DE102022109014A1 - Device for producing and/or processing a workpiece, in particular for additively producing a workpiece and method for operating a device - Google Patents
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Abstract
Es wird eine Vorrichtung (100) zum Herstellen und/oder Bearbeiten eines Werkstücks (105) insbesondere zum additiven Herstellen eines Werkstücks (105) vorgestellt. Die Vorrichtung (100) weist eine Lasereinheit (110), eine Beleuchtungseinheit (115) und eine Ermittlungseinheit (120) auf. Die Lasereinheit (110) ist ausgebildet, um einen Laserlichtstrahl auf das Werkstück (105) auszusenden, um das Werkstück (105) zu bearbeiten. Die Beleuchtungseinheit (115) zum Beleuchten des Werkstücks (105) ist ausgebildet, um das Werkstück (105) mit einem Licht einer ersten Wellenlänge zu beleuchten, um ein von dem Werkstück (105) reflektiertes erstes Licht zu erhalten und um das Werkstück (105) mit einem Licht mit einer von der ersten Wellenlänge unterschiedlichen zweiten Wellenlänge zu beleuchten, um ein von dem Werkstück (105) reflektiertes zweites Licht zu erhalten. Die Ermittlungseinheit (120) zum Einlesen des von dem Werkstück (105) reflektierten ersten und zweiten Lichtes ist ausgebildet, um einen Parameter des Werkstücks (105) unter Verwendung einer Größe des reflektierten ersten Lichtes und einer Größe des reflektierten zweiten Lichtes zu ermitteln.A device (100) for producing and/or processing a workpiece (105), in particular for additively producing a workpiece (105), is presented. The device (100) has a laser unit (110), an illumination unit (115) and a detection unit (120). The laser unit (110) is designed to emit a laser light beam onto the workpiece (105) in order to process the workpiece (105). The lighting unit (115) for illuminating the workpiece (105) is designed to illuminate the workpiece (105) with a light of a first wavelength, to obtain a first light reflected by the workpiece (105) and to illuminate the workpiece (105). to illuminate with a light having a second wavelength different from the first wavelength in order to obtain a second light reflected by the workpiece (105). The determination unit (120) for reading in the first and second light reflected by the workpiece (105) is designed to determine a parameter of the workpiece (105) using a size of the reflected first light and a size of the reflected second light.
Description
Stand der TechnikState of the art
Die Erfindung geht von einer Vorrichtung oder einem Verfahren nach Gattung der unabhängigen Ansprüche aus. Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist auch ein Computerprogramm.The invention is based on a device or a method according to the preamble of the independent claims. The subject of the present invention is also a computer program.
Materialien für eine scanbasierter Lasermaterialbearbeitung können Schwankungen oder Verunreinigungen aufweisen. Über vorgelagerte bzw. in situ durchgeführte Inspektionsschritte kann dies erkannt und aktiv oder passiv im Bearbeitungsprozess korrigiert werden. Die
Vor diesem Hintergrund werden mit dem hier vorgestellten Ansatz eine Vorrichtung zum Herstellen und/oder Bearbeiten eines Werkstücks, insbesondere zum additiven Herstellen eines Werkstücks und ein Verfahren zum Betreiben einer Vorrichtung sowie schließlich ein entsprechendes Computerprogramm gemäß den Hauptansprüchen vorgestellt. Durch die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen oder Merkmale sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der im unabhängigen Anspruch angegebenen Vorrichtung möglich.Against this background, the approach presented here presents a device for producing and/or processing a workpiece, in particular for additively producing a workpiece, and a method for operating a device and finally a corresponding computer program according to the main claims. The measures or features listed in the dependent claims make advantageous developments and improvements of the device specified in the independent claim possible.
Die mit dem hier vorgestellten Ansatz erreichbaren Vorteile bestehen insbesondere darin, dass eine Vorrichtung geschaffen wird, die anhand von an einem Werkstück reflektierten Lichtern Rückschlüsse auf einen Parameter, beispielsweise des Materials, des Werkstücks schließen kann.The advantages that can be achieved with the approach presented here are, in particular, that a device is created which can draw conclusions about a parameter, for example of the material, of the workpiece based on lights reflected on a workpiece.
Es wird eine Vorrichtung zum Herstellen und/oder Bearbeiten eines Werkstücks, insbesondere zum additiven Herstellen eines Werkstücks vorgestellt. Die Vorrichtung weist eine Lasereinheit, eine Beleuchtungseinheit und eine Ermittlungseinheit auf. Die Lasereinheit ist ausgebildet, um einen Laserlichtstrahl auf das Werkstück auszusenden, um das Werkstück zu bearbeiten. Die Beleuchtungseinheit zum Beleuchten des Werkstücks ist ausgebildet, um das Werkstück mit einem Licht einer ersten Wellenlänge zu beleuchten, um ein von dem Werkstück reflektiertes erstes Licht zu erhalten und um das Werkstück mit einem Licht mit einer von der ersten Wellenlänge unterschiedlichen zweiten Wellenlänge zu beleuchten, um ein von dem Werkstück reflektiertes zweites Licht zu erhalten. Die Ermittlungseinheit zum Einlesen des von dem Werkstück reflektierten ersten und zweiten Lichtes ist ausgebildet, um einen Parameter des Werkstücks unter Verwendung einer Größe des reflektierten ersten Lichtes und einer Größe des reflektierten zweiten Lichtes zu ermitteln. Die Ermittlungseinheit kann einen lichtempfindlichen Sensor, beispielsweise eine Photodiode oder einen Bildsensor, beispielsweise einen CCD- oder CMOS-Bildsensor umfassen. Sie kann als eine Kamera ausgebildet sein.A device for producing and/or processing a workpiece, in particular for additively producing a workpiece, is presented. The device has a laser unit, an illumination unit and a detection unit. The laser unit is designed to emit a laser light beam onto the workpiece in order to process the workpiece. The lighting unit for illuminating the workpiece is designed to illuminate the workpiece with a light of a first wavelength, to obtain a first light reflected by the workpiece and to illuminate the workpiece with a light having a second wavelength different from the first wavelength, to obtain a second light reflected from the workpiece. The determination unit for reading in the first and second light reflected by the workpiece is designed to determine a parameter of the workpiece using a size of the reflected first light and a size of the reflected second light. The determination unit can comprise a light-sensitive sensor, for example a photodiode, or an image sensor, for example a CCD or CMOS image sensor. It can be designed as a camera.
Bei der Vorrichtung kann es sich beispielsweise um eine Vorrichtung zum Laserschweißen eines Werkstücks handeln, oder um eine Vorrichtung zum additiven Herstellen (additive manufacturing) eines Werkstücks durch selektives Laserschmelzen. Im letzteren Fall kann es sich um das selektive Schmelzen eines Pulvers, insbesondere eines Metallpulvers, handeln. Ein solches Metallpulver kann ein oder mehrere verschiedene Metalle umfassen. Es kann zusätzlich nichtmetallische Bestandteile umfassen.The device can be, for example, a device for laser welding a workpiece, or a device for additive manufacturing of a workpiece by selective laser melting. In the latter case, it can involve the selective melting of a powder, in particular a metal powder. Such a metal powder may comprise one or more different metals. It may additionally include non-metallic components.
Der hier vorgeschlagene Ansatz basiert auf der Erkenntnis, dass es durch die Auswertung von Größen des reflektierten ersten Lichts und des reflektierten zweiten Lichts möglich ist, einen Rückschluss auf einen Parameter des Werkstücks bzw. des Materials zu ziehen. Beispielsweise kann ausgenutzt werden, dass ein Materialtyp, beispielsweise ein bestimmtes Metall, in unterschiedlichen Frequenzbereichen Beziehungsweise unterschiedlichen Wellenlängen ein anderes Absorptionsverhalten aufweist, sodass durch die Auswertung der Größe, die beispielsweise eine Intensität sein kann, ein Rückschluss auf den Typ oder die Art des aktuell gerade beleuchteten Materials geschlossen werden kann. Dies kann beispielsweise auch ausgenutzt werden, wenn ein Material beim Bearbeiten umgeformt oder verändert wird, sodass nicht nur eine Struktur, die bei der Bearbeitung entsteht, erkannt oder detektiert werden kann, sondern auch Bearbeitungsfehler entdeckt werden können, die beispielsweise zu einer fehlerhaften Verbindung von bestimmten Komponenten führen und somit nicht dem erwarteten Parameter entsprechen.The approach proposed here is based on the knowledge that by evaluating the quantities of the reflected first light and the reflected second light, it is possible to draw a conclusion about a parameter of the workpiece or the material. For example, it can be exploited that a type of material, for example a certain metal, has a different absorption behavior in different frequency ranges or different wavelengths, so that by evaluating the size, which can be an intensity, for example, a conclusion can be drawn about the type or nature of the current illuminated material can be closed. This can also be used, for example, when a material is formed or changed during processing, so that not only a structure that is created during processing can be recognized or detected, but also processing errors can be discovered, which, for example, lead to a faulty connection of certain Components lead and therefore do not correspond to the expected parameter.
