DE102019116214A1 - Vorrichtung und Verfahren zur Referenzierung und Kalibrierung einer Laseranlage - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Referenzierung und Kalibrierung einer Laseranlage. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben der Vorrichtung. Die erfinderische Vorrichtung zur Referenzierung und Kalibrierung einer Laseranlage mit mehreren Scanfeldern und mehreren Scannern ist dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung mindestens eine Messanordnung aufweist, wobei mindestens eine Messanordnung zwischen den mehreren Scannern angeordnet ist und jede Messanordnung dazu eingerichtet ist, jeweils eine Messzone in einer Prozessebene zu erfassen. Das erfindungsgemäße Verfahren zur Referenzierung und Kalibrierung einer Laseranlage mit mehreren Scanfeldern und mehreren Scannern, wobei die mehreren Scanner eine Steuerung aufweisen, wobei die Steuerung für jeden Punkt auf einer von einem Laserstrahl abzufahrenden Bahnkurve einen Ablenkwinkel an den Scanner übermittelt, ist dadurch gekennzeichnet, dass jeder der mehreren Scanner jeweils einen Laserspot in eine aktuelle Position in einer Messzone ablenkt, wobei die aktuelle Position des Laserspots über eine Bildverarbeitung erfasst wird, anschließend die Abweichung der aktuellen Position eines jeden Laserspots von einem jeweiligen, zuvor bestimmten Referenzpunkt berechnet und als Korrekturwert an die Steuerung des jeweiligen Scanners übergeben wird.

