DE102020127575A1

DE102020127575A1 - Laserbearbeitungsmaschine mit wenigstens einer Schutzeinrichtung gegen Röntgenabschattung

Info

Publication number: DE102020127575A1
Application number: DE102020127575.7A
Authority: DE
Inventors: Matthias Hartmann; Günter Dittmar; Marc Sailer; Jürgen Nolting
Original assignee: Trumpf Laser GmbH
Current assignee: Trumpf Laser Se De
Priority date: 2020-10-20
Filing date: 2020-10-20
Publication date: 2022-04-21

Abstract

Die vorliegende Erfindung beschreibt eine Laserbearbeitungsmaschine (100) und ein zugehöriges Betriebsverfahren, bei der eine durch eine Laserbearbeitung an einem Prozessort (6) in einer Scanzone (7) eines Werkstücks (8) freigesetzte Röntgenstrahlung mittels eines Röntgensensors (14) überwacht wird, der entlang einer Röntgendetektionsachse (141) auf die Scanzone (7) gerichtet ist, und weiterhin wenigstens ein Kontrollsensor (21-24) für eine langwelligere Strahlung als Röntgenstrahlung zumindest eine Teilstrecke (105) des Strahlpfads der detektierten Röntgenstrahlung zwischen der Scanzone (7) und dem Röntgensensor (14) entlang einer Kontrollachse (211, 221), die mit der Röntgendetektionsachse (141) zumindest näherungsweise zusammenfällt, auf Abschattung überwacht. Wenn aufgrund der Abschattung von jeweils wenigstens einem zugeordneten Kontrollsensor (21-24) bei keinem Röntgendetektor (14) mehr davon ausgegangen werden kann, dass die Röntgenkontrollachse (141) unabgeschattet ist, wird die Laserbearbeitungsmaschine (100) von einer Steuereinrichtung (101) in einen sicheren Zustand überführt.

Description

Die Erfindung betrifft eine Laserbearbeitungsmaschine, umfassend

- einen Laserbearbeitungskopf, mit dem im Betrieb ein Bearbeitungs-Laserstrahl, insbesondere ein ultrakurzgepulster Bearbeitungs-Laserstrahl, in einer Scanzone auf ein Werkstück gerichtet wird;
- wenigstens eine Schutzeinrichtung, wobei eine jeweilige Schutzreinrichtung jeweils einen Röntgensensor zur Detektion von Röntgenstrahlung umfasst, die durch eine Bearbeitung des Werkstücks mit dem Bearbeitungs-Laserstrahl an einem Prozessort in der Scanzone entsteht, wobei der Röntgensensor entlang einer Röntgendetektionsachse auf die Scanzone gerichtet ist, insbesondere wobei der Röntgensensor Photonen mit einer Energie von 3keV oder mehr detektieren kann; und
- eine Steuereinrichtung, wobei die Steuereinrichtung Messsignale des Röntgensensors einer jeweiligen Schutzeinrichtung auswertet, und die Steuereinrichtung so eingerichtet ist, dass bei Erreichen einer kritischen Intensität von detektierter Röntgenstrahlung am Röntgendetektor wenigstens einer Schutzeinrichtung die Laserbearbeitungsmaschine in einen sicheren Zustand überführt wird, in welchem eine einen Strahlungs-Grenzwert überschreitende Strahlungsexposition von Personen in der Umgebung der Laserbearbeitungsmaschine ausgeschlossen ist, insbesondere wobei im sicheren Zustand der Bearbeitungs-Laserstrahl abgeschaltet ist.

Eine solche Laserbearbeitungsmaschine ist bekannt geworden aus der DE 10 2018 200 033 A1 .
Laserstrahlen werden in vielfältiger Weise zum Bearbeiten von Materialien eingesetzt, wobei je nach Anwendungsfall das Material der bearbeiteten Werkstücke aufgeschmolzen und/oder abgetragen wird. Häufig eingesetzte Laserbearbeitungsverfahren sind beispielsweise das Laserschneiden, das Laserbohren oder das Laserschweißen (auch Laserstrahlschweißen genannt). Vorteile der Laserbearbeitungsverfahren sind beispielsweise ein geringer mechanischer Krafteintrag, die leichte Zugänglichkeit komplexer Werkstückformen, hohe Bearbeitungsgeschwindigkeit oder auch ein geringer thermischer Verzug.
Beim Beschuss des Materials eines Werkstücks mit einem Laserstrahl mit hoher Bestrahlungsstärke, insbesondere bei Verwendung eines ultrakurzgepulsten Laserstrahls, können die Atome des Materials durch den Laserstrahl so stark angeregt werden, dass es zur Emission von Röntgenstrahlung durch das Plasma des Materials des Werkstücks am Prozessort kommt.
Röntgenstrahlung ist für Menschen grundsätzlich gesundheitsschädlich. Es ist bekannt, zum Schutz von Menschen in der Umgebung eine Abschirmung um die Laserbearbeitungszone vorzusehen, die Röntgenstrahlung abschwächt. Solche Abschirmungen können beispielsweise als ein mit Bleiplatten oder Bleiglas versehenes Gehäuse ausgebildet sein. Abschirmungen benötigen jedoch abhängig von ihrer Stärke erheblich Platz und sind relativ teuer; bei zu starker Emission von Röntgenstrahlung kann zudem die vorhandene Abschirmung möglicherweise zu schwach sein, um eine Gesundheitsgefährdung von Personen in der Umgebung auszuschließen.
Eine nicht unerhebliche Problematik besteht darin, dass die Stärke der Emission von Röntgenstrahlen bei einem Laserbearbeitungsprozess nicht ohne Weiteres vorhergesagt werden kann. Die Stärke der Emission hängt beispielsweise stark vom Werkstückmaterial ab, insbesondere dessen chemischer Zusammensetzung einschließlich Verunreinigungen, von der Werkstücküberfläche einschließlich etwaiger Verschmutzungen, ebenso von der Wellenlänge der Laserstrahlung, der Laserleistung, ggf. der Pulswiederholfrequenz und Pulsdauer, der Fläche des Laserfokus auf dem Werkstück (Target), der Ablenkgeschwindigkeit des Laserstrahls, der Art des Abtragvorgangs und vielem mehr, wobei sich die einzelnen Parameter gegenseitig beeinflussen.
Aus der DE 10 2018 200 033 A1 ist es bekannt, an einem Laserbearbeitungskopf an der dem Target zugewandten Seite einen oder mehrere Röntgendetektoren zu installieren, und damit die durch die Laserbearbeitung am Werkstück entstehende Röntgenstrahlung zu messen. Das Sensorsignal des Röntgendetektors kann dazu genutzt werden, die Bestrahlungsstärke des Bearbeitungs-Laserstrahls zu verringern oder den Bearbeitungs-Laserstrahl abzuschalten, wenn die Röntgenschwelle erreicht ist. Bei Verwendung mehrerer Röntgensensoren kann die Röntgenstrahlung ortsaufgelöst und redundant gemessen werden.
Bei der Detektion der Röntgenstrahlung mit einem Röntgensensor besteht die Gefahr, dass der Strahlenpfad zwischen dem Prozessort und dem Röntgendetektor abgeschattet wird. Die Abschattung kann dabei beispielsweise durch Maschinenteile erfolgen, die zu bearbeitende Werkstücke zuführen oder während der Bearbeitung halten, oder auch durch Kanten der zu bearbeitenden Werkstücke selbst. Je nach Dicke und Absorptionsvermögen der abschattenden Struktur wird dadurch die am Röntgendetektor ankommende Röntgenstrahlung mehr oder weniger abgeschwächt. Es ist eine Eigenschaft von Röntgenstrahlung, dass sie viele Materialien, insbesondere solche mit Atomen geringer Ordnungszahl wie Kunststoffe oder Aluminium, mit nur geringer Abschwächung passieren kann. Wenn nun aber die Sicherheit von Personen der Umgebung dadurch sichergestellt werden soll, dass die Intensität von gemessener Röntgenstrahlung an einem auf den Prozessort gerichteten Röntgendetektor einen vorgegebenen Grenzwert nicht überschreiten soll, so kann eine abschattende Struktur zu einem zu niedrigen Messwert führen, und möglicherweise wird dann die tatsächliche Strahlenbelastung von Personen in der Umgebung unterschätzt.
Da die Emission von Röntgenstrahlung für einen konkreten Bearbeitungsprozess schwer vorherzusagen ist, und auch die Auswirkung von abschattenden Strukturen je nach Art der abschattenden Struktur sehr unterschiedlich ausfallen kann, kann eine Abschattung eines Röntgensensors in der Regel nicht sicher anhand des Sensorsignals eines Röntgendetektors selbst erkannt werden. Die Verwendung mehrerer, redundanter Röntgensensoren kann die Wahrscheinlichkeit für verfälschte Messwerte verringern, aber nicht völlig ausschließen.
Weiterhin sind Röntgensensoren relativ teuer, so dass eine größere Anzahl von eingesetzten Röntgensensoren an Laserbearbeitungsmaschinen vermieden werden sollte.
Die Detektion von Röntgenstrahlung ist zudem mit üblichen Röntgensensoren relativ träge; dadurch besteht die Gefahr, dass Röntgenstrahlung bereits über eine gewisse Zeit in nicht unerheblichem Umfang emittiert wurde, bevor sie durch eine Messung festgestellt wird.
Aus der DE 10 2018 200 030 B3 ist es ebenfalls bekannt, mit einem Röntgensensor einen Laserbearbeitungsprozess zu beobachten und bei Erreichen eines Schwellwerts den Laserstrahl abzuschalten auf eine niedrigere Leistung zu schalten. Ähnliches ist zudem aus der DE 10 2018 120 019 A1 bekannt geworden.
Aus der WO 2020/035537 A1 ist es bekannt geworden, den Materialbearbeitungsprozess eines Werkstücks mit einem Laserstrahl durch zwei Sensoren zu überwachen, die eine unterschiedliche spektrale Empfindlichkeit aufweisen. Aus den Messsignalen wird ein Quotient gebildet, der für die Prozessregelung eingesetzt wird.
Die WO 2017/157856 A1 beschreibt ein Verfahren zur Heißrisserkennung beim Laserschweißen, wobei während des Laserstrahlschweißens zumindest ein Teilbereich des Schmelzbades und/oder die Umgebung des Schmelzbades mit einem Messsystem, etwa einer Kamera, beobachtet wird.
Aufgabe der Erfindung
Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Laserbearbeitungsmaschine bereitzustellen, bei der mit geringem Aufwand eine verbesserte Betriebssicherheit erreicht werden kann.
Beschreibung der Erfindung
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Laserbearbeitungsmaschine der eingangs genannten Art, die dadurch gekennzeichnet ist,
dass eine jeweilige Schutzeinrichtung weiterhin wenigstens einen Kontrollsensor umfasst, welcher für eine Kontrollstrahlung empfindlich ist, die langwelliger ist als die Röntgenstrahlung,
wobei der wenigstens eine Kontrollsensor so eingerichtet ist, dass er die Kontrollstrahlung, die zumindest abschnittsweise entlang einer Kontrollachse zumindest über eine Teilstrecke zwischen der Scanzone und dem Röntgensensor der Schutzreinrichtung propagiert, detektieren kann, wobei die Kontrollachse und die Röntgendetektionsachse zumindest näherungsweise zusammenfallen, und
dass die Steuereinrichtung weiterhin Messsignale des wenigstens einen Kontrollsensors einer jeweiligen Schutzeinrichtung auswertet, und die Steuereinrichtung so eingerichtet ist, dass sie die Laserbearbeitungsmaschine auch dann in den sicheren Zustand überführt, wenn die Steuereinrichtung feststellt, dass bei jeder Schutzeinrichtung jeweils wenigstens ein Kontrollsensor der jeweiligen Schutzeinrichtung zumindest teilweise abgeschattet ist.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, bei einer jeweiligen Schutzeinrichtung mittels (wenigstens) eines Kontrollsensors zu überprüfen, ob der Röntgensensor der Schutzeinrichtung abgeschattet ist. Der Kontrollsensor ist zusätzlich zum Röntgensensor an der Schutzeinrichtung vorhanden. Der Kontrollsensor registriert eine Kontrollstrahlung, die langwelliger ist als die Röntgenstrahlung; typischerweise liegt die Kontrollstrahlung im Bereich einer Wellenlänge von 100 nm oder länger, insbesondere im Ultraviolett(=UV)-Bereich (100 nm - 380 nm) oder im sichtbaren (=VIS) Bereich (380 nm-750 nm). Die Kontrollstrahlung kann (wie die Röntgenstrahlung) durch die Laserbearbeitung am Prozessort des bearbeiteten Werkstücks erzeugt sein, oder auch aus einer zusätzlichen Kontrollstrahlungsquelle (etwa einer Laserdiode) stammen.
Die Kontrollsensoren basieren auf Strahlung mit längerer Wellenlänge als Röntgenstrahlung, in der Regel auf UV-Strahlung oder sichtbarem Licht. Dadurch, dass die Kontrollstrahlung langwelliger ist als die Röntgenstrahlung, sind mit ihr Abschattungseffekte leichter festzustellen. Die langwelligere Strahlung kann übliche Materialien von Werkstücken und Maschinenteilen sehr viel schlechter durchdringen als Röntgenstrahlung.
Insbesondere führt bei den allermeisten Materialien, die für eine Abschattungsstruktur in Frage kommen, insbesondere typischen Werkstückmaterialien (oft Metall, Kunststoff oder Keramik) oder Materialien von Maschinenstrukturen (meist Metall oder Kunststoff), bereits eine minimale Materialdicke zu einer vollständigen Abschattung der langwelligeren Strahlung; dies kann vergleichsweise leicht beispielsweise anhand einer absoluten Intensitätsschwelle erkannt werden.
Zudem sind die Kontrollsensoren für die langwelligere Strahlung meist deutlich weniger träge als Sensoren für Röntgenstrahlung (Zeitkonstanten wenigstens Faktor 100 unterschiedlich); Messungen für UV-Strahlung und sichtbares Licht können in der Regel in Sekundenbruchteilen erfolgen, wohingegen Messungen von Röntgenstrahlung meist mehrere Sekunden dauern. Dadurch kann sehr viel schneller auf festgestellte Abschattungen reagiert werden (durch Einnehmen eines sicheren Zustands), und so die Emission von Röntgenstrahlung minimiert werden.
Kontrollsensoren für UV-Strahlung oder sichtbares Licht sind zudem (im Gegensatz zu Röntgensensoren) meist recht kostengünstig erhältlich, und können daher auch problemlos in größerer Zahl (etwa für Quotientenmessungen, mit denen auf einer Seite beginnende Abschattungen gut erkannt werden können) eingesetzt werden.
Der Röntgensensor einer jeweiligen Schutzeinrichtung ist entlang der Röntgendetektionsachse auf die Scanzone ausgerichtet; mit anderen Worten, die vom Röntgendetektor detektierte Röntgenstrahlung propagiert (im Mittel) entlang der Röntgendetektionsachse. Die Röntgendetektionsachse entspricht in der Regel der optischen Achse des Röntgensensors. Der (wenigstens eine) Kontrollsensor und, soweit vorhanden, die (wenigstens eine) Kontrollstrahlungsquelle der Schutzeinrichtung werden so eingerichtet, dass eine Kontrollachse, entlang der vom Kontrollsensor detektierte Kontrollstrahlung (im Mittel) propagiert, zumindest über eine Teilstrecke zwischen der Scanzone und dem Röntgendetektor näherungsweise mit der Röntgendetektionsachse zusammenfällt. Die Kontrollachse entspricht (ggf. auch nach einer Umlenkung/Reflektion) meist der optischen Achse eines Kontrollsensors, kann aber auch der optischen Achse einer Kontrollstrahlungsquelle entsprechen. Mit anderen Worten, der Strahlengang der Kontrollstrahlung und der Strahlengang der Röntgenstrahlung sind von der Scanzone und bis zum Röntgendetektor - oder zumindest bis kurz vor dem Röntgendetektor - nahezu gleich, so dass eine Abschattungsstruktur, die in den Strahlengang der Röntgenstrahlung zwischen Scanzone (bzw. Prozessort) und Röntgendetektor gelangt und abschattet, auch den Strahlengang der Kontrollstrahlung abschattet.
Die besagte Teilstrecke umfasst typischerweise wenigstens 75%, bevorzugt wenigstens 90%, der gesamten Strecke zwischen der Scanzone und dem Röntgendetektor, wobei die Teilstrecke stets den bei der Scanzone beginnenden Teil der Strecke umfasst. Typischerweise ist eine Reststrecke zwischen Scanzone und Röntgendetektor, über die die Kontrollachse nicht mit der Röntgendetektionsachse näherungsweise zusammenfällt, durch ein Gehäuse (etwa eines Detektormoduls) umschlossen, so dass über diese Reststrecke eine Abschattung durch eine Abschattungsstruktur ausgeschlossen ist. Typischerweise sind (über die Teilstrecke) die Röntgendetektionsachse und die Kontrollachse überall um maximal 10 mm, bevorzugt maximal 5 mm, beabstandet. In der Regel schließen (über die Teilstrecke) die Röntgendetektionsachse und die Kontrollachse einen Winkel von 10° oder weniger ein, oder einen Winkel von 5° oder weniger, oder sie fallen exakt zusammen. In der Regel schneiden sich die Röntgendetektionsachse und die Kontrollachse in der Scanzone, meist in einem Zentrum der Scanzone.
Die Laserbearbeitungsmaschine wird zum einen in einen sicheren Zustand überführt, wenn an dem Röntgensensor wenigstens einer Schutzeinrichtung eine zu hohe Intensität von Röntgenstrahlung (etwa über einem vordefinierten Grenzwert) festgestellt wurde. Erfindungsgemäß wird die Laserbearbeitungsmaschine zum anderen auch dann in den sichern Zustand überführt, wenn bei keiner Schutzeinrichtung mehr davon ausgegangen werden kann, dass der jeweilige Röntgensensor (vollständig) unabgeschattet ist. Hierbei wird angenommen, dass der Röntgensensor einer jeweiligen Schutzeinrichtung (vollständig) unabgeschattet ist, wenn alle Kontrollsensoren dieser Schutzeinrichtung (vollständig) unabgeschattet sind. Umgekehrt wird angenommen, dass der Röntgensensor einer jeweiligen Schutzeinrichtung (zumindest teilweise) abgeschattet ist (oder zumindest sein könnte), wenn wenigstens einer der Kontrollsensoren dieser Schutzeinrichtung (zumindest teilweise) abgeschattet ist.
Solange wenigstens eine Schutzeinrichtung der Laserbearbeitungsmaschine noch einen (vollständig) unabgeschatteten Röntgensensor aufweist, kann die Röntgenstrahlungserzeugung bzw. die Strahlenexposition von Personen in der Umgebung noch zuverlässig überwacht werden. Sobald die Röntgendetektoren aller Schutzeinrichtungen (zumindest teilweise) abgeschattet sein könnten, wird zum Schutz der Personen in der Umgebung der sichere Zustand eingenommen, um diese Personen zu schützen.
Der oder die Röntgensensoren und der oder die Kontrollsensoren haben bevorzugt eine Empfangscharakteristik mit einer Winkelhalbwertsbreite (50% Strahlungsempfindlichkeit) von wenigstens 15°. Der oder die Röntgensensoren sind bevorzugt als Radiospektrometer ausgebildet, insbesondere wobei aus dem Photonenspektrum ein Anteil an Photonen mit einer Energie größer 5 keV und/oder die Dosisleistungen Ḣ'(0,07) und/oder Ḣ'(3) und/oder Ḣ*(10) bestimmt werden. Der Röntgensensor kann insbesondere als Halbleiterpixelsensor oder als Ionisationsdetektor ausgebildet sein. Der oder die Kontrollsensoren können mit optischen Filtern ausgestattet sein, um die Detektion auf einen eng begrenzten Spektralanteil zu begrenzen. Die Kontrollsensoren können spektral auflösend ausgebildet sein, um das Werkstückmaterial zu erkennen oder zu überprüfen, etwa in Hinblick auf Fremdstoffe. Der oder die Kontrollsensoren können als Kamera ausgebildet sein, insbesondere um eine Justage mit Laserpointern zu erleichtern.
Typischerweise gilt für den Zwischenwinkel α zwischen der Kontrollachse und dem Bearbeitungs-Laserstrahl (Ausbreitungsrichtung des bearbeitenden Laserstrahls) und den Zwischenwinkel β zwischen der Röntgendetektionsachse und dem Bearbeitungs-Laserstrahl 0°<α<30°, bevorzugt 0°<α<15°, und weiterhin 0°<β<30°, bevorzugt 0°<β<15°.
Der Strahlungs-Grenzwert der Röntgenstrahlung, bei dem die Steuereinrichtung die Laserbearbeitungsmaschine in den sicheren Zustand überführt, kann insbesondere durch gesetzliche Vorschriften vorgegeben sein; es kann aber auch eine frei definierte (in der Regel strengere als die gesetzliche) Definition erfolgen.
Bevorzugte Ausführungsformen
Bei einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Laserbearbeitungsmaschine ist die Steuereinrichtung dazu ausgebildet, eine zumindest teilweise Abschattung eines Kontrollsensors einer jeweiligen Schutzeinrichtung dadurch festzustellen,

