern nicht anders vermerkt, für gleiche und gleichwirkende Elemente gleiche Bezugszeichen verwendet.
1 zeigt eine schematische Darstellung eines Laserbearbeitungssystems 100 gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung. Das Laserbearbeitungssystem 100 kann einen Laserschneidkopf 101 umfassen. In dem in 1 gezeigten Laserbearbeitungssystem wird ein Laserstrahl 10 und ein optischer Messstrahl 13 senkrecht zueinander in den Laserschneidkopf 101 eingekoppelt. Die vorliegende Offenbarung ist aber ebenso für ein Laserbearbeitungssystem anwendbar, bei dem der Laserstrahl 10 und der optische Messstrahl 13 parallel bzw. gemeinsam in den Laserschneidkopf 101 eingekoppelt werden.
Das Laserbearbeitungssystem 100 umfasst einen Schneidkopf 101 mit einer Laservorrichtung 110 zum Bereitstellen eines Laserstrahls 10 (auch als „Bearbeitungsstrahl“ oder „Bearbeitungslaserstrahl“ bezeichnet) und eine optische Messeinrichtung 200, die eingerichtet ist, um - vorzugsweise während des Schneidvorgangs - einen optischen Messstrahl 13 auf den mit dem Laserstrahl 10 erzeugten Schnittspalt zu richten. Während des Schneidprozesses wird ein aktueller Bearbeitungspunkt, d.h. ein Auftreffpunkt des Laserstrahls 10 auf der Werkstückoberfläche, relativ zum Werkstück 1 entlang einer Schneidrichtung 20 bewegt, um den Schnittspalt zu erzeugen. Insbesondere kann die Schneidrichtung 20 einem vorgegebenen linearen Pfad, nicht-linearen Pfad oder kombiniert linearen und nicht-linearen Pfad folgen. Die Schneidrichtung 20 kann in einigen Ausführungsformen eine horizontale Richtung sein. Das Laserbearbeitungssystem 100, und insbesondere der Schneidkopf 101, können während des Schneidprozesses relativ zum Werkstück 1 entlang einer Vorschubrichtung bewegt werden. Die Schneidrichtung 20 kann auch die Vorschubrichtung sein.
Das Laserbearbeitungssystem 100 umfasst weiter eine Ablenkvorrichtung 250, die eingerichtet ist, um den optischen Messstrahl 13 bezüglich der Strahlachse des Laserstrahls 10 und/oder bezüglich der Schneidrichtung 20 auszulenken, um wenigstens eine geometrische Eigenschaft des Schnittspalts zu vermessen. Die wenigstens eine geometrische Eigenschaft des Schnittspalts ist aus der Gruppe ausgewählt, die eine Schneidfrontgeometrie, eine Breite des Schnittspalts und eine Schnittflankengeometrie umfasst. Der optische Messstrahl 13 kann damit eine Topographiemessungen in und um den aktuellen Bearbeitungspunkt des Laserstrahls 10 ermöglichen. Insbesondere lassen sich verschiedene geometrische Charakteristika des Schneidprozesses überwachen.
Der optische Messstrahl 13 kann ein einziger Messstrahl sein oder kann eine Vielzahl von Substrahlen umfassen.
Die Laservorrichtung 110 ist eingerichtet, um den Laserstrahl 10 auf die Bearbeitungszone des Werkstücks 1 zu lenken, um den Schnittspalt zum Trennen des Werkstücks 1 zu erzeugen. Die Laservorrichtung 110 kann eine Kollimatorlinse 120 zur Kollimation des Laserstrahls 10 aufweisen. Innerhalb des Laserschneidkopfes 101 kann der Laserstrahl 10 durch eine geeignete Optik, wie zum Beispiel ein Strahlumlenker 220, um etwa 90° in Richtung des Werkstücks 1 abgelenkt werden.
In einigen Ausführungsformen können der Laserstrahl 10 und der optische Messstrahl 13 zumindest streckenweise koaxial sein, und können insbesondere zumindest streckenweise koaxial überlagert sein. Zum Beispiel können der Laserstrahl 10 und der optische Messstrahl 13 durch den Strahlumlenker 220 im Wesentlichen koaxial durch die Schneidoptik in die Bearbeitungszone geführt werden. Die Zusammenführung des optischen Messstrahls 13 und des Laserstrahls 10 kann nach der Kollimator-Optik 210 und vor einer Fokussier-Optik 230 erfolgen. Vorzugsweise ist der Strahlumlenker 220 reflektierend für die Wellenlänge des Laserstrahls 10 und transmittierend für die Wellenlänge des optischen Messstrahls 13.
Die optische Messeinrichtung 200 umfasst ein Kohärenz-Interferometer bzw. einen Kohärenztomograph. Der Kohärenztomograph umfasst typischerweise die Kollimator-Optik 210, die eingerichtet ist, um den optischen Messstrahl 13 zu kollimieren, und die Fokussier-Optik 230, die eingerichtet ist, um den optischen Messstrahl 13 auf das Werkstück 1, und insbesondere den Pfad zum Ausbilden des Schnittspaltes zu fokussieren. Die Fokussier-Optik 230 kann eine gemeinsame Fokussier-Optik, wie beispielsweise eine Fokuslinse, für den Laserstrahl 10 und den optischen Messstrahl 13 sein. In typischen Ausführungsformen sind die Kollimator-Optik 210 und die Fokussier-Optik 230 in den Schneidkopf 101 integriert. Beispielsweise kann der Schneidkopf 101 ein Kollimatormodul umfassen, das in den Schneidkopf 101 integriert oder am Schneidkopf 101 montiert ist.
Das hier beschriebene Prinzip zur Messung der geometrischen Eigenschaften des Schnittspalts basiert auf dem Prinzip der optischen Kohärenztomographie, die sich unter Zuhilfenahme eines Interferometers die Kohärenzeigenschaften von Licht zunutze macht. Der Kohärenztomograph kann eine Auswerteeinheit 240 mit einer breitbandigen Lichtquelle (z.B. einer Superlumineszenzdiode, SLD) umfassen, die das Messlicht in einen Lichtwellenleiter 242 koppelt. In einem Strahlteiler 244, der vorzugsweise einen Faserkoppler aufweist, wird das Messlicht in einen Referenzarm 246 und einen Messarm aufgespalten, der über einen Lichtwellenleiter 248 in den Schneidkopf 101 führt.
Die Kollimator-Optik 210 dient dazu, das aus dem Lichtwellenleiter 248 als optischer Messstrahl 13 austretende Messlicht zu kollimieren. Gemäß einigen Ausführungsformen kann der optische Messstrahl 13 im Schneidkopf 101 mit dem Laserstrahl 10 koaxial überlagert werden kann. Anschließend können der Laserstrahl 10 und der optische Messstrahl 13 durch die Fokussier-Optik 230, die eine gemeinsame Linse oder Fokussierlinse sein kann, auf das Werkstück 1 fokussiert werden, um den Schnittspalt zu erzeugen und zu vermessen.
Der optische Messstrahl 13 wird auf Randbereiche des Schnittspalts und optional auf einen Umgebungsbereich des Schnittspalts oder eines aktuellen Bearbeitungspunkts gelenkt. Das von den Randbereichen des Schnittspalts zurückreflektierte Messlicht wird durch die Fokussier-Optik 230 auf die Austritts-/Eintrittsfläche des Lichtwellenleiters 248 abgebildet, im Faserkoppler 244 mit dem zurückreflektierten Licht aus dem Referenzarm 246 überlagert und anschließend zurück in die Auswerteeinheit 240 gelenkt. Das überlagerte Licht enthält Informationen über den Weglängenunterschied zwischen dem Referenzarm 246 und dem Messarm. Diese Informationen werden in der Auswerteeinheit 240 basierend auf Kohärenz-Interferometrie bzw. Kurzkohärenz-Interferometrie ausgewertet, wodurch der Benutzer Informationen über den Abstand zwischen dem Werkstück und einer Referenz, beispielsweise dem Schneidkopf 101, erhält.
In einigen Ausführungsformen ist die Ablenkvorrichtung 250 im Messstrahlengang angeordnet, um mit dem optischen Messstrahl 13 einen Bereich der Werkstückoberfläche abzutasten. Der Bereich der Werkstückoberfläche umfasst den Schnittspalt, insbesondere Randbereiche des Schnittspalts, und optional zumindest eines von dem aktuellen Bearbeitungspunkt oder einem den Schnittspalt umgebenden Bereich der Werkstückoberfläche. Somit kann der optische Messstrahl 13 dynamisch und unabhängig vom Laserstrahl 10 auf dem Werkstück 1 positioniert werden.
Typischerweise umfasst die Ablenkvorrichtung 250 zumindest einen reflektierenden, um mindestens eine Achse schwenkbaren Spiegel. Der Spiegel ist vorzugsweise um zwei aufeinander senkrecht stehende Achsen beweglich. Alternativ umfasst die Ablenkvorrichtung 250 zwei bewegliche Spiegel, die um zwei verschiedene aufeinander senkrecht stehende Achsen drehbar sind, um den Messfleck beliebig bzw. dynamisch auf der Werkstückoberfläche bzw. den Randbereichen des Schnittspalts zu positionieren. Die Ablenkvorrichtung 250 kann insbesondere ein Scanner-System sein. Für die dynamische Messfleckpositionierung sind weitere Ausführungsformen der Ablenkvorrichtung 250, die beispielsweise transmittierende optische Elemente umfassen oder ein Verschieben des Faserendes des optischen Messstrahls 13 beinhalten, möglich.
In einigen Ausführungsformen umfasst das Laserbearbeitungssystem 100 eine Steuervorrichtung, die eingerichtet ist, um wenigstens einen Prozessparameter basierend auf der vermessenen wenigstens einen geometrischen Eigenschaft des Schnittspalts einzustellen. Der wenigstens eine Prozessparameter kann aus der Gruppe ausgewählt sein, die eine Laserleistung, eine Fokuslage des Laserstrahls 10, einen Fokusdurchmesser des Laserstrahls 10, eine Prozessgaszusammensetzung, einen Prozessgasdruck, eine Vorschubrichtung, eine Vorschubgeschwindigkeit und einen Abstand zwischen dem Laserbearbeitungskopf 101 und dem Werkstück 1 umfasst.
Die Steuervorrichtung kann mit der Laservorrichtung 110 und/oder der Laseroptik und/oder der optischen Messeinrichtung kommunizieren. Hierdurch wird beispielsweise eine Regelung des Schneidprozesses und/oder des Vermessungsprozesses ermöglicht. Die Steuervorrichtung kann zum Beispiel eingerichtet sein, um eine Laserleistung des Laserstrahls 10 einzustellen. Ferner kann die Steuervorrichtung mit einer Laseroptik des Bearbeitungskopfs 101 verbunden sein, um beispielsweise eine Fokuslage und/oder einen Fokusdurchmesser des Laserstrahls 10 einzustellen. Insbesondere kann die Steuervorrichtung Steuerbefehle für ein Verschieben der Kollimatorlinse 120 und/oder der Kollimator-Optik 210 entlang der jeweiligen optischen Achse ausgeben.
2 und 3 zeigen die Vermessung einer Schneidfrontgeometrie gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung. Als Schneidfront wird hierbei ein in Bezug auf die Schneidrichtung 20 vor dem aktuellen Bearbeitungspunkt angeordneter Randbereich des Schnittspalts oder ein um den aktuellen Bearbeitungspunkt herum angeordneter Randbereich des Schnittspalts bezeichnet.
In einigen Ausführungsformen ist die Ablenkvorrichtung eingerichtet, um den optischen Messstrahl 13 im Wesentlichen parallel zur Schneidrichtung 20 bzw. des Schneidpfades für eine Vermessung der Schneidfrontgeometrie des Schnittspalts 2 auszulenken. Insbesondere kann das Auslenken in Form einer oszillierenden Bewegung des optischen Messstrahls 13 im Wesentlichen parallel zur Schneidrichtung 20 erfolgen, wodurch die gesamte Schneidfrontgeometrie abgetastet und vermessen werden kann.
Bezugnehmend auf die 2 ist die Vermessung einer Schneidfront 4 bzw. eines Profils der Schneidfront 4 gezeigt. Unter dem Begriff „Schneidfront“, wie er in diesem Dokument verwendet wird, wird eine Materialfläche des Werkstücks 1 innerhalb des Schnittspalts 2 verstanden, auf die der Laserstrahl 10 trifft, um das Material zu entfernen. Als Schneidfront wird also beispielsweise ein in Bezug auf die Schneidrichtung 20 vor dem aktuellen Bearbeitungspunkt angeordneter Randbereich des Schnittspalts oder ein um den aktuellen Bearbeitungspunkt herum angeordneter Randbereich des Schnittspalts bezeichnet. Die Schneidfront 4 „bewegt“ sich basierend auf der Bewegung des Laserstrahls 10 entlang der Schneidrichtung 20 fort, um den Schnittpalt 2 zu erweitern bzw. zu vergrößern und das Werkstück damit zu trennen. Das Profil der Schneidfront 4 kann in einer Ebene durch den aktuellen Bearbeitungspunkt parallel zur Schneidrichtung 20, d.h. in den meisten Fällen senkrecht zu einer Oberfläche 3 des Werkstücks 1, definiert sein.
In den 2(a)-(c) sind schematische Schnittansichten durch das Werkstück 1 während des Laserschneidprozesses gezeigt. Neben der Schneidfront 4 und dem Schnittspalt 2 sind der Laserstrahl 10 und der optische Messstrahl 13 dargestellt. Die Schneidrichtung 20 verläuft nach links. Wenn der Schneidprozess stabil verläuft, überdeckt die Strahlkaustik des Laserstrahls 10 die Schneidfront 4 näherungsweise vollständig, wie es in der 2(a) dargestellt ist.
Ist der Schneidprozess aufgrund einer ungeeigneten Parameterwahl (z.B. Vorschubrichtung, -geschwindigkeit, Laserleistung, Fokuslage, Gasdruck, Arbeitsabstand) hingegen instabil, so überdeckt der Laserstrahl 10 die Schneidfront 4 zunehmend unvollständig (2(b)). In diesem Fall droht ein Abriss des Trennvorgangs, da das zu trennenden Material nicht mehr vollständig aufgeschmolzen werden kann. Dies kann sich durch eine zunehmend flacher verlaufende Schneidfront 4 ankündigen. Wird hingegen aufgrund einer ungeeigneten Parameterwahl die Schneidfront 4 zu steil, dann wird nicht das gesamte Potential des Laserstrahls 10 ausgenutzt und ein Teil der Leistung wird nicht in das Material eingekoppelt (2(c)). Somit zeichnet sich ein stabil verlaufender Laserschneidprozess durch eine Schneidfront 4 aus, die nicht zu steil ist und nicht zu flach abfällt.
Die Ablenkvorrichtung des Laserbearbeitungssystems in einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung kann den optischen Messstrahl 13 in Schneidrichtung 20 über die Schneidfront 4 pendeln bzw. oszillieren lassen, wodurch sich das gesamte Höhenprofil der Schneidfront 4 geometrisch erfassen lässt. Vorzugsweise werden zumindest zwei Punkte entlang der Schneidfront 4 abgetastet, wie zum Beispiel eine erste Stelle an der Werkstückoberseite und eine zweite Stelle an der Werkstückunterseite der Schneidfront 4. Insbesondere können mindestens ein Punkt im Vorlauf, d.h. in Bezug auf die Schneidrichtung 20 vor dem aktuellen Bearbeitungspunkt, und mindestens ein Punkt im Nachlauf, d.h. in Bezug auf die Schneidrichtung 20 hinter dem aktuellen Bearbeitungspunkt, auf der Werkstückoberfläche vermessen werden. Durch eine geeignete Auswertung der Messdaten lässt sich hieraus erkennen, ob die Schneidfront 4 zu flach verläuft und somit ein Abbruch des Trennvorgangs droht. Selbstverständlich kann der optische Messstrahl nur in den Randbereichen des Schnittspalts, die durch Material des Werkstücks definiert sind, reflektiert werden. Im eigentlichen Schnittspalt selbst kann der optische Messstrahl nicht reflektiert und somit auch kein Messsignal erhalten werden.
Hierfür wird zum Beispiel die Materialstärke des Werkstücks 1, die Strahlkaustik des Laserstrahls 10 und die Fokuslage des Laserstrahls 10 einbezogen. Der Schnittabriss lässt sich dann durch eine Anpassung eines oder mehrerer Schneid- bzw. Prozessparameter verhindern. Somit kann der Kohärenztomograph in einem Regelkreis zur Erfassung der Regelgröße „Schneidfrontgeometrie“ oder „Profil der Schneidfront“ dienen. Bei einer auftretenden Regelabweichung zwischen Ist- und Soll-Profil passt die Steuervorrichtung des Laserbearbeitungssystems die Schneidparameter, die die Regelgrö-ßen darstellen, entsprechend an.
Basierend auf der Kenntnis des momentanen bzw. aktuellen Schneidfrontprofils kann ein lokaler Schneidfrontwinkel α_lokal ermittelt werden. Dies ist schematisch in der 3(a) dargestellt. Der Schneidfrontwinkel kann zwischen einer Normalen der Werkstückoberfläche (z.B. einer Vertikale) und einer lokalen Tangente des Schneidfrontprofils definiert sein. Hierfür wird vorzugsweise das Schneidfrontprofil kontinuierlich zwischen einem Punkt im Vorlauf und einem Punkt im Nachlauf vermessen.
Durch die Kenntnis des lokalen Schneidfrontwinkels kann wiederum auf den lokalen Absorptionsgrad geschlossen werden. Dies ermöglicht eine Aussage über die Effizienz des Schneidprozesses, welcher basierend darauf auf eine maximale Absorption optimiert und geregelt werden kann. Eine höhere Prozesseffizienz kann zu einem geringeren Energieverbrauch (geringere Laserleistung) und/oder einer höheren Schneidgeschwindigkeit führen.
Falls lediglich das Schneidprofil bzw. das Profil der Schneidfront an einem Punkt im Vorlauf, d.h. an bzw. nahe der Werkstückoberseite, und an einem Punkt im Nachlauf, d.h. an bzw. nahe der Werkstückunterseite, abgetastet/gemessen wird, kann daraus ein globaler Schneidfrontwinkel α_global (3(b)) ermittelt werden. Der globale Schneidfrontwinkel ermöglicht näherungsweise die Ermittlung des globalen Absorptionsgrads und gibt somit ebenfalls einen Rückschluss auf die Prozesseffizienz.
4 zeigt eine Vermessung der Breite des Schnittspalts gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung.
In einigen Ausführungsformen ist die Ablenkvorrichtung eingerichtet, um den optischen Messstrahl 13 im Wesentlichen senkrecht zur Schneidrichtung 20 auszulenken, um die Breite des Schnittspalts 2 zu vermessen. Insbesondere kann das Auslenken des optischen Messstrahls 13 in Form einer oszillierenden Bewegung des optischen Messstrahls 13 im Wesentlichen senkrecht zur Schneidrichtung 20 erfolgen. Die Breite des Schnittspalts 2 kann im Wesentlichen senkrecht zu einer Längserstreckung des Schnittspalts 4 oder senkrecht zur Schneidrichtung 20 definiert sein.
Die Schnittspaltbreite stellt ein weiteres wichtiges Merkmal des Laserschneidprozesses dar. Bei einem stabil verlaufenden Trennvorgang ist diese ungefähr so groß wie der Durchmesser des Laserstrahls 10 auf der Werkstückoberfläche 3. Dies ist in der 4 schematisch dargestellt. Insbesondere sind die Außenkontur des Werkstücks, beispielsweise ein Blech, und des Schnittspalts 2, der Laserstrahl 10 und der optische Messstrahl 13 als Aufsicht auf die Werkstückoberfläche 3 gezeigt. Die Breite des Schnittspalts entspricht ungefähr dem Durchmesser des Laserstrahls 10.
Bei einer ungeeigneten Wahl der Schneidparameter kann eine Aufweitung des Schnittspalts auftreten. Zu einer derartigen Aufweitung kann es insbesondere beim Brennschneiden mit Sauerstoff kommen, wenn sich das Werkstück zu stark erwärmt und zu viel Sauerstoff im Randbereich zur Verfügung gestellt wird. In diesem Fall tritt an den Schnittflanken eine starke Oxidationsreaktion auf, durch die zusätzliches Material aufgeschmolzen wird. Um eine stabile Prozessführung zu gewährleisten, ist es wünschenswert, eine derartige Selbstentzündung zu verhindern.
Durch die Verwendung des Kohärenztomographen lässt sich die Schnittspaltbreite während des Trennvorgangs messen und die Prozessführung entsprechend regeln. Um die Schnittspaltbreite zu erfassen, ist die Ablenkvorrichtung eingerichtet, eine Pendelbewegung des optischen Messstrahls 13 im Wesentlichen senkrecht zur Schneidrichtung 20 zu realisieren. Die Messung der Schnittspaltbreite erfolgt vorzugsweise möglichst nah im Nachlauf des Laserstrahls 10, damit auftretende Selbstentzündungen schnell detektiert und entsprechende Maßnahmen getroffen werden können.
Durch die Implementierung des Kohärenztomographen in Kombination mit der Ablenkvorrichtung 250 für eine dynamische Messfleckpositionierung in einer Raumrichtung horizontal zum Werkstück und quer zur Schneidrichtung 20 ist es möglich, während des Schneidprozesses die Schnittfugenbreite inline zu messen. Die Kenntnis der Schnittfugenbreite lässt wiederum auf die Fokuslage des Laserstrahls 10 schließen und kann zur Inline-Regelung der Fokuslage des Laserstrahls 10 verwendet werden, insbesondere da bei hohen Laserleistungen im Multi-Kilowatt-Bereich ein thermischer Fokusshift auftritt.
5 zeigt eine Vermessung einer Schnittflanke 6 des Schnittspalts 2 gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung. Die Schnittflanken 6 bezeichnen in Bezug auf die Schneidrichtung 20 laterale Randbereiche des Schnittspalts.
In einigen Ausführungsformen ist die Ablenkvorrichtung 250 eingerichtet, um den optischen Messstrahl 13 im Wesentlichen senkrecht zur Schneidrichtung 20 auszulenken, um die Schnittflankengeometrie des Schnittspalts zu vermessen. Insbesondere kann das Auslenken in Form einer oszillierenden Bewegung des optischen Messstrahls 13 im Wesentlichen senkrecht zur Schneidrichtung 20 erfolgen.
Die Schnittflanken 6 des Schnittspalts 2 entsprechen den Seitenwänden des Schnittspalts 2 entlang der Längserstreckung des Schnittspalts 2. Die Schnittflanken 6 können bezüglich der Vertikalen einen Winkel aufweisen bzw. verkippt sein. Zum Beispiel können die Schnittflanken 6 in einem Schnittkantenwinkel 60 zur Werkstückoberfläche ausgebildet sein, der größer als 90° ist. Anders gesagt können die Schnittflanken 6 nicht senkrecht zur Werkstückoberfläche sein.
Die Rechtwinkligkeit der Schnittflanken ist jedoch ein Qualitätsmerkmal von Laserschnitten. Um diese Größe während des Prozesses detektieren zu können, erfolgt wiederum eine Pendelbewegung des OCT-Messstrahls im Nachlauf des Laserstrahls 10. In 5 ist schematisch dargestellt, wie die Schnittflanken 6 beim Laserschneiden gegenüber der Vertikalen geneigt sind. Mithilfe des optischen Messstrahls 13 kann der Schnittkantenwinkel 60 abgetastet werden. Basierend auf dem gemessenen Schnittkantenwinkel 60 können ein oder mehrere Schneid- bzw. Prozessparameter eingestellt werden, um die Schnittflanken 6 im Wesentlichen rechtwinklig oder mit einem bestimmten Winkel auszubilden.
6 und 7 zeigen eine Vermessung eines Durchmessers der Austrittsöffnung 710 einer Schneiddüse 700 gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung.
In einigen Ausführungsformen ist die optische Messeinrichtung 200 eingerichtet, um eine Innenfläche einer Düse 700 mit dem optischen Messstrahl 13 in zumindest einer Richtung, z.B. senkrecht zu einer Strahlachse des Laserstrahls 10, abzutasten. Hierdurch kann beispielsweise ein Durchmesser der Austrittsöffnung 710, und damit beispielsweise den Düsendurchmesser, bestimmt werden. In Zuge einer Automatisierung des Laserschneidprozesses werden zunehmend Einrichtungen für den maschinellen Düsenwechsel eingesetzt. Für eine korrekte Auswahl der Düsen ist hierbei vorausgesetzt, dass die Düsen entsprechend ihren Durchmessern an den korrekten Aufnahmeplätzen dieser Einrichtung eingelegt sind. Es erfolgt meist keine Sichtprüfung durch einen Mitarbeiter nach Auswahl der Düse. Mit den Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung kann der Düsendurchmesser nach Aufnahme der Düse 700 am Schneidkopf durch Vermessung des Durchmessers der Austrittsöffnung 710 kontrolliert werden.
In 6 sind eine Schnittansicht und eine Draufsicht einer Schneiddüse 700 schematisch dargestellt. Es ist ein optischer Messstrahl 13 gezeigt, der durch das Zentrum der Düse 700 verfahren werden kann. Bei dieser Messung ergibt sich ein Abstandsprofil, wie es in der 7 dargestellt ist. Hieraus ist ersichtlich, dass der Düsendurchmesser zum Beispiel aus der Breite des Intervalls Δr beim Abstand l_max bestimmt werden kann. Vorzugsweise wird der optische Messstrahl 13 in zwei aufeinander senkrecht stehenden Richtungen x und y verfahren, um eine Düseninnenfläche abzutasten. Ein Mittelpunkt der Austrittsöffnung 710 kann dann als Mittelpunkt des Intervalls mit maximalem Abstand in x und y Richtung bestimmt werden.
8 zeigt ein asymmetrisches Schneiden gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung.
Der Laserstrahl 10 tritt, möglicherweise zusammen mit Schneidgas, durch eine Austrittsöffnung 710 aus dem Schneidkopf 101 aus. In der Regel wird beim Laserschneiden eine Düse 700 verwendet, in der die Austrittsöffnung 710 ausgebildet sein kann. Beim asymmetrischen Schneiden sind das Zentrum des Laserstrahls 10 und das Zentrum der Austrittsöffnung 710 des Schneidkopfs 101 bzw. der Düse 700 nicht deckungsgleich. Das Laserbearbeitungssystem kann unter Verwendung des optischen Messstrahls 13 die Austrittsöffnung 710 vermessen. Dies erfolgt ähnlich wie oben in Bezug auf 6 und 7 beschrieben: Beispielsweise kann die die optische Messeinrichtung 200 eingerichtet sein, um eine Innenfläche des Schneidkopfs 101 um die Austrittsöffnung 710 herum mit dem optischen Messstrahl 13 in zumindest einer Richtung, z.B. senkrecht zu einer Strahlachse des Laserstrahls 10, abzutasten und einen Mittelpunkt der Austrittsöffnung 710 zu bestimmen. Des Weiteren kann das Laserbearbeitungssystem eingerichtet sein, darauf basierend den Laserstrahl 10 derart abzulenken, dass der Laserstrahl 10 dezentral durch die Austrittsöffnung 710 tritt. Ein derartiges asymmetrisches Schneiden kann die Schneidqualität verbessern.
8(a) ist eine schematische Darstellung für symmetrisches Schneiden. 8(b) ist im Vergleich dazu eine schematische Darstellung für asymmetrisches Schneiden. Ein asymmetrisches Schneiden liegt insbesondere dann vor, wenn das Zentrum des Laserstrahls 10 und das Zentrum der Austrittsöffnung 710 nicht deckungsgleich sind. Bei einem gemeinsamen Austritt des Laserstrahls und eines Schneidgases, sind dadurch die optische Achse des Laserstrahls 10 und die Achse des Gasstrahls nicht deckungsgleich, was einen Einfluss auf die Charakteristik des Schmelzeaustriebs hat.
Eine gezielte Dejustage des Laserstrahls 10 bezüglich des Mittelpunkts der Austrittsöffnung 710 bzw. bezüglich des Düsenzentrums zum Beispiel in Abhängigkeit der Schneidrichtung kann sich positiv auf die Schneidqualität auswirken. Mit den Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung kann das asymmetrische Schneiden inline geregelt werden. Insbesondere eine Dejustage des Laserstrahls 10 in Schneidrichtung (d.h. parallel zur Schneidrichtung) kann eine Verbesserung der Schneidqualität bewirken. Durch den auslenkbaren optischen Messstrahl 13 kann inline der Mittelpunkt der sogenannten Halbschale der Schneidfront in Bezug auf den Mittelpunkt der Austrittsöffnung 710 bzw. auf das Düsenzentrum gemessen werden. Im Anschluss kann der Laserstrahl 10 gezielt und automatisiert mit zumindest einem optischen Element auf die gewünschte Position bezüglich Mittelpunkts der Austrittsöffnung bzw. des Düsenzentrums inline dejustiert werden. In einer weiteren Ausführungsform kann die Düse bezüglich des Laserstrahls 10 dejustiert werden kann.
In einigen Ausführungsformen ist die optische Messeinrichtung 200 eingerichtet, um den optischen Messstrahl 13 vor dem Beginn des Schneidvorgangs auf das Werkstück 1 zu richten und aus einer Reflexion des optischen Messstrahls 13 ein Material des Werkstücks 1 zu bestimmen.
Üblicherweise wird für jede Kombination aus Materialart und Werkstückstärke (Werkstückdicke) ein separater Prozessparametersatz in der Steuerungsvorrichtung hinterlegt und bei Bedarf aufgerufen. Die Auswahl bzw. Zuordnung des korrekten Prozessparametersatzes zum vorliegenden Werkstück kann manuell über einen Produktionsplan erfolgen. Das birgt jedoch das Risiko, dass bei Zuweisung eines nicht korrekten Prozessparametersatzes die Schneidqualität erheblich beeinträchtigt wird. Dies wird oftmals erst nach der gesamten Prozesslaufzeit festgestellt. Um diesen Fehlerquellen entgegenzuwirken, kann gemäß der vorliegenden Offenbarung die Materialart vor dem eigentlichen Schneidprozess ermittelt werden.
Hierfür kann der optische Messstrahl 13 mit einer definierten Intensität I₀ und einer definierten Zeitdauer auf das Werkstück 1 gezündet werden. Der optische Messstrahl 13 wird zum Teil zurückreflektiert und gelangt mit der Intensität I₁ auf den Sensor des Messsystems. Das Verhältnis $Ω = \frac{I_{1}}{I_{0}}$
aus den beiden Intensitäten ist ein Maß für den Reflexionsgrad des Materials. Daraus kann wiederum die vorliegende Materialart bestimmt werden, und die Steuerungsvorrichtung kann den korrekten Prozessparametersatz automatisiert auswählen.
Erfindungsgemäß erfolgt eine Prozessüberwachung und eine optionale Prozessregelung beim Laserschneiden. Hierzu ist ein optischer Kohärenztomograph (OCT) als Messsensor vorgesehen, der die gleichzeitige Erfassung verschiedener relevanter Prozessgrößen während des Laserschnitts ermöglicht. Bei den erfassten Prozessgrößen handelt es sich insbesondere um geometrische Größen, d.h. die Schneidfrontgeometrie und/oder die Breite des Schnittspalts und/oder die Schnittflankengeometrie. Damit ist es möglich, auftretende Abweichungen im Trennprozess oder Schwankungen der Bearbeitungsqualität bereits während des Schneidvorgangs zu detektieren. Durch eine Anpassung der aktuellen Bearbeitungsparameter (z.B. Vorschubgeschwindigkeit, - richtung, Fokuslage, Gasdruck, etc.) können Schneidfehler vermieden werden. Somit kann gemäß den Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung eine Detektion verschiedener topographischer Eigenschaften und eine zugehörige Regelung des Prozesses mit nur einer Messvorrichtung erfolgen.

Claims

Verfahren zum Schneiden eines Werkstücks (1) mittels eines Laserstrahls (10), umfassend: Erzeugen eines Schnittspalts (2) auf dem Werkstück (1) entlang einer Schneidrichtung (20) mittels eines Laserstrahls (10) in einem Schneidvorgang; Richten eines optischen Messstrahls (13) eines optischen Kohärenztomographen auf den Schnittspalt (2); Auslenken des optischen Messstrahls (13); und Vermessen wenigstens einer geometrischen Eigenschaft des Schnittspalts (2) mit Hilfe des optischen Kohärenztomographen, wobei der Laserstrahl (10) durch eine Austrittsöffnung (710) eines Laserbearbeitungskopfs (101) austritt, und eine Geometrie der Austrittsöffnung (710) vor und/oder während des Schneidvorgangs vermessen wird, und (I) wobei für einen asymmetrischen Schneidvorgang der Laserstrahl (10) eingestellt wird, um dezentral durch die Austrittsöffnung (710) auszutreten; und/oder (II) wobei eine Schneiddüse (700) die Austrittsöffnung (710) aufweist, und wobei basierend auf der bestimmten Geometrie der Austrittsöffnung (710) eine Aufnahmeposition der Schneiddüse (700) am Laserbearbeitungskopf (101) überprüft wird.
Verfahren zum Schneiden eines Werkstücks (1) mittels eines Laserstrahls (10), umfassend: Erzeugen eines Schnittspalts (2) auf dem Werkstück (1) entlang einer Schneidrichtung (20) mittels eines Laserstrahls (10) in einem Schneidvorgang; Richten eines optischen Messstrahls (13) eines optischen Kohärenztomographen auf den Schnittspalt (2); Auslenken des optischen Messstrahls (13); und Vermessen wenigstens einer geometrischen Eigenschaft des Schnittspalts (2) mit Hilfe des optischen Kohärenztomographen, wobei die geometrische Eigenschaft des Schnittspalts (2) eine Schneidfrontgeometrie umfasst und wobei der optische Messstrahl (13) für eine Vermessung der Schneidfrontgeometrie in einer parallelen Pendelbewegung parallel zur Schneidrichtung (20) ausgelenkt wird; und/oder wobei vor dem Schneidvorgang der optische Messstrahl (13) auf das Werkstück (1) gerichtet und aus einer Reflexion des optischen Messstrahls (13) ein Material des Werkstücks (1) bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei die wenigstens eine geometrische Eigenschaft aus einer Gruppe ausgewählt ist, die aus einer Schneidfrontgeometrie, einem Profil der Schneidfront, einem lokalen Schneidfrontwinkel (α_lokal), einem globalen Schneidfrontwinkel (α_global), einer Breite des Schnittspalts, einer Schnittflankengeometrie und einem Schnittkantenwinkel (60) besteht.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei für eine Vermessung der geometrischen Eigenschaft des Schnittspalts (2) der optische Messstrahl (13) parallel und/oder senkrecht zur Schneidrichtung (20) ausgelenkt wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der optische Messstrahl (13) während des Schneidvorgangs auf den Schnittspalt (2) gerichtet wird.
Verfahren nach Anspruch 5, wobei der optische Messstrahl (13) in der parallelen Pendelbewegung zumindest einen Punkt im Vorlauf des aktuellen Bearbeitungspunkts und zumindest einen Punkt im Nachlauf des aktuellen Bearbeitungspunkts in Bezug auf die Schneidrichtung (20) durchläuft.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die geometrische Eigenschaft des Schnittspalts (2) eine Breite des Schnittspalts (2) und/oder eine Schnittflankengeometrie umfasst und wobei für eine Vermessung der Breite des Schnittspalts (2) und/oder der Schnittflankengeometrie der optische Messstrahl (13) in einer senkrechten Pendelbewegung senkrecht zur Schneidrichtung (20) im Nachlauf eines aktuellen Bearbeitungspunkts in Bezug auf die Schneidrichtung (20) oder auf Höhe eines aktuellen Bearbeitungspunkts auszulenken.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei wenigstens ein Prozessparameter basierend auf der vermessenen wenigstens einen geometrischen Eigenschaft des Schnittspalts (2) zur Regelung oder Steuerung des Schneidvorgangs eingestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 8, wobei der wenigstens eine Prozessparameter aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus dem folgenden besteht: eine Laserleistung, eine Laserleistungsmodulation, eine Fokuslage des Laserstrahls (10), ein Fokusdurchmesser des Laserstrahls (10), eine Prozessgaszusammensetzung, ein Prozessgasdruck eine Vorschubrichtung, eine Vorschubgeschwindigkeit, und einem Abstand zwischen dem Laserbearbeitungskopf (101) und dem Werkstück (1).
Verfahren nach Anspruch 1, wobei bei der Vermessung der Geometrie der Austrittsöffnung (710) ein Durchmesser und/oder ein Mittelpunkt der Austrittsöffnung (710) bestimmt wird.
Laserbearbeitungssystem (100) zum Schneiden eines Werkstücks (1) mittels eines Laserstrahls (10), umfassend: einen Laserbearbeitungskopf (101), der eingerichtet ist, um den Laserstrahl (10) auf das Werkstück (1) entlang einer Schneidrichtung (20) zum Erzeugen eines Schnittspalts (2) in einem Schneidvorgang zu richten; eine optische Messeinrichtung (200) mit einem optischen Kohärenztomographen, wobei die optische Messeinrichtung (200) eingerichtet ist, um einen optischen Messstrahl (13) auf den Schnittspalt (2) zu richten; und eine Ablenkvorrichtung (250), die eingerichtet ist, um den optischen Messstrahl (13) auszulenken, wobei die optische Messeinrichtung (200) ferner eingerichtet ist, um wenigstens eine geometrische Eigenschaft des Schnittspalts (2) mit Hilfe des optischen Kohärenztomographen zu vermessen; wobei das Laserbearbeitungssystem (100) eingerichtet ist, ein Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche durchzuführen.