Description

• Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Referenzierung und Kalibrierung einer Laseranlage. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben der Vorrichtung.
• Laseranlagen werden bereits seit geraumer Zeit in der industriellen Fertigung verwendet. So sind Laseranlagen zur Bearbeitung von Werkstücken beispielsweise aus Metall bekannt. Weiterhin sind auch Laseranlagen für die Herstellung von Formteilen, beispielsweise aus Metall, ohne formgebende Werkzeuge bekannt. Entsprechende Fertigungsverfahren werden heute gerne unter dem populären Begriff „3-D-Drucken“ zusammengefasst. Andere, synonym benutzte Begriffe sind beispielsweise „additives Fertigungsverfahren“ oder „generatives Fertigungsverfahren“. Kennzeichen solcher Verfahren ist der schichtweise Aufbau der herzustellenden Formteile. Durch den schichtweisen Aufbauprozess ohne formgebende Werkzeuge wird eine dreidimensionale Fertigungsaufgabe auf zwei Dimensionen reduziert. Die Fertigungskosten hängen nicht von der Komplexität der Geometrie, sondern wesentlich vom Volumen des aufzubauenden Bauteils ab. Dadurch bieten solche Verfahren eine Reihe von systematischen Vorteilen im Vergleich zu konventionellen Fertigungsverfahren wie dem Urformen oder der Zerspanung.
• Ein spezielles additives Fertigungsverfahren ist das Laser Powder Bed Fusion (LPBF), auch unter dem Namen Selective Laser Melting (SLM) oder selektives Laserschmelzen, bekannt. Beim selektiven Laserschmelzen wird der zu verarbeitende Werkstoff, beispielsweise ein Metall, in Pulverform in einer dünnen Schicht auf einer Grundplatte aufgebracht. Der pulverförmige Werkstoff wird mittels Laserstrahlung lokal vollständig umgeschmolzen und bildet nach der Erstarrung eine feste Materialschicht. Anschließend wird die Grundplatte um den Betrag einer Schichtdicke abgesenkt und erneut Pulver aufgetragen. Dieser Zyklus wird solange wiederholt, bis alle Schichten umgeschmolzen sind. Das fertige Bauteil wird vom überschüssigen Pulver gereinigt, nach Bedarf bearbeitet oder sofort verwendet. Die für den Aufbau des Bauteils typischen Schichtstärken bewegen sich für alle Materialien zwischen 15 µm und 500 µm.
• Die Daten für die Führung des Laserstrahls werden mittels einer Software aus einem 3D-CAD-Körper erzeugt. Im ersten Berechnungsschritt wird das Bauteil in einzelne Schichten unterteilt („slicen“). Im zweiten Berechnungsschritt werden für jede Schicht die Bahnen (Vektoren) erzeugt, die der Laserstrahl abfährt. Um die Kontaminierung des Werkstoffs mit Sauerstoff zu vermeiden, kann der Prozess unter Schutzgasatmosphäre beispielsweise mit Argon oder Stickstoff stattfinden.
• Durch selektives Laserschmelzen gefertigte Bauteile zeichnen sich durch große spezifische Dichten (> 99 %) aus. Dies gewährleistet, dass die mechanischen Eigenschaften des generativ hergestellten Bauteils weitgehend denen des Grundwerkstoffs entsprechen.
• Es kann aber auch gezielt, beispielsweise nach bionischen Prinzipien oder zur Sicherstellung eines partiellen E-Moduls, ein Bauteil mit selektiven Dichten gefertigt werden. Im Leichtbau der Luft- und Raumfahrt und bei Körperimplantaten sind solch selektive Elastizitäten innerhalb eines Bauteils oft gewünscht und mit konventionellen Verfahren so nicht herstellbar.
• Das Verfahren kann auch für die Prototypenherstellung benutzt werden. Da keine Fertigungsformen für die Herstellung des Teils benötigt werden, kann die Produkteinführungszeit reduziert werden. Die Werkstoffeigenschaften derart hergestellter Prototypen sind sehr nahe an denen von Serienprodukten, wenn nicht sogar identisch zu denen von Serienprodukten.
• Ein weiterer Vorteil des Verfahrens ist die große Geometriefreiheit, die das Anfertigen von Bauteilformen ermöglicht, die mit formgebundenen Verfahren nicht oder nur mit großem Aufwand herstellbar sind. Des Weiteren können Lagerkosten reduziert werden, da spezifische Bauteile nicht bevorratet werden müssen, sondern bei Bedarf generativ hergestellt werden.
• Entsprechende Laseranlagen weisen neben einer oder mehrere Strahlquellen zwei oder mehr bewegbare Ablenkeinheiten für die Laserstrahlen auf. Die Laserstrahlen fahren über die Bewegung der Ablenkeinheiten von der Steuersoftware errechnete Bahnkurven auf einer Bauebene ab. Die Abtastbereiche zweier oder mehr Ablenkeinheiten stellen dabei unabhängige Bezugssysteme dar, die über keinerlei äußere Referenz verfügen. Wenn die Abtastbereiche nahtlos aneinander liegen oder sich überlappen sollen, dann muss eine gegenseitige Referenzierung erfolgen. An den zu überlappenden Grenzen der Abtastbereiche sind die Ablenkwinkel maximal, z.B. 20°. Die Ränder lassen sich bei einem festen Arbeitsabstand zueinander ausrichten. Treten nun geringe Änderungen des Arbeitsabstandes zur Arbeitsebene (z.B. verursacht durch Toleranzen des Achssystems, thermische Ausdehnung, Höhenvariationen im Pulverbett beim LPBF-Verfahren) während des Bearbeitungsprozesses auf, so führt dies unmittelbar zu einem Strahlversatz im Randbereich. Beispielsweise führt ein Höhenversatz von Δz = 100 µm bei einem Ablenkwinkel von Θ = 20° zu einem lateralen Strahlversatz Δx = Δz*tan(20°) = 36 µm. Im Überlappungsbereich zweier Scanner tritt somit ein Versatz von ca. 80 µm auf, was bei einer Spurbreite von 100 µm zu deutlichen optischen und mechanischen Störungen der Bauteilstruktur führt.