Der hier vorgeschlagene Ansatz bietet dabei den Vorteil, mit technisch einfachen Mitteln eine möglichst genaue Bestimmung des Parameters des Materials möglich ist. Hierbei können auf oftmals bereits verfügbare Komponenten zurückgegriffen werden, gegebenenfalls mit geringem Aufwand modifiziert oder ergänzt werden können. Auf diese Weise kann sehr einfach ein Zusatznutzen in bestehenden Materialbearbeitungseinheiten erreicht werden.The approach proposed here offers the advantage that the parameters of the material can be determined as accurately as possible using technically simple means. Components that are often already available can be used and, if necessary, modified or supplemented with little effort. In this way, additional benefits can be achieved very easily in existing material processing units.
Der hier vorgestellte Ansatz kann auch als eine Multispektralbeleuchtung mit einer Anordnung zur Abrasterung einer Oberfläche mit Absorptionsgradbestimmung verstanden werden. Der hier vorgestellte Ansatz kann eine hohe Auflösung bei großen Bearbeitungsfeldern ermöglichen, wodurch beispielsweise Punktdefekte erkannt werden können. Ferner kann durch die Ausrichtung der Ermittlungseinheit ein Perspektivfehler verhindert werden und es können Verdeckungen, beispielsweise Schatten, kleiner 3D-Strukturen durch andere Strukturen verhindert werden. Zudem kann eine nachfolgende Kontrolle mittels eines weiteren Prozessschritts entfallen. Der hier vorgestellte Ansatz kann einen Prozess mit Inlineüberwachung ermöglichen, bei dem keine weitere Prüfung notwendig ist. Zudem kann ein hochauflösendes Bild der Oberfläche und der Bearbeitung ermöglicht werden.The approach presented here can also be understood as multispectral illumination with an arrangement for scanning a surface with absorption coefficient determination. The approach presented here can enable high resolution for large processing fields, which can, for example, detect point defects. Furthermore, the orientation of the investigation can A perspective error can be prevented and obscurations, such as shadows, of small 3D structures by other structures can be prevented. In addition, a subsequent control using a further process step can be omitted. The approach presented here can enable a process with inline monitoring where no further testing is necessary. In addition, a high-resolution image of the surface and the processing can be made possible.
Eine Multiwellenlängenbeleuchtung kann das Bild verbessern. Beispielsweise kann die Oberfläche im visuellen Bereich und die Schweißnähte durch Kunststoff im Infrarotbereich betrachtet oder analysiert werden. Wenn ein „Anschauen“ der Schweißnähte im Infrarotbereich wegen schlechter Transparenz der Charge nicht möglich ist, ist beispielsweise ein problemloses Umschalten auf eine andere Infrarotbereich-Quelle möglich. Ferner kann eine Ableitung des Absorptionsgrads und eine daraus abgeleitete Korrektur der Laserleistung oder des Laserpfades ermöglicht werden. Zudem kann eine Schärfentiefe über Wellenlängenverschiebung ermöglicht werden.Multi-wavelength lighting can improve the image. For example, the surface can be viewed or analyzed in the visual range and the weld seams through plastic in the infrared range. If it is not possible to “view” the weld seams in the infrared range due to poor transparency of the batch, it is possible, for example, to easily switch to another infrared range source. Furthermore, a derivation of the degree of absorption and a correction of the laser power or the laser path derived therefrom can be made possible. In addition, a depth of field can be achieved via wavelength shift.
Gemäß einer Ausführungsform können die Lasereinheit und die Beleuchtungseinheit ausgebildet sein, um die reflektierten Lichtstrahlen des ersten Lichts und des zweiten Lichts und der Laserlichtstrahl zumindest teilweise in einem gemeinsamen optischen Pfad zu führen. Vorteilhafterweise kann so zuverlässig ein Bild einer Oberfläche des Werkstücks mit bereits vorhandenen Komponenten und möglichst ohne größere optische Verzerrungen aufgenommen werden. Auch kann hierdurch Bauraum eingespart werden.According to one embodiment, the laser unit and the illumination unit can be designed to at least partially guide the reflected light beams of the first light and the second light and the laser light beam in a common optical path. Advantageously, an image of a surface of the workpiece can be reliably recorded with components already present and, if possible, without major optical distortions. This can also save installation space.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform können die Lasereinheit, die Beleuchtungseinheit und zusätzlich oder alternativ die Ermittlungseinheit zumindest einen schwenkbaren Spiegel aufweisen. Zusätzlich oder alternativ kann die Ermittlungseinheit einen halbdurchlässigen Spiegel aufweisen. Vorteilhafterweise kann der schwenkbare Spiegel je nach Bedarf ausgerichtet werden und einen Laserlichtstrahl der Lasereinheit führen und das an dem Werkstück reflektierte Licht spiegeln, sodass ein Mehrfachnutzen einer Komponente realisiert werden kann.According to a further embodiment, the laser unit, the lighting unit and additionally or alternatively the determination unit can have at least one pivotable mirror. Additionally or alternatively, the detection unit can have a semi-transparent mirror. Advantageously, the pivotable mirror can be aligned as required and can guide a laser light beam from the laser unit and reflect the light reflected on the workpiece, so that multiple uses of a component can be realized.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann die Beleuchtungseinheit ausgebildet sein, um zumindest das erste Licht und das zweite Licht zu einem gleichen Zeitpunkt und zusätzlich oder alternativ zu unterschiedlichen Zeitpunkten auszugeben. Zusätzlich oder alternativ kann die Beleuchtungseinheit eine erste Einheit zum Beleuchten des Werkstücks mit dem ersten Licht und eine zweite Einheit zum Beleuchten des Werkstücks mit dem zweiten Licht aufweisen. Vorteilhafterweise kann somit das Werkstück je nach Bedarf mit einer Wellenlänge oder mit mehreren Wellenlängen beleuchtet werden. Somit kann beispielsweise ein hochauflösendes Bild einer Oberfläche des Werkstücks ermöglicht werden. Eine Beleuchtung mit mehreren Wellenlängen, nämlich wenigstens 2, vorteilhaft wenigstens 4 und besonders vorteilhaft sechs oder mehr, ermöglicht ein besseres Bild bzw. eine verbesserte Auswertungsmöglichkeit des Werkstücks. Beispielsweise kann die Oberfläche des Werkstücks im für das menschliche Auge sichtbaren Wellenlängenbereich „betrachtet“ oder ausgewertet werden und Schweißnähte beispielsweise im Infrarotbereich. Es kann problemlos zwischen den Wellenlängen umgeschaltet werden; wenn beispielsweise die Schweißnähte im Infrarotbereich wegen schlechter Transparenz nicht sichtbar sind, kann auf eine Quelle einer anderen Wellenlänge umgeschaltet werden.According to a further embodiment, the lighting unit can be designed to output at least the first light and the second light at the same time and additionally or alternatively at different times. Additionally or alternatively, the lighting unit may have a first unit for illuminating the workpiece with the first light and a second unit for illuminating the workpiece with the second light. Advantageously, the workpiece can be illuminated with one wavelength or with several wavelengths as required. This makes it possible, for example, to obtain a high-resolution image of a surface of the workpiece. Illumination with several wavelengths, namely at least 2, advantageously at least 4 and particularly advantageously six or more, enables a better image or an improved evaluation option of the workpiece. For example, the surface of the workpiece can be “viewed” or evaluated in the wavelength range visible to the human eye and weld seams, for example, in the infrared range. You can easily switch between wavelengths; For example, if the weld seams are not visible in the infrared range due to poor transparency, you can switch to a source of a different wavelength.