- dass ein erster Grenzwert der Intensität der detektierten Kontrollstrahlung am Kontrollsensor unterschritten wird; und/oder
- dass wenn die Schutzeinrichtung mehrere Kontrollsensoren umfasst, die Intensität der Kontrollstrahlung an einem Kontrollsensor sich von der Intensität an einem anderen Kontrollsensor dieser Schutzeinrichtung um mehr als einen zweiten Grenzwert unterscheidet; und/oder
- dass wenn der Kontrollsensor eine Vielzahl von Pixeln umfasst, die Intensität der Kontrollstrahlung an den Pixeln um mehr als einen dritten Grenzwert variiert; und/oder
- dass die Intensität der detektierten Kontrollstrahlung am Kontrollsensor im zeitlichen Verlauf während der Bearbeitung des Werkstücks um mehr als einen vierten Grenzwert abfällt, obwohl die Bearbeitungsbedingungen am Werkstück einen solchen Abfall nicht erwarten lassen, insbesondere wobei die Bearbeitungsbedingungen am Werkstück unverändert geblieben sind.

Die Festlegung eines (absoluten) ersten Grenzwerts ist besonders einfach möglich, insbesondere auch wenn nur eine Schutzeinrichtung mit nur einem Kontrollsensor eingesetzt wird. Der erste Grenzwert der Intensität der detektierten Kontrollstrahlung kann von der vorgesehenen Laserbearbeitung abhängen, insbesondere von der eingesetzten Laserleistung und/oder dem bearbeiteten Material und/oder der Tiefe der vorgesehenen Bearbeitung am Werkstück. Wird der erste Grenzwert der Intensität am Kontrollsensor (trotz eingeschaltetem Bearbeitungs-Laserstrahl bzw. eingeschalteter Kontrollstrahlungsquelle) nicht erreicht, muss von einer Abschattung ausgegangen werden, die auch den zugehörigen Röntgensensor betreffen kann. Der erste Grenzwert sollte hoch genug gesetzt werden, so dass er durch Umgebungsquellen (etwa eine Hallenbeleuchtung) und Streueffekte nicht erreicht wird.
Der zweite Grenzwert wird meist relativ festgelegt, beispielsweise als Grenzwert für einen Quotienten von Intensitäten von zwei (meist gegenüberliegenden) Kontrollsensoren der Schutzeinrichtung; alternativ ist auch beispielsweise eine absolute Differenzbildung möglich. Beobachten zwei Kontrollsensoren den Prozessort, so können sich kleine Intensitätsunterschiede durch unterschiedliche Entfernungen oder unterschiedliche Winkel/Raumwinkel der Beobachtung ergeben. Bei zu großen Unterschieden ist davon auszugehen, dass in die Kontrollachse eines der Kontrollsensoren ein abschattendes Hindernis (von der Seite) eingetreten ist, welches auch die Röntgendetektionsachse betreffen könnte.
Die Überlegungen zum zweiten Grenzwert gelten analog auch für den dritten Grenzwert. Sehen die Pixel des Kontrollsensors nicht im Wesentlichen die gleiche Intensität, ist davon auszugehen, dass sich ein Hindernis in den Raumwinkelbereich des Kontrollsensors von einer Seite eingeschoben hat. Der dritte Grenzwert kann beispielsweise für eine Varianz oder Standardabweichung der Intensität der Pixel bestimmt werden.
Das allmähliche Einschieben eines Hindernisses mit dem Fortschritt der Laserbearbeitung des Werkstücks kann auch anhand des zeitlichen Verlaufs der Intensität der Kontrollstrahlung erkannt werden; der vierte Grenzwert hierzu wird meist als relative Größe angegeben, beispielsweise gegenüber einem mittleren Messwert einer Anzahl zurückliegender Messungen. Kleine Änderungen der Intensität der Kontrollstrahlung können durch die Veränderung des Prozessortes in Scanfeld entstehen; größere Veränderungen (sofern sie nicht durch geänderte Bearbeitungsbedingungen im Bearbeitungsverlauf, wie eine geänderte Laserleistung oder Laserfokussierung zu erwarten sind) deuten auf eine nachträglich aufgetretene Abschattung hin.
Bevorzugt ist eine Ausführungsform, bei der eine jeweilige Schutzeinrichtung wenigstens zwei, bevorzugt wenigstens vier, Kontrollsensoren umfasst, insbesondere wobei bei der jeweiligen Schutzreinrichtung die Röntgendetektionsachse des Röntgensensors zwischen den Kontrollachsen der Kontrollsensoren angeordnet ist, bevorzugt wobei die Kontrollachsen die Röntgendetektionsachse umringen. Durch mehrere Kontrollsensoren einer Schutzeinrichtung ist es möglich, während des Bearbeitungsfortschritts von außen sich auf die Röntgendetektionsachse zuschiebende Abschattungsstrukturen zuverlässig zu erkennen, insbesondere durch Vergleich der Messwerte der unterschiedlichen Kontrollsensoren, bei denen die Abschattung zu unterschiedlichen Zeitpunkten eintritt. Durch eine ringförmige Anordnung kann die Abschattungserkennung besonders zuverlässig erfolgen. Insbesondere können auf einem Detektormodul die Kontrollsensoren gleichmäßig um den Röntgensensor herum gruppiert sein.
Bei einer vorteilhaften Ausführungsform ist vorgesehen, dass eine jeweilige Schutzeinrichtung wenigstens eine Kontrollstrahlungsquelle umfasst, wobei die Kontrollstrahlungsquelle die Kontrollstrahlung auf das Werkstück in der Scanzone richtet, und der Kontrollsensor die vom Werkstück in der Scanzone reflektierte oder gestreute Kontrollstrahlung detektiert. Durch Einsatz einer Kontrollstrahlungsquelle kann eine Entkopplung einer Abschattungsüberprüfung von der tatsächlichen Laserbearbeitung an einem Werkstück erfolgen. Insbesondere können auch Vorabdurchläufe der Laserbearbeitung eines Werkstücks ohne Bearbeitungslaserstrahl (für die Erkennung von abschattenden Maschinenteilen) durchgeführt werden, oder die Kontrollstrahlung kann von der Strahlungserzeugung durch die Laserbearbeitung unterschieden werden, etwa durch Modulation.
Bei einer bevorzugten Weiterbildung dieser Ausführungsform ist vorgesehen, dass die wenigstens eine Kontrollstrahlungsquelle eine Vorrichtung zum Modulieren der Kontrollstrahlung aufweist, und die Steuereinrichtung so eingerichtet ist, dass sie detektierte, modulierte Kontrollstrahlung von unmodulierter Strahlung der gleichen Wellenlänge wie die Kontrollstrahlung unterscheiden kann, welche durch die Bearbeitung des Werkstücks mit dem Bearbeitungs-Laserstrahl am Prozessort in der Scanzone entsteht und/oder als Umgebungslicht vorhanden ist. Die Abschattungserkennung kann dann anhand der modulierten Kontrollstrahlung allein erfolgen, und etwaige Schwankungen von Strahlung aus der Laserbearbeitung oder von Umgebungslicht bleiben ohne störenden oder verfälschenden Einfluss. Dadurch kann die Abschattungserkennung besonders zuverlässig erfolgen, insbesondere anhand eines ersten Grenzwerts (siehe oben).
Bevorzugt ist auch eine Ausführungsform, bei der je Schutzeinrichtung ein Detektormodul vorgesehen ist,

- welches gegenüber dem Laserbearbeitungskopf und/oder dem Werkstück separat justierbar ist,
- an welchem der Röntgensensor der Schutzeinrichtung angeordnet ist,
- und an welchem auch der wenigstes eine Kontrollsensor der Schutzeinrichtung oder wenigstens eine Kontrollstrahlungsquelle der Schutzeinrichtung angeordnet ist. Durch ein separat justierbares Detektormodul ist eine Anpassung an eine konkrete Bearbeitungsaufgabe, insbesondere bezüglich einer Fokuslage des Laserstrahls, auf einfache Weise möglich. In der Regel sind mehrere Detektormodule vorgesehen, die jeweils separat justierbar sind. Meist sind das oder die Detektormodule am Laserbearbeitungskopf befestigt.