• Zur Lösung dieses Problems ist es bekannt, mit zwei oder mehr Scannern in dem jeweiligen Scanfeld ein Punktraster auf einem gemeinsamen Substrat zu erzeugen. Dies wird beispielsweise durch die Erzeugung leichter Einbrände in der Oberfläche von schwarz eloxiertem Aluminiumblech erreicht. Die absoluten Positionen der Markierungen werden anschließend mit einem bildgebenden Verfahren vermessen, indem beispielsweise mittels eines Flachbettscanners eine hochauflösende Kamera über ein Portalachssystem über die Oberfläche des eloxierten Aluminiumblechs geführt wird, wobei die Kamera die Einbrandmarkierungen aufnimmt. Aus den absoluten Positionen lassen sich die relativen Offsets der Scanfelder bestimmen. Die Offsets werden dann in ein Korrekturfile übertragen, welches von der Steuerung der Ablenkeinheiten eingelesen wird.
• Der Nachteil dieser bisherigen Lösung ist, dass die Kalibrierung nicht In-Linefähig ist, auf einem speziellen Substrat, beispielsweise dem eloxierten Aluminiumblech, durchgeführt werden muss und nur für einen Arbeitsabstand gültig ist.
• Begrifflich sei hierzu erläutert:
• Unter Referenzierung wird hier und im Folgenden das in Beziehung zueinander setzen von zwei oder mehr geometrischen Bereichen, insbesondere von zwei Scanfeldern, verstanden.
• Kalibrierung bezeichnet einen Messprozess zur zuverlässig reproduzierbaren Feststellung und Dokumentation der Abweichung eines Gerätes gegenüber einem anderen Gerät. In einem zweiten Schritt wird die ermittelte Abweichung bei der anschließenden Benutzung des Gerätes zur Korrektur benutzt.
• Unter einer Laseranlage wird in dieser Schrift insbesondere eine Vorrichtung verstanden, mit der mittels Laserstrahlen ein Formteil bearbeitet oder hergestellt wird. Die Laseranlage weist mindestens eine Strahlquelle zur Erzeugung oder Einkopplung von Laserstrahlen und eine Ablenkeinheit auf. Der Bearbeit- oder Herstellprozess wird dementsprechend als Laserbearbeitungsprozess bezeichnet.
• Mit dem Begriff Formteil wird hier ein dreidimensionales Werkstück bezeichnet. Das Formteil kann eine beliebig komplexe dreidimensionale Gestalt aufweisen.
• In der Strahlquelle werden Laserstrahlen in Form von elektromagnetischen Wellen erzeugt. Laserstrahlen zeichnen sich durch hohe Intensität, sehr engem Frequenzbereich, scharfer Bündelung des Strahls und großer Kohärenzlänge aus. Auch sind, bei sehr weitem Frequenzbereich, extrem kurze und intensive Strahlpulse mit exakter Wiederholfrequenz möglich. Laserstrahlen entstehen durch ihre Erzeugung in Form einer stimulierten Emission. Der Laser arbeitet wie ein optischer Verstärker, typischerweise in resonanter Rückkopplung. Die dazu erforderliche Energie wird von einem Lasermedium (bspw. Kristall, Gas oder Flüssigkeit) bereitgestellt, in dem aufgrund äußerer Energiezufuhr eine Besetzungsinversion herrscht. Die resonante Rückkopplung entsteht in der Regel dadurch, dass das Lasermedium sich in einem elektromagnetischen Resonator für die Strahlung bestimmter Richtung und Wellenlänge befindet.
• In der Ablenkeinheit der Laseranlage wird die Richtung des Laserstrahls verändert. Die Ablenkeinheit einer Laseranlage wie in der Erfindung benutzt ist bewegbar. Beispielsweise weist die Ablenkeinheit einen Spiegel auf, der in zwei Ebenen neigbar gelagert ist. Die Neigung wird über Aktuatoren veranlasst, wobei die Aktuatoren über eine Steuerungssoftware abhängig von der durch den Laserstrahl abzufahrenden Bahnkurve angesteuert werden. Die Ablenkeinheit wird auch als Scanner oder Kanal bezeichnet.
• Unter Abtastbereich oder Scanfeld wird der Bereich verstanden, der von einem aus einer Ablenkeinheit austretenden Laserstrahl bestrichen werden kann. Das Bestreichen einer Fläche mit einem Laserstrahl wird auch als Scannen bezeichnet. Durch die Ablenkung verändert sich der von dem Laserstrahl zurückzulegende Weg zwischen dem Austrittspunkt aus der Ablenkeinheit und dem Auftreffen auf die Arbeitsebene. Durch diese Wegänderung ist der Laserstrahl nicht an allen Punkten der Arbeitsebene gleich fokussiert, woraus eine maximale Größe des Abtastbereichs resultiert, den von einer Ablenkeinheit sinnvoll gescannt werden kann.
• Der Arbeitsabstand bezeichnet den Abstand der Ablenkeinheit zu der Prozessebene, d.h. der Ebene, in der der Laserstrahl fokussiert ist.
• Der Laserstrahl weist einen Durchmesser auf. Durch die Bewegung der Ablenkeinheit fährt der Laser eine Bahnkurve ab und hinterlässt dabei eine Spur mit einer von dem Laserstrahldurchmesser an dem jeweiligen Ort abhängigen Spurbreite.
• Unter Einbrand wird hier eine durch das Auftreffen eines Laserstrahls auf ein Substrat erzeugte Markierung verstanden.
• Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung zur einfachen Referenzierung und Kalibrierung von Laseranlagen mit mehreren Scanfeldern anzugeben, wobei die Scanfelder relativ zu einer höheninvarianten Referenz und somit auch relativ zueinander ausrichtbar sind. Weiter ist es Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren anzugeben, mit dem eine einfache Referenzierung und Kalibrierung von Laseranlagen mit mehreren Scanfeldern möglich ist, wobei die Scanfelder relativ zu einer höheninvarianten Referenz und somit auch relativ zueinander ausrichtbar sind.
• Die erste Aufgabe der Erfindung wird mit einer Vorrichtung gemäß dem unabhängigen Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterentwicklungen der Vorrichtung ergeben sich aus den Ansprüchen 2 bis 9. Die zweite Aufgabe der Erfindung wird mit einem Verfahren gemäß dem nebengeordneten Anspruch 10 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen des Verfahrens ergeben sich aus den Ansprüchen 11 bis 16.
• Die erfinderische Vorrichtung zur Referenzierung und Kalibrierung einer Laseranlage mit mehreren Scanfeldern und mehreren Scannern ist dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung mindestens eine Messanordnung aufweist, wobei die mindestens eine Messanordnung zwischen den mehreren Scannern angeordnet ist und jede Messanordnung dazu eingerichtet ist, jeweils eine Messzone in einer Prozessebene zu erfassen.
• Begrifflich sei dazu erläutert:
• Unter einer Messanordnung wird in dieser Schrift eine Anordnung verschiedener, zusammenwirkender Vorrichtungen verstanden, die dazu eingerichtet ist, den Ort eines Punktes in einer Ebene bezüglich seiner x- und y-Koordinaten zu erfassen.
• Die Messzone ist der Bereich in der Prozessebene, in dem ein Punkt von der Messanordnung erfassbar ist.
• Generell sei darauf hingewiesen, dass im Rahmen des hier vorliegenden Dokuments die unbestimmten Zahlwörter „ein“, „zwei“ usw. nicht als „genau-ein“, „genau zwei“ usw. verstanden werden sollen, sondern im Normalfall als unbestimmte Artikel. Eine Aussage der Art „ein ... “, „zwei ... “ usw. ist daher als „mindestens ein ... “, „mindestens zwei ...“ usw. zu verstehen, sofern sich nicht aus dem jeweiligen Kontext ergibt, dass etwa nur „genau ein“, „genau zwei“ usw. gemeint sind.
• Im Rahmen der hier vorliegenden Patentanmeldung sei der Ausdruck „insbesondere“ immer so zu verstehen, dass mit diesem Ausdruck ein optionales, bevorzugtes Merkmal eingeleitet wird. Der Ausdruck ist nicht als „und zwar“ und nicht als „nämlich“ zu verstehen.
• Mit der erfinderischen Vorrichtung ist es möglich, mehrere Scanfelder relativ zu einer höheninvarianten Referenz und somit auch relativ zueinander auszurichten. Die Ausrichtung kann In-Line, also während des Laserbearbeitungsprozesses durchgeführt werden. Damit werden Multi-Kanal-Laserprozesse dahingehend verbessert, dass nebeneinanderliegende Scanfelder bei parallelisierter Laserbearbeitung nahtlos aneinandergefügt werden können. Insbesondere bei additiven Fertigungsprozessen wie dem LPBF-Verfahren führt dies zu einer Verbesserung der mechanischen und optischen Bauteileigenschaften.
• Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, wenn die mindestens eine Messanordnung eine Kamera mit einem Kamerasensor aufweist.
• In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform weist die mindestens eine Messanordnung zusätzlich ein Objektiv auf.
• In einer vorteilhaften Ausführungsform ist das Objektiv telezentrisch ausgelegt. Damit ist eine hohe Tiefenschärfe erreichbar.
• Weiterhin hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn das Objektiv eine erste und eine zweite Linse aufweist.
• Die Messzone misst z.B. 1 mm x 1 mm und wird als Bild der Messzone auf den Kamerasensor abgebildet.
• Alternativ oder auch zusätzlich zu der Kamera kann die Messanordnung auch eine Photodiode aufweisen. Die Photodiode kann eine fasergekoppelte Photodiode sein. Im Gegensatz zur Kamera-basierten Lösung kann die Messzone mit der Photodiode nicht direkt räumlich aufgelöst werden. In dem Fall werden die Ablenkeinheiten verwendet um den Laserspot relativ zur Messanordnung räumlich, beispielsweise mäanderförmig, abzutasten. Das Photodiodensignal wird in Abhängigkeit der jeweiligen x- und y-Richtung aufgezeichnet. Aus den Positionen der Maxima lässt sich die absolute Referenzposition ermitteln und ein Korrekturwert berechnen. Der Vorteil gegenüber Kamerabasierter Lösung ist, dass diese Messanordnung kompakter zu realisieren ist.
• Begrifflich sei dazu erläutert:
• Ein Kamerasensor ist eine Vorrichtung zur Aufnahme von zweidimensionalen Abbildern aus Licht auf elektrischem oder mechanischem Wege. In den meisten Fällen werden bei digital arbeitenden Kameras halbleiterbasierte Kamerasensoren verwendet, die Licht bis ins mittlere Infrarot aufnehmen können.
• Unter einem Objektiv wird ein sammelndes optisches System verstanden, das eine reelle optische Abbildung eines Gegenstandes erzeugt. Ein Objektiv weist hierzu eine oder mehrere optische Linsen auf. Telezentrische Objektive sind spezielle optische Objektive, die sich dadurch auszeichnen, dass die Eintritts- oder Austrittspupille im Unendlichen liegt, womit der Winkel, mit dem die Hauptstrahlen in der Bildebene auftreffen, 90° ist.
• Eine Photodiode ist eine Halbleiter-Diode, die z.B. sichtbares Licht an einem p-n-Übergang oder pin-Übergang durch den inneren Photoeffekt in einen elektrischen Strom umwandelt. Sie wird unter anderem verwendet, um Licht in eine elektrische Spannung oder einen elektrischen Strom umzusetzen oder um mit Licht übertragene Informationen zu empfangen.
• Unter einer Referenzposition oder auch einem Referenzpunkt wird ein Punkt in der Bauebene verstanden, dessen Lage in einem entsprechenden Koordinatensystem bekannt ist. Ein Referenzpunkt wird für die Bestimmung der Elemente der Orientierung eines Messbildes verwendet.
• Unter einer Lichtquelle wird hier allgemein ein Ort verstanden, von dem Licht ausgeht. Beispielsweise wird hier ein Laserpointer als Lichtquelle benutzt. Ein Laserpointer ist ein handlicher Lichtzeiger, der einen Laserstrahl geringer Leistung, meistens von max. 3 mW, erzeugt.
• In einer vorteilhaften Ausführungsform weist die Vorrichtung zwei Scanner und drei Messanordnungen auf. Die Messanordnungen können z.B. an drei Stellen zwischen zwei Ablenkeinheiten angeordnet werden. So kann der Überlapp der Scanfelder an drei Stellen überprüft und ggf. korrigiert werden.
• In einer alternativen vorteilhaften Ausführungsform weist die Vorrichtung vier Scanner und dreizehn Messanordnungen auf, um die Ausrichtung der jeweiligen Scanfelder zum Randbereich bzw. zueinander zu überprüfen und ggf. zu korrigieren.
• Weiterhin hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn die Vorrichtung weiterhin eine Lichtquelle aufweist, die dazu eingerichtet ist, die Position der Messzone optisch anzuzeigen. Die Lichtquelle kann beispielsweise ein handelsüblicher Laserpointer sein.
• Das erfindungsgemäße Verfahren zur Referenzierung und Kalibrierung einer Laseranlage mit mehreren Scanfeldern und mehreren Scannern, wobei die mehreren Scanner eine Steuerung aufweisen, wobei die Steuerung für jeden Punkt auf einer von einem Laserstrahl abzufahrenden Bahnkurve einen Ablenkwinkel an den Scanner übermittelt, ist dadurch gekennzeichnet, dass jeder der mehreren Scanner jeweils einen Laserspot in eine aktuelle Position in einer Messzone ablenkt, wobei die aktuelle Position des Laserspots über eine Bildverarbeitung erfasst wird, anschließend die Abweichung der aktuellen Position eines jeden Laserspots von einem jeweiligen, zuvor bestimmten Referenzpunkt berechnet und als Korrekturwert an die Steuerung des jeweiligen Scanners übergeben wird. Beispielsweise kann damit die Steuerung die Abweichung der aktuellen Position eines jeden Laserspots von einem jeweiligen Referenzpunkt als Vorhaltewinkel zu dem jeweiligen Ablenkwinkel addieren. Es ist aber auch beispielsweise eine Skalierung des Scanfeldes möglich. Das Scanfeld wird bei einer Vergrößerung des Abstands der Scanner zum Scanfeld größer. Die Skalierung kann relativ einfach in der Scannersteuerung hinterlegt und dynamisch angepasst werden.
• Der Korrekturwert kann an die Steuerung der Ablenkeinheitenbeispielsweise in Form eines aktualisierten Korrekturfiles weitergegeben werden, so dass die Steuerung die Abweichungen zur Sollposition vorhalten kann. Damit ist es möglich, mehrere Scanfelder relativ zu einer höheninvarianten Referenz und somit auch relativ zueinander auszurichten. Die Ausrichtung kann In-Line, also während des Laserbearbeitungsprozesses durchgeführt werden. Damit werden Multi-Kanal-Laserprozesse dahingehend verbessert, dass nebeneinanderliegende Scanfelder bei parallelisierter Laserbearbeitung nahtlos aneinandergefügt werden können. Insbesondere bei additiven Fertigungsprozessen wie dem LPBF-Verfahren führt dies zu einer Verbesserung der mechanischen und optischen Bauteileigenschaften.
• Begrifflich sei dazu erläutert:
• Unter Bildverarbeitung wird hier die Verarbeitung von Ortssignalen, insbesondere zweidimensionalen Ortssignalen, d.h. Signalen, die einem Ort in einer Ebene zuordnenbar sind, verstanden. Das Ergebnis einer Bildverarbeitung kann ein Bild sein oder auch eine Menge von Merkmalen des Eingabesignals.
• Der Ablenkwinkel bezeichnet die Änderung der Ausbreitungsrichtung eines Lichtstrahles. Insbesondere wird in einer Laseranlage ein Laserstrahl erzeugt und über einen Scanner um einen Ablenkwinkel abgelenkt. Der Scanner ist dabei üblicherweise dazu eingerichtet, den Ablenkwinkel kontinuierlich oder quasikontinuierlich zu verändern.
• Unter Vorhaltewinkel wird in dieser Schrift ein Korrekturwinkel für den Ablenkwinkel verstanden.
• Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, wenn der zur Referenzierung und Kalibrierung erzeugte Laserspot, eine Laserleistung aufweist, mit der keine Materialbearbeitung stattfindet. Hierdurch kann sichergestellt werden, dass zunächst nur eine Referenzierung bzw. Kalibrierung der Vorrichtung stattfindet, ohne dass bereits Material bearbeitet wird.
• In einer vorteilhaften Ausführungsform wird für die Bildverarbeitung eine Kamera mit einem Kamerasensor und einem Objektiv verwendet, wobei die Messzone als Bild auf den Kamerasensor abgebildet wird.
• Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, wenn die Bildverarbeitung digital erfolgt.
• In einer weiteren Ausführungsform wird für die Bildverarbeitung alternativ oder zusätzlich eine Photodiode verwendet, wobei der Laserspot relativ zur Messanordnung räumlich abgetastet wird, wobei die Photodiode ein Photodiodensignal für jeden über die jeweilige x- und y-Position definierten Punkt ausgibt und das Photodiodensignal in Abhängigkeit der jeweiligen x- und y-Richtung aufgezeichnet wird, wobei aus den Positionen der Maxima der Photodiodensignale die absolute Referenzposition ermittelt und ein Korrekturwert ermittelt wird. Die Messanordnung fällt bei der Verwendung einer Photodiode als Alternative zur Kamera kompakter aus.
• In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform werden die Positionen der Messzonen in der Prozessebene mittels einer Lichtquelle optisch angezeigt. Der Bediener der Vorrichtung erhält hierdurch eine Rückmeldung über den Verfahrensstand.
• In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform wird das Verfahren während eines Laserbearbeitungsprozesses durchgeführt. Hierdurch wird durch die zeitliche Nähe des Referenzierungs- bzw. Kalibrierungsprozesses zu dem Laserbearbeitungsprozess die Genauigkeit des Laserbearbeitungsprozesses erhöht, wobei gleichzeitig der Zeitaufwand für die Referenzierung bzw. Kalibrierung der Vorrichtung minimiert ist.
• Ausdrücklich sei darauf hingewiesen, dass alle angegebenen Zahlenwerte nicht als scharfe Grenzen zu verstehen sein sollen, sondern vielmehr in ingenieurmä-ßigem Maßstab über- oder unterschritten werden können sollen, ohne den beschriebenen Aspekt der Erfindung zu verlassen.
• Weitere Vorteile, Besonderheiten und zweckmäßige Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und der nachfolgenden Darstellung bevorzugter Ausführungsbeispiele anhand der Abbildungen.
• Es zeigen:
• 1 eine schematische Darstellung des relativen Strahlversatzes Δx als Folge des Höhenversatzes Δz,
• 2 eine schematische Darstellung zweier Scanner AE₁ , AE₂ mit Messanordnung MA,
• 3 eine schematische Darstellung zweier überlappender Scanfelder SF₁ und SF₂ ,
• 4 eine schematische Darstellung von vier überlappenden Scanfeldern SF₁ - SF₄,
• 5 eine schematische Darstellung der Messanordnung basierend auf einem Kamerasensor KS und einem Objektiv O,
• 6 eine schematische Darstellung der Messanordnung basierend auf einer Photodiode PD und einem Objektiv O,
• 7 eine schematische Darstellung der Detektion der Messzone MZ durch Abrastern des Laserspots LS entlang der x und y-Richtung.
• 1 zeigt eine schematische Darstellung des relativen Versatzes Δx eines ersten Laserspots LS₁ und eines zweiten Laserspots LS₂ innerhalb eines Scanfelds SF als Folge des Höhenversatzes Δz als Differenz der Abstände z_a , z_b der Scanner AE₁ bzw. AE₂ von der Prozessebene PE. In der im Teil a) der Abbildung gezeigten Situation beträgt der Abstand zwischen den Scannern AE₁ , AE₂ von der Prozessebene PE z_a . In der im Teil b) der Abbildung gezeigten Situation beträgt der Abstand zwischen den Scannern AE₁ , AE₂ von der Prozessebene PE z_b , wobei im gewählten Beispiel z_b um die Differenz Δz größer ist als z_a . Die Abstandsdifferenz Δz führt dazu, dass die Laserspots LS₁ und LS₂ nicht mehr im selben Punkt auf die Prozessebene PE auftreffen, wie es in der Situation in Teil a) der Figur zu sehen ist, sondern um einen Strahlversatz Δx zueinander versetzt sind. Beispielsweise führt ein Höhenversatz von Δz = 100 µm bei einem Ablenkwinkel von Θ_a = 20° zu einem lateralen Strahlversatz Δx = Δz*tan(20°) = 36 µm. Im Überlappungsbereich zweier Scanner tritt somit ein Versatz von ca. 80 µm auf, was bei einer Spurbreite von 100 µm zu deutlichen optischen und mechanischen Störungen der Bauteilstruktur führt.
• 2 zeigt eine schematische Darstellung zweier Scanner AE₁ , AE₂ mit Messanordnung MA. Analog zu den in 1 a) und b) dargestellten Situationen besteht auch hier ein Höhenversatz Δz zwischen den Scannern AE₁ , AE₂ und der in den Figurteilen a) und b) unterschiedlich z-Positionen der jeweiligen Prozessebene PE. Zwischen den Scannern AE₁ und AE₂ ist nun aber eine Messanordnung MA angeordnet, die dazu eingerichtet ist, jeweils eine Messzone MZ in einer Prozessebene PE zu erfassen. Die Scanner AE₁ , AE₂ weisen eine Steuerung auf, wobei die Steuerung für jeden Punkt auf einer von einem Laserstrahl abzufahrenden Bahnkurve einen Ablenkwinkel Θ_a an den Scanner AE₁ , AE₂ übermittelt. Die Scanner AE₁ , AE₂ lenken zur Referenzierung bzw. Kalibrierung der Vorrichtung jeweils einen Laserspot LS₁ , LS₂ in eine aktuelle Position in einer Messzone MZ ab. Die aktuelle Position der Laserspots LS₁ , LS₂ wird über eine in der Messanordnung MA integrierte Bildverarbeitung erfasst. Anschließend wird die Abweichung der aktuellen Position der Laserspots LS₁ , LS₂ von einem jeweiligen, zuvor bestimmten Referenzpunkt berechnet und als Korrekturwert an die Steuerung des jeweiligen Scanners AE₁ , AE₂ übergeben. Dabei kann beispielsweise die Steuerung die Abweichung der aktuellen Position eines jeden Laserspots von einem jeweiligen Referenzpunkt als Vorhaltewinkel Θ_v , zu dem jeweiligen Ablenkwinkel Θ_a addieren, so dass die Ablenkung nun mit dem um den Vorhaltewinkel korrigierter Ablenkwinkel Θ_b geschieht. Es ist aber auch beispielsweise eine Skalierung des Scanfeldes möglich. Das Scanfeld wird bei einer Vergrößerung des Abstands der Scanner zum Scanfeld größer. Die Skalierung kann relativ einfach in der Scannersteuerung hinterlegt und dynamisch angepasst werden.
• 3 eine schematische Darstellung zweier überlappender Scanfelder SF₁ und SF₂ . Im Überlappungsbereich liegen drei Messzonen MZ₁ , MZ₂ , MZ₃ . Die Messanordnungen sind an drei Stellen zwischen zwei Ablenkeinheiten AE₁ , AE₂ angeordnet. So kann der Überlapp der zwei Scanfelder SF₁ und SF₂ an drei Stellen überprüft und ggf. korrigiert werden.
• 4 zeigt eine schematische Darstellung von vier überlappenden Scanfeldern SF₁ - SF₄ . Am Rand und in den Überlappungsbereichen liegen 13 Messzonen MZ₁ - MZ₁₃ . So kann der Überlapp der vier Scanfelder SF₁ bis SF4 an dreizehn Stellen überprüft und ggf. korrigiert werden
• 5 zeigt eine schematische Darstellung der Messanordnung MA basierend auf einem Kamerasensor KS und einem Objektiv O. Das Objektiv O weist eine erste Linse L₁ und eine zweite Linse L₂ sowie eine Blende BL zwischen den Linsen L₁ , L₂ auf. Die Messanordnung MA ist auf die Messzone MZ gerichtet. Über das Objektiv O, die Linsen L₁ , L₂ und die Blende BL wird die Messzone MZ als Bild der Messzone BMZ auf den Kamerasensor KS abgebildet. Anschließend wird die Abweichung der aktuellen Position der Laserspots LS₁ , LS₂ (nicht in der Figur gezeigt) von einem jeweiligen, zuvor bestimmten Referenzpunkt berechnet und als Korrekturwert an die Steuerung (nicht in der Figur gezeigt) des jeweiligen Scanners AE₁ , AE₂ (nicht in der Figur gezeigt) übergeben.
• 6 zeigt eine schematische Darstellung der Messanordnung basierend auf einer Photodiode PD und einem Objektiv O. Alternativ oder auch zusätzlich zu der in 5 gezeigten Kamera kann die Messanordnung MA auch eine Photodiode PD und ein Objektiv O aufweisen. Im Gegensatz zur Kamera-basierten Lösung kann die Messzone MZ mit der Photodiode PD nicht direkt räumlich aufgelöst werden. In diesem Fall kann Licht auf die Messzone MZ geleitet werden, dessen Reflexion auf die Photodiode geleitet werden kann, um ein Photodiodensignal zu erzeugen. Das Licht kann die Messzone MZ relativ zur Messanordnung MA räumlich, beispielsweise mäanderförmig, abtasten. Das Photodiodensignal wird in Abhängigkeit der jeweiligen x- und y-Richtung aufgezeichnet. Aus den Positionen der Maxima lässt sich die absolute Referenzposition ermitteln und ein Korrekturwert berechnen. Der Vorteil gegenüber Kamerabasierter Lösung ist, dass diese Messanordnung kompakter zu realisieren ist.
• In Teil a) von 6 ist eine Anordnung dargestellt, bei der sichtbares Licht aus einer Lichtquelle LQ über einen dichrotischen Spiegel SK und einen Lichtwellenleiter LWZ in ein Objektiv O geleitet wird. Das Objektiv O weist zwei Linsen L₁ und L₂ auf, durch die das Licht der Lichtquelle LQ in die Messzone MZ abgebildet wird. Die Beleuchtung dient zur Visualisierung der Messzone.
• Wird nun Laserstrahlung der Bearbeitungslaser über die Ablenkeinheiten AE in die Messzone abgelenkt, so wird der von der Prozessebene reflektierte Anteil der Laserstrahlung nun über ein Objektiv O mit den zwei Linsen L₁ und L₂ zurück in einen Lichtwellleiter LWZ eingekoppelt, von wo es durch den dichroitischenSpiegel SKauf eine Photodiode PD fällt.
• In Teil b) von 6 ist eine alternative Anordnung dargestellt, bei der reflektierteLaserstrahlung aus der Messzone MZ über ein Objektiv O mit zwei Linsen L₁ und L₂ auf eine Photodiode PD fällt.
• In Teil c) von 6 ist eine weitere alternative Anordnung dargestellt, bei der sichtbares Licht aus einer Lichtquelle LQ, die unmittelbar am Objektiv O angeordnet ist und Licht unmittelbar in das Objektiv O einkoppeln kann, über einen im Objektiv O angeordneten dichroitischen Spiegel SK und zwei im Objektiv O angeordneten Linsen L₁ und L₂ in die Messzone MZ abgebildet wird. Diese Beleuchtung der Messzone dient zur Visualisierung der Messzone. Die von der Prozessebene in der Messzone reflektierte Lasterstrahlung nun analog zu b) über das Objektiv O mit den zwei Linsen L₁ und L₂ zurück durch den dichroitischen Spiegel SK, der halbdurchlässig ausgeführt ist, unmittelbar auf eine unmittelbar am Objektiv O angeordnete Photodiode PD geleitet.
• 7 zeigt eine schematische Darstellung der Detektion der Messzone MZ durch Abrastern des Laserspots LS entlang der x und y-Richtung. Auf der linken Seite der Figur ist dabei die Abrasterung in y-Richtung dargestellt. An vier beispielhaften y-Positionen wird der Laserspot LS in x-Richtung auf die Messzone MZ gerichtet. In dem unteren auf der linken Seite der Figur dargestellten Diagramm ist das Photodiodensignal als Strom aus der Photodiode PD für die vier verschiedenen y-Positionen über die x-Achse dargestellt. Die Kurven der Positionen y₁, y₂ und y₃ weisen jeweils bei x_max einen Peak auf, während der Laserspot LS an der Position y₄ die Messzone nicht trifft und dementsprechend die Photodiode für diese Position kein Signal ausgibt. Damit ist die x-Position der Messzone MZ gefunden.
• Die rechte Seite der Darstellung zeigt das analoge Vorgehen zur Auffindung der y-Position der Messzone MZ.
• Die hier gezeigten Ausführungsformen stellen nur Beispiele dar und dürfen daher nicht einschränkend verstanden werden. Alternative durch den Fachmann in Erwägung gezogene Ausführungsformen sind gleichermaßen vom Schutzbereich der vorliegenden Erfindung umfasst.
• Bezugszeichenliste

AE

Ablenkeinheit, Scanner

AE₁

erste Ablenkeinheit, erster Scanner

AE₂

zweite Ablenkeinheit, zweiter Scanner

BMZ

Bild der Messzone

KS

Kamerasensor

L₁

erste Linse

L₂

zweite Linse

LQ

Lichtquelle

LS

Laserspot

LS₁

erster Laserspot

LS₂

zweiter Laserspot

LWZ

Lichtwellenleiter

MA

Messanordnung

MZ

Messzone

MZ₁ - MZ₁₃

erste bis dreizehnte Messzone

O

Objektiv

PD

Photodiode

PE

Prozessebene

SF

Scanfeld, Abtastbereich

SF₁ - SF4

erstes bis viertes Scanfeld bzw. erster bis vierter Abtastbereich

SK

Spiegel

Δx

Strahlversatz

z_a

Abstand zwischen einem Scanner und einer Prozessebene in Situation a)

z_b

Abstand zwischen einem Scanner und einer Prozessebene in Situation b)

Δz

Höhenversatz

Θ_a

Ablenkwinkel

Θ_v

Vorhaltewinkel

Θ_b

um den Vorhaltewinkel korrigierter Ablenkwinkel

Claims (16)

1. Vorrichtung zur Referenzierung und Kalibrierung einer Laseranlage mit mehreren Scanfeldern (SF) und mehreren Scannern (AE), dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung mindestens eine Messanordnung (MA) aufweist, wobei die mindestens eine Messanordnung (MA) zwischen den mehreren Scannern (AE) angeordnet ist und jede Messanordnung (MA) dazu eingerichtet ist, jeweils eine Messzone (MZ) in einer Prozessebene (PE) zu erfassen.
2. Vorrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Messanordnung (MA) eine Kamera mit einem Kamerasensor (KS) aufweist.
3. Vorrichtung gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Messanordnung (MA) ein Objektiv (O) aufweist.
4. Vorrichtung gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Objektiv telezentrisch ausgelegt ist.
5. Vorrichtung gemäß Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Objektiv (O) eine erste Linse (L1) und eine zweite Linse (L2) aufweist.
6. Vorrichtung gemäß einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Messanordnung (MA) eine Photodiode PD aufweist.
7. Vorrichtung gemäß einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung zwei Scanner (AE) und drei Messanordnungen (MA) aufweist.
8. Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5 dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung vier Scanner (AE) und dreizehn Messanordnungen (MA) aufweist.
9. Vorrichtung gemäß einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung weiterhin eine Lichtquelle (LQ) aufweist, die dazu eingerichtet ist, die Position der Messzone (MZ) optisch anzuzeigen.
10. Verfahren zur Referenzierung und Kalibrierung einer Laseranlage mit mehreren Scanfeldern (SF) und mehreren Scannern (AE), wobei die mehreren Scanner (AE) eine Steuerung aufweisen, wobei die Steuerung für jeden Punkt auf einer von einem Laserstrahl abzufahrenden Bahnkurve einen Ablenkwinkel (Θ_a) an den Scanner übermittelt, dadurch gekennzeichnet, dass jeder der mehreren Scanner (AE) jeweils einen Laserspot (LS) in eine aktuelle Position in einer Messzone (MZ) ablenkt, wobei die aktuelle Position des Laserspots (LS) über eine Bildverarbeitung erfasst wird, anschließend die Abweichung der aktuellen Position eines jeden Laserspots (LS) von einem jeweiligen, zuvor bestimmten Referenzpunkt berechnet und als Korrekturwert an die Steuerung des jeweiligen Scanners (AE) übergeben wird.
11. Verfahren gemäß Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Laserspot (LS) eine Laserleistung aufweist, mit der keine Materialbearbeitung stattfindet.
12. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 10 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass für die Bildverarbeitung eine Kamera mit einem Kamerasensor (KS) und einem Objektiv (O) verwendet wird, wobei die Messzone (MZ) als Bild der Messzone (BMZ) auf den Kamerasensor (KS) abgebildet wird.
13. Verfahren gemäß Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Bildverarbeitung digital erfolgt.
14. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 10 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass für die Bildverarbeitung eine Photodiode verwendet wird, wobei der Laserspot (LS) relativ zur Messanordnung (MA) räumlich abgetastet wird, wobei die Photodiode ein Photodiodensignal für jeden über die jeweilige x- und y-Position definierten Punkt ausgibt und das Photodiodensignal in Abhängigkeit der jeweiligen x- und y-Richtung aufgezeichnet wird, wobei aus den Positionen der Maxima der Photodiodensignale die absolute Referenzposition ermittelt und ein Korrekturwert ermittelt wird.
15. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 10 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Positionen der Messzonen (MZ) in der Prozessebene (PE) mittels einer Lichtquelle (LQ) optisch angezeigt werden.
16. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 10 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren während eines Laserbearbeitungsprozesses durchgeführt wird.

Images