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann die Ermittlungseinheit eine Kamera oder einen optischer Bildsensor umfassen, der als ein Matrixsensor, beispielsweise CCD oder CMOS Sensor ausgebildet sein kann. Ein Matrixsensor kann mehrere getrennt auswertbare Lichtsensorelemente umfassen. Dadurch kann ein zweidimensionales Bild bereitgestellt werden. Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann die Ermittlungseinheit einen 0-dimensionalern Lichtsensor, d.h. einen solchen mit nur einem Lichtsensorelement, beispielsweise eine Fotodiode, aufweisen. Die Ermittlungseinheit kann außerdem auswechselbare und/oder auswählbare Farbfiltern zum Filtern von Licht mit unterschiedlichen Wellenlängen aufweisen, wenigstens zwei, vorteilhaft wenigstens vier und insbesondere vorteilhaft sechs oder mehr auswechselbaren und/oder auswählbaren Farbfiltern. Vorteilhafterweise kann somit das Licht mit technisch einfachen Mitteln zuverlässig auf eine zu untersuchende Wellenlänge hin gefiltert werden.According to a further embodiment, the determination unit can comprise a camera or an optical image sensor, which can be designed as a matrix sensor, for example a CCD or CMOS sensor. A matrix sensor can include several light sensor elements that can be evaluated separately. This allows a two-dimensional image to be provided. According to a further embodiment, the determination unit can have a 0-dimensional light sensor, i.e. one with only one light sensor element, for example a photodiode. The determination unit can also have replaceable and/or selectable color filters for filtering light with different wavelengths, at least two, advantageously at least four and particularly advantageously six or more replaceable and/or selectable color filters. Advantageously, the light can be reliably filtered to a wavelength to be examined using technically simple means.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann die Ermittlungseinheit ausgebildet sein, um als die Größe zumindest des ersten Lichts und des zweiten Lichts je eine Intensität des ersten Lichts und des zweiten Lichts auszuwerten. Als Intensität des Lichts kann ein Graustufenwert verstanden werden. Anhand des ermittelten Graustufenwerts können vorteilhafterweise sehr präzise Rückschlüsse auf materialabhängige Absorptionseigenschaften und Reflexionseigenschaften gezogen werden.According to a further embodiment, the determination unit can be designed to evaluate an intensity of the first light and the second light as the size of at least the first light and the second light. The intensity of the light can be understood as a grayscale value. Based on the determined gray scale value, very precise conclusions can advantageously be drawn about material-dependent absorption properties and reflection properties.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann die Ermittlungseinheit ausgebildet sein, um als den Parameter des Werkstücks einen Materialtyp des Werkstücks und zusätzlich oder alternativ eine Güte eine durch den Laserlichtstrahl hergestellten Bearbeitungsstruktur des Werkstücks auszuwerten. Bei der Güte kann es sich beispielsweise um eine Qualität der Bearbeitungsstruktur handeln. Vorteilhafterweise können somit Rückschlüsse auf und den Materialtyp, Materialeigenschaften, Prozessfehler, Geometrie und Höhenprofile gezogen werden.According to a further embodiment, the determination unit can be designed to evaluate, as the parameter of the workpiece, a material type of the workpiece and additionally or alternatively a quality of a processing structure of the workpiece produced by the laser light beam. The quality can be, for example, a quality of the processing structure. Advantageously, conclusions can be drawn about the material type, material properties, process errors, geometry and height profiles.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann die Ermittlungseinheit eine Fokussieroptikeinheit aufweisen. Ein Abstand eines Teilbereichs des Werkstücks zur Fokussieroptik kann unter Auswertung einer Brennebene des ersten Lichts und einer Brennebene des zweiten Lichts erfassbar sein. Eine solche Ausführungsform bietet den Vorteil, bei der Verwendung eines Scanners optische Projektionseigenschaften zur Erfassung des reflektierten Lichts möglichst gut einstellen zu können, um einen fokussierten Punkt auf der Oberfläche des Materials aus unterschiedlichen Blickrichtungen des Scanners erhalten zu können.According to a further embodiment, the determination unit can have a focusing optics unit. A distance of a portion of the workpiece to the focusing optics can be detected by evaluating a focal plane of the first light and a focal plane of the second light. Such an embodiment offers the advantage of being able to adjust the optical projection properties for detecting the reflected light as well as possible when using a scanner in order to be able to obtain a focused point on the surface of the material from different viewing directions of the scanner.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann die Fokussieroptikeinheit mindestens eine asphärische Linse aufweisen. Vorteilhafterweise kann mittels einer asphärischen Linse eine verbesserte Bildqualität erzielt werden. In anderen Worten ausgedrückt kann eine asphärische Linse dazu führen, dass die Fokussieroptikeinheit über das Bearbeitungsfeld und über die genutzten Wellenlängen eine scharfe Abbildung erzeugen kann.According to a further embodiment, the focusing optics unit can have at least one aspherical lens. Advantageously, improved image quality can be achieved using an aspherical lens. In other words, an aspherical lens can mean that the focusing optics unit can produce a sharp image across the processing field and the wavelengths used.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann die Beleuchtungseinheit ausgebildet sein, um das Werkstück zumindest mit einem Licht mit einer von der ersten Wellenlänge und zweiten Wellenlänge unterschiedlichen dritten Wellenlänge zu beleuchten, um ein von dem Werkstück reflektiertes drittes Licht zu erhalten, insbesondere wobei die Beleuchtungseinheit ausgebildet ist, um das Werkstück mit Lichtern von sechs Wellenlängen zu beleuchten. Die Ermittlungseinheit kann ausgebildet sein, um das von dem Werkstück reflektierte dritte Licht zu erfassen, um einen Parameter des Werkstücks unter Verwendung einer Größe des dritten Lichtes zu ermitteln. Vorteilhafterweise kann somit beispielsweise eine noch präzisere Ermittlung des Parameters des Materials erreicht werden, da zumindest eine zusätzliche Größe für die Ermittlung des Parameters des Werkstücks verwendet wird. Denkbar ist ferner auch, dass Licht mit mehr als drei unterschiedlichen Wellenlängen ausgewertet wird, beispielsweise Licht mit sechs unterschiedlichen Wellenlängen. Auf diese Weise kann eine nochmals verbesserte Ermittlung des Parameters des Werkstücks aufgrund der weiter auszuwertenden Größen erreicht werden.According to a further embodiment, the lighting unit can be designed to illuminate the workpiece at least with a light with a third wavelength that is different from the first wavelength and the second wavelength in order to obtain a third light reflected by the workpiece, in particular wherein the lighting unit is designed to illuminate the workpiece with lights of six wavelengths. The determination unit can be designed to detect the third light reflected by the workpiece in order to determine a parameter of the workpiece using a size of the third light. Advantageously, for example, an even more precise determination of the parameter of the material can be achieved, since at least one additional size is used to determine the parameter of the workpiece. It is also conceivable that light with more than three different wavelengths is evaluated, for example light with six different wavelengths. In this way, a further improved determination of the parameters of the workpiece can be achieved based on the variables to be further evaluated.
Ein Verfahren zum Betreiben einer Vorrichtung zum Herstellen und/oder Bearbeiten eines Werkstücks, insbesondere zum additiven Herstellen eines Werkstücks, weist einen Schritt des Ausgebens, einen Schritt des Aktivierens, einen Schritt des Erfassens und einen Schritt des Ermittelns auf. Der Schritt des Ausgebens wird ausgeführt, um den Laserlichtstrahl von der Lasereinheit auszugeben, um das Werkstück an wenigstens einer Bearbeitungsstelle zu bearbeiten. Der Schritt des Aktivierens wird ausgeführt, um die Beleuchtungseinheit zu aktivieren, um das Werkstück mit einem Licht einer ersten Wellenlänge an einer Beleuchtungsstelle, welche die Bearbeitungsstelle enthält, zu beleuchten, um ein von dem Werkstück reflektiertes erstes Licht zu erhalten und um das Werkstück an der Beleuchtungsstelle mit einem Licht mit einer von der ersten Wellenlänge unterschiedlichen zweiten Wellenlänge zu beleuchten, um ein von dem Werkstück reflektiertes zweites Licht zu erhalten. Der Schritt des Erfassens wird ausgeführt, um das von dem Werkstück reflektierte erste und zweite Licht zu erfassen. Der Schritt des Ermittelns wird ausgeführt, um einen Parameter des Werkstücks wenigstens an der Bearbeitungsstelle unter Verwendung einer Größe des reflektierten ersten Lichtes und einer Größe des reflektierten zweiten Lichtes zu ermitteln. Auch dadurch können die Vorteile des hier beschriebenen Ansatzes sehr effizient realisiert werden. Die Schritte des Erfassens und Ermittelns können nach dem Schritt des Aktivierens erfolgen, was bedeuten kann, dass das Ergebnis des Bearbeitens der jeweiligen Bearbeitungsstelle erfasst wird. Die Schritte des Erfassens und Ermittelns können ebenfalls vorteilhaft vor dem Schritt des Aktivierens erfolgen, was bedeuten kann, dass ein Parameter des Werkstücks bzw. ein Materialparameter vor dem Bearbeiten der jeweiligen Bearbeitungsstelle erfasst wird. Die Schritte des Erfassens und Ermittelns können auch zweimal durchgeführt werden, nämlich vor dem Aktivieren und nach dem Aktivieren. Dann kann ein Vergleich der ermittelten Parameter an der Bearbeitungsstelle vor dem Bearbeiten und nach dem Bearbeiten möglich sein. Auch ist es möglich, dass der Parameter in einer Umgebung der Bearbeitungsstelle in Abhängigkeit vom Ort erfasst wird. Dabei kann der Parameter sowohl an schon bearbeiteten und/oder an noch nicht bearbeiteten Orten ermittelt werden. Wird beispielsweise ein Bildsensor verwendet, kann so mit nur jeweils einer Erfassung der Parameter gleich an mehreren Orten ermittelt werden. Der Parameter kann beispielsweise auch als ein Mittelwert über einen Bildbereich ermittelt werden.A method for operating a device for producing and/or processing a workpiece, in particular for additively producing a workpiece, has an output step, an activation step, a detection step and a determination step. The outputting step is carried out to output the laser light beam from the laser unit to process the workpiece at at least one processing location. The step of activating is carried out to activate the lighting unit, to illuminate the workpiece with a light of a first wavelength at an illumination location which contains the processing location, to obtain a first light reflected from the workpiece and to illuminate the workpiece at the To illuminate the lighting point with a light with a second wavelength that is different from the first wavelength in order to obtain a second light reflected by the workpiece. The detecting step is performed to detect the first and second lights reflected from the workpiece. The step of determining is carried out to determine a parameter of the workpiece at least at the machining location using a magnitude of the reflected first light and a magnitude of the reflected second light. This also allows the advantages of the approach described here to be realized very efficiently. The steps of recording and determining can take place after the step of activating, which can mean that the result of processing the respective processing point is recorded. The steps of detecting and determining can also advantageously take place before the step of activating, which can mean that a parameter of the workpiece or a material parameter is detected before the respective processing point is processed. The capture and discovery steps can also be performed twice, before activation and after activation. A comparison of the determined parameters at the processing point before processing and after processing can then be possible. It is also possible for the parameter to be recorded in the vicinity of the processing point depending on the location. The parameter can be determined both at locations that have already been processed and/or at locations that have not yet been processed. For example, if an image sensor is used, the parameters can be determined at several locations with just one recording at a time. The parameter can also be determined, for example, as an average value over an image area.
Speziell wird beim additiven Fertigen der Parameter des Werkstoffs (z. B. Metallpulver) bestimmt, bevor dieser durch Aufschmelzen an das Werkstück angeschmolzen oder hinzugefügt wird. Danach wird in diesem Fall der Werkstoff an der Bearbeitungsstelle zum Bestandteil des Werkstücks. Der Parameter kann ferner entweder an der Bearbeitungsstelle oder als Mittelwert über einen größeren Bildbereich ermittelt werden.Specifically, in additive manufacturing, the parameters of the material (e.g. metal powder) are determined before it is melted or added to the workpiece. In this case, the material at the processing point then becomes part of the workpiece. The parameter can also be determined either at the processing point or as an average over a larger image area.
Gemäß einer besonders günstigen Ausführungsform kann nachfolgend nach dem Schritt des Ermittelns ein Schritt des Berechnens einer Solllaserenergie aus dem Parameter erfolgen, wobei das Ausgeben des Laserlichtstrahls mit der berechneten Solllaserenergie an die Bearbeitungsstelle erfolgt. Eine solches Ausführungsform bietet den Vorteil, je nach erkanntem Material, das bearbeitet oder an ein Werkstück angefügt werden soll, eine passende Energiemenge bestimmen zu können. Auf diese Weise kann eine ineffiziente Bearbeitung durch eine Ausgabe einer zu großen Energiemenge oder auch eine Beschädigung des Werkstücks vermieden werden.According to a particularly favorable embodiment, following the step of Determining a step of calculating a target laser energy from the parameter takes place, the laser light beam with the calculated target laser energy being output to the processing point. Such an embodiment offers the advantage of being able to determine an appropriate amount of energy depending on the material identified that is to be processed or added to a workpiece. In this way, inefficient processing due to the output of too much energy or damage to the workpiece can be avoided.
Auch kann gemäß einer anderen Ausführungsform im Schritt des Ausgebens der Lichtstrahl derart mit der Solllaserenergie ausgegeben werden, dass ein vorliegendes Material, insbesondere ein Metallpulver, an der Bearbeitungsstelle aufgeschmolzen wird. Eine solche Ausführungsform bietet den Vorteil einer besonders effizienten und somit schnellen und energiesparenden Herstellung/Bearbeitung des Werkstücks.According to another embodiment, the light beam can also be emitted with the target laser energy in the output step in such a way that a material present, in particular a metal powder, is melted at the processing point. Such an embodiment offers the advantage of particularly efficient and therefore quick and energy-saving production/processing of the workpiece.
Denkbar ist ferner auch eine Ausführungsform, bei der im Schritt des Ausgebens die Solllaserenergie durch eine Veränderung einer Ausgabeleistung des Lasers und/oder einer Pulsdauer des Lasers und/oder einer Anzahl von Laserpulsen eingestellt wird. Eine solche Ausführungsform bietet den Vorteil einer schnellen Modifikation der auszugebenden Leistung oder Energie der Laserquelle, sodass eine schnelle Reaktion auf eine veränderte Umgebungssituation und/oder variable Materialzusammensetzung ermöglicht wird.An embodiment is also conceivable in which, in the output step, the target laser energy is adjusted by changing an output power of the laser and/or a pulse duration of the laser and/or a number of laser pulses. Such an embodiment offers the advantage of a rapid modification of the power or energy to be output by the laser source, thus enabling a rapid response to a changed environmental situation and/or variable material composition.
Ein erfindungsgemäßes Verfahren kann mehrfach hintereinander ausgeführt werden. Das mehrfache Ausführen kann an jeweils unterschiedlichen Bearbeitungsstellen erfolgen. Dazu kann des Werkstück gegenüber dem Laserlichtstrahl jeweils verschoben werden, was beispielsweise durch ein Verschieben des Werkstücks und/oder des Laserlichtstrahls erfolgen kann.A method according to the invention can be carried out several times in succession. The multiple execution can take place at different processing points. For this purpose, the workpiece can be moved relative to the laser light beam, which can be done, for example, by moving the workpiece and/or the laser light beam.
Dieses Verfahren kann beispielsweise in Software oder Hardware oder in einer Mischform aus Software und Hardware beispielsweise in einem Steuergerät implementiert sein.This method can be implemented, for example, in software or hardware or in a mixed form of software and hardware, for example in a control device.
Der hier vorgestellte Ansatz schafft ferner ein Steuergerät, das ausgebildet ist, um die Schritte einer Variante eines hier vorgestellten Verfahrens in entsprechenden Einrichtungen durchzuführen, anzusteuern bzw. umzusetzen. Auch durch diese Ausführungsvariante der Erfindung in Form eines Steuergeräts kann die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe schnell und effizient gelöst werden.The approach presented here also creates a control device that is designed to carry out, control or implement the steps of a variant of a method presented here in corresponding devices. This embodiment variant of the invention in the form of a control device can also solve the problem on which the invention is based quickly and efficiently.
Hierzu kann das Steuergerät zumindest eine Recheneinheit zum Verarbeiten von Signalen oder Daten, zumindest eine Speichereinheit zum Speichern von Signalen oder Daten, zumindest eine Schnittstelle zu einem Sensor oder einem Aktor zum Einlesen von Sensorsignalen von dem Sensor oder zum Ausgeben von Daten- oder Steuersignalen an den Aktor und/oder zumindest eine Kommunikationsschnittstelle zum Einlesen oder Ausgeben von Daten aufweisen, die in ein Kommunikationsprotokoll eingebettet sind. Die Recheneinheit kann beispielsweise ein Signalprozessor, ein Mikrocontroller oder dergleichen sein, wobei die Speichereinheit ein Flash-Speicher, ein EEPROM oder eine magnetische Speichereinheit sein kann. Die Kommunikationsschnittstelle kann ausgebildet sein, um Daten drahtlos und/oder leitungsgebunden einzulesen oder auszugeben, wobei eine Kommunikationsschnittstelle, die leitungsgebundene Daten einlesen oder ausgeben kann, diese Daten beispielsweise elektrisch oder optisch aus einer entsprechenden Datenübertragungsleitung einlesen oder in eine entsprechende Datenübertragungsleitung ausgeben kann.For this purpose, the control device can have at least one computing unit for processing signals or data, at least one storage unit for storing signals or data, at least one interface to a sensor or an actuator for reading in sensor signals from the sensor or for outputting data or control signals to the Have an actuator and / or at least one communication interface for reading or outputting data that is embedded in a communication protocol. The computing unit can be, for example, a signal processor, a microcontroller or the like, whereby the storage unit can be a flash memory, an EEPROM or a magnetic storage unit. The communication interface can be designed to read or output data wirelessly and/or by wire, wherein a communication interface that can read or output wired data can, for example, read this data electrically or optically from a corresponding data transmission line or output it into a corresponding data transmission line.
Unter einem Steuergerät kann vorliegend ein elektrisches Gerät verstanden werden, das Sensorsignale verarbeitet und in Abhängigkeit davon Steuer- und/oder Datensignale ausgibt. Das Steuergerät kann eine Schnittstelle aufweisen, die hard- und/oder softwaremäßig ausgebildet sein kann. Bei einer hardwaremäßigen Ausbildung können die Schnittstellen beispielsweise Teil eines sogenannten System-ASICs sein, der verschiedenste Funktionen des Steuergeräts beinhaltet. Es ist jedoch auch möglich, dass die Schnittstellen eigene, integrierte Schaltkreise sind oder zumindest teilweise aus diskreten Bauelementen bestehen. Bei einer softwaremäßigen Ausbildung können die Schnittstellen Softwaremodule sein, die beispielsweise auf einem Mikrocontroller neben anderen Softwaremodulen vorhanden sind.In the present case, a control device can be understood to mean an electrical device that processes sensor signals and, depending on them, outputs control and/or data signals. The control device can have an interface that can be designed in hardware and/or software. In the case of a hardware design, the interfaces can, for example, be part of a so-called system ASIC, which contains a wide variety of functions of the control unit. However, it is also possible that the interfaces are their own integrated circuits or at least partially consist of discrete components. In the case of software training, the interfaces can be software modules that are present, for example, on a microcontroller alongside other software modules.
Von Vorteil ist auch ein Computerprogrammprodukt mit Programmcode, der auf einem maschinenlesbaren Träger wie einem Halbleiterspeicher, einem Festplattenspeicher oder einem optischen Speicher gespeichert sein kann und zur Durchführung, Umsetzung und/oder Ansteuerung der Schritte des Verfahrens nach einer der vorstehend beschriebenen Ausführungsformen verwendet wird, wenn das Programm auf einem Computer oder einem Steuergerät ausgeführt wird.Also advantageous is a computer program product with program code that can be stored on a machine-readable medium such as a semiconductor memory, a hard drive memory or an optical memory and is used to carry out, implement and/or control the steps of the method according to one of the embodiments described above, if the program is executed on a computer or a control device.
Ausführungsbeispiele des hier vorgestellten Ansatzes sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigt:
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1 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer hier vorgestellten Vorrichtung; -
2 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer hier vorgestellten Vorrichtung; -
3 eine schematische Draufsichtdarstellung eines Werkstücks nach einer Bearbeitung mit einer Vorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel; -
4 ein Histogramm mit Wellenlängenbereichen zur Erläuterung einer Funktionsweise einer hier vorgestellten Vorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel; -
5a eine schematische Darstellung von Bildebenen für eine spezifisch verwendete Wellenlänge zur Erläuterung einer Funktionsweise einer hier vorgestellten Vorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel; -
5b eine schematische Draufsichtdarstellung von Schichten zur Erläuterung einer Funktionsweise einer hier vorgestellten Vorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel; -
6 ein Ablaufdiagramm eines Ausführungsbeispiels eines Verfahrens zum Betreiben einer Vorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel; und -
7 ein Ablaufdiagramm eines Ausführungsbeispiels eines Steuergeräts zum Betreiben einer Vorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel. -
8 ein Ablaufdiagramm eines zweiten Ausführungsbeispiels des Verfahrens
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1 a schematic representation of an exemplary embodiment of a device presented here; -
2 a schematic representation of an exemplary embodiment of a device presented here; -
3 a schematic top view representation of a workpiece after processing with a device according to an exemplary embodiment; -
4 a histogram with wavelength ranges to explain the functionality of a device presented here according to an exemplary embodiment; -
5a a schematic representation of image planes for a specifically used wavelength to explain the functionality of a device presented here according to an exemplary embodiment; -
5b a schematic top view representation of layers to explain the functionality of a device presented here according to an exemplary embodiment; -
6 a flowchart of an exemplary embodiment of a method for operating a device according to an exemplary embodiment; and -
7 a flowchart of an exemplary embodiment of a control device for operating a device according to an exemplary embodiment. -
8th a flowchart of a second exemplary embodiment of the method
In der nachfolgenden Beschreibung günstiger Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden für die in den verschiedenen Figuren dargestellten und ähnlich wirkenden Elemente gleiche oder ähnliche Bezugszeichen verwendet, wobei auf eine wiederholte Beschreibung dieser Elemente verzichtet wird.In the following description of favorable exemplary embodiments of the present invention, the same or similar reference numerals are used for the elements shown in the various figures and having a similar effect, with a repeated description of these elements being omitted.
Um eine solche Bearbeitung durchführen zu können, weist die Vorrichtung 100 eine Lasereinheit 110, eine Beleuchtungseinheit 115 und eine Ermittlungseinheit 120 auf. Gemäß einem Ausführungsbeispiel umfasst die Ermittlungseinheit 120 eine Kamera 125 mit einem Farbfilter 130 und/oder eine Fokussieroptikeinheit 120a. Der Farbfilter 130 kann auch als umschaltbarer Filter für unterschiedliche Wellenlängen bezeichnet werden. Gemäß einem Ausführungsbeispiel weist der Farbfilter 130 eine Mehrzahl von auswechselbaren Farbfiltern zum Filtern von Licht mit unterschiedlichen Wellenlängen auf, in diesem Ausführungsbeispiel sechs auswechselbare Farbfilter, die beispielsweise in einer Filterschiene oder einem Revolversystem angeordnet sind. Zwischen dem Farbfilter 130 und der Lasereinheit 110 ist gemäß einem Ausführungsbeispiel eine Optik 175 des Kamerakanals mit möglicher optischer z-Einstellung angeordnet. Die Vorrichtung 100 weist gemäß einem Ausführungsbeispiel ein Steuergerät 155, das auch als Steuereinheit bezeichnet werden kann und einen Computer 153, der auch als Auswerte-PC bezeichnet werden kann auf, die signalübertragungsfähig mit anderen Komponenten der Vorrichtung 100 verbunden ist. Der Bereich eines optischen Kopfes 170 ist beispielhaft dargestellt.In order to be able to carry out such processing, the
Zwischen der Ermittlungseinheit 120 und der Fokussieroptikeinheit 120a, die auch als Laser-Fokussieroptik bezeichnet werden kann, ist beispielhaft die Lasereinheit 110 angeordnet. Die Lasereinheit 110, die auch als Laserlicht in einen Laserpfad ausgeben kann, ist ausgebildet, um einen Laserlichtstrahl auf das Werkstück 105 auszusenden, um das Werkstück 105 zu bearbeiten. Beispielsweise kann das Werkstück 105, das auch als Bearbeitungsgut bezeichnet werden, mittels des Laserlichtstrahls geschweißt werden. Um den Laserlichtstrahl auf das Werkstück 115 auszusenden, weist die Vorrichtung 100 einen teildurchlässigen Spiegel 135 auf, der unterhalb der Lasereinheit 110 schräg angeordnet ist und den Laserlichtstrahl auf das Werkstück 105 leitet. Der Spiegel 135 kann auch als Lasereinkopplung oder Strahlteiler bezeichnet werden. In dem hier gezeigten Ausführungsbeispiel verläuft der Laserlichtstrahl durch einen optischen Pfad 140, der L-förmig ausgeformt ist, sodass auf einer gegenüberliegenden Seite des Spiegels 135 zumindest ein weiterer Spiegel 145 (gegebenenfalls auch zwei weitere Spiegel) angeordnet ist, um zusammen mit dem Spiegel 135 den Laserlichtstrahl auf das Werkstück 105 zu leiten. Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist der Spiegel 135 oder der weitere Spiegel 145 schwenkbar ausgeformt und an der Lasereinheit 110, der Beleuchtungseinheit 115 und/oder der Ermittlungseinheit 120 anordenbar.The
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel weist die Vorrichtung 100 eine Scanneinheit 150 auf, die auch als x,y-Scanner bezeichnet werden kann und die ausgebildet ist, um den Laserlichtstrahl der Lasereinheit 110 durch ein Verkippen des weiteren Spiegels 145 über das Werkstück 105 zu bewegen. Die Scanneinheit 150 ist beispielsweise zwischen der Lasereinheit 110 und der Fokussieroptikeinheit 120a angeordnet. Unterhalb der Fokussieroptikeinheit 120a ist beispielsweise die Beleuchtungseinheit 115 angeordnet.According to a further exemplary embodiment, the
Die Beleuchtungseinheit 115 ist ausgebildet, um das Werkstück 105 zu beleuchten. Dazu weist die Beleuchtungseinheit 115 beispielsweise eine Lichtquelle oder mehrere Lichtquellen zur Ausgabe von Licht in mehreren Wellenlängen auf, um das Werkstück 105 mit einem Licht zumindest zwei Wellenlängen zu beleuchten. Die Beleuchtungseinheit 115 kann auch als Beleuchtung für Licht mit mehreren Wellenlängen bezeichnet werden. Die von der Beleuchtungseinheit 115 ausgesendeten Lichter werden von dem Werkstück 105 reflektiert, sodass die reflektierten Lichter unter Verwendung der Spiegel 135, 145 durch den optischen Pfad 140 geführt werden. Dabei sind die Lasereinheit 110 und die Beleuchtungseinheit 115 gemäß einem Ausführungsbeispiel ausgebildet, um die reflektierten Lichtstrahlen des ersten Lichts und des zweiten Lichts und den Laserlichtstrahl gemeinsam durch den optischen Pfad 140 zu führen.The lighting unit 115 is designed to illuminate the
Genauer gesagt beleuchtet die Beleuchtungseinheit 115 das Werkstück 105 mit einem Licht einer ersten Wellenlänge. Das Licht wird von dem Werkstück 105 reflektiert, sodass ein reflektiertes erstes Licht erzeugt wird. Ferner beleuchtet die Beleuchtungseinheit 115 das Werkstück 105 mit einem Licht einer zweiten Wellenlänge, um ein von dem Werkstück 105 reflektiertes zweites Licht zu erhalten. Die erste Wellenlänge und die zweite Wellenlänge sind unterschiedlich. Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist die Beleuchtungseinheit 115 ausgebildet, um zumindest das erste Licht und das zweite Licht zu einem gleichen Zeitpunkt und/oder zu unterschiedlichen Zeitpunkten auszugeben. Zusätzlich oder alternativ weist die Beleuchtungseinheit 115 eine erste Einheit 160 und eine zweite Einheit 165 auf. Die erste Einheit 160 ist ausgebildet, um das Werkstück 105 mit dem ersten Licht zu beleuchten und die zweite Einheit 165 ist ausgebildet, um das Werkstück 105 mit dem zweiten Licht zu beleuchten. Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist ein Abstand eines Teilbereichs des Werkstücks 105 zur Fokussieroptikeinheit 120a unter Auswertung einer Brennebene des ersten Lichts und einer Brennebene des zweiten Lichts erfassbar. Die Optik der Fokussieroptikeinheit 120a ist so gestaltet, dass der axiale Farbfehler der Laseroptik, F-Theta, durch gezielte Glasauswahl ein Dispersionsunterschied erzeugt und im Zusammenspiel mit der Laseroptik eine Apo- bzw. Achromation des Kamerapfades erzeugt wird. Gemäß einem Ausführungsbeispiel weist die Fokussieroptikeinheit 120a mindestens eine asphärische Linse auf. Dies führt dazu, dass die Kamera über das Bearbeitungsfeld und über die genutzten Wellenlängen eine scharfe Abbildung erzeugen kann.More specifically, the lighting unit 115 illuminates the
Die Ermittlungseinheit 120 ist ausgebildet, um das von dem Werkstück 105 reflektierte erste Licht und das reflektierte zweite Licht einzulesen. Nach dem Einlesen ermittelt die Ermittlungseinheit 120 einen Parameter des Werkstücks 105 unter Verwendung einer Größe des reflektierten ersten Lichtes und einer Größe des reflektierten zweiten Lichtes. Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist die Ermittlungseinheit 120 ausgebildet, um als den Parameter des Werkstücks 105 ein Material des Werkstücks 105 und/oder eine Güte, also eine Qualität, eine durch den Laserlichtstrahl hergestellten Bearbeitungsstruktur des Werkstücks 105 auszuwerten. Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel ist die Ermittlungseinheit 120 ausgebildet, um als die Größe des ersten Lichts und des zweiten Lichts je eine Intensität, also die Graustufe des ersten Lichts und des zweiten Lichts auszuwerten.The
Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist die Beleuchtungseinheit 115 ausgebildet, um das Werkstück 105 mit zumindest einem Licht mit einer von der ersten Wellenlänge und zweiten Wellen-länge unterschiedlichen dritten Wellenlänge zu beleuchten, um ein von dem Werkstück 105 reflektiertes drittes Licht zu erhalten. Dabei kann die Beleuchtungseinheit 115 auch ausgebildet sein, um das Werkstück 105 mit Lichtern von mehr als drei, beispielsweise sechs Wellenlängen zu beleuchten. Die Ermittlungseinheit 120 ist dementsprechend ausgebildet, um das von dem Werkstück 105 reflektierte dritte Licht (bzw. bei entsprechend Lichtern mit entsprechend mehr Wellenlängen auch diese) zu erfassen, um einen Parameter des Werkstücks 105 unter Verwendung einer Größe des dritten Lichtes (bzw. den Größen der weiteren erfassten Lichter unterschiedlicher Wellenlängen) zu ermitteln.According to an exemplary embodiment, the lighting unit 115 is designed to illuminate the
In anderen Worten ausgedrückt ermöglicht der hier vorgestellte Ansatz eine InlineÜberwachung eines scanerbasierten Schweißprozesses mit unterschiedlichen Wellenlängen im trough-the-lens-Betrieb, kurz TTL, durch die Bearbeitungsoptik mittels multispektraler Beleuchtung. Aus den erhaltenen Daten sind Absorptionseigenschaften, Materialeigenschaften, Prozessfehler, Geometrie und Höhenprofile ableitbar.In other words, the approach presented here enables inline monitoring of a scanrer-based welding process with different wavelengths in trough-the-lens operation, TTL for short, through the processing optics using multispectral lighting. Absorption properties, material properties, process errors, geometry and height profiles can be derived from the data obtained.
Der grundlegender mechanischer Aufbau und die Funktion sind bereits bekannt, sodass nur wenige Änderungen/Adaptionen nötig sind. Es wird eine Multiwellenlängenbeleuchtung mit mindestens zwei unterschiedlichen Quellen, beispielsweise über die Beleuchtungseinheit 115, die auch als Ringlichter bezeichnet werden kann, um die Fokussieroptikeinheit 120a oder ähnliches ermöglicht. Ein Ausgleich eines Farblängsfehlers der Fokussieroptikeinheit 120a erfolgt über eine Flüssiglinse oder über ein Autofokusobjektiv, wodurch eine komplette Beobachtung im TTL möglich ist.The basic mechanical structure and function are already known, so only a few changes/adaptations are necessary. Multi-wavelength illumination is made possible with at least two different sources, for example via the illumination unit 115, which can also be referred to as ring lights, around the focusing
Ein Umschalten der Beleuchtungswellenlänge ist über ein Filter 130 im Beobachtungskanal bei eingeschalteten Einheiten 160, 165, die auch als Quellen bezeichnet werden können, geregelt. Auch ist ein Einschalten und Ausschalten der einzelnen Einheiten 160, 165 möglich.Switching the illumination wavelength is regulated via a
Möglich ist auch eine Anordnung einer optischen z-Achse im optischen Pfad 140, der auch als Strahlengang des Lasers bezeichnet werden kann, vor dem Beobachtungskanal, um den Farblängsfehler adaptiv zu korrigieren. Alternativ ist die z-Achse, beispielsweise Flüssiglinse, Autofokusobjektiv, nur im optischen Pfad 140, der auch als Beobachtungskanal bezeichnet werden kann, vor dem Spiegel 134 untergebracht.It is also possible to arrange an optical z-axis in the
Ein Farbquerfehler wird über eine gezielte Ansteuerung der Scannerspiegel korrigiert. Ein Abbildungsfehler bzw. eine Verzerrung wird über den Computer 153, der auch als Auswertesoftware bezeichnet werden kann, korrigiert. Dies wird über das bei 2D-Scannern übliche Laser-Look-up-Table (LLUT) ermöglicht. Dies bildet die Grundlage für die Simulationen der Kamera-Look-up-Table (CLUT). Für diese Simulation wird der optische Aufbau einschließlich des Kamerakanals simuliert. Das reale Verhalten der Scanneinheit 150, die auch als Scanner bezeichnet werden kann und der Fokussieroptikeinheit 120a, die auch als F-Theta bezeichnet werden kann, wird bei der Wellenlänge des benutzten Bearbeitungslasers, beispielsweise λ = 1064 Nanometer, über die LLUT hinreichend genau beschrieben. Für jede Beleuchtungswellenlänge werden separate CLUTs simuliert. Dazu werden die Positionen der Scannerspiegel so optimiert, dass mit Hilfe der LLUT bei der Wellenlänge des benutzten Bearbeitungslasers ein Punktraster von 21 x 21 angefahren werden kann. Das gleiche Raster kann für die Beleuchtungswellenlängen angefahren werden. Dadurch wird die durch das F-Theta verursachte laterale chromatische Aberration, die von der Mitte zu den Ecken des Arbeitsbereichs hin zu nimmt, durch die Scanneinheit 150 korrigiert. Allerdings ist durch dieses Verfahren nur ein 1-dimensionales Signal korrigierbar und kein 2-dimensionales Signal einer Kamerasensorfläche. Dies bedeutet, dass ein Quadrat durch die Laseroptik als verzerrtes Quadrat abgebildet wird. Dieser Effekt nimmt mit zunehmendem Arbeitsflächenwinkel zu. Aus diesem Grund wird in einem zweiten Simulationsschritt für jeden Rasterpunkt eine quadratische Fläche auf der Arbeitsfläche angenommen und durch das System auf den Kamerasensor projiziert. Dabei entspricht das Bild des Mittelpunkts der quadratischen Fläche (x, y) auch genau dem Kamerazentrum in der Abbildungsebene. Weiterhin wird der Abstand der Eckpunkte (x1, y1 / x2, y2 / x3, y3 / x4, y4) zum Mittelpunkt (x, y) bestimmt und durch einen Vergleich mit den realen Abmessungen im Arbeitsbereich werden für jede Eckkoordinate zwei Skalierungsfaktoren gebildet. Daraus ergibt sich die CLUT, mit der für jede angefahrene Arbeitsbereichsposition eine bestimmte Verzerrung auf das Kamerabild angewendet wird, um ein geometrisch korrektes Bild zu erhalten. Werden Positionen zwischen den 21 x 21 Punktrastern angefahren, werden die Zielpositionen und Skalierungsfaktoren mit zwei (genau auf einer Linie zwischen zwei Punkten) oder mit vier benachbarten Punkten (im Raum zwischen vier Punkten) interpoliert. Die Daten ermöglichen es auch, den gesamten Arbeitsbereich mit der Kamera abzutasten und ein zusammengesetztes Übersichtsbild zu erstellen. Für jede Wellenlänge wird eine eigene CLUT berechnet.A lateral color error is corrected by targeted control of the scanner mirrors. An imaging error or distortion is corrected via the
Um Rückschlüsse auf die Absorptionseigenschaften und Reflexionseigenschaften der Materialien ziehen zu können, werden die einzelnen Belichtungszeiten über ein Kalibrierungsschritt ermittelt. Dies kann über ein hochreflektierendes kalibriertes Testtarget gemacht werden. Das spektrale Verhalten des Materials muss genau bekannt sein und würde idealerweise bei allen Wellenlängen eine 100-prozentige Reflektivität aufweisen, was technisch allerdings nur eingeschränkt möglich ist. Der bei der Belichtungszeit ermittelte mittlere Grauwert des Bildes entspricht der Reflektivität des Testtargets. Aufgrund von Clipping-Aperturen im Kamerakanal kommt es zu geometrischen Abschattungen im Einzelbild. Bei einem maximal erreichten Grauwert von 255 im Histogramm des Bildes ist das Zentrum bereits überbelichtet und es kommt zu Informationsverlusten. Daher ist die Belichtungszeit bewusst so eingestellt, dass der Graustufenwert von 255 nicht überschritten wird. Folglich entspricht ein höherer Wert einem Reflexionsgrad größer als 100 Prozent.In order to be able to draw conclusions about the absorption properties and reflection properties of the materials, the individual exposure times are determined via a calibration step. This can be done using a highly reflective calibrated test target. The spectral behavior of the material must be known precisely and would ideally have 100 percent reflectivity at all wavelengths, although this is technically only possible to a limited extent. The average gray value of the image determined during the exposure time corresponds to the reflectivity of the test target. Due to clipping apertures in the camera channel, geometric shadowing occurs in the individual image. At a maximum gray value of 255 in the histogram of the image, the center is already overexposed and information is lost. The exposure time is therefore deliberately set so that the grayscale value of 255 is not exceeded. Consequently, a higher value corresponds to a reflectance greater than 100 percent.
Um den durch die Schattierungen verursachten Graustufenkeil von der Bildmitte zum Bildrand zu korrigieren, sind die Schattierungen im Einzelbild durch einen Weißabgleich auf den Grauwert von 255 eingestellt. Als Grundlage dient ein Bild des kalibrierten Testtargets mit den ermittelten Belichtungszeiten. Für jedes in Zukunft aufgenommene Bild sind die Pixel der Korrektur zu den Pixeln des Bildes addiert.In order to correct the grayscale wedge caused by the shading from the center of the image to the edge of the image, the shading in the individual image is set to the gray value of 255 using a white balance. An image of the calibrated test target with the determined exposure times serves as the basis. For each image taken in the future, the pixels of the correction are added to the pixels of the image.
Aus den korrigierten Einzelbildern oder auch aus den zusammengefügten Bildern wird dann ein Histogramm, abgeleitet, wie es nachfolgend noch näher dargestellt und beschrieben wird. Für die Ableitung der Extinktion aus den Bildern sind zwei Werte des Histogramms entscheidend, nämlich der mittlere Grauwert µ und die Standardabweichung σ. Der Mittelwert des Histogramms gibt hier den maximalen Graustufenwert von 255 an und entspricht somit 100 Prozent Reflexion bei einer bestimmten Wellenlänge. Der Graustufenwert 0 entspricht einer Absorption von 100 Prozent Aus der Veränderung des Histogramms bei verschiedenen Beleuchtungswellenlängen lassen sich dann Rückschlüsse auf die materialabhängigen Absorptionseigenschaften- und Reflexionseigenschaften des Pulvers oder allgemein des Materials bzw. Materialtyps ziehen. Aus der Standardabweichung des Histogramms lässt sich der Streubereich der Absorptionswerte ableiten.A histogram is then derived from the corrected individual images or from the combined images, as will be shown and described in more detail below. Two values of the histogram are crucial for deriving the extinction from the images, namely the mean gray value µ and the standard deviation σ. The average value of the histogram indicates the maximum grayscale value of 255 and therefore corresponds to 100 percent reflection at a certain wavelength. The
Für die Absorptionskartierung des Arbeitsbereichs können die Absorptionswerte für einzelne Kacheln mit beispielsweise 200 x 200 Pixeln bestimmt werden. Ein Literaturwert oder bekannter Absorptionswerte kann für jede Wellenlänge als Basis genommen werden. Die aus dem Histogramm abgeleitete Extinktion subtrahiert vom bekannten Absorptionswert bildet einen Absolutwert und zeigt wesentliche Abweichungen an. Für den absoluten Wert jeder Kachel ist ein Schwellenwert festgelegt, der der abgeleiteten Absorption aus der Standardabweichung des Histogramms σ entspricht. Ein absoluter Wert unterhalb dieses Schwellenwerts entspricht dem Wert 0. Eine Addition aller Wellenlängen der einzelnen Kacheln bildet die Absorptionsdaten für ein multispektrales Übersichtsbild, in dem die Materialabweichungen verstärkt dargestellt werden (
Die Fokussieroptikeinheit 120a kann beispielsweise als F-Theta-Optik bezeichnet werden. Der Spiegel 135 ist gemäß einem Ausführungsbeispiel als ein dichroitischer Spiegel ausgeformt.The focusing
Beispielhaft ist eine x-y-z-Achse 200 dargestellt. Das Werkstück 105 weist beispielsweise eine unebene Oberfläche auf, wobei ein Ausschnitt 205 des Werkstücks 105 in
Die x-Achse 510 und die y-Achse 520 repräsentieren die Größe der Schichten 500 in Pixel. Eine Skala 525 repräsentiert beispielhaft die absolute Absorptionsabweichung.The x-axis 510 and the y-axis 520 represent the size of the layers 500 in pixels. A scale 525 exemplifies the absolute absorption deviation.
Das Verfahren 600 weist einen Schritt 605 des Ausgebens, einen Schritt 610 des Aktivierens, einen Schritt 615 des Erfassens und einen Schritt 620 des Ermittelns auf. Der Schritt 605 des Ausgebens wird ausgeführt, um den Laserlichtstrahl von der Lasereinheit auszugeben, um das Werkstück an wenigstens einer Bearbeitungsstelle zu bearbeiten. Der Schritt 610 des Aktivierens wird ausgeführt, um die Beleuchtungseinheit zu aktivieren, um das Werkstück mit einem Licht einer ersten Wellenlänge an einer Beleuchtungsstelle, welche die Bearbeitungsstelle enthält, zu beleuchten, um ein von dem Werkstück reflektiertes erstes Licht zu erhalten und um das Werkstück an der Beleuchtungsstelle mit einem Licht mit einer von der ersten Wellenlänge unterschiedlichen zweiten Wellenlänge zu beleuchten, um ein von dem Werkstück reflektiertes zweites Licht zu erhalten. Der Schritt 615 des Erfassens wird ausgeführt, um das von dem Werkstück reflektierte erste und zweite Licht zu erfassen. Der Schritt 620 des Ermittelns wird ausgeführt, um einen Parameter des Werkstücks wenigstens an der Bearbeitungsstelle unter Verwendung einer Größe des reflektierten ersten Lichtes und einer Größe des reflektierten zweiten Lichtes zu ermitteln. Der Parameter kann im Schritt 620 des Ermittelns beispielsweise entweder an der Bearbeitungsstelle oder als Mittelwert über einen größeren Bildbereich ermittelt werden.The
Das Verfahren 600 weist einen Schritt 610 des Aktivierens, einen Schritt 615 des Erfassens und einen Schritt 620 des Ermittelns auf. Der Schritt 610 des Aktivierens wird ausgeführt, um die Beleuchtungseinheit zu aktivieren, um das Werkstück mit einem Licht einer ersten Wellenlänge an einer Beleuchtungsstelle, welche die Bearbeitungsstelle enthält, zu beleuchten, um ein von dem Werkstück reflektiertes erstes Licht zu erhalten und um das Werkstück an der Beleuchtungsstelle mit einem Licht mit einer von der ersten Wellenlänge unterschiedlichen zweiten Wellenlänge zu beleuchten, um ein von dem Werkstück reflektiertes zweites Licht zu erhalten. Der Schritt 615 des Erfassens wird ausgeführt, um das von dem Werkstück reflektierte erste und zweite Licht zu erfassen. Der Schritt 620 des Ermittelns wird ausgeführt, um einen Parameter des Werkstücks wenigstens an der Bearbeitungsstelle unter Verwendung einer Größe des reflektierten ersten Lichtes und einer Größe des reflektierten zweiten Lichtes zu ermitteln. Der Parameter kann im Schritt 620 des Ermittelns beispielsweise entweder an der Bearbeitungsstelle oder als Mittelwert über einen größeren Bildbereich ermittelt werden. In diesem Ausführungsbeispiel wird der Parameter vor dem Bearbeiten mit dem Laserstrahl ermittelt.The
In diesem Ausführungsbeispiel erfolgt der Schritt 605 des Ausgebens erst, nachdem der Parameter ermittelt ist, Der Schritt 605 des Ausgebens wird ausgeführt, um den Laserlichtstrahl von der Lasereinheit auszugeben, um das Werkstück an wenigstens einer Bearbeitungsstelle zu bearbeiten.In this exemplary embodiment, the
Gemäß einer Abwandlung des ersten oder zweiten Ausführungsbeispiels kann nachfolgend nach dem Schritt 620 des Ermittelns ein Schritt des Berechnens einer Solllaserenergie aus dem Parameter erfolgen, wobei das Ausgeben des Laserlichtstrahls mit der berechneten Solllaserenergie an die Bearbeitungsstelle erfolgt. Dazu kann beispielsweise das noch nicht verarbeitete Material, beispielsweise das noch nicht aufgeschmolzene Pulver analysiert werden und erst in einem abschließenden Schritt mittels des Lasers erhitzt und auf- bzw. an das Werkstück angeschmolzen werden.According to a modification of the first or second exemplary embodiment, step 620 of determining can be followed by a step of calculating a target laser energy from the parameter, with the laser light beam with the calculated target laser energy being output to the processing point. For this purpose, for example, the material that has not yet been processed, for example the powder that has not yet been melted, can be analyzed and only heated in a final step using the laser and melted onto or onto the workpiece.
Gemäß einer weiteren Abwandlung des ersten oder zweiten Ausführungsbeispiels kann das Verfahren mehrfach nacheinander an verschiedenen Bearbeitungsstellen durchgeführt werden.According to a further modification of the first or second exemplary embodiment, the method can be carried out several times in succession at different processing points.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel kann im Schritt des Ausgebens der Lichtstrahl derart mit der Solllaserenergie ausgegeben werden, dass ein vorliegendes Material, insbesondere ein Metallpulver, an der Bearbeitungsstelle aufgeschmolzen wird. Hierdurch kann eine präzise Ansteuerung der erforderlichen Energiemenge vorgenommen werden, sodass Fehler bei der Herstellung des Werkstücks weitgehend vermieden werden können.According to a further exemplary embodiment, in the output step, the light beam can be output with the target laser energy in such a way that a material present, in particular a metal powder, is melted at the processing point. This allows precise control of the required amount of energy, so that errors in the production of the workpiece can be largely avoided.
Schließlich kann gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel im Schritt des Ausgebens die Solllaserenergie durch eine Veränderung einer Ausgabeleistung des Lasers und/oder einer Pulsdauer des Lasers und/oder einer Anzahl von Laserpulsen eingestellt werden. Dies ermöglicht eine schnelle, flexible und präzise Einstellung der erforderlichen Energieausgabe durch den Laser, sodass eine effiziente Bearbeitung oder Herstellung des Werkstücks gewährleistet werden kann.Finally, according to a further exemplary embodiment, in the step of outputting, the target laser energy can be adjusted by changing an output power of the laser and/or a pulse duration of the laser and/or a number of laser pulses. This allows for quick, flexible and precise adjustment of the required energy output by the laser, ensuring efficient machining or manufacturing of the workpiece.
Umfasst ein Ausführungsbeispiel eine „und/oder“-Verknüpfung zwischen einem ersten Merkmal und einem zweiten Merkmal, so ist dies so zu lesen, dass das Ausführungsbeispiel gemäß einer Ausführungsform sowohl das erste Merkmal als auch das zweite Merkmal und gemäß einer weiteren Ausführungsform entweder nur das erste Merkmal oder nur das zweite Merkmal aufweist.If an exemplary embodiment includes an “and/or” link between a first feature and a second feature, this should be read as meaning that the exemplary embodiment, according to one embodiment, has both the first feature and the second feature and, according to a further embodiment, either only that first feature or only the second feature.
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- 2022-04-13 DE DE102022109014.0A patent/DE102022109014A1/en active Pending
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