Eine vorteilhafte Weiterbildung dieser Ausführungsform sieht vor, dass ein jeweiliges Detektormodul auch zwei Laserpointer zur Ausrichtung des Detektormoduls zur Scanzone auf dem Werkstück aufweist,
und dass der Laserbearbeitungskopf weiterhin einen Justagelaser aufweist, insbesondere wobei bei Erreichen einer Sollausrichtung des Detektormoduls die Brennflecken der beiden Laserpointer und des Justagelasers auf dem Werkstück zusammenfallen. Mittels der Laserpointer und des Justagelasers ist die Justage eines Detektormoduls, so dass der Röntgensensor und der wenigstens eine Kontrollsensor oder die wenigstens eine Kontrollstrahlungsquelle (falls vorhanden) korrekt auf die Scanzone ausgerichtet sind, besonders einfach.
Vorteilhaft ist zudem eine Weiterbildung, bei der die Laserbearbeitungsmaschine mehrere Detektormodule aufweist,
insbesondere wobei die mehreren Detektormodule gleichmäßig verteilt um den Laserbearbeitungskopf angeordnet sind. Durch eine größere Zahl von Detektormodulen (und damit auch Schutzeinrichtungen und entsprechend Röntgensensoren) kann die Verfügbarkeit der Laserbearbeitungsmaschine erhöht werden, da es für die Fortsetzung der Laserbearbeitung genügt, wenn lediglich einer der Röntgensensoren unabgeschattet bleibt.
Eine bevorzugte Weiterbildung, bei der eine jeweilige Schutzeinrichtung wenigstens eine Kontrollstrahlungsquelle umfasst und je Schutzeinrichtung wenigstens ein Detektormodul vorgesehen ist, ist dadurch gekennzeichnet, dass bei einer jeweiligen Schutzeinrichtung

- der wenigstens eine Kontrollsensor an dem Detektormodul der Schutzeinrichtung angeordnet ist und die wenigstens eine Kontrollstrahlungsquelle am Laserbearbeitungskopf angeordnet oder dem Laserbearbeitungskopf vorgeschaltet ist, oder
- die wenigstens eine Kontrollstrahlungsquelle an dem Detektormodul der Schutzeinrichtung angeordnet ist und der wenigstens eine Kontrollsensor am Laserbearbeitungskopf angeordnet oder dem Laserbearbeitungskopf nachgeschaltet ist,

Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Röntgendetektionsachse und die Kontrollachse über die Teilstrecke lediglich näherungsweise zusammenfallen und zueinander einen Winkel γ mit 0° < γ < 10°, bevorzugt 0° < γ < 5°, einschließen,
insbesondere wobei sich die Röntgendetektionsachse und die Kontrollachse in einem Zentrum der Scanzone kreuzen. Dieser Aufbau ist vergleichsweise einfach einzurichten und erreicht bereits eine erhebliche Verbesserung der Betriebssicherheit.
Bei einer vorteilhaften Weiterbildung zu dieser Ausführungsform weist in einer jeweiligen Schutzeinrichtung die Kontrollachse wenigstens eines Kontrollsensors einen größeren Zwischenwinkel α zur Achse des Bearbeitungs-Laserstrahls auf als den Zwischenwinkel β zwischen der Röntgendetektionsachse und der Achse des Bearbeitungs-Laserstrahls. Mit anderen Worten, die Kontrollachse liegt bezüglich des (mittleren) Bearbeitungs-Laserstrahls weiter außen als die Röntgendetektionsachse. Dadurch werden im Laufe des Bearbeitungsprozesses von außen kommende Abschattungsstrukturen mit dem Kontrollsensor erkannt, bevor diese auch den Röntgensensor abschatten können. Wenn zu Beginn des Bearbeitungsprozesses keine Abschattung vorlag, kommen abschattende Maschinenteile in der Regel von außen. Entsprechend wird eine besonders hohe Betriebssicherheit erreicht.
Eine andere, vorteilhafte Ausführungsform sieht vor, dass bei einer jeweiligen Schutzeinrichtung die Röntgendetektionsachse und die Kontrollachse über die Teilstrecke exakt zusammenfallen. Dadurch ist gewährleistet, dass im Bearbeitungsprozess von beliebigen Seiten kommende abschattende Strukturen, insbesondere auch Werkstückkanten, mit dem Kontrollsensor zeitgleich zur Abschattung des Röntgensensors erkannt werden können. Dadurch wird eine sehr hohe Betriebssicherheit gewährleistet.
Eine bevorzugte Weiterbildung dieser Ausführungsform sieht vor, dass bei einer jeweiligen Schutzeinrichtung der Röntgensensor und der Kontrollsensor hintereinander auf der Röntgendetektionsachse angeordnet sind,
insbesondere wobei der Kontrollsensor näher an der Scanzone angeordnet ist als der Röntgensensor und der Kontrollsensor die Röntgenstrahlung zu 25% oder weniger abschwächt. Ein ausreichend dünner Kontrollsensor absorbiert die Röntgenstrahlung nur unerheblich, so dass dahinter der Röntgensensor angeordnet werden kann. Dies ist ein recht einfacher und wirkungsvoller Aufbau.
Eine alternative Weiterbildung der obigen Ausführungsform sieht vor,
dass bei einer jeweiligen Schutzeinrichtung der Röntgensensor und ein Strahlteiler der Schutzeinrichtung hintereinander auf der Röntgendetektionsachse angeordnet sind,
insbesondere wobei der Strahlteiler näher an der Scanzone angeordnet ist als der Röntgensensor und der Strahlteiler die Röntgenstrahlung zu 25% oder weniger abschwächt,
und dass der Kontrollsensor oder eine Kontrollstrahlungsquelle der Schutzeinrichtung auf den Strahlteiler gerichtet ist,
insbesondere wobei der Stahlteiler Kontrollstrahlung zu wenigstens 25% aus- oder einkoppelt. Der Strahlteiler, beispielsweise ein dünnes, verspiegeltes Glasplättchen oder eine dünne Metallfolie, kann die langwellige Kontrollstrahlung aus- oder einkoppeln, ohne die Röntgenstrahlung merklich zu schwächen. Der Kontrollsensor oder die Kontrollstrahlungsquelle sind in ihrer Bauform, insbesondere in ihrer Dicke, dann nicht beschränkt.
Vorteilhaft ist zudem eine Weiterbildung, die vorsieht,
dass bei einer jeweiligen Schutzeinrichtung der Röntgensensor und der Kontrollsensor durch zueinander konzentrische Detektionsflächen eines gemeinsamen Bildchips ausgebildet sind,
insbesondere wobei der Röntgensensor mit einer für die Kontrollstrahlung undurchlässigen Abdeckung versehen ist. Diese Bauform ist vergleichsweise kostengünstig umzusetzen. Typischerweise ist der Röntgensensor bzw. dessen Detektionsfläche zentral angeordnet, und der Kontrollsensor bzw. dessen Kontrollfläche ist ringförmig um den Kontrollsensor herum angeordnet.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass bei einer jeweiligen Schutzeinrichtung der wenigstens eine Kontrollsensor ein UV-Sensor ist, und die Kontrollstrahlung UV-Strahlung ist, die durch die Bearbeitung des Werkstücks mit dem Bearbeitungs-Laserstrahl am Prozessort in der Scanzone entsteht, insbesondere wobei der UV-Sensor Photonenenergien in einem Bereich von 3 eV bis 12 eV detektiert. Die UV-Strahlung entsteht in der Regel beim Bearbeitungsprozess in einem für eine Abschattungsmessung ausreichendem Maße, und eine zusätzliche Kontrollstrahlungsquelle wird nicht benötigt. Die UV-Strahlung ist mit kommerziell erhältlichen Sensoren zuverlässig und mit kurzer Zeitkonstante detektierbar. Zudem gibt es meist keine merklichen UV-Strahlungsquellen in der Umgebung der Laserbearbeitungsmaschine, die die Detektion stören oder verfälschen könnten.
Vorteilhaft ist auch eine Ausführungsform, bei der bei einer jeweiligen Schutzeinrichtung der Kontrollsensor ein lichtoptischer Sensor ist, und die Kontrollstrahlung sichtbares Licht ist. Lichtoptische Sensoren sind besonders kostengünstig erhältlich. Lichtoptische Sensoren können zudem besonders kostengünstig als Kamera (2D-Detektor) und/oder mit spektraler Auflösung ausgebildet sein, was für eine zusätzliche Kontrolle des Bearbeitungsprozesses (etwa zur Überprüfung der chemischen Zusammensetzung des Werkstückmaterials) genutzt werden kann. Wenn die Kontrollstrahlung sichtbares Licht ist, wird diese bevorzugt mit einer Kontrollstrahlungsquelle (meist einem Diodenlaser) erzeugt, insbesondere mit Modulation. Alternativ kann auch sichtbare Kontrollstrahlung genutzt werden, die durch die Bearbeitung des Werkstücks mit dem Bearbeitungs-Laserstrahl entsteht.
Erfindungsgemäße Betriebsverfahren
In den Rahmen der vorliegenden Erfindung fällt auch ein Verfahren zum Betrieb einer Laserbearbeitungsmaschine, insbesondere einer erfindungsgemäßen, oben beschriebenen Laserbearbeitungsmaschine,
wobei ein Bearbeitungs-Laserstrahl, insbesondere ein ultrakurzgepulster Bearbeitungs-Laserstrahl, in einer Scanzone auf ein Werkstück gerichtet wird,
wobei mit einem Röntgensensor wenigstens einer Schutzeinrichtung der Laserbearbeitungsmaschine Röntgenstrahlung, die durch die Bearbeitung des Werkstücks mit dem Bearbeitungs-Laserstrahl an einem Prozessort in der Scanzone entsteht, detektiert wird,
wobei der Röntgensensor entlang einer Röntgendetektionsachse auf die Scanzone gerichtet ist, insbesondere wobei der Röntgensensor Photonen mit einer Energie von 3 keV oder mehr detektieren kann;
und wobei eine Steuereinrichtung Messsignale des Röntgensensors einer jeweiligen Schutzeinrichtung auswertet, und die Steuereinrichtung bei Erreichen einer kritischen Intensität von detektierter Röntgenstrahlung am Röntgendetektor wenigstens einer Schutzeinrichtung die Laserbearbeitungsmaschine in einen sicheren Zustand überführt, in welchem eine einen Strahlungs-Grenzwert überschreitende Strahlenexposition von Personen in der Umgebung der Laserbearbeitungsmaschine ausgeschlossen ist, insbesondere wobei im sicheren Zustand der Bearbeitungs-Laserstrahl abgeschaltet ist;
dadurch gekennzeichnet,
dass eine jeweilige Schutzeinrichtung weiterhin wenigstens einen Kontrollsensor umfasst, welcher für eine Kontrollstrahlung empfindlich ist, die langwelliger ist als die Röntgenstrahlung;
wobei der wenigstens eine Kontrollsensor die Kontrollstrahlung, die zumindest abschnittsweise entlang einer Kontrollachse zumindest über eine Teilstrecke zwischen der Scanzone und dem Röntgensensor der Schutzreinrichtung propagiert, detektieren kann, wobei die Kontrollachse und die Röntgendetektionsachse zumindest näherungsweise zusammenfallen,
und dass die Steuereinrichtung weiterhin Messsignale des wenigstens einen Kontrollsensors einer jeweiligen Schutzeinrichtung auswertet, und die Steuereinrichtung die Laserbearbeitungsmaschine auch dann in den sicheren Zustand überführt, wenn die Steuereinrichtung feststellt, dass bei jeder Schutzeinrichtung jeweils wenigstens ein Kontrollsensor der jeweiligen Schutzeinrichtung zumindest teilweise abgeschattet ist. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren kann die Betriebssicherheit der Laserbearbeitungsmaschine erhöht werden. Die Abschattung eines Kontrollsensors kann aufgrund der langwelligeren Kontrollstrahlung leichter erkannt werden als bei einem Röntgensensor. Zudem können für die Kontrollstrahlung in der Regel Kontrollsensoren eingesetzt werden, die weniger träge sind als die Röntgensensoren. Weiterhin sind die Kontrollsensoren für die langwelligere Kontrollstrahlung meist deutlich kostengünstiger als Röntgensensoren, so dass die Kontrollsensoren auch problemlos in größerer Zahl eingesetzt werden können.
Bevorzugt ist eine Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens, wobei die Steuereinrichtung eine zumindest teilweise Abschattung eines jeweiligen Kontrollsensors einer Schutzeinrichtung dadurch feststellt,

Bei einer bevorzugten Variante wird die Laserbearbeitungsmaschine dadurch in einen sicheren Zustand überführt, dass der Bearbeitungs-Laserstrahl abgeschaltet wird oder eine mittlere Bestrahlungsstärke des Bearbeitungs-Laserstrahls am Prozessort reduziert wird. Die Abschaltung des Bearbeitungs-Laserstrahls führt auf jeden Fall zu einem sicheren Zustand, und ist als sicherer Zustand bevorzugt. Durch ausreichende Reduktion der Bestrahlungsstärke (Laserleistung pro Querschnittsfläche) am Auftreffort des Bearbeitungs-Laserstrahls am Werkstück kann die entstehende Röntgenstrahlung unter ein (unabhängig von der konkreten Bearbeitungssituation) sicheres Niveau abgesenkt werden, typischerweise unter deutlicher Verlangsamung des Bearbeitungsfortschritts; hierbei kann eine etwaige vorhandene Röntgenabschirmung der Laserbearbeitungsmaschine berücksichtigt werden. Die Bestrahlungsstärke kann beispielsweise durch Reduzierung der mittleren Laserleistung oder durch einen vergrößerten Fokusdurchmesser verringert werden.
Bei einer bevorzugten Variante werden nach einer festgestellten, zumindest teilweisen Abschattung wenigstens eines Kontrollsensors bei einer jeden Schutzeinrichtung die Verfahrensführung der Bearbeitung des Werkstücks und/oder die Anordnung der Schutzeinrichtungen an der Laserbearbeitungsmaschine so verändert, dass nachfolgend die Kontrollsensoren wenigstens einer Schutzeinrichtung unabgeschattet bleiben. In der nachfolgenden Bearbeitung kann dann die Betriebssicherheit, insbesondere die den Strahlungs-Grenzwert nicht überschreitende Strahlungsexposition von Personen in der Umgebung der Laserbearbeitungsmaschine, über die Messungen an dem Röntgensensor der wenigstens einen, nicht abgeschatteten Schutzeinrichtung gewährleistet werden.
Besonders bevorzugt ist zudem eine Variante, die an einer Laserbearbeitungsmaschine mit wenigstens einer Kontrollstrahlungsquelle für eine jeweilige Schutzeinrichtung durchgeführt wird, die vorsieht,
dass zunächst in einem Vorabdurchlauf vor der Laserbearbeitung des Werkstücks ein geplanter Ablauf der Laserbearbeitung des Werkstücks mit abgeschaltetem Bearbeitungs-Laser, aber mit eingeschalteter Kontrollstrahlungsquelle oder eingeschalteten Kontrollstrahlungsquellen durchlaufen wird,
und dass auch bei einer festgestellten, zumindest teilweisen Abschattung wenigstens eines Kontrollsensors bei einer jeden Schutzeinrichtung im Vorabdurchlauf die Verfahrensführung der Bearbeitung des Werkstücks und/oder die Anordnung der Schutzeinrichtungen an der Laserbearbeitungsmaschine so verändert werden, dass nachfolgend die Kontrollsensoren wenigstens einer Schutzeinrichtung unabgeschattet bleiben. Durch den Vorabdurchlauf können Abschattungen durch Maschinenbauteile und durch unabhängig von der Laserbearbeitung vorhandene Werkstückkanten erkannt werden, ohne dass ein Ausschuss-Werkstück produziert wird. Im nachfolgenden normalen Durchlauf der Werkstückbearbeitung mit Bearbeitungs-Laserstrahl können dann noch Abschattungen durch Werkstückkanten, die erst bei der Laserbearbeitung entstehen (etwa Kanten nahe Bereichen, an denen durch den Laserstrahl Werkstückmaterial abgetragen wurde, etwa an lasergebohrten Löchern), erkannt werden.
Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der Zeichnung. Ebenso können die vorstehend genannten und die noch weiter ausgeführten Merkmale erfindungsgemäß jeweils einzeln 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.
Figurenliste

