DE102022134609A1 - Verfahren zur Zeitoptimierung einer Laserbearbeitung eines Objekts - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren, insbesondere computerimplementiertes Verfahren, zur Zeitoptimierung einer Laserbearbeitung eines Objekts (1), bei der ein Laser (2) entlang einer vorgegebenen Bearbeitungsbahn (4) auf dem Objekt (1) durch ein Galvo-Scansystem (3) führbar ist, bei dem ein ortsabhängiger Energieeintragsverlauf E(s) (15) entlang der vorgegebenen Bearbeitungsbahn (4) in das Objekt durch den Laser festgelegt ist;bei dem ein ortsabhängiger erster Leistungsverlauf L1(s) (23) des Lasers (2) entlang der Bearbeitungsbahn (4) festgelegt wird und bei dem anhand des ortsabhängigen ersten Leistungsverlaufs L1(s) (23) und des ortsabhängigen Energieeintragsverlaufs E(s) (15) ein ortsabhängiger idealisierter Geschwindigkeitsverlauf vmax(s) (16) berechnet wird;bei dem ein zeitabhängiger Bahnfortschritt s(t) derart berechnet wird, dass ein realisierbarer Geschwindigkeitsverlauf v(s) (17) des Lasers (2) entlang der Bearbeitungsbahn (4) durch den ortsabhängigen idealisierten Geschwindigkeitsverlauf vmax(s) (16) beschränkt ist und zumindest eine Dynamikgrenze des Galvo-Scansystems (3) entlang der Bearbeitungsbahn (4) eingehalten wird; undbei dem ein zeitabhängiger zweiter Leistungsverlauf L2(s(t)) (24) berechnet wird, wobei der ortsabhängige erste Leistungsverlauf L1(s) (23) derart reduziert wird, dass an Orten (s) der Bearbeitungsbahn (4), an denen der realisierbare Geschwindigkeitsverlauf v(s) (17) geringer ist als der ortsabhängige idealisierte Geschwindigkeitsverlauf vmax(s) (16), der ortsabhängige Energieeintragsverlauf E(s) (15) erzielt wird.

Description

• Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren, insbesondere computerimplementiertes Verfahren, zur Zeitoptimierung einer Laserbearbeitung eines Objekts, bei der ein Laser entlang einer vorgegebenen Bearbeitungsbahn auf dem Objekt durch ein Galvo-Scansystem führbar ist, bei dem ein ortsabhängiger Energieeintragsverlauf E(s) entlang der vorgegebenen Bearbeitungsbahn in das Objekt durch den Laser festgelegt ist. Außerdem wird beim Verfahren bei dem ein ortsabhängiger erster Leistungsverlauf L₁(_S) des Lasers entlang der Bearbeitungsbahn festgelegt und bei dem anhand des ortsabhängigen ersten Leistungsverlaufs L₁(_S) und des ortsabhängigen Energieeintragsverlaufs E(s) ein ortsabhängiger idealisierter Geschwindigkeitsverlauf v_max(s) berechnet. Weiterhin wird ein zeitabhängiger Bahnfortschritt s(t) derart berechnet, dass ein realisierbarer Geschwindigkeitsverlauf v(s) des Lasers entlang der Bearbeitungsbahn durch den ortsabhängigen idealisierten Geschwindigkeitsverlauf v_max(s) beschränkt ist und zumindest eine Dynamikgrenze des Galvo-Scansystems entlang der Bearbeitungsbahn eingehalten wird. Ein zeitabhängiger zweiter Leistungsverlauf L₂(s(t)) wird berechnet, wobei der ortsabhängige erste Leistungsverlauf L₁(_S) derart reduziert wird, dass an Orten (s) der Bearbeitungsbahn, an denen der realisierbare Geschwindigkeitsverlauf v(s) geringer ist als der ortsabhängige idealisierte Geschwindigkeitsverlauf v_max(s), der ortsabhängige Energieeintragsverlauf E(s) erzielt wird.
• Bei einer Laserbearbeitung oder auch bei einer Laserbehandlung wird im Allgemeinen ein möglichst hoher Bearbeitungsdurchsatz bzw. eine möglichst kurze Behandlungszeit angestrebt. Dazu kann die Bahngeschwindigkeit in Abhängigkeit der verfügbaren Leistung des Lasers und der Eigenschaften des Laserprozesses möglichst hoch gewählt werden und als Lasergeschwindigkeit für den Laserprozess festgelegt werden.
• Ebenso kann für Sprünge (mit abgeschaltetem Laser) zwischen verschiedenen Abschnitten des Bearbeitungsplans eine höhere Geschwindigkeit vorgesehen werden (Sprunggeschwindigkeit), um die gesamte Bearbeitungszeit zu verkürzen.
• Eine Echtzeitsteuerung des Galvanometer-Scansystems stellt für diese Verfahren typisch automatische Funktionen bereit, die zur Ausführungszeit der Lasermaterialbearbeitung Anpassungs-Korrekturen auf Basis von Steuerungsdaten oder Sensor-Werten ausführen (z.B. SCANLAB RTC6 automatische Lasersteuerung / Funktion Spot Distance Control).
• Diese Funktionen können in der Regel vom Anwender konfiguriert werden. Hierbei können bekannte Abhängigkeiten des Prozesses von einem oder mehreren Prozessparametern in einer Kennlinie oder Parametertabelle hinterlegt sein, auf deren Basis die Laserleistung in Abhängigkeit eines oder mehrerer Prozessparameter richtig eingestellt wird. Beispielsweise kann der erzeugte Grauwert eines lasermarkierten Pixels eines Bildes über eine nicht-lineare Funktion (z.B. Gamma-Korrektur) mit der einzusetzenden Laserleistung zusammenhängen. Beispielsweise kann die Laserleistung auch in Abhängigkeit der Scanposition und/oder einer Defokussierung des Lasers korrigiert werden. Insbesondere kann die benötigte Laserleistung auch nichtlinear mit der Bahngeschwindigkeit des Scanners zusammenhängen.
• Typisch folgen die positionsgeregelten Galvanometer-Scanner der vorgegebenen Bahn nicht exakt, sondern - bedingt durch die Eigenschaften des Positionsreglers - mit einem zeitlichen Schleppverzug. Der Schleppverzug wird typisch durch eine zeitliche Verzögerung der Laseransteuerung („Laser-Delays“) ausgeglichen, wodurch die Bahnabweichungen (Schleppfehler) zumindest entlang gerader Bahnen mit konstanter Bahngeschwindigkeit weitgehend korrigiert werden kann.
• Aus der WO 2020/025771 A1 ist ein Verfahren zur Laserbearbeitung eines Objekts bekannt.
• Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die Laserbearbeitung bzw. die Laserbehandlung schneller durchzuführen.
• Die Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren, das Computerprogramm, das computerlesbare Speichermedium und durch eine Laserbearbeitungsvorrichtung mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche.
• Vorgeschlagen wird ein Verfahren, insbesondere computerimplementiertes Verfahren, zur Zeitoptimierung einer Laserbearbeitung eines Objekts, bei der ein Laser entlang einer vorgegebenen Bearbeitungsbahn auf dem Objekt durch ein Galvo-Scansystem führbar ist. Bei der Führung des Lasers wird ein Strahl des Lasers über das Objekt geführt und bewegt, womit das Objekt bearbeitet wird. Beim Objekt kann es sich um ein Werkstück handeln, das beispielsweise geschnitten, geschweißt und/oder graviert wird. Weiterhin kann das Werkstück auch derart bearbeitet werden, dass Bereiche an der Oberfläche abgetragen werden. Zusätzlich oder alternativ kann das Objekt auch ein Körperteil sein, wenn die Laserbearbeitung Anwendung im medizinischen Bereich findet. Weiterhin kann das Objekt auch ein Textilstück sein, welches beschriftet werden soll. Hierbei kann mittels des Lasers ein Farbstoff am Textilstück aufgelöst werden, so dass die entsprechende Stelle ausgebleicht wird.
• Beim Verfahren ist ein ortsabhängiger Energieeintragsverlauf E(s) entlang der vorgegebenen Bearbeitungsbahn in das Objekt durch den Laser festgelegt. Der ortsabhängige Energieeintragsverlauf E(s) gibt an, an welchen Orten entlang der Bearbeitungsbahn der Energieeintrag wie hoch ist. Soll beispielsweise am Werkstück Material abgetragen werden, hängt die abgetragene Materialmenge zumindest von dem Energieeintrag ab. Der ortsabhängige Energieeintragsverlauf E(s) ist somit ein Vorgabewertverlauf oder wird aus einem Vorgabewertverlauf berechnet. Der Vorgabewertverlauf kann angeben, wie das bearbeitete Objekt nach der Bearbeitung ausgebildet sein soll.
• Beim Verfahren wird ein ortsabhängiger erster Leistungsverlauf L₁(_S) des Lasers entlang der Bearbeitungsbahn festgelegt und anhand des ortsabhängigen ersten Leistungsverlaufs L₁(_S) und des ortsabhängigen Energieeintragsverlaufs E(s) wird ein ortsabhängiger idealisierter Geschwindigkeitsverlauf v_max(s) berechnet. Der ortsabhängige erste Leistungsverlauf L₁(_S) kann so hoch wie möglich festgelegt werden, um in kurzer Zeit einen hohen Energieeintrag zu erhalten. Beispielsweise kann der ortsabhängige erste Leistungsverlauf L₁(_S) die maximale Laserleistung sein oder zumindest knapp an diese heranreichen. Der ortsabhängige idealisierte Geschwindigkeitsverlauf v_max(s) gibt die maximale Geschwindigkeit des Lasers entlang der Bearbeitungsbahn an, bei der beim ortsabhängigen ersten Leistungsverlauf L₁(s) gerade der ortsabhängige Energieeintragsverlauf E(s) erreicht wird.
• Weiterhin wird beim Verfahren ein zeitabhängiger Bahnfortschritt s(t) derart berechnet, dass ein realisierbarer Geschwindigkeitsverlauf v(s) des Lasers entlang der Bearbeitungsbahn durch den ortsabhängigen idealisierten Geschwindigkeitsverlauf v_max(s) beschränkt ist und zumindest eine Dynamikgrenze des Galvo-Scansystems entlang der Bearbeitungsbahn (4) eingehalten wird. Zwar stellt der ortsabhängige idealisierte Geschwindigkeitsverlauf v_max(s) das Optimum dar, jedoch kann dieses Optimum aufgrund der Dynamikgrenze des Galvo-Scansystems nicht erreicht werden. Hierfür wird der zeitabhängige Bahnfortschritt s(t) derart berechnet, dass der realisierbare Geschwindigkeitsverlauf v(s) die Dynamikgrenzen einhält. Dieser Verlauf ist dann durch den ortsabhängigen idealisierten Geschwindigkeitsverlauf v_max(s) beschränkt, d.h. der ortsabhängige realisierbare Geschwindigkeitsverlauf v(s) überschreitet den ortsabhängigen idealisierten Geschwindigkeitsverlauf v_max(s) an keinem Ort.
• Aus dem zeitabhängigen Bahnfortschritt s(t) kann des Weiteren die Bearbeitungsbahn auf dem Objekt berechnet werden, wobei die Bearbeitungsbahn als p(s(t)) dargestellt werden kann. Das p(s(t)) kann hierbei beispielsweise zwei Komponenten umfassen, also zweidimensional sein. Alternativ kann das p(s(t)) auch drei Komponenten umfassen, also dreidimensional sein. Das p(s(t)) gibt die Koordinaten des Lasers auf dem Objekt an. Beispielsweise kann das p(s(t)) in einem kartesischen Koordinatensystem definiert sein, das die Koordinaten des Lasers auf dem Objekt beschreibt. Das p(s(t)) kann auch als Vektor in Abhängigkeit des zeitabhängigen Bahnfortschritts s(t) dargestellt sein.
• Um den gegenüber dem ortsabhängigen idealisierten Geschwindigkeitsverlauf v_max(s) beschränkten ortsabhängigen realisierbaren Geschwindigkeitsverlauf v(s) auszugleichen, wird ein zeitabhängiger zweiter Leistungsverlauf L₂(s(t)) berechnet, wobei der ortsabhängige erste Leistungsverlauf L₁(_S) derart reduziert wird, dass an Orten (s) der Bearbeitungsbahn, an denen der realisierbare Geschwindigkeitsverlauf v(s) geringer ist als der ortsabhängige idealisierte Geschwindigkeitsverlauf v_max(s), der ortsabhängige Energieeintragsverlauf E(s) erzielt wird.
• Der ortsabhängige Energieeintragsverlauf E(s) oder auch lediglich Soll-Energieeintrag oder Energieeintrag beschreibt die Wirkung, die der Anwender im Prozess auf dem Werkstück erzielen will. Hierbei kann die Streckenenergie, die hierzu notwendig ist, konstant sein (Energie pro Strecke), wozu die mittlere Leistung des Lasers in Abhängigkeit der Vorschubgeschwindigkeit (Scangeschwindigkeit) proportional gewählt werden kann. Es kann aber auch um komplexere Situationen gehen, bei denen z.B. eine Färbung durch die Wechselwirkung des Lasers mit bestimmten Kombinationen von Prozessparametern wie Vorschub, Fokussierung und/oder Laserleistung eingestellt werden kann, zwischen denen ein nichtlinearer Zusammenhang besteht, der berücksichtigt werden muss, um den geforderten Energieeintrag zu gewährleisten. Die Laserleistung kann, insbesondere durch Pulsenergie, Pulsdauer und/oder Pulsfrequenz, eingestellt werden.
• Von Vorteil ist es, wenn der zeitabhängige Bahnfortschritt s(t) derart berechnet wird, dass eine Bearbeitungszeit der Bearbeitungsbahn minimiert wird. Hierdurch wird die Zeitoptimierung der Laserbearbeitung erreicht.
• Vorteilhaft ist es, wenn der zeitabhängige Bahnfortschritt s(t) derart berechnet wird, dass der realisierbare Geschwindigkeitsverlauf v(s) des Lasers zumindest abschnittsweise maximal wird. Durch den maximal realisierbaren Geschwindigkeitsverlauf v(s) wird die Bearbeitungszeit der Bearbeitungsbahn verringert.
• Von Vorteil ist es, wenn der zeitabhängige Bahnfortschritt s(t) mittels eines Optimierungsverfahrens und/oder eines Optimierungsalgorithmus berechnet wird. Hierzu sind verschiedene Optimierungsverfahren bekannt. Beispielsweise können beim Optimierungsverfahren mehrere unterschiedliche zeitabhängige Bahnfortschritt s(t) ermittelt werden, und hieraus der zeitabhängige Bahnfortschritt s(t) ausgewählt werden, der die kürzeste Bearbeitungszeit der Bearbeitungsbahn liefert. Zusätzlich oder alternativ kann der zeitabhängige Bahnfortschritt s(t) mit einem System aus Differentialgleichungen berechnet werden, in das als Randbedingungen die Dynamikgrenzen, der ortsabhängige Energieeintragsverlauf E(s), der ortsabhängige erste Leistungsverlauf L₁(_S) und/oder der ortsabhängige idealisierte Geschwindigkeitsverlauf v_max(s) einfließen.
• Vorteilhaft ist es, wenn der zeitabhängige Bahnfortschritt s(t) derart berechnet wird, dass eine Dynamikgrenze des Lasers, insbesondere der Laserleistung, eingehalten wird. Eine Dynamikgrenze des Lasers ist beispielsweise, dass die Laserleistung nicht unbegrenzt schnell verändert werden kann. Beispielsweise ist eine zeitliche Änderungsrate dL(t)/dt oder die örtliche Änderungsrate dL(s)/ds begrenzt.
• Von Vorteil ist es, wenn der zeitabhängige Bahnfortschritt s(t) derart berechnet wird, dass als Dynamikgrenze des Galvo-Scansystems eine Beschleunigungs- und/oder eine Ruckgrenze eingehalten wird. Die Beschleunigungs- und/oder eine Ruckgrenze liegt insbesondere in der Trägheit von Ablenkspiegeln des Galvo-Scansystems, den physikalischen Grenzen der Galvanometerantriebe und ihrer Stromversorgung sowie Eigenschaften des eigesetzten Positionsregelungsverfahrens für die Regelung der Winkelposition der Ablenkspiegel begründet. Bei der Geschwindigkeit, bei der Beschleunigung und/oder beim Ruck handelt es sich im Allgemeinen um vektorielle Größen. Die genannten Dynamikgrenzen für die Beschleunigung und/oder den Ruck können dabei auch für zumindest eine Vektorkomponente eingehalten werden. Zusätzlich oder alternativ kann beim Einhalten der Dynamikgrenzen auch ein Betrag des Beschleunigungs- und/oder des Ruckvektors berücksichtigt werden. Dies bedeutet, dass zumindest eine, insbesondere alle, Vektorkomponente(n) und/oder der Betrag des entsprechenden Vektors die Dynamikgrenzen einhält.
• Die Dynamikgrenzen sind insbesondere Einschränkungen der zulässigen Wertebereiche der ersten, zweiten und dritten Zeitableitungen von p(s(t)). Die Dynamikgrenzen können insbesondere Einschränkungen der Wertebereiche für die zweiten und dritten Zeitableitungen von Vektorkomponenten von p(s(t)) sein. Die Dynamikgrenzen entsprechen der Obergrenze für Ruck und/oder Beschleunigung der Galvanometerantriebe im Galvo-Scanner.
• Dieses Vorgehen ist besonders vorteilhaft, wenn ein Scan-System mit einem schleppverzugsfreien Regler eingesetzt wird, bei dem die Dynamikgrenzen mit Beschleunigungs- und/oder Ruckgrenzen der Galvoscanner in guter Näherung beschrieben werden können und das zeitliche Verhalten des Systems bei der Ausführung einer beschleunigungs- und/oder ruckbegrenzten Trajektorie mit hoher Präzision vorhergesagt werden kann.
• Vorteilhaft ist es, wenn der zeitabhängige Bahnfortschritt s(t) derart berechnet wird, dass dieser, der realisierbare Geschwindigkeitsverlauf und/oder daraus ableitbare Verläufe, insbesondere mittels einer Zeitableitung, stetig und/oder stetig differenzierbar, insbesondere glatt, sind. Aus dem zeitabhängigen Bahnfortschritt s(t) ableitbare Verläufe sind beispielsweise die Zeitableitungen ds(t)/dt als realisierbarer Geschwindigkeitsverlauf, d²s(t)/dt^z als Beschleunigungsverlauf, d³s(t)/dt³ als Ruckverlauf und noch höhere Ableitungen. Zusätzlich oder alternativ können aus dem zeitabhängigen Bahnfortschritt s(t) auch andere Verläufe hergeleitet werden, wenn der Bahnfortschritt s(t) zur Berechnung anderer Verläufe herangezogen wird. Wenn die besagten Verläufe stetig und/oder stetig differenzierbar, insbesondere glatt, sind, weisen diese vorteilhafte Bewegungseigenschaften auf.
• Von Vorteil ist es, wenn der ortsabhängige erste Leistungsverlauf L₁(s), der aus dem zeitabhängigen Bahnfortschnitt berechnete realisierbare Geschwindigkeitsverlauf v(s), aus dem zeitabhängigen Bahnfortschnitt s(t) ableitbare Verläufe, insbesondere mittels der Zeitableitung, und/oder der zeitabhängige zweite Leistungsverlauf L₂(s(t)) derart berechnet und/oder festgelegt werden, dass diese treppenförmig und/oder in zumindest einigen Bahnabschnitten entlang der Bearbeitungsbahn konstant sind. Hierdurch kann die Berechnung und/oder die Ansteuerung des Lasers und/oder des Galvo-Scansystems vereinfacht werden. Beispielsweise können der ortsabhängige Energieeintragsverlauf E(s), der ortsabhängige erste Leistungsverlauf L₁(_S) und/oder der ortsabhängige idealisierte Geschwindigkeitsverlauf v_max(s) treppenförmig und/oder konstant berechnet und/oder festgelegt werden, um auf spezielle Bearbeitungsaufgaben einzugehen bzw. wenn die Einschränkungen für die Bearbeitungsaufgaben ausreichend sind. Hierdurch kann die Optimierung einfacher durchgeführt werden. Des Weiteren kann durch die treppenförmige und/oder abschnittsweise konstante Darstellung der besagten Verläufe bzw. Funktion die dazugehörigen Werte in Wertetabellen hinterlegt sein und/oder hinterlegt werden. Die Optimierung mittels den diskreten Werten erlaubt eine einfachere Berechnung sowie eine angepasste Berechnung. Werden die treppenförmigen bzw. die abschnittsweise konstanten Abschnitte klein gewählt, können die entsprechenden Verläufe und Funktionen genauer ermittelt werden. Werden die treppenförmigen bzw. die abschnittsweise konstanten Abschnitte größer gewählt, wird weniger Zeit für die Berechnung benötigt. Außerdem kann die Größe der abschnittsweise konstanten Abschnitte der besagten Verläufe und Funktionen so gewählt werden, dass deren zeitliche Bearbeitung oder Abarbeitung im Bereich eines Takts der Steuerung liegt. Insbesondere ist es von Vorteil, wenn der ortsabhängige Energieeintragsverlauf E(s) treppenförmig und/oder in zumindest einigen Bahnabschnitten entlang der Bearbeitungsbahn konstant ist. Ein derartiger ortsabhängige Energieeintragsverlauf E(s) kann als Eingangsdaten bzw. Vorgabewert, beispielsweise in einer Tabelle, vorliegen. Dies kann bei speziellen Kundenwünschen vorliegen, wobei mit dem diskreten ortsabhängigen Energieeintragsverlauf E(s) auch die Zeitoptimierung auf einfachere Weise durchgeführt werden kann.
• Vorteilhaft ist es, wenn bei der Berechnung des zeitabhängigen zweiten Leistungsverlaufs L₂(s(t)) und/oder des ortsabhängigen idealisierten Geschwindigkeitsverlauf v_max(s) eine Orientierung und/oder eine Positionierung des Galvo-Scansystems zur Bearbeitungsbahn miteinberechnet wird. Ist das Objekt beispielsweise schräg zum Galvo-Scansystem und somit schräg zum Laser orientiert, fällt der Laser schräg auf das Objekt und auf die Bearbeitungsbahn. Hierdurch wirkt nicht mehr die volle Leistung in die Bearbeitungsbahn. Des Weiteren kann die Bearbeitungsbahn nicht mehr mit der höchst möglichen Geschwindigkeit durchfahren werden, so dass auch der ortsabhängige idealisierte Geschwindigkeitsverlauf v_max(s) bei der Berechnung berücksichtigt werden kann.
• Von Vorteil ist es, wenn aus dem zeitabhängigen Bahnfortschritt s(t) die zeitabhängigen Koordinaten p(s(t)) zur Bearbeitungsbahn für den Galvo-Scansystem zum Bewegen des Lasers entlang der Bearbeitungsbahn (4) ermittelt werden. Die Koordinaten p(s(t)) sind beispielsweise ein zweidimensionaler Vektor mit den Komponenten p_x(s(t)) und p_y(s(t)). Alternativ kann das p(s(t)) auch ein dreidimensionaler Vektor sein, so dass die Position des Lasers im Raum beschrieben werden kann. Diese geben die Koordinaten der Bearbeitungsbahn auf dem Objekt an. Diese werden dann vom Galvo-Scansystem in zeitabhängige Winkelstellungen für Ablenkspiegel des Galvo-Scansystems umgesetzt, so dass der Laser entlang der Bearbeitungsbahn bewegt wird.
• Vorteilhaft ist es, wenn das Verfahren zur Zeitoptimierung einer Laserbearbeitung eines Objekts von einer Recheneinheit durchgeführt wird.
• Von Vorteil ist es, wenn die Koordinaten p(s(t)) an eine Galvo-Steuereinheit des Galvo-Scansystems und der zeitabhängige zweite Leistungsverlauf L(s(t)) an eine Lasersteuerung übermittelt werden. Die Lasersteuerung steuert die Leistung des Lasers, so dass der zeitabhängige zweite Leistungsverlauf L(s(t)) ausgebildet wird. Vorteilhaft ist es, wenn nach der Übermittlung das Objekt bearbeitet wird. Vorzugsweise wird das Objekt nach der Zeitoptimierung der Bearbeitungsbahn bearbeitet. Die Zeitoptimierung weiterer Bearbeitungsbahnen der gesamten Bearbeitungsaufgabe oder von Abschnitte der Bahn kann dabei optional auch gleichzeitig mit der Bearbeitung der bereits berechneten Bahnen oder Bahnabschnitte erfolgen. Die gesamte Bearbeitungsaufgabe kann hierzu in Bahnabschnitte zerlegt werden, die Bearbeitungsbahnen im Sinn des erfindungsgemäßen Verfahrens darstellen. Bei diesem Vorgehen bestehen hohe Anforderungen an die Zeiteffizienz des Verfahrens zur Zeitoptimierung.
• Vorteilhaft ist es, wenn im Vorfeld der realen Laserbearbeitung des Objekts die Laserbearbeitung rechnergestützt simuliert wird. Hierbei kann beispielsweise ein Betriebsverhalten der Laserbearbeitung simuliert werden. Hiermit kann beispielsweise simuliert und ermittelt werden, ob die Laserbearbeitung mit dem realisierbaren Geschwindigkeitsverlauf v(s) und/oder dem zeitabhängigen zweiten Leistungsverlauf L₂(s(t)) ausgeführt werden kann. Zusätzlich oder alternativ kann simuliert und/oder ermittelt werden, ob mit den ermittelten Verläufen die Bearbeitungsbahn korrekt bzw. innerhalb von Toleranzvorgaben bearbeitet wird. Zusätzlich oder alternativ kann die Zeit, die zum Bearbeiten der Bearbeitungsbahn benötigt wird, simuliert und/oder ermittelt werden. Die Simulation hat den Vorteil, dass nachkorrigiert werden kann, wenn bei der Simulation auffällt, dass die Laserbearbeitung fehlerhaft oder nicht wie gewünscht abläuft. Daraufhin kann die Laserbearbeitung bzw. das Verfahren der Zeitoptimierung angepasst bzw. geändert werden.
• Von Vorteil ist es, wenn nach der Zeitoptimierung der Laserbearbeitung die reale Laserbearbeitung des Objekts erfolgt. Zusätzlich oder alternativ kann die reale Laserbearbeitung des Objekts nach dem Simulieren der Laserbearbeitung erfolgen. Dies hat den Vorteil, dass dann der Ablauf der Laserbearbeitung bekannt ist, so dass Fehler bei der Bearbeitung vermieden werden.
• Vorgeschlagen wird ferner ein Verfahren, insbesondere ein computerimplementiertes Verfahren, zur Zeitoptimierung einer Laserbearbeitung eines Objekts mit einer ein Galvo-Scansystems und einen Lasers aufweisenden Laserbearbeitungsvorrichtung, bei dem für mehrere Bahnabschnitte einer vorgegebenen Bearbeitungsbahn ein jeweiliger Energieeintrag durch einen Laser festgelegt wird oder vorgegeben ist, wobei der jeweilige Energieeintrag von einer Laserleistung und einer Lasergeschwindigkeit des Lasers in dem jeweiligen Bahnabschnitt abhängig ist. Bei dem Verfahren wird eine, insbesondere konstante und/oder maximale, erste Laserleistung des Lasers über die Bahnabschnitte hinweg festgelegt. Anschließend wird für die Bahnabschnitte unter Berücksichtigung der ersten Laserleistung eine jeweilige idealisierte Lasergeschwindigkeit ermittelt, mit der der jeweilige Energieeintrag in dem Bahnabschnitt erzielt wird. Danach wird die jeweilige idealisierte Lasergeschwindigkeit unter Berücksichtigung zumindest einer Dynamikgrenze des Galvo-Scansystems und/oder des Lasers auf eine jeweilige realisierbare Lasergeschwindigkeit angepasst, insbesondere reduziert. Anschließend wird in denjenigen Bahnabschnitten, in denen eine Anpassung auf die jeweilige realisierbare Lasergeschwindigkeit stattgefunden hat, die erste Laserleistung derart auf eine zweite Laserleistung angepasst, insbesondere reduziert, dass der jeweilige Energieeintrag erzielt wird. Vorteilhaft ist es, wenn der Energieeintrag, die Laserleistung, insbesondere die erste und/oder zweite Laserleistung, die Lasergeschwindigkeit, insbesondere die idealisierte und/oder realisierbare Lasergeschwindigkeit, als vorzugsweise zeit- und/oder ortsabhängige mathematische Funktionen vorliegen. Zusätzlich oder alternativ ist es vorteilhaft, wenn der Energieeintrag, die Laserleistung, insbesondere die erste und/oder zweite Laserleistung, die Lasergeschwindigkeit, insbesondere die idealisierte und/oder realisierbare Lasergeschwindigkeit, in zumindest einem der Bahnabschnitte entweder konstant ist oder zeit- und/oder ortsabhängig variiert.
• Vorzugsweise ist die Erfindung zusätzlich oder alternativ gemäß der vorangegangenen und/oder nachfolgenden Beschreibung ausgebildet, wobei die genannten Merkmale einzeln oder in beliebiger Kombination vorhanden sein können.
• Zur Bearbeitung eines Werkstücks kann ein Laser mit einem Galvanometer-scanner entlang einer Bahn über ein Werkstück geführt werden. Dabei kann optional synchron die Lage des Fokus entlang des Laserstrahls mit einer dynamisch variabel einstellbaren Fokussiereinrichtung eingestellt werden, um den Laserfokus in drei Raumdimensionen entlang einer Bahn zu führen. In diesem Fall wird die Bahn p(s(t)) mit drei Vektorkomponenten von p beschrieben, z.B. p=(p_x,p_y,p_z). Das Bearbeitungsergebnis kann beispielsweise eine Laser-Markierung, ein Laser-Abtrag, eine Laser-Schweißnaht oder ein Laser-Schnitt sein. Zur Erzielung des gewünschten Bearbeitungsergebnisses mit hoher Genauigkeit ist sowohl die Bahn des Laserfokus relativ zum Werkstück als auch die Eigenschaften des Laserstrahls synchron zu kontrollieren, um den örtlichen Energieeintrag einzustellen. Je nach Bauart des Lasers kann zum Beispiel eine Variation des Energieeintrags durch eine Änderung der mittleren Leistung oder der Energie, Dauer oder Frequenz von Pulsen oder einem Tastverhältnis bei der Modulation eingestellt werden. Der Laser kann in Bereichen, die nicht bearbeitet werden sollen, abgeschaltet und auf den Bearbeitungsbahnen eingeschaltet werden.
• Aufgrund der hohen Anforderungen an die Synchronität werden Laser, Galvanometer-Scanner, Fokussiereinrichtung und/oder ggf. weitere Bewegungsachsen von einem speziell dafür ausgelegten Echtzeit-Steuerungs-System angesteuert (z.B. SCANLAB RTC6).
• Je nach Anwendung kann das Bearbeitungsziel beispielsweise ein homogener Energieeintrag entlang der Bahn sein oder aber auch eine gezielte örtliche Variation, wie z.B. bei der Laser-Markierung einer Bild-Zeile eines gerasterten Bilds mit Graustufeninformationen (Bitmap), die je Bildpunkt - also ortsaufgelöst - vorliegen.
• Vorgeschlagen wird daher ein Verfahren mit einem oder mehreren der nachfolgenden Merkmale:
• - Ausgangspunkt ist eine vorgegebene Geometrie der Bearbeitungsbahn p(s) und Werte eines Soll-Energieeintrags E(s) zumindest für Stützstellen an Punkten entlang der Bahn. (s: Bahnparameter, also Wegstrecke entlang Bahn); und/oder
• - Einsatz eines Galvanometer-Scan-Systems mit einem „Trajektorien-Regler“ (also mit einem Positions-Regelungsverfahren ohne Schleppverzug); und/oder
• - Einsatz eines Lasers, der innerhalb eines Einstellbereichs und den Grenzen einer Laser-Dynamik eine variable Einstellung zumindest eines Parameters zur Beeinflussung der mittleren Laserleistung erlaubt. Die notwendigen Laserleistungsparameter L zur Realisierung eines Energieeintrags E werden durch einen Funktionszusammenhang L(E) beschrieben; und/oder
• - Einsatz einer Recheneinheit zur Optimierung des Bearbeitungsplans; und/oder
• - Optimierung der Ausführungszeit der Bahn (Trajektorie) p(s(t)) durch die Maximierung des Verlaufs der Bahnfortschrittsgeschwindigkeit ds/dt mit einem Optimierungsalgorithmus,
  • - wobei vorzugsweise die Stellgrenzen und Dynamikgrenzen des Galvanometer-Scan-Systems (achsweise Positionen, Geschwindigkeiten, Beschleunigung und ggf. auch Ruck) nicht überschritten werden (Für den Algorithmus notwendig: Umrechnung in Grenzen für ds/dt und d²s/dt², d³s/dt³ ); und/oder
  • - die aus dem Soll-Energieeintrag E(s), der maximal verfügbaren Laserleistung L(E) und/oder den Dynamikgrenzen der Laserleistungsänderung (dL/dt,...) ermittelte minimal notwendige Bearbeitungszeit und damit maximal mögliche Bahngeschwindigkeit in Abhängigkeit von s nicht überschritten wