DE102018200033A1

DE102018200033A1 - Laserbearbeitungskopf und -maschine mit einem Röntgensensor sowie Verfahren zum röntgensicheren Betrieb der Laserbearbeitungsmaschine

Info

Publication number: DE102018200033A1
Application number: DE102018200033.6A
Authority: DE
Inventors: David Heisenberg; Tim Hesse; Simone Russ; Marc Sailer; Günther Dittmar
Original assignee: Trumpf Laser und Systemtechnik GmbH
Current assignee: TRUMPF LASER- UND SYSTEMTECHNIK SE, DE
Priority date: 2018-01-03
Filing date: 2018-01-03
Publication date: 2019-07-04
Anticipated expiration: 2038-01-04
Also published as: WO2019134808A1; DE102018200033B4

Abstract

Ein Laserbearbeitungskopf (4), aus dem im Betrieb ein Laserstrahl (3), insbesondere in Form von UKP-Laserpulsen, in Richtung auf ein Werkstück (6) austritt, weist erfindungsgemäß mindestens einen Röntgensensor (10) auf, um eine durch Wechselwirkung des Laserstrahls (3) mit dem Werkstück (6) erzeugte Röntgenstrahlung (8) zu detektieren.

Description

Die Erfindung betrifft einen Laserbearbeitungskopf, aus dem im Betrieb ein Laserstrahl, insbesondere in Form von Ultrakurzpuls(UKP)-Laserpulsen, in Richtung auf ein Werkstück austritt, sowie eine Laserbearbeitungsmaschine und ein Verfahren zum Betrieb der Laserbearbeitungsmaschine.
Derartige Laserbearbeitungsköpfe von Laserbearbeitungsanlagen sind hinlänglich bekannt, z.B. aus der US 2008/0003708 A1 oder der US 2009/0045179 A1 .
Es ist bekannt, dass UKP-Laserpulse mit Pulsdauern im Bereich von Pikosekunden und Femtosekunden, wenn sie auf ein Target treffen, ab einer Bestrahlungsstärke von ca. 1×10¹³ W/cm² als Nebenprodukt Röntgenstrahlung erzeugen können, deren Energie größer als 5 keV ist. Allerdings waren UKP-Laser bisher noch zu schwach, so dass keine oder nur geringe, unentdeckte Röntgenstrahlung erzeugt wurde. Mit steigender Leistung der UKP-Laser wächst nun die Gefahr, dass höhere Dosen schädlicher Röntgenstrahlung erzeugt werden.
Die vorliegende Erfindung stellt sich daher die Aufgabe, Röntgenstrahlung, die bei der Lasermaterialbearbeitung, insbesondere mittels UKP-Laserpulsen, erzeugt wird, zuverlässig zu detektieren sowie ein Verfahren zum röntgensicheren Betrieb einer Laserbearbeitungsmaschine anzugeben.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass am Laserbearbeitungskopf, insbesondere auf seiner laseraustrittsseitigen Seite, mindestens ein Röntgensensor angeordnet ist, um eine durch Wechselwirkung des Laserstrahls mit dem Werkstück erzeugte Röntgenstrahlung zu detektieren
Erfindungsgemäß sind am Laserbearbeitungskopf, insbesondere an der dem Werkstück („Target“) zugewandten, laseraustrittsseitigen Seite des Laserbearbeitungskopfes, also in unmittelbarer Nähe der Auftreffstelle des Laserstrahles auf das Werkstück, ein oder mehrere Röntgensensoren installiert, die nur auf Röntgenstrahlung reagieren. Der Laserbearbeitungskopf stellt das letzte Bauteil im Strahlengang des Laserstrahls dar, so dass der bzw. die Röntgensensoren nicht durch andere Bauteile des Laserbearbeitungskopfes vor der vom Werkstück ausgehenden Röntgenstrahlung abgeschattet werden. Das Sensorsignal des Röntgensensors kann beispielsweise zur Steuerung von Prozessparametern benutzt werden. Als Anwendungsbeispiele sind zu nennen:

- Automatisches Verringern der Bestrahlungsstärke auf dem Werkstück, wenn die Röntgenschwelle erreicht ist; und
- Abschalten des Laserstrahles, wenn die Röntgenschwelle erreicht ist.

Es kann beispielsweise nur ein einziger Röntgensensor vorgesehen sein, der die Austrittsöffnung beispielsweise (teil)ringförmig umgibt. Bevorzugt sind aber Ausführungsformen, bei denen mehrere Röntgensensoren ringförmig um die Austrittsöffnung herum angeordnet sind. Die Röntgensensoren können grundsätzlich aber auch an anderer beliebiger Stelle in der Maschine positioniert sein, wenn sie freie Sicht auf den Bearbeitungsort der Laserpulse haben. Die Anbringung am Laserbearbeitungskopf ist aufgrund der Nähe zum Bearbeitungsort und der unverdeckbaren Sicht aber besonders vorteilhaft. Vorzugsweise detektieren die mehreren Röntgensensoren mit mindestens zwei unterschiedlichen physikalischen Prinzipien die Röntgenstrahlung. Die Röntgensensoren sind vorteilhaft parallel geschaltet, damit von jedem der Röntgensensoren das Sensorsignal ausgewertet und somit die Röntgenstrahlung ortsaufgelöst und redundant detektiert werden kann. Besonders vorteilhaft sind mehrere Röntgensensoren an einem Sensorring angeordnet, der am Laserbearbeitungskopf insbesondere höhenverstellbar befestigt, z.B. aufgesteckt ist. Für unterschiedliche Röntgensensoren können unterschiedliche zulässige Signalgrenzwerte eingerichtet sein.
Vorzugsweise ist der mindestens eine Röntgensensor durch eine Fotodiode gebildet, deren Empfangsfläche mit einer für Röntgenstrahlung durchlässigen, aber für Strahlung mit Energien kleiner als 30 keV, insbesondere kleiner als 10 keV oder als 5 keV, undurchlässigen Abdeckung abgedeckt ist. Eine Photonenenergie von 30 keV kann bspw. eine gesetzliche Grenzenergie für die Genehmigungspflicht von Anlagen darstellen. Durch eine ab diesem Grenzwert automatische Abschalteinrichtung wäre ein genehmigungsfreier Betrieb möglich. Die Abdeckung kann beispielsweise durch, mit absorbierenden Stoffen wie Metallpulvern oder -fasern, gefüllte Kunststoffe, durch lichtundurchlässige Gläser oder durch Folien aus Metallen, wie z.B. Aluminium oder Magnesium gebildet sein. Mit anderen Worten ist der mindestens eine Röntgensensor zur Detektion und Auswertung von ultrakurzen Röntgenpulsen eingerichtet.
Die Erfindung betrifft in einem weiteren Aspekt auch eine Laserbearbeitungsmaschine mit einem Laser, insbesondere UKP-Laser, zum Erzeugen eines Laserstrahls und mit mindestens einem Röntgensensor, um eine durch Wechselwirkung des Laserstrahls mit dem Werkstück erzeugte Röntgenstrahlung zu detektieren. Der mindestens eine Röntgensensor kann grundsätzlich an beliebiger Stelle positioniert sein, sofern er freie Sicht auf den Bearbeitungsort des Laserstrahls hat. Besonders bevorzugt ist der mindestens eine Röntgensensor aber am Laserbearbeitungskopf befestigt, der das letzte Bauteil im Strahlengang des Laserstrahls darstellt.
Vorzugsweise ist eine Maschinensteuerung programmiert, anhand des Sensorsignals des mindestens einen Röntgensensors Prozessparameter der Laserbearbeitungsmaschine einzustellen, insbesondere den Laserstrahl abzuschalten. Bei mehreren um den Laserstrahl, insbesondere um eine Austrittsöffnung des Laserbearbeitungskopfes, herum angeordneten Röntgensensoren kann die Maschinensteuerung weiterhin programmiert sein, anhand eines Sensorsignals den jeweils zugehörigen Röntgensensor oder die Dosis der Röntgenstrahlung ortsaufgelöst zu bestimmen. Vorteilhaft können für unterschiedliche Röntgensensoren unterschiedliche zulässige Signalgrenzwerte oder für unterschiedliche Ortswinkel um die Austrittsöffnung unterschiedliche zulässige Signalgrenzwerte eingerichtet sein. Weiterhin bevorzugt sind der mindestens eine Röntgensensor und die Maschinensteuerung zur Detektion und Auswertung von ultrakurzen Röntgenpulsen eingerichtet.
Die Erfindung betrifft schließlich auch ein Verfahren zum röntgensicheren Betrieb einer Laserbearbeitungsmaschine, bei welcher zur Bearbeitung eines Werkstücks ein Laserstrahl, insbesondere in Form von UKP-Laserpulsen, in Richtung auf das Werkstück austritt, wobei während der Bearbeitung ein Sensorsignal mindestens eines Röntgensensors zur Detektion von Röntgenstrahlung von einer Maschinensteuerung ausgewertet wird und wobei die Maschinensteuerung in Abhängigkeit des ausgewerteten Sensorsignals Prozessparameter der Laserbearbeitungsmaschine einstellt. Bevorzugt umfasst die Einstellung der Prozessparameter der Laserbearbeitungsmaschine eine Abschaltung des Laserstrahls.
Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen des Gegenstands der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung, den Ansprüchen und der Zeichnung. Ebenso können die vorstehend genannten und die noch weiter aufgeführten Merkmale je für sich oder zu mehreren in beliebigen Kombinationen Verwendung finden. Die gezeigten und beschriebenen Ausführungsformen sind nicht als abschließende Aufzählung zu verstehen, sondern haben vielmehr beispielhaften Charakter für die Schilderung der Erfindung. Es zeigen:

1 schematisch eine Laserbearbeitungsmaschine mit einem am erfindungsgemäßen Laserbearbeitungskopf angeordneten Sensorring; und
2 die Unteransicht des in 1 gezeigten Sensorrings mit mehreren Röntgensensoren.

Die in 1 gezeigte Laserbearbeitungsmaschine 1 umfasst einen UKP-Laser 2 zum Erzeugen eines Laserstrahls 3 in Form von UKP-Laserpulsen, sowie einen Laserbearbeitungskopf 4 mit einer Austrittsöffnung 5, aus welcher der Laserstrahl 3 in Richtung auf ein zu bearbeitendes Werkstück („Target“) 6 fokussiert austritt. Die Austrittsöffnung 5 kann z.B. durch eine Düse, ein Schutzglas oder ein anderes Optikelement gebildet sein. Beim Bearbeiten von Material mit UKP-Laserpulsen wird bei Überschreiten bestimmter Laser-Parameter an der Auftreffstelle 7 Röntgenstrahlung 8 erzeugt, die sich von dort kugelförmig ausbreitet. Liegt diese Auftreffstelle 7 in einem Graben oder einer Bohrung des Werkstücks 6, wird die Ausbreitung der Röntgenstrahlung 8 durch Absorption und Reflexion verändert bzw. abgeschwächt.
Um die Röntgenstrahlung 8 zu detektieren, ist auf der laseraustrittsseitigen Seite des Laserbearbeitungskopfes 4 ein Sensorring 9 mit mehreren (in 2 lediglich beispielhaft acht) Röntgensensoren 10 um die Austrittsöffnung 5 herum angeordnet. Der Sensorring 9 kann bevorzugt höhenverstellbar, bspw. am Laserbearbeitungskopf 4 verschiebbar, ausgeführt sein, um den Sensorring 9 möglichst nahe an die Auftreffstelle 7 ausrichten. Die Röntgensensoren 10 umgeben somit die Austrittsöffnung 5 bzw. den austretenden Laserstrahl 3 ringförmig. Durch die ringförmige Anordnung ist gewährleistet, dass auch durch Strukturen am Werkstück 6 einseitig abgestrahlte Röntgenstrahlung 8 effektiv detektiert werden kann. Sobald nur einer der Röntgensensoren 10 von der Röntgenstrahlung 8 getroffen wird, erzeugt dieser Röntgensensor 10 bereits einen für eine Auswertung ausreichend großen Signalstrom. Die Röntgensensoren 10 sind vorteilhaft parallel geschaltet, damit von jedem der Röntgensensoren 10 das Sensorsignal ausgewertet werden kann. Besonders bevorzugt ist eine Schaltung, mit der die Röntgenstrahlung 8 ortsaufgelöst detektiert werden kann. Aus Gründen der Detektionssicherheit wird der Abstand zwischen zwei benachbarten Röntgensensoren 10 so gering wie möglichst gewählt, um eine redundante Anordnung der Röntgensensoren 10 zu erreichen.
Die Röntgensensoren 10 detektieren ausschließlich Röntgenstrahlung 8 mit Energien größer als z.B. 5 keV und können beispielsweise durch eine Fotodiode (z.B. eine Cadmiumtellurid-Fotodiode oder eine in Sperrrichtung betriebene PIN-Diode aus Silizium) gebildet sein, deren Empfangsfläche mit einer für die Röntgenstrahlung 8 durchlässigen, aber für Strahlung mit Energien kleiner als z.B. 5 keV undurchlässigen Abdeckung 11 abgedeckt ist. Aus Sicherheitsgründen ist es vorteilhaft, redundante Röntgensensoren 10 zu positionieren, die mit unterschiedlichen physikalischen Prinzipien die Röntgenstrahlung 8 detektieren. Dadurch kann eine automatische Abschaltung gemäß den Regeln der funktionalen Sicherheit mit einem besseren Performance Level bewertet werden. Als Abdeckung 11 eignen sich beispielsweise Folien aus Werkstoffen mit geringer Ordnungszahl, zum Beispiel mit Metallfasern gefüllte Kunststoffe, lichtundurchlässige Gläser, Folien aus Aluminium oder Magnesium, usw. So wird gewährleistet, dass die Röntgensensoren 10 nicht fälschlicherweise auf reflektierte Laserstrahlung des Lasers 2 reagieren können. Eine abgedeckte Fotodiode reagiert im ms-Bereich auf den Empfang von Röntgenstrahlung 8 und ist damit schneller als übliche Abschaltmechanismen für den Austritt des Laserstrahls 3 aus einer an einer Laserbearbeitungsmaschine vorgesehenen Schutzumhausung 13.
Die Laserbearbeitungsmaschine 1 umfasst weiterhin eine Maschinensteuerung 12, die anhand des Sensorsignals eines der Röntgensensoren 10 Prozessparameter der Laserbearbeitungsmaschine 1 einstellen, insbesondere den Laserstrahl 3 abschalten kann. Insbesondere kann die Maschinensteuerung 12 anhand eines Sensorsignals den jeweils zugehörigen Röntgensensor 10 und damit die Röntgenstrahlung 8 ortsaufgelöst detektieren.
Die Maschinensteuerung 12 kann so eingerichtet sein, dass bei einem Signal ungleich 0 von einem der Röntgensensoren 10 die Einstrahlung des Laserstrahls 3 auf die Auftreffstelle 7 unterbrochen wird, z.B. indem der Laser 2 ausgeschaltet wird. Es ist auch möglich, dass lediglich die Intensität des Laserstrahls 3 an der Auftreffstelle 7 verringert wird, indem z.B. der Fokusdurchmesser des Laserstrahls 3 an der Auftreffstelle 7 vergrößert oder die Laserleistung gesenkt wird. Die Maschinensteuerung 12 kann auch so eingerichtet sein, dass erst ab Überschreiten eines bestimmten Grenzwerts der durch den Röntgensensor 10 gemessenen Röntgendosis oder Photonenenergie die Einstrahlung des Laserstrahls 3 auf die Auftreffstelle 7 unterbrochen oder die Intensität des Laserstrahls 3 an der Auftreffstelle 7 verringert wird.
Die Laserbearbeitungsmaschine 1 umfasst weiterhin einen Bearbeitungsbereich 13, in welchem die Bearbeitungsstelle 7 positioniert ist, und eine Schutzumhausung 14, welche die Umgebung zumindest teilweise zumindest gegen Laserstrahlung 3 aus dem Bearbeitungsbereich 13 abschirmt. Bevorzugt wird die gesamte Umgebung durch die Schutzumhausung 14 gegen Laserstrahlung und alle Sekundärstrahlung aus dem Bearbeitungsbereich 13 abgeschirmt. Besonders bevorzugt wird außerdem die Umgebung durch die Schutzumhausung 14 zumindest bis zu einer bestimmten Dosisleistung gegen Röntgenstrahlung 8 abgeschirmt. Die Schutzumhausung 14 kann auch so ausgeführt sein, dass bestimmte Teile der Schutzumhausung 14 stärker abschirmend ausgeführt sind als andere.
Insbesondere bei einer Laserbearbeitungsmaschine 1, bei welcher der Röntgensensor 10 die Röntgenstrahlung 8 ortsaufgelöst detektiert, kann der Grenzwert der zulässigen Röntgendosis in unterschiedliche Abstrahlungsrichtungen unterschiedlich hoch sein. So kann der Grenzwert z.B. in einer Richtung, in welcher sich üblicherweise ein Maschinenbediener aufhält, also bspw. in Richtung eines Bedienpults oder einer Zugrifföffnung, niedriger sein als in der Gegenrichtung. Weiter können in der Laserbearbeitungsmaschine 1 empfindlichere Einrichtungen, wie bestimmte Sensoren, vorgesehen sein, in deren Richtung ein niedrigerer Grenzwert vorgesehen sein kann. Auch kann in bestimmten Richtungen eine Schutzumhausung 14 stärker abschirmend ausgeführt sein und in dieser Richtung ein höherer Grenzwert zulässig sein.
Durch die Verwendung von Laserstrahlung 3 in Form von ultrakurzen Laserpulsen tritt auch die Röntgenstrahlung 8 typischerweise als ultrakurze Röntgenpulse auf. Es ist daher darauf zu achten, dass die Röntgensensoren 10 zur Detektion der ultrakurzen Röntgenpulse geeignet sind, d.h., das Ansprechverhalten muss ausreichend schnell sein, und der Röntgensensor 10 muss, da die ultrakurzen Röntgenpulse eine hohe Intensität aufweisen, ausreichend robust sein. Auch die Maschinensteuerung 12 muss ein ausreichend schnelles Ansprechverhalten aufweisen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 2008/0003708 A1 [0002]
US 2009/0045179 A1 [0002]

Claims

Laserbearbeitungskopf (4), aus dem im Betrieb ein Laserstrahl (3), insbesondere in Form von UKP-Laserpulsen, in Richtung auf ein Werkstück (6) austritt, dadurch gekennzeichnet, dass am Laserbearbeitungskopf (4), insbesondere auf seiner laseraustrittsseitigen Seite, mindestens ein Röntgensensor (10) angeordnet ist, um eine durch Wechselwirkung des Laserstrahls (3) mit dem Werkstück (6) erzeugte Röntgenstrahlung (8) zu detektieren.
Laserbearbeitungskopf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Röntgensensor (10) die Austrittsöffnung (5) ringförmig umgibt.
Laserbearbeitungskopf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Röntgensensoren (10) um die Austrittsöffnung (5) herum, insbesondere ringförmig, angeordnet sind.
Laserbearbeitungskopf nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die mehreren Röntgensensoren (10) mit mindestens zwei unterschiedlichen physikalischen Prinzipien die Röntgenstrahlung (8) detektieren.
Laserbearbeitungskopf nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die mehreren Röntgensensoren (10) parallel zueinander geschaltet sind.
Laserbearbeitungskopf nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die mehreren Röntgensensoren (10) an einem Sensorring (9) angeordnet sind, der am Laserbearbeitungskopf (4), insbesondere höhenverstellbar, befestigt ist.
Laserbearbeitungsmaschine nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass für unterschiedliche Röntgensensoren (10) unterschiedliche zulässige Signalgrenzwerte eingerichtet sind.
Laserbearbeitungskopf nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Röntgensensor (10) durch eine Fotodiode gebildet ist, deren Empfangsfläche mit einer für Röntgenstrahlung (8) durchlässigen, aber für Strahlung mit Energien kleiner als 30 keV, insbesondere kleiner als 10 keV oder 5 keV, undurchlässigen Abdeckung (11) abgedeckt ist.
Laserbearbeitungskopf nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Abdeckung (11) durch gefüllte Kunststoffe, lichtundurchlässige Gläser oder Folien aus Aluminium oder Magnesium gebildet ist.
Laserbearbeitungsmaschine (1) mit einem Laser (2), insbesondere UKP-Laser, zum Erzeugen eines Laserstrahls (3) und mit mindestens einem Röntgensensor (10), um eine durch Wechselwirkung des Laserstrahls (3) mit dem Werkstück (6) erzeugte Röntgenstrahlung (8) zu detektieren.
Laserbearbeitungsmaschine nach Anspruch 10, gekennzeichnet durch eine Maschinensteuerung (12), die programmiert ist, anhand des Sensorsignals des mindestens einen Röntgensensors (10) Prozessparameter der Laserbearbeitungsmaschine (1) einzustellen, insbesondere den Laserstrahl (3) abzuschalten.
Laserbearbeitungsmaschine nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Röntgensensoren (10) um den Laserstrahl (3), insbesondere um eine Austrittsöffnung (5) eines Laserbearbeitungskopfes (4), angeordnet sind und die Maschinensteuerung (12) insbesondere programmiert ist, anhand eines Sensorsignals den jeweils zugehörigen Röntgensensor (10) oder die Dosis der Röntgenstrahlung (8) ortsaufgelöst zu bestimmen.
Laserbearbeitungsmaschine nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass für unterschiedliche Röntgensensoren (10) unterschiedliche zulässige Signalgrenzwerte eingerichtet sind oder dass für unterschiedliche Ortswinkel um die Austrittsöffnung (5) unterschiedliche zulässige Signalgrenzwerte eingerichtet sind.
Laserbearbeitungsmaschine nach einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Röntgensensor (10) und die Maschinensteuerung (12) zur Detektion und Auswertung von ultrakurzen Röntgenpulsen eingerichtet sind.
Verfahren zum röntgensicheren Betrieb einer Laserbearbeitungsmaschine (1), bei welcher zur Bearbeitung eines Werkstücks (6) ein Laserstrahl (3), insbesondere in Form von UKP-Laserpulsen, in Richtung auf das Werkstück (6) austritt, wobei während der Bearbeitung ein Sensorsignal mindestens eines Röntgensensors (10) zur Detektion von Röntgenstrahlung (8) von einer Maschinensteuerung (12) ausgewertet wird und wobei die Maschinensteuerung (12) in Abhängigkeit des ausgewerteten Sensorsignals Prozessparameter der Laserbearbeitungsmaschine (1) einstellt.
Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Einstellung der Prozessparameter der Laserbearbeitungsmaschine (1) eine Abschaltung des Laserstrahls (3) umfasst.
Verfahren nach Anspruch 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, dass der Röntgensensor (10) und die Maschinensteuerung (12) zur Detektion und Auswertung von ultrakurzen Röntgenpulsen eingerichtet sind.