1 zeigt eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Laserbearbeitungsmaschine, mit einer Schutzeinrichtung umfassend zwei Kontrollsensoren;
2 zeigt eine schematische Aufsicht auf die Scanzone des Werkstücks von 1, von der dortigen Ebene II aus;
3 zeigt verschiedene Szenarien zur Abschattung eines Röntgendetektors einer Schutzeinrichtung im Rahmen der Erfindung, mit Teilbild (a) durch eine Kante des Werkstücks, die durch die Laserbearbeitung entsteht; mit Teilbild (b) durch eine Kante des Werkstücks, die unabhängig von der Laserbearbeitung vorhanden ist; und mit Teilbild (c) durch eine Kante eines Maschinenbauteils der Laserbearbeitungsmaschine;
4a zeigt eine schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Laserbearbeitungsmaschine, mit mehreren Detektormodulen;
4b zeigt eine Ansicht von unten auf die Laserbearbeitungsmaschine von 4a, von der dortigen Ebene IVb aus;
5 zeigt eine schematische Unteransicht auf eine Ausführungsform eines Detektormoduls für die Erfindung, mit vier Kontrollsensoren, die ringförmig um einen Röntgensensor angeordnet sind;
6 zeigt eine schematische Darstellung einer dritten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Laserbearbeitungsmaschine, wobei in einem Detektormodul ein Kontrollsensor und ein Röntgensensor hintereinander angeordnet sind, und eine Kontrollstrahlungsquelle dem Laserbearbeitungskopf vorgeschaltet ist;
7 zeigt eine schematische Darstellung einer vierten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Laserbearbeitungsmaschine, wobei ein Kontrollsensor und ein Röntgensensor auf einem gemeinsamen Bildchip angeordnet sind, und eine Kontrollstrahlungsquelle dem Laserbearbeitungskopf vorgeschaltet ist, mit Teilbild (a) zeigend eine schematische Seitenansicht, Teilbild (b) zeigend eine Aufsicht auf den Bildchip, mit Teilbild (c) zeigend einen Längsschnitt durch den Bildchip auf Ebene VIIb von Teilbild (b), und mit Teilbild (d) zeigend eine Aufsicht auf den Bildchip mit Markierung eines Übergangsbereichs;
8 zeigt eine schematische Darstellung einer fünften Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Laserbearbeitungsmaschine, wobei auf einem Detektormodul ein Strahlteiler und ein Röntgensensor hintereinander angeordnet sind und ein Kontrollsensor auf den Strahlteiler gerichtet ist, und eine Kontrollstrahlungsquelle dem Laserbearbeitungskopf vorgeschaltet ist;
9 zeigt eine schematische Darstellung einer sechsten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Laserbearbeitungsmaschine, wobei auf dem Detektormodul ein Strahlteiler und ein Röntgensensor hintereinander angeordnet sind und eine Kontrollstrahlungsquelle auf den Strahlteiler gerichtet ist, und ein Kontrollsensor dem Laserbearbeitungskopf nachgeschaltet ist;
10 zeigt ein schematisches Diagramm einer gemessenen Intensität an einem Kontrollsensor, mit Erkennung der Abschattung anhand eines ersten Grenzwerts gemäß der Erfindung;
11 zeigt ein schematisches Diagramm gemessener Intensitäten an zwei Kontrollsensoren einer Schutzeinrichtung, mit Erkennung der Abschattung anhand eines zweiten Grenzwerts für einen Intensitätsquotienten, gemäß der Erfindung;
12 zeigt in einem schematischen Diagramm gemessene Intensitäten an einem ortsauflösenden Kontrolldetektor als Funktion des Orts, mit Teilbild (a) ohne eine Abschattung, und mit Teilbild (b) mit einer teilweisen Abschattung, mit Erkennung der Abschattung anhand der Standardabweichung der Intensitäten der Pixel, gemäß der Erfindung.

Die 1 zeigt in einer schematischen Seitenansicht eine erfindungsgemäße Laserbearbeitungsmaschine 100 in einer ersten, beispielhaften Ausführungsform. Man beachte, dass bei den im Anschluss dargestellten weiteren Ausführungsformen Bauteile und Funktionen, die dort in entsprechender Weise vorgesehen sind, gegebenenfalls nicht nochmals gezeigt und erläutert werden.
Die Laserbearbeitungsmaschine 100 dient der Bearbeitung eines Werkstücks 8, auch bezeichnet als Target. Das Werkstück 8 ist hier einteilig ausgebildet, es kann aber auch mehrteilig ausgebildet sein, beispielsweise wenn mehrere Teile des Werkstücks 8 miteinander verschweißt werden sollen. Die Bearbeitung kann beispielsweise ein Laserschneiden, ein Laserbohren oder ein Laserschweißen umfassen.
Die Bearbeitung des Werkstücks 8 erfolgt mittels eines Bearbeitungs-Laserstrahls 5. Hierfür wird aus einem Lasergerät 1 über einen Lichtleiter 2 (auch bezeichnet als Lichtleitkabel) eine Laserstrahlung in eine optische Einheit 3 (auch bezeichnet als Laserbearbeitungskopf) eingespeist. Mittels eines Laserscanners 4 wird die Laserstrahlung auf das Werkstück 8 gemäß einem programmierten Bearbeitungsverlauf abgelenkt (reflektiert). Die optische Einheit 3 weist in der Regel eine oder mehrere Linsen auf (nicht näher dargestellt), mit denen die Laserstrahlung fokussiert wird, meist näherungsweise auf die Oberfläche des Werkstücks 8.
Der Bearbeitungs-Laserstrahl 5 wird mit dem Laserscanner 4 nur innerhalb der Grenzen einer Scanzone 7 auf der Werkstückoberfläche bewegt; die beiden äußersten Laserstrahl-Positionen sind hier mit 51, 52 bezeichnet, und der Winkelbereich (Scanwinkel), in welchem der Bearbeitungs-Laserstrahl 5 gescannt werden kann, ist mit Bezugszeichen 53 bezeichnet (hier ca. 15°, allgemein meist 30° oder weniger).
Der auf dem Werkstück 8 auftreffende Bearbeitungs-Laserstrahl 5 erzeugt an seinem Auftreffort, der als Prozessort 6 bezeichnet wird, ein Plasma 9, welches elektromagnetische Strahlung freisetzt; die elektromagnetische Strahlung breitet sich grundsätzlich radial in alle Richtungen vom Prozessort 6 aus. Je nach Bestrahlungsstärke des Bearbeitungs-Laserstrahls 5 werden dabei sichtbares Licht und ionisierende Strahlung 10 freigesetzt. Bei Bestrahlungsstärken < 10¹² W/cm² umfasst die ionsisierende Strahlung 10 typischerweise vor allem UV-Strahlung einer Energie zwischen ca. 3 eV und 6 eV.; bei Bestrahlungsstärken > 5*10¹³ W/cm² wird typischerweise auch Röntgenstrahlung mit Photonenenergien bis zu 10 keV freigesetzt, und bei Bestrahlungsstärken > 4*10¹⁴ W/cm² wird typischerweise Röntgenstrahlung mit Photenenergien > 30 keV freigesetzt. Die Dosisleistung steigt mit der Bestrahlungsstärke exponentiell an. Die Laserbearbeitungsmaschine 100 ist in der Regel von einer Röntgenabschirmung umgeben, auch bezeichnet als Röntgenschutzgehäuse (nicht näher dargestellt), die die Strahlenexposition in der Umgebung verringert, aber grundsätzlich nicht völlig beseitigen kann. Das Röntgenschutzgehäuse der Laserbearbeitungsmaschine ist für eine maximale innere Dosisleistung (Schutzgrenz-Dosisleistung des Gehäuses) der Röntgenstrahlung dimensioniert, die in keinem Fall überschritten werden darf.
Eine sichere Vorhersage der zu erwartenden, bei der Laserbearbeitung entstehenden Röntgenstrahlung ist schwierig, da diese von vielen Parametern über die Bestrahlungsstärke hinaus abhängt, z. B. vom Werkstoff, von der Wellenlänge des Bearbeitungs-Lasers, ggf. der Pulswiederholfrequenz, der Pulsdauer, der Fläche des Laserfokus auf dem Target, der Ablenkgeschwindigkeit des Bearbeitungs-Laserstrahls, dem Abtragvorgang und vieles mehr, wobei auch Wechselwirkungen zwischen den Parametern auftreten.
Im Rahmen der Erfindung ist daher vorgesehen, die Intensität der entstehenden Röntgenstrahlung über die Zeit bzw. die Röntgendosisleistung der Röntgenstrahlung, die vom Prozessort 6 ausgeht, mit einem Röntgensensor 14 zu messen. Wird die Schutzgrenz-Dosisleistung des Röntgenschutzgehäuses erreicht, so wird die Laserbearbeitungsmaschine 100 von einer Steuereinrichtung 101 in einen sicheren Zustand überführt.
Der Röntgensensor 14 ist hier an einem Detektormodul 13 angeordnet, welches hier an der optischen Einheit 3 mittels einer verstellbaren Befestigung 16 befestigt ist. Der Röntgensensor 14 registriert Röntgenstrahlung, die entlang einer Röntgendetektionsachse 141 (optische Achse des Röntgensensors 14) und in einem kleinen (symmetrischen) Winkelbereich um diese herum auf den Röntgensensor 14 gerichtet ist. Der Röntgensensor 14 ist so ausgerichtet, dass die Röntgendetektionsachse 141 hier auf das Zentrum 7a der Scanzone 7 gerichtet ist. Am Zentrum 7a der Scanzone 7 befindet sich in der gezeigten Situation auch gerade der Prozessort 6.
Wenn am Röntgensensor 14 eine Röntgenintensität gemessen wird, die erwarten lässt, dass in der Umgebung der Laserbearbeitungsmaschine 100 (unter Berücksichtigung einer Abschwächung der Röntgenstrahlung durch eine allfällige Röntgenabschirmung/ein Strahlenschutzgehäuse, nicht eingezeichnet) eine einen Strahlungs-Grenzwert überschreitende Strahlungsexposition stattfindet, so überführt die elektronische Steuereinrichtung 101 die Laserbearbeitungsmaschine 100 automatisch in den sicheren Zustand. Der sichere Zustand wird bevorzugt durch Abschalten des Bearbeitungs-Lasers 5 erreicht.
Während der Laserbearbeitung des Werkstücks 8 wird typischerweise das Werkstück 8 gelegentlich relativ zum Laserbearbeitungskopf 3 bewegt; dadurch kann es vorkommen, dass Maschinenteile (etwa ein Roboterarm, der das Werkstück hält) in den Strahlengang der Röntgenstrahlung zwischen Scanzone 7 und Röntgensensor 14 geraten. Ebenso kann es vorkommen, dass Kanten des Werkstücks 8 selbst in diesen Strahlengang geraten. Dann wird der Röntgensensor 14 abgeschattet, und misst nicht mehr die volle, freigesetzte Röntgenstrahlung. Dadurch kann die Intensität der durch die Laserbearbeitung freigesetzten Röntgenstrahlung bzw. die Röntgendosisleistung in der Umgebung der Laserbearbeitungsmaschine unterschätzt werden. Die Abschattung ist anhand der Messwerte des Röntgensensors 14 allein schwer zu erkennen, da eine Abschattung meist nur eine Abschwächung, nicht aber vollständige Blockierung der Röntgenstrahlung bewirkt, und keine genaue Erwartung für die nicht-abgeschattete Röntgenintensität am Ort des Röntgensensors besteht.
Im Rahmen der Erfindung ist daher eine Sicherheitsbaugruppe vorgesehen, hier bezeichnet als Schutzeinrichtung 102. Die Schutzeinrichtung 102 umfasst den Röntgensensor 14, und weiterhin hier zwei Kontrollsensoren 21, 22. Die Kontrollsensoren registrieren eine Kontrollstrahlung, die langwelliger ist als Röntgenstrahlung. In der gezeigten Ausführungsform wird als Kontrollstrahlung eine UV-Strahlung, die ebenfalls bei der Laserbearbeitung des Werkstücks 8 im Plasma 9 entsteht, genutzt. Entsprechend sind die Kontrollsensoren 21, 22 als UV-Sensoren ausgebildet, die UV-Strahlung in einem Energiebereich von 3 eV bis 12 eV registrieren. Die Kontrollsensoren 21, 22 sind geringfügig seitlich versetzt zum Röntgensensor 14 am Detektormodul 13 angeordnet.
In der gezeigten Ausführungsform sind auch die Kontrollsensoren 21, 22 direkt auf das Zentrum 7a der Scanzone 7 gerichtet. Die Kontrollsensoren 21, 22 registrieren Kontrollstrahlung, die entlang einer jeweiligen Kontrollachse 211, 221 und in einem kleinen (symmetrischen) Winkelbereich um diese herum auf den Kontrollsensor 21, 22 gerichtet ist. Die Kontrollachsen 211, 221 entsprechen hier den optischen Achsen der Kontrollsensoren 21, 22.
Der Röntgensensor 14 und die Kontrollsensoren 21, 22 sind in einem näherungsweise gleichen Abstand zum Zentrum 7a der Scanzone 7 angeordnet.
Die Kontrollachsen 211, 221 fallen hier über die gesamte Strecke 106 zwischen der Scanzone 7 und dem Röntgensensor 14 nicht exakt, aber näherungsweise mit der Röntgendetektionsachse 141 zusammen, und sind hier jeweils um einen kleinen Winkel γ₂₁, γ₂₂ gegenüber der Röntgendetektionsachse 141 verschwenkt. In der gezeigten Ausführungsform beträgt ca. γ₂₁=γ₂₂=9,5°. Allgemein bevorzugt gilt für Zwischenwinkel γ zwischen Kontrollachsen und Röntgendetektionsachsen γ<10°, oder auch γ<5°.
Wenn eine Abschattungsstruktur in die Röntgendetektionsachse 141 bzw. in den Strahlengang der Röntgenstrahlung von der Scanzone 7 zum Röntgensensor 14 hineingeraten sollte, ist davon auszugehen, dass die Abschattungsstruktur in der Regel auch in eine der Kontrollachsen 211, 221 hineingerät und somit auch wenigstens einer der Kontrollsensoren 21, 22 abgeschattet wird. Die Abschattung eines Kontrollsensors 21, 22 ist leicht zu erkennen, da die Kontrollstrahlung, hier UV-Strahlung, in der Regel bereits durch minimale Materialstärken vollständig blockiert (absorbiert) wird. Sobald bei einem oder mehreren der Kontrollsensoren 21, 22 der (hier einzigen) Schutzeinrichtung 102 eine (zumindest teilweise) Abschattung festgestellt wird, überführt die Steuereinrichtung 101 die Laserbearbeitungsmaschine 100 in den sicheren Zustand.
Um das Detektormodul 13 (und damit auch den Röntgensensor 14 und die Kontrollsensoren 21, 22) relativ zum Werkstück 8 zu justieren, sind hier Hilfsmittel vorgesehen. Am Detektormodul 13 sind zwei Laserpointer 19, 20 ausgebildet, deren Laserstrahlen 191, 201 sich an dem gleichen Ort kreuzen wie die Kontrollachsen 211, 221 und die Röntgendetektionsachse 141. Weiterhin ist ein Justagelaser 11 vorgesehen, dessen Laserstrahl 11a durch die optische Einheit 3 geleitet werden kann und vom Laserscanner 4 entlang einer mittleren Bearbeitungsrichtung des Bearbeitungs-Laserstrahls 5 (mittig zwischen den äußersten Positionen 51, 52, entsprechend einer Bestrahlung des Zentrums 7a der Scanzone 7) auf das Werkstück 8 gerichtet werden kann. Das Detektormodul 13 ist dann korrekt ausgerichtet, wenn (bei noch abgeschaltetem Bearbeitungs-Laserstrahl 5) die Brennflecken/Aufpunkte der Laserpointer 19, 20 und des Justagelasers 11 auf dem Werkstück 8 zusammenfallen.
Ergänzend wird angemerkt, dass die Röntgendetektionsachse 141 einen Winkel β mit dem (mittleren) Bearbeitungs-Laserstrahl 5 (auch als „Achse“ des Bearbeitungs-Laserstrahls bezeichnet) einschließt, wobei hier ca. β=28° beträgt; allgemein ist β<30° oder β<15° bevorzugt. Weiterhin schließen die Kontrollachsen 211, 221 hier Winkel α₂₁ und α₂₂ mit dem (mittleren) Bearbeitungs-Laserstrahl 5 ein, wobei α₂₁<α₂₂; bevorzugt gilt für Winkel α zwischen Kontrollachsen und (mittlerem) Bearbeitungs-Laserstrahl 5 α<30°, bevorzugt α<15°.
In einer vereinfachten Ausführungsform (nicht dargestellt) wird der innere Kontrollsensor 21 weggelassen; da sich Abschattungsstrukturen meist von der Außenseite (also der dem Bearbeitungs-Laserstrahl 5 abgewandten Seite der Röntgendetektionsachse 141) der Röntgendetektionsachse 141 nähern, insbesondere wenn diese durch das Werkstück 8 selbst ausgebildet werden, wird dadurch die Betriebssicherheit in vielen Fällen nicht wesentlich verringert.
Die 2 illustriert die Beobachtungsbereiche der Sensoren der Schutzeinrichtung von 1 auf der Werkstückoberfläche, mit einer schematischen Aufsicht auf das Werkstück 8 von Schnittebene II in 1.
Der Beobachtungsbereich 142 des Röntgensensors 14 umschließt vollständig die Scanzone 7. Die Beobachtungsbereiche 212 und 222 der Kontrollsensoren 21 und 22 umschließen jeweils vollständig den Beobachtungsbereich 142 des Röntgensensors 14. In der gezeigten Ausführungsform umschließt zudem der Beobachtungsbereich 222 des Kontrollsensors 22 den Beobachtungsbereich 212 des Kontrollsensors 21.
Die 3 illustriert verschiedene Fälle von Abschattungen bei einer Schutzeinrichtung 102 mit einem Röntgensensor 14 und einem Kontrollsensor 22 im Rahmen der Erfindung an einer Laserbearbeitungsmaschine, in schematischen Darstellungen.
Im Teilbild (a) kann zunächst ein mit durchgezogenen Linien dargestelltes Werkstück 8 mit dem Bearbeitungs-Laserstrahl 5 bearbeitet werden, wobei mit der Laserstrahlung ein Loch im Werkstück 8 gebohrt wird. Mit zunehmendem Bearbeitungsfortschritt (also zunehmender Lochtiefe) wird hier das Werkstück 8 immer weiter angehoben, um eine für den Materialabtrag optimale Fokuslage beizubehalten. Wenn die gestrichelt dargestellte Position des Werkstücks 8 erreicht ist, gerät die linke, innere Lochkante 81 in die Kontrollachse 221; kurz darauf würde auch die Röntgendetektionsachse 141 durch die Kante 81 abgeschattet. Deshalb wird der sichere Zustand eingenommen, sobald die Abschattung des Kontrollsensors 22 festgestellt wird.
Falls das Loch im Werkstück 8 noch tiefer gebohrt werden soll als dargestellt, kann das Detektormodul 13 näher an der optischen Einheit 3 (in 3 weiter rechts) platziert werden, um weiterhin unabgeschattete Sensoren 21, 14 zur Verfügung zu haben.
Im Teilbild (b) verfügt das Werkstück 8 über eine komplexe Form mit einem bereits zu Beginn der Laserbearbeitung (siehe durchgezogene Linien des Werkstücks 8) vorhandenen, nach oben gerichteten Vorsprung 83. Das Werkstück 8 wird während der Bearbeitung allmählich verfahren, beispielsweise im Rahmen eines Schneidprozesses, hier nach rechts. Dadurch gerät schließlich in der gestrichelt dargestellten Position des Werkstücks 8 die Kante 82 des Vorsprungs 83 in die Kontrollachse 221, und der sichere Zustand wird eingenommen.
Wenn die Laserbearbeitung noch bis näher an den Vorsprung 83 herangeführt werden soll, kann z.B. das Detektormodul 13 von der linken auf die rechte Seite der optischen Einheit 3 umplatziert werden, oder ein zweites Detektormodul (mit Röntgensensor und Kontrollsensor) an der rechten Seite zusätzlich vorgesehen werden, etwa spiegelsymmetrisch zum Detektormodul 13. Solange ein Detektormodul bzw. eine zugehörige Schutzeinrichtung unabgeschattet bleibt, kann der Laser-Bearbeitungsprozess grundsätzlich fortgesetzt werden.
Im Teilbild (c) wird das Werkstück 8 von Maschinenbauteilen 103 gehalten. Während der Werkstückbearbeitung wird das Werkstück 8 wiederum nach rechts verschoben, etwa im Rahmen eines Laserschneidens. In der gestrichelten Position von Werkstück 8 und Maschinenbauteilen 103 gerät wiederum eine Kante 104 der Maschinenbauteile 103 in die Kontrollachse 221, und der sichere Zustand muss eingenommen werden.
Um das Laserschneiden fortzusetzen, könnte beispielsweise nachfolgend versucht werden, das Werkstück 8 samt der daran angreifenden Maschinenbauteile 103 relativ zur optischen Einheit 3 und zum Detektormodul 13 zu drehen, unter entsprechender Anpassung der Scanrichtung des Bearbeitungs-Laserstrahls 5, um den gleichen Schneiderfolg zu erzielen.
Man beachte, dass die Abschattungen der Situationen der Teilbilder (b) und (c) unter Verwendung einer separaten (vom Plasma unabhängigen) Kontrollstrahlungsquelle in einem Vorabdurchlauf der Laserbearbeitung des Werkstücks 8 erkannt werden könnten, also ohne eingeschalteten Bearbeitungs-Laserstrahl 5.
Die Situation des Teilbilds (a) kann jedoch erst während der eigentlichen Laserbearbeitung, in der auch tatsächlich das Loch im Werkstück 8 gefertigt wird, erkannt werden.
Die 4a in einer schematischen Seitenansicht und die 4b in einer schematischen Unteransicht von der Ebene IVb der 4a aus zeigen eine zweite Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Laserbearbeitungsmaschine 100. Es werden nur die wesentlichen Besonderheiten gegenüber der Ausführungsform von 1 erläutert.
Die Laserbearbeitungsmaschine 100 verfügt über vier Detektormodule 13, die hier jeweils um 90° versetzt um die optische Einheit 3 herum mittels Befestigungen (Einstellmechaniken, bevorzugt mit wenigstens zwei orthogonalen Schwenkachsen) 16 angebracht sind.
Zentral in der optischen Einheit 3 ist der Laserscanner 4 angeordnet, mit dem Laserstrahlung aus dem Lichtleiter 2 für den Bearbeitungs-Laserstrahl 5 und weiterhin Laserstrahlung aus dem Justagelaser 11 für den Justagelaserstrahl 11a auf das Werkstück 8 gerichtet wird. Die Laserstrahlen 5, 11a werden mit einer Linse 41 auf das Werkstück 8 fokussiert.
Die vier Detektormodule 13 verfügen jeweils über einen Röntgensensor 14 und zwei Kontrollsensoren 21, 22, die hier zu beiden Seiten eines jeweiligen Röntgensensors 14 angeordnet sind. Entsprechend wird durch ein jeweiliges Detektormodul 13 auch eine Schutzeinrichtung 102 ausgebildet. Die Röntgendetektionsachse 141 fällt jeweils näherungsweise mit den Kontrollachsen zusammen (nicht näher dargestellt, vgl. dazu aber 1).
Jeweils zwischen dem Röntgensensor 14 (als Quadrat markiert) und den Kontrollsensoren 21, 22 (als Kreise markiert) ist ein Laserpointer 19, 20 (als Kreuz markiert) angeordnet. Die Detektormodule 13 können jeweils einzeln mittels der Laserpointer 19, 20 und dem Justagelaser 11 justiert werden, so dass deren (jeweils sichtbare) Brennflecken auf dem Werkstück 8 zusammenfallen.
Durch die hier acht Kontrollsensoren 21, 22 ist es praktisch ausgeschlossen, dass eine abschattende Struktur in eine Röntgendetektionsachse 141 gelangt, ohne zuvor oder gleichzeitig in die Kontrollachse eines Kontrollsensors 21, 22 zu geraten und dadurch den zugehörigen Kontrollsensor 21, 22 abzuschatten.
Zudem kann im Falle einer Abschattung über die Position des abgeschatteten Kontrollsensors 21, 22 während einer Laserbearbeitung auch leicht lokalisiert werden, aus welcher Richtung eine Abschattungsstruktur sich nähert.
Die Kontrollsensoren 21, 22 sind hier als UV-Sensoren ausgebildet, können aber auch als lichtoptische Sensoren ausgebildet sein.
Um die Betriebssicherheit noch weiter zu erhöhen, kann in einer in 5 dargestellten Bauform eines Detektormoduls 13 für die Erfindung auch vorgesehen sein, an der Unterseite eines Detektormoduls 13 vier Kontrollsensoren 21, 22, 23, 24 anzuordnen, die kreuzweise (um 90° versetzt) um den Röntgensensor 14 herum angeordnet sind. Dadurch ist eine Annäherung einer Abschattungsstruktur an die Röntgendetektionsachse aus jeder Richtung zuverlässig erkennbar. Die gezeigte Bauform des Detektormoduls 13 kann daher insbesondere gut eingesetzt werden, wenn lediglich ein Detektormodul 13 an der Laserbearbeitungsmaschine vorgesehen ist.
Man beachte, dass im Falle einer Abschattungserkennung über einen zweiten Grenzwert, insbesondere über Quotientenbildung, bevorzugt die Messsignale einander paarweise gegenüberliegender Kontrollsensoren ausgewertet werden (hier also etwa das Paar 21/22 oder das Paar 23/24).
Zur Erleichterung der Justage können wiederum zwei einander gegenüberliegende Laserpointer 19, 20 eingesetzt werden.
Die 6 zeigt in einer schematischen Seitenansicht eine dritte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Laserbearbeitungsmaschine 100. Es werden wiederum vor allem die wesentlichen Unterschiede zur Bauform von 1 erläutert.
Bei der gezeigten Bauform sind auf dem Detektormodul 13 der Röntgensensor 14 und der Kontrollsensor 21 bezüglich der Ausbreitungsrichtung der Röntgenstrahlung entlang der Röntgendetektionsachse 141 hintereinander angeordnet. Beide Sensoren 14, 21 sind hier als zweidimensionale Detektoren ausgebildet, so dass deren Gesamtheit als gestapelter Bildsensor bezeichnet werden kann (Man beachte, dass alternativ auch die beiden Sensoren 14, 21 als nicht-ortsauflösende Einelementdetektoren ausgebildet sein können). Der Kontrollsensor 21 ist hier als Fotoschicht für sichtbare optische Strahlung ausgebildet, und der Röntgensensor 14 als röntgensensitive Schicht. Dazwischen ist hier eine Sperrschicht 242 angeordnet, die verbleibende Strahlungsanteile, die an der röntgensensitiven Schicht nicht registriert werden sollen, zumindest im Wesentlichen blockiert (etwa verbleibendes sichtbares Licht und UV-Licht).
Der Kontrollsensor 21 ist vorn/oben angeordnet (näher zum Prozessort 6), und der Röntgensensor 14 ist hinten/unten angeordnet (weiter weg vom Prozessort 6). Strahlung, die näherungsweise vom Prozessort 6 ausgeht, trifft zunächst auf den Kontrollsensor 21; am Kontrollsensor 21 wird hier Strahlung im sichtbaren Spektralbereich registriert. Röntgenstrahlung passiert aufgrund ihrer Kurzwelligkeit den Kontrollsensor 21 und die Sperrschicht 242 weitgehend unabgeschwächt (typischerweise mit einer Abschwächung von maximal 25%) und wird dann am Röntgensensor 14 registriert.
Die Richtungen, aus der der Röntgensensor 14 und der Kontrollsensor 21 Strahlung detektieren können, werden im Wesentlichen durch die Ausrichtung der Sensoren 14, 21 und einer gemeinsamen Blende 26 bestimmt, die vorderseitig am Detektormodul 13 ausgebildet ist. Die Röntgendetektionsachse 141 des Röntgensensors 14, also die (zentrale) Richtung, aus der der Röntgensensor 14 Strahlung registriert, ist auf das Zentrum 7a der Scanzone 7 ausgerichtet. Ebenso ist die Kontrollachse 211 des Kontrollsensors 21, also die (zentrale) Richtung, aus der der Kontrollsensor 21 Strahlung registriert, auf das Zentrum 7a der Scanzone 7 gerichtet. Da der Röntgensensor 14 und der Kontrollsensor 21 hintereinander angeordnet sind, kann zwischen der Scanzone 7 und dem Kontrollsensor 21 (also über eine Teilstrecke 105 zwischen der Scanzone 7 und dem Röntgensensor 14, die hier über 90% der gesamten Strecke 106 zwischen Scanzone 7 und Röntgendetektor 14 umfasst), die Röntgendetektionsachse 141 mit der Kontrollachse 211 exakt zusammenfallen (Man beachte, dass in der schematischen Darstellung der 6 beide Achsen 141, 211 mit einem minimalen Abstand gezeichnet sind, um diese besser erkennbar zu machen).
Als weitere Besonderheit ist in der gezeigten Ausführungsform das Lasergerät 1 mit einem zusätzlichen Pilotlaser 18 (etwa eine Laserdiode) ausgestattet, der als Kontrollstrahlungsquelle 107 dient, die eine Kontrollstrahlung 181a, 181 für den Kontrollsensor 21 zur Verfügung stellt. Die von der Kontrollstrahlungsquelle 107 erzeugte Kontrollstrahlung 181a passiert zusammen mit dem Bearbeitungs-Laserstrahl 5a den Lichtleiter 2 und wird vom Laserscanner 4 auf das Werkstück 8 gerichtet. Die abgelenkte Kontrollstrahlung (Pilotlaserstrahl) 181 und der abgelenkte Bearbeitungs-Laserstrahl 5 fallen zumindest hinter dem gemeinsam genutzten Laserscanner 4 zusammen. Die Kontrollstrahlung 181 erzeugt auf dem Werkstück einen Lichtfleck 182, der geringfügig größer ist als der Brennfleck des Bearbeitungs-Laserstrahls 5 auf dem Werkstück (Target) 8. Die vom Werkstück 8 reflektierte oder gestreute Kontrollstrahlung 184 gelangt ausgehend von der Scanzone 7 entlang der Kontrollachse 211 zum Kontrollsensor 21 und wird dort registriert.
Um die von der Kontrollstrahlungsquelle 107 erzeugte Kontrollstrahlung 181a, 181, 184 leichter von Umgebungslicht und durch die Laserbearbeitung am Werkstück erzeugtes Licht zu unterschieden, ist eine Vorrichtung 108 zur Modulation der Kontrollstrahlung 181a, 181, 184 vorgesehen. Beispielsweise kann die Laserleistung der Kontrollstrahlungsquelle 107 sinusförmig moduliert werden, typischerweise mit einer Modulationsfrequenz im kHz-Bereich. Am Kontrollsensor 21 bzw. an der Steuereinrichtung (nicht eingezeichnet, vgl. aber 1 hierzu) der Laserbearbeitungsmaschine 100 wird dann der Signalanteil, der mit der Modulationsfrequenz moduliert ist, isoliert und ausgewertet.
Der Pilotlaser 18 kann auch als Justagelaser zur Ausrichtung des Detektormoduls 13 verwendet werden.
In der gezeigten Bauform von 6 ist somit die dort gezeigte Schutzeinrichtung 102 verteilt ausgebildet, mit dem Röntgensensor 14 und dem Kontrollsensor im Bereich des Detektormoduls 13, und der Kontrollstrahlungsquelle 107 im Bereich des Lasergeräts 1.
Die 7 zeigt eine vierte Ausführungsform einer Laserbearbeitungsmaschine 100, die weitgehend der Bauform von 6 entspricht, so dass nur die wesentlichen Unterschiede erläutert werden. Das Teilbild (a) zeigt eine schematische Seitenansicht, das Teilbild (b) eine Aufsicht auf den Bildchip 30, Teilbild (c) eine Schnittansicht des Bildchips 30 von der Seite, und Teilbild (d) nochmals eine Aufsicht auf den Bildchip 30 mit Markierung eines Übergangsbereichs 305 zwischen den Detektionsbereichen.
Bei der in 7 gezeigten Bauform ist ein gemeinsamer Bildchip 30 vorgesehen, durch den der Röntgensensor 14 und der Kontrollsensor 21 ausgebildet werden.
Der Bildchip 30 ist mit einem innen liegenden Detektionsbereich (auch Detektionsfläche genannt) 301 ausgebildet, der mit einer lichtundurchlässigen und UVundurchlässigen, aber weitgehend (bevorzugt zu wenigstens 75%) röntgentransparenten Abdeckung (Schicht) 303 (etwa einer dünnen Aluminiumfolie oder einer lokalen Metallbedampfung) zur Scanzone 7 hin abgedeckt ist. Der innen liegende Detektionsbereich 301 bildet den Röntgendetektor 14 aus.
Weiterhin bildet der Bildchip 30 einen außen liegenden Detektionsbereich (auch Detektionsfläche genannt) 302 aus, der in der gezeigten Bauform unabgedeckt ist; alternativ kann der außen liegende Detektionsbereich 302 auch mit einem Filter abgedeckt sein. Der außen liegende Detektionsbereich 302 bildet den Kontrollsensor 21 aus.
Die Detektionsbereiche (Detektionsflächen) 301, 302 sind konzentrisch ausgebildet, wobei der außen liegende Detektionsbereich 302 den innen liegenden Detektionsbereich 301 vollständig von außen umschließt, hier in Gestalt eines rechteckigen Rahmens (man beachte, dass beispielsweise auch runde Formen alternativ möglich sind).
Bevorzugt werden die Signale aus einem Übergangsbereich 305 zwischen den Detektionsbereichen 301, 302 rechnerisch eliminiert, um ein etwaiges Übersprechen von Photonen zwischen den Detektionsbereichen 301, 302 zu eliminieren.
Der Bildchip 30 ist sowohl für Photonen des sichtbaren Lichts (VIS) oder des UV-Bereichs, als auch für Photonen des Röntgen-Bereichs empfindlich, wenngleich er auf die unterschiedlichen Photonentypen unterschiedlich anspricht.
Zur Messung sowohl der VIS/UV-Intensität als auch der Röntgenintensität kann in einer ersten Variante alternierend eine kurze Belichtungszeit (zur Messung der VIS/UV-Strahlung aus der Prozessemission oder einer Kontrollstrahlungsquelle 107) und eine lange Belichtungszeit (zur Röntgenmessung) angewandt werden. Der Bildchip 30 liefert dann abwechselnd ein Röntgenbild und ein VIS/UV-Bild.
Alternativ kann stets mit langen Belichtungszeiten (geeignet für die Röntgenmessung) gemessen werden, wobei der äußere Detektionsbereich 302 mit einem Filter abgedunkelt wird, um eine Überbelichtung des äußeren Detektionsbereichs 302 zu verhindern.
Schließlich ist es weiter alternativ auch möglich, stets mit kurzen Belichtungszeiten (geeignet für die VIS/UV-Messung) zu messen, und für die Röntgenmessung eine gewisse Anzahl von Einzelbildern aufzusummieren.
In der 7 ist die Laserbearbeitungsmaschine 100 mit einer Kontrollstrahlungsquelle 107 ausgebildet; diese kann auch weggelassen werden, wenn der Kontrollsensor 21 die Prozessstrahlung (etwa den UV-Anteil) misst.
Die 8 zeigt eine fünfte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Laserbearbeitungsmaschine 100; es werden wiederum nur die wesentlichen Unterschiede zur Bauform von 6 erläutert.
In der Bauform von 8 ist im Detektormodul 13 ein Strahlteiler 29 angeordnet, der von der Scanzone 7 bzw. vom Prozessort 6 ausgehende Strahlung teilweise zum Kontrollsensor 21 reflektiert (umlenkt), und teilweise in gerader Richtung zum Röntgensensor 14 passieren lässt. Der Strahlteiler 29 ist typischerweise als eine dünne Metallfolie oder ein dünnes Glasplättchen mit einer MetallBedampfung ausgebildet. Die optischen Achsen der Sensoren 14, 21 kreuzen sich an der Oberseite des Strahlteilers 29 unter einem Winkel von 90°, und der (ebene) Strahlteiler 29 steht zu den optischen Achsen unter einem Winkel von 45°.
Durch die Einbringung des Strahlteilers 29 in den Strahlengang der Röntgenstrahlung und der Kontrollstrahlung ist es möglich, über eine Teilstrecke 105, die von der Scanzone 7 bis zum Strahlteiler 29 reicht, die Kontrollachse 211 des Kontrollsensors 21 (also den Strahlpfad der detektierten Kontrollstrahlung, soweit er zwischen Röntgendetektor 14 und Scanzone 7 liegt) und die Röntgendetektionsachse 141 exakt zusammenfallen zu lassen. Die Teilstrecke 105 umfasst hier über 90% der vollen Strecke 106 zwischen Scanzone 7 und Röntgendetektor 14.
Jede Abschattung der Röntgendetektionsachse 141 zwischen Scanzone 7 und Strahlteiler 29 führt somit auch zu einer Abschattung der Kontrollachse 211. Zudem sitzt der Strahlteiler 29 hinter der Blende 26 im Detektormodul 13, also innerhalb des Detektormoduls 13 (in einem Gehäuse), so dass eine Abschattung jenseits des Strahlteilers 29 (also zwischen Strahlteiler 29 und Röntgensensor 14) ausgeschlossen ist.
Der Beobachtungsbereich 212 des Kontrollsensors 21 (und auch des Röntgensensors 14) reicht aus, um Positionen des Plasmas 9 überall in der Scanzone 7 zu erfassen; beispielshaft ist gepunktet eine nach rechts an den Rand der Scanzone 7 verschobene Position des Plasmas 9a gezeigt, die mittels des Laserscanners 4 einrichtbar ist, mit dem der Bearbeitungs-Laserstrahl 5 und die von der Kontrollstrahlungsquelle 107 erzeugte Kontrollstrahlung 181 abgelenkt werden. Man beachte, dass die Kontrollstrahlung 181 einen Lichtfleck (nicht eingezeichnet) erzeugt, der etwas größer ist als die Ausdehnung des Plasmas 9, 9a.
In der Bauform von 8 ist die Kontrollstrahlungsquelle 107 der optischen Einheit 3 bzw. dem Laserbearbeitungskopf vorgeschaltet, und der Kontrollsensor 21 sitzt im Detektormodul 13.
Falls gewünscht, kann vor dem Kontrollsensor 21 ein Bandpassfilter angeordnet werden, um die Detektion auf die Wellenlänge der von der Kontrollstrahlungsquelle 107 erzeugten Kontrollstrahlung 181a, 181, 184 zu begrenzen, insbesondere auch dann, wenn nicht moduliert werden sollte. Ein Bandpassfilter kann auch einen bestimmten Wellenlängenbereich im UV auswählen, insbesondere entsprechend einem Emissionsmaximum des Werkstückmaterials, um den Einfluss von Umgebungsstrahlung zu minimieren, falls mit einer Kontrollstrahlungsquelle gearbeitet werden sollte. Der Kontrollsensor 21 kann ortsauflösend sein, um die Abschattungserkennung zu vereinfachen. Der Röntgensensor 14 kann nicht ortsauflösend ausgebildet sein, insbesondere als „Silicon Drift Detector“ oder Szintillator mit nachgeschalteter Photodiode.
Es ist wie in 9 schematisch und beispielhaft in einer sechsten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Laserbearbeitungsmaschine 100 gezeigt auch möglich, den Kontrollsensor 21 und die Kontrollstrahlungsquelle 107 örtlich zu vertauschen.
In der Bauform von 9, zu der nur die wesentlichen Unterschiede zu 8 erläutert werden, ist die Kontrollstrahlungsquelle 107 im Detektormodul 13 angeordnet und auf den Strahlteiler 29 gerichtet. Über den Strahlteiler 29 wird Kontrollstrahlung 181 auf die Scanzone 7 gerichtet. Reflektierte oder gestreute Kontrollstrahlung 184 wird über den Laserscanner 4 und den Lichtleiter 2 zum Kontrollsensor 21 geleitet, der der optischen Einheit 3 nachgeschaltet ist und hier in das Lasergerät 1 integriert ist. In der gezeigten Bauform ist dabei dem Kontrollsensor 21 ein Raumfilter 231 vorgeschaltet, um unerwünschte Reflexionen aus der Umgebung auszublenden; der Raumfilter 231 ist aus einer Kombination von einer oder mehreren Linsen und einer oder mehreren Lochblenden zusammengesetzt, analog einem konfokalen Mikroskop.
Auch in dieser Bauform fallen über die Teilstrecke 105 zwischen dem Strahlteiler 29 und der Scanzone 7 die Kontrollachse 211 und die Röntgendetektionsachse 141 exakt zusammen. Die Teilstrecke 105 macht wiederum über 90% der gesamten Strecke 106 zwischen Scanzone 7 und Röntgendetektor 14 aus.
Der Röntgensensor 14 ist hier im Detektormodul 13 mit einer lichtdichten Kapselung 271 versehen.
Die 10 bis 12 illustrieren beispielhaft und schematisch einige Möglichkeiten, wie eine Abschattung an einem Kontrollsensor im Rahmen der Erfindung erkannt werden kann.
Die 10 illustriert eine gemessene Intensität I an einem Kontrollsensor einer Schutzeinrichtung als Funktion der Zeit t. Während der Laserbearbeitung am Werkstück ohne Abschattung des Kontrollsensors wird eine Intensität I im Bereich B_frei erwartet, der bei einem Intensitätswert I_frei ^Min beginnt und nach oben hin offen ist. Für den Fall einer Abschattung wird eine Intensität im Bereich B_sch erwartet; dieser Bereich B_sch beginnt bei „null“ und endet bei I_sch ^Max, das ist die maximale Intensität, die bei Abschattung des Kontrollsensors bezüglich der Scanzone noch durch Streuung und Umgebungsquellen (etwa Sonnenlicht, künstliche Beleuchtung) zu erwarten ist.
Etwas oberhalb von I_sch ^Max (aber deutlich unterhalb von I_frei ^Min) ist der erste Grenzwert G1 gewählt. Falls die gemessene Intensität unter G1 fällt), ist von einer Abschattung des Kontrollsensors auszugehen. Im Diagramm ist der Kontrollsensor zunächst unabgeschattet (linker Teil des Diagramms). Dann tritt eine Abschattung ein (Mitte des Diagramms), und die Intensität I fällt ab. Zum Zeitpunkt t1 erreicht die Intensität I den Grenzwert G1, was der Steuereinrichtung signalisiert, in den sichern Zustand überzugehen. Nach der Abschattung wird nur eine geringe Intensität gemessen, die z.B. durch Umgebungslicht bedingt ist (rechter Teil des Diagramms).
Man beachte, dass bei Abschattung eines Röntgensensors dessen Intensität nicht gut vorhergesagt werden könnte. So kann bei hoher Röntgenemission am Prozessort bei gleichzeitiger teilweiser Absorption durch eine Abschattungsstruktur eine mittlere Röntgenintensität am Röntgensensor gemessen werden, die normalerweise (ohne eine Abschattung) bezüglich der Betriebssicherheit noch akzeptabel wäre; diese beiden Situationen können mit einem Röntgensensor allein nicht ohne Weiteres unterschieden werden. Im Gegensatz dazu tritt bei langwelliger Kontrollstrahlung im VIS- oder UV-Bereich in der Regel stets eine vollständige Absorption durch eine Abschattungsstruktur auf, die leicht über einen geeigneten Grenzwert G1 erkannt werden kann. Entsprechendes gilt auch für die nachfolgend dargestellten Verfahren entsprechend.
Man beachte, dass eine Abschattung in vielen Fällen auch aus dem zeitlichen Verlauf der Intensität der gemessenen Kontrollstrahlung erkannt werden kann. Wenn wie in 10 vorausgesetzt die Bearbeitungsbedingungen nicht verändert werden (also z.B. insbesondere die Laserleistung und Vorschubgeschwindigkeit gleichbleiben), zugleich aber ein starker Abfall der Intensität der gemessenen Kontrollstrahlung beobachtet wird, beispielsweise wenn der momentane Messwert der Intensität I um mehr als einen vierten Grenzwert G4 vom Mittelwert MW₂₀ der vorhergehenden 20 Messungen abfällt, kann eine Abschattung vermutet werden. In 10 ist zusätzlich ein solches Vorgehen darstellt, wobei beispielhaft die letzten zwanzig Messungen der Intensität I im Zeitintervall t20 kurz vor t1 gemittelt wurden und der vierte Grenzwert G4 wiederum bei t1 überschritten wurde; der vierte Grenzwert G4 ist hier relativ zu 40% des Mittelwerts MW₂₀ gewählt worden. Man beachte, dass das letztere Verfahren jedoch nicht geeignet ist, eine Abschattung bereits zu Beginn eines Laserbearbeitungsablaufs festzustellen.
Die 11 zeigt zwei gemessene Intensitäten I (durchgezogene Skala links) an zwei gegenüberliegenden Kontrollsensoren einer Schutzeinrichtung als Funktion der Zeit t; die Kurve S1 ist dem ersten Kontrollsensor zuzuordnen, und die Kurve S2 dem zweiten Kontrollsensor. Der zweite Kontrollsensor ist geringfügig näher zur Scanzone angeordnet als der erste Kontrollsensor, und erfährt daher im unabgeschatteten Fall (linke Diagrammhälfte) eine minimal größere Intensität I, d.h. Kurve S2 liegt minimal oberhalb von Kurve S1. Beide Kurven S1, S2 schwanken ein wenig, beispielsweise aufgrund von veränderlichem, überlagerndem Umgebungslicht oder auch Oberflächenverschmutzungen am Werkstück.
Aus den jeweils momentanen Messwerten der Intensität I der Kurven S1, S2 wird der Quotient S1/S2 gebildet, die zugehörige (gepunktete) Kurve K der Quotientenwerte Q ist ebenfalls als Funktion der Zeit t aufgetragen (gestrichelte Skala rechts).
Im unabgeschatteten Fall (linke Diagrammhälfte) liegen die Quotientenwerte Q der Kurve K knapp unter Q=1, entsprechend einer näherungsweise gleichen Ausleuchtung beider Kontrollsensoren.
Wird nun beispielsweise der erste Kontrollsensor abgeschattet, so fällt die gemessene Intensität I für diesen ersten Sensor stark ab, siehe Kurve S1 ungefähr in der Mitte. Entsprechend verändert sich auch die Kurve K, die dann ebenfalls stark abfällt. Sobald die Kurve K der Quotientenwerte Q unter den zweiten Grenzwert G2 fällt, der hier bei 0,25 liegt, wird eine Abschattung des ersten Sensors angenommen.
Man beachte, dass in analoger Weise eine Abschattung des zweiten Sensors angenommen werden kann, wenn die Kurve K einen (weiteren) zweiten Grenzwert von 4,0 übersteigt (nicht näher eingezeichnet).
Die 12 zeigt in Teilbild (a) die Intensität I als Funktion des Ortes x bei einem zweidimensionalen Kontrollsensor (zur Vereinfachung ist nur eine der Messrichtungen im Diagramm illustriert) in einem unabgeschatteten Zustand. Die Intensität I ist in der Mitte des Kontrollsensors bei x0 maximal und fällt nach außen hin zu beiden Seiten geringfügig ab, was an dem leicht zunehmenden Abstand der Pixel der ebenen Detektorfläche nach außen hin relativ zum Prozessort liegt. Die Messwerte der Pixel des Kontrollsensors haben einen Mittelwert I_mittel, um den sie mit einer geringen Standardabweichung SA streuen (Standardabwechung = Wurzel der mittleren quadratischen Abweichung vom Mittelwert).
Wenn nun eine Abschattungsstruktur in einen Teil des Sichtfelds des Kontrollsensors graten ist, hier wie in Teilbild (b) ersichtlich von rechts bis zur Position x1, so ist eine erhebliche Stufe in der Kurve der Intensität I zu beobachten. Im abgeschatteten Bereich (rechts) fällt die Intensität bis auf das Niveau des Umgebungslichts und ggf. Streueffekten ab. Ebenso geht der Mittelwert I_mittel zurück, und die meisten Messwerte der Intensität liegen relativ weit entfernt vom Mittelwert. Am einfachsten kann der Eintritt der Abschattungsstruktur in das Sichtfeld des Kontrollsensors daran erkannt werden, dass die Standardabweichung der Messerwerte absolut zunimmt, etwa nun einen absoluten dritten Grenzwert G3 übersteigt. Ebenso einfach kann der Eintritt der Abschattungsstruktur dadurch erkannt werden, dass die Standardabweichung SA relativ zum Mittelwert Imittel (also der Quotient SA/I_mittel) nun einen relativen dritten Grenzwert übersteigt.
Zusammenfassend beschreibt die vorliegende Erfindung eine Laserbearbeitungsmaschine und ein zugehöriges Betriebsverfahren, bei der eine durch eine Laserbearbeitung an einem Prozessort in einer Scanzone eines Werkstücks freigesetzte Röntgenstrahlung mittels eines Röntgensensors überwacht wird, der entlang einer Röntgendetektionsachse auf die Scanzone gerichtet ist, und weiterhin wenigstens ein Kontrollsensor für eine langwelligere Strahlung als Röntgenstrahlung zumindest eine Teilstrecke des Strahlpfads der detektierten Röntgenstrahlung zwischen der Scanzone und dem Röntgensensor entlang einer Kontrollachse, die mit der Röntgendetektionsachse zumindest näherungsweise zusammenfällt, auf Abschattung überwacht. Wenn aufgrund der Abschattung von jeweils wenigstens einem zugeordneten Kontrollsensor bei keinem Röntgendetektor mehr davon ausgegangen werden kann, dass die Röntgenkontrollachse unabgeschattet ist, wird die Laserbearbeitungsmaschine von einer Steuereinrichtung in einen sicheren Zustand überführt.
Bezugszeichenliste

1: Lasergerät
2: Lichtleiter / Lichtleitkabel
3: optische Einheit / Laserbearbeitungskopf
4: Laserscanner
5: Bearbeitungs-Laserstrahl
5a: Bearbeitungs-Laserstrahl (im Lichtleiter)
6: Prozessort
7: Scanzone
7a: Zentrum der Scanzone
8: Werkstück / Target
9: Plasma
9a: Plasma (verschobene Position)
10: ionisierende Strahlung
11: Justagelaser
11a: Justagelaserstrahl
13: Detektormodul
14: Röntgensensor
16: Befestigung
18: Pilotlaser
19: Laserpointer
20: Laserpointer
21: Kontrollsensor
22: Kontrollsensor
23: Kontrollsensor
24: Kontrollsensor
30: Bildchip
41: Linse
51: äußerste Laserstrahl-Position
52: äußerste Laserstrahl-Position
53: Winkelbereich (Bearbeitungs-Laserstrahl)
81: (durch Laserbearbeitung entstandene) Kante
82: (vorhandene) Kante
83: Vorsprung
100: Laserbearbeitungsmaschine
101: Steuereinrichtung
102: Schutzeinrichtung
103: Maschinenbauteile
104: Kante (Maschinenbauteil)
105: Teilstrecke zwischen Scanzone und Röntgensensor
106: (volle) Strecke zwischen Scanzone und Röntgensensor
107: Kontrollstrahlungsquelle
108: Vorrichtung zum Modulieren
141: Röntgendetektionsachse
142: Beobachtungsbereich (Röntgendetektor)
181: Kontrollstrahlung / Pilotlaserstrahl
181a: Kontrollstrahlung / Pilotlaserstrahl (im Lichtleiter)
182: Lichtfleck des Pilotlaserstrahls
184: reflektierte oder gestreute Kontrollstrahlung / reflektierter oder gestreuter Pilotlaserstrahl
191: Laserstrahl (Laserpointer)
201: Laserstrahl (Laserpointer)
211: Kontrollachse
212: Beobachtungsbereich (Kontrollsensor)
221: Kontrollachse
222: Beobachtungsbereich (Kontrollsensor)
231: Raumfilter
242: Sperrschicht
271: lichtdichte Kapselung
301: innen liegender Detektionsbereich / Detektionsfläche für Röntgenstrahlung
302: außen liegender Detektionsbereich / Detektionsfläche für VIS/UV-Strahlung
303: Abdeckung
305: Übergangsbereich
G1: erster Grenzwert
G2: zweiter Grenzwert
G3: dritter Grenzwert
G4: vierter Grenzwert
Bfrei: Bereich für Intensitäts-Messwerte wenn nicht abgeschattet
Bsch: Bereich für Intensitäts-Messwerte wenn abgeschattet
IfreiMin: minimale erwartete Intensität ohne Abschattung
IschMax: maximale erwartete Intensität bei Abschattung
I: Intensität
Imittel: mittlere Intensität
K: Kurve der Quotientenwerte
MW20: Mittelwert der letzten zwanzig Intensitätsmessungen
Q: Quotientenwert
S1, S2: Kurven
SA: Standardabweichung
t: Zeit
t1: Abschattungszeitpunkt
t20: Zeitintervall der letzten zwanzig Intensitätsmessungen
x: Ortskoordinate
x0: Mitte des Kontrollsensors
x1: Rand der Abschattung
α21: Zwischenwinkel Bearbeitungs-Laserstrahl zu Kontrollachse
α22: Zwischenwinkel Bearbeitungs-Laserstrahl zu Kontrollachse
β: Zwischenwinkel Bearbeitungs-Laserstrahl zu Röntgendetektionsachse
γ21: Zwischenwinkel Röntgendetektionsachse zu Kontrollachse
γ22: Zwischenwinkel Röntgendetektionsachse zu Kontrollachse

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 102018200033 A1 [0002, 0007]
DE 102018200030 B3 [0012]
DE 102018120019 A1 [0012]
WO 2020/035537 A1 [0013]
WO 2017/157856 A1 [0014]

Claims

Laserbearbeitungsmaschine (100), umfassend - einen Laserbearbeitungskopf (3), mit dem im Betrieb ein Bearbeitungs-Laserstrahl (5), insbesondere ein ultrakurzgepulster Bearbeitungs-Laserstrahl, in einer Scanzone (7) auf ein Werkstück (8) gerichtet wird; - wenigstens eine Schutzeinrichtung (102), wobei eine jeweilige Schutzeinrichtung (102) jeweils einen Röntgensensor (14) zur Detektion von Röntgenstrahlung umfasst, die durch eine Bearbeitung des Werkstücks (8) mit dem Bearbeitungs-Laserstrahl (5) an einem Prozessort (6) in der Scanzone (7) entsteht, wobei der Röntgensensor (14) entlang einer Röntgendetektionsachse (141) auf die Scanzone (7) gerichtet ist, insbesondere wobei der Röntgensensor (14) Photonen mit einer Energie von 3 keV oder mehr detektieren kann; und - eine Steuereinrichtung (101), wobei die Steuereinrichtung (101) Messsignale des Röntgensensors (14) einer jeweiligen Schutzeinrichtung (102) auswertet, und die Steuereinrichtung (101) so eingerichtet ist, dass bei Erreichen einer kritischen Intensität von detektierter Röntgenstrahlung am Röntgendetektor (14) wenigstens einer Schutzeinrichtung (102) die Laserbearbeitungsmaschine (100) in einen sicheren Zustand überführt wird, in welchem eine einen Strahlungs-Grenzwert überschreitende Strahlungsexposition von Personen in der Umgebung der Laserbearbeitungsmaschine (100) ausgeschlossen ist, insbesondere wobei im sicheren Zustand der Bearbeitungs-Laserstrahl (5) abgeschaltet ist; dadurch gekennzeichnet, dass eine jeweilige Schutzeinrichtung (102) weiterhin wenigstens einen Kontrollsensor (21-24) umfasst, welcher für eine Kontrollstrahlung empfindlich ist, die langwelliger ist als die Röntgenstrahlung, wobei der wenigstens eine Kontrollsensor (21-24) so eingerichtet ist, dass er die Kontrollstrahlung, die zumindest abschnittsweise entlang einer Kontrollachse (211, 221) zumindest über eine Teilstrecke (105) zwischen der Scanzone (7) und dem Röntgensensor (14) der Schutzeinrichtung (102) propagiert, detektieren kann, wobei die Kontrollachse (211, 221) und die Röntgendetektionsachse (141) zumindest näherungsweise zusammenfallen, und dass die Steuereinrichtung (101) weiterhin Messsignale des wenigstens einen Kontrollsensors (21-24) einer jeweiligen Schutzeinrichtung (102) auswertet, und die Steuereinrichtung (101) so eingerichtet ist, dass sie die Laserbearbeitungsmaschine (100) auch dann in den sicheren Zustand überführt, wenn die Steuereinrichtung (101) feststellt, dass bei jeder Schutzeinrichtung (102) jeweils wenigstens ein Kontrollsensor (21-24) der jeweiligen Schutzeinrichtung (102) zumindest teilweise abgeschattet ist.
Laserbearbeitungsmaschine (100) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung (101) dazu ausgebildet ist, eine zumindest teilweise Abschattung eines Kontrollsensors (21-24) einer jeweiligen Schutzeinrichtung (102) dadurch festzustellen, - dass ein erster Grenzwert (G1) der Intensität (I) der detektierten Kontrollstrahlung am Kontrollsensor (21-24) unterschritten wird; und/oder - dass wenn die Schutzeinrichtung (102) mehrere Kontrollsensoren (21-24) umfasst, die Intensität (I) der Kontrollstrahlung an einem Kontrollsensor (21-24) sich von der Intensität (I) an einem anderen Kontrollsensor (21-24) dieser Schutzeinrichtung (102) um mehr als einen zweiten Grenzwert (G2) unterscheidet; und/oder - dass wenn der Kontrollsensor (21-24) eine Vielzahl von Pixeln umfasst, die Intensität (I) der Kontrollstrahlung an den Pixeln um mehr als einen dritten Grenzwert (G3) variiert; und/oder - dass die Intensität (I) der detektierten Kontrollstrahlung am Kontrollsensor (21-24) im zeitlichen Verlauf während der Bearbeitung des Werkstücks (8) um mehr als einen vierten Grenzwert (G4) abfällt, obwohl die Bearbeitungsbedingungen am Werkstück (8) einen solchen Abfall nicht erwarten lassen, insbesondere wobei die Bearbeitungsbedingungen am Werkstück (8) unverändert geblieben sind.
Laserbearbeitungsmaschine (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine jeweilige Schutzeinrichtung (102) wenigstens zwei, bevorzugt wenigstens vier, Kontrollsensoren (21-24) umfasst, insbesondere wobei bei der jeweiligen Schutzeinrichtung (102) die Röntgendetektionsachse (141) des Röntgensensors (14) zwischen den Kontrollachsen (211, 221) der Kontrollsensoren (21-24) angeordnet ist, bevorzugt wobei die Kontrollachsen (211, 221) die Röntgendetektionsachse (141) umringen.
Laserbearbeitungsmaschine (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine jeweilige Schutzeinrichtung (102) wenigstens eine Kontrollstrahlungsquelle (107) umfasst, wobei die Kontrollstrahlungsquelle (107) die Kontrollstrahlung (181, 181a) auf das Werkstück (8) in der Scanzone (7) richtet, und der Kontrollsensor (21-24) die vom Werkstück (8) in der Scanzone (7) reflektierte oder gestreute Kontrollstrahlung (184) detektiert.
Laserbearbeitungsmaschine (100) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Kontrollstrahlungsquelle (107) eine Vorrichtung (108) zum Modulieren der Kontrollstrahlung (181, 181a) aufweist, und die Steuereinrichtung (101) so eingerichtet ist, dass sie detektierte, modulierte Kontrollstrahlung (184) von unmodulierter Strahlung der gleichen Wellenlänge wie die Kontrollstrahlung (181, 181a) unterscheiden kann, welche durch die Bearbeitung des Werkstücks (8) mit dem Bearbeitungs-Laserstrahl (5) am Prozessort (6) in der Scanzone (7) entsteht und/oder als Umgebungslicht vorhanden ist.
Laserbearbeitungsmaschine (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass je Schutzeinrichtung (102) ein Detektormodul (13) vorgesehen ist, - welches gegenüber dem Laserbearbeitungskopf (3) und/oder dem Werkstück (8) separat justierbar ist, - an welchem der Röntgensensor (14) der Schutzeinrichtung (102) angeordnet ist, - und an welchem auch der wenigstes eine Kontrollsensor (21-24) der Schutzeinrichtung (102) oder wenigstens eine Kontrollstrahlungsquelle (107) der Schutzeinrichtung (102) angeordnet ist.
Laserbearbeitungsmaschine (100) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass ein jeweiliges Detektormodul (13) auch zwei Laserpointer (19, 20) zur Ausrichtung des Detektormoduls (13) zur Scanzone (7) auf dem Werkstück (8) aufweist, und dass der Laserbearbeitungskopf (3) weiterhin einen Justagelaser (11) aufweist, insbesondere wobei bei Erreichen einer Sollausrichtung des Detektormoduls (13) die Brennflecken der beiden Laserpointer (19, 20) und des Justagelasers (11) auf dem Werkstück (8) zusammenfallen.
Laserbearbeitungsmaschine (100) nach einem der Ansprüche 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass diese mehrere Detektormodule (13) aufweist, insbesondere wobei die mehreren Detektormodule (13) gleichmäßig verteilt um den Laserbearbeitungskopf (3) angeordnet sind.
Laserbearbeitungsmaschine (100) nach einem der Ansprüche 4 oder 5 und gleichzeitig nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer jeweiligen Schutzeinrichtung (102) - der wenigstens eine Kontrollsensor (21-24) an dem Detektormodul (13) der Schutzeinrichtung (102) angeordnet ist und die wenigstens eine Kontrollstrahlungsquelle (107) am Laserbearbeitungskopf (3) angeordnet oder dem Laserbearbeitungskopf (3) vorgeschaltet ist, oder - die wenigstens eine Kontrollstrahlungsquelle (107) an dem Detektormodul (13) der Schutzeinrichtung (102) angeordnet ist und der wenigstens eine Kontrollsensor (21-24) am Laserbearbeitungskopf (3) angeordnet oder dem Laserbearbeitungskopf (3) nachgeschaltet ist, insbesondere wobei der Strahlengang der Kontrollstrahlung zwischen der wenigstens einen Kontrollstrahlungsquelle (107) und dem wenigstens einen Kontrollsensor (21-24) einen Laserscanner (4) enthält, den auch der Strahlengang des Bearbeitungs-Lasers (5) enthält, der das Werkstück (8) bearbeitet.
Laserbearbeitungsmaschine (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Röntgendetektionsachse (141) und die Kontrollachse (211, 221) über die Teilstrecke (105) lediglich näherungsweise zusammenfallen und zueinander einen Winkel γ mit 0° < γ < 10°, bevorzugt 0° < γ < 5°, einschließen, insbesondere wobei sich die Röntgendetektionsachse (141) und die Kontrollachse (211, 221) in einem Zentrum (7a) der Scanzone (7) kreuzen.
Laserbearbeitungsmaschine (100) nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass in einer jeweiligen Schutzeinrichtung (102) die Kontrollachse (211, 221) wenigstens eines Kontrollsensors (21-24) einen größeren Zwischenwinkel α zur Achse des Bearbeitungs-Laserstrahls (5) aufweist als den Zwischenwinkel β zwischen der Röntgendetektionsachse (141) und der Achse des Bearbeitungs-Laserstrahls (5).
Laserbearbeitungsmaschine (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer jeweiligen Schutzeinrichtung (102) die Röntgendetektionsachse (141) und die Kontrollachse (211, 221) über die Teilstrecke (105) exakt zusammenfallen.
Laserbearbeitungsmaschine (100) nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer jeweiligen Schutzeinrichtung (102) der Röntgensensor (14) und der Kontrollsensor (21-24) hintereinander auf der Röntgendetektionsachse (141) angeordnet sind, insbesondere wobei der Kontrollsensor (21-24) näher an der Scanzone (7) angeordnet ist als der Röntgensensor (14) und der Kontrollsensor (21-24) die Röntgenstrahlung zu 25% oder weniger abschwächt.
Laserbearbeitungsmaschine (100) nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer jeweiligen Schutzeinrichtung (102) der Röntgensensor (14) und ein Strahlteiler (29) der Schutzeinrichtung (102) hintereinander auf der Röntgendetektionsachse (141) angeordnet sind, insbesondere wobei der Strahlteiler (29) näher an der Scanzone (7) angeordnet ist als der Röntgensensor (14) und der Strahlteiler (29) die Röntgenstrahlung zu 25% oder weniger abschwächt, und dass der Kontrollsensor (21-24) oder eine Kontrollstrahlungsquelle (107) der Schutzeinrichtung (102) auf den Strahlteiler (29) gerichtet ist, insbesondere wobei der Stahlteiler (29) Kontrollstrahlung zu wenigstens 25% aus- oder einkoppelt.
Laserbearbeitungsmaschine (100) nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer jeweiligen Schutzeinrichtung (102) der Röntgensensor (14) und der Kontrollsensor (21-24) durch zueinander konzentrische Detektionsflächen (301, 302) eines gemeinsamen Bildchips (30) ausgebildet sind, insbesondere wobei der Röntgensensor (14) mit einer für die Kontrollstrahlung undurchlässigen Abdeckung (303) versehen ist.
Laserbearbeitungsmaschine (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer jeweiligen Schutzeinrichtung (102) der wenigstens eine Kontrollsensor (21-24) ein UV-Sensor ist, und die Kontrollstrahlung UV-Strahlung ist, die durch die Bearbeitung des Werkstücks (8) mit dem Bearbeitungs-Laserstrahl (5) am Prozessort (6) in der Scanzone (7) entsteht, insbesondere wobei der UV-Sensor Photonenenergien in einem Bereich von 3 eV bis 12 eV detektiert.
Laserbearbeitungsmaschine (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer jeweiligen Schutzeinrichtung (102) der Kontrollsensor (21-24) ein lichtoptischer Sensor ist, und die Kontrollstrahlung sichtbares Licht ist.
Verfahren zum Betrieb einer Laserbearbeitungsmaschine (100), insbesondere einer Laserbearbeitungsmaschine (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei ein Bearbeitungs-Laserstrahl (5), insbesondere ein ultrakurzgepulster Bearbeitungs-Laserstrahl, in einer Scanzone (7) auf ein Werkstück (8) gerichtet wird, wobei mit einem Röntgensensor (14) wenigstens einer Schutzeinrichtung (102) der Laserbearbeitungsmaschine (100) Röntgenstrahlung, die durch die Bearbeitung des Werkstücks (8) mit dem Bearbeitungs-Laserstrahl (5) an einem Prozessort (6) in der Scanzone (7) entsteht, detektiert wird, wobei der Röntgensensor (4) entlang einer Röntgendetektionsachse (141) auf die Scanzone (7) gerichtet ist, insbesondere wobei der Röntgensensor (14) Photonen mit einer Energie von 3 keV oder mehr detektieren kann; und wobei eine Steuereinrichtung (101) Messsignale des Röntgensensors (14) einer jeweiligen Schutzeinrichtung (102) auswertet, und die Steuereinrichtung (101) bei Erreichen einer kritischen Intensität von detektierter Röntgenstrahlung am Röntgendetektor (14) wenigstens einer Schutzeinrichtung (102) die Laserbearbeitungsmaschine (100) in einen sicheren Zustand überführt, in welchem eine einen Strahlungs-Grenzwert überschreitende Strahlenexposition von Personen in der Umgebung der Laserbearbeitungsmaschine (100) ausgeschlossen ist, insbesondere wobei im sicheren Zustand der Bearbeitungs-Laserstrahl (5) abgeschaltet ist; dadurch gekennzeichnet, dass eine jeweilige Schutzeinrichtung (102) weiterhin wenigstens einen Kontrollsensor (21-24) umfasst, welcher für eine Kontrollstrahlung empfindlich ist, die langwelliger ist als die Röntgenstrahlung; wobei der wenigstens eine Kontrollsensor (21-24) die Kontrollstrahlung, die zumindest abschnittsweise entlang einer Kontrollachse (211, 221) zumindest über eine Teilstrecke (105) zwischen der Scanzone (7) und dem Röntgensensor (14) der Schutzeinrichtung (102) propagiert, detektieren kann, wobei die Kontrollachse (211, 221) und die Röntgendetektionsachse (141) zumindest näherungsweise zusammenfallen, und dass die Steuereinrichtung (101) weiterhin Messsignale des wenigstens einen Kontrollsensors (21-24) einer jeweiligen Schutzeinrichtung (102) auswertet, und die Steuereinrichtung (101) die Laserbearbeitungsmaschine (5) auch dann in den sicheren Zustand überführt, wenn die Steuereinrichtung (101) feststellt, dass bei jeder Schutzeinrichtung (102) jeweils wenigstens ein Kontrollsensor (21-24) der jeweiligen Schutzeinrichtung (102) zumindest teilweise abgeschattet ist.
Verfahren nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung (101) eine zumindest teilweise Abschattung eines jeweiligen Kontrollsensors (21-24) einer Schutzeinrichtung (102) dadurch feststellt, - dass ein erster Grenzwert (G2) der Intensität (I) der detektierten Kontrollstrahlung am Kontrollsensor (21-24) unterschritten wird; und/oder - dass wenn die Schutzeinrichtung (102) mehrere Kontrollsensoren (21-24) umfasst, die Intensität (I) der Kontrollstrahlung an einem Kontrollsensor (21-24) sich von der Intensität (I) an einem anderen Kontrollsensor (21-24) dieser Schutzeinrichtung (102) um mehr als einen zweiten Grenzwert (G2) unterscheidet; und/oder - dass wenn der Kontrollsensor (21-24) eine Vielzahl von Pixeln umfasst, die Intensität (I) der Kontrollstrahlung an den Pixeln um mehr als einen dritten Grenzwert (G3) variiert; und/oder - dass die Intensität (I) der detektierten Kontrollstrahlung am Kontrollsensor (21-24) im zeitlichen Verlauf während der Bearbeitung des Werkstücks (8) um mehr als einen vierten Grenzwert (G4) abfällt, obwohl die Bearbeitungsbedingungen am Werkstück (8) einen solchen Abfall nicht erwarten lassen, insbesondere wobei die Bearbeitungsbedingungen am Werkstück (8) unverändert geblieben sind.
Verfahren nach Anspruch 18 oder 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Laserbearbeitungsmaschine (100) dadurch in einen sicheren Zustand überführt wird, dass der Bearbeitungs-Laserstrahl (5) abgeschaltet wird oder eine mittlere Bestrahlungsstärke des Bearbeitungs-Laserstrahls (5) am Prozessort (6) reduziert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 18 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass nach einer festgestellten, zumindest teilweisen Abschattung wenigstens eines Kontrollsensors (21-24) bei einer jeden Schutzeinrichtung (102) die Verfahrensführung der Bearbeitung des Werkstücks (8) und/oder die Anordnung der Schutzeinrichtungen (102) an der Laserbearbeitungsmaschine (100) so verändert werden, dass nachfolgend die Kontrollsensoren (21-14) wenigstens einer Schutzeinrichtung (102) unabgeschattet bleiben.
Verfahren nach Anspruch 21, welches mit einer Laserbearbeitungsmaschine (100) nach Anspruch 4 oder 5 durchgeführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass zunächst in einem Vorabdurchlauf vor der Laserbearbeitung des Werkstücks (8) ein geplanter Ablauf der Laserbearbeitung des Werkstücks (8) mit abgeschaltetem Bearbeitungs-Laser (5), aber mit eingeschalteter Kontrollstrahlungsquelle (107) oder eingeschalteten Kontrollstrahlungsquellen (107) durchlaufen wird, und dass auch bei einer festgestellten, zumindest teilweisen Abschattung wenigstens eines Kontrollsensors (21-24) bei einer jeden Schutzeinrichtung (102) im Vorabdurchlauf die Verfahrensführung der Bearbeitung des Werkstücks (8) und/oder die Anordnung der Schutzeinrichtungen (102) an der Laserbearbeitungsmaschine (100) so verändert werden, dass nachfolgend die Kontrollsensoren (21-24) wenigstens einer Schutzeinrichtung (102) unabgeschattet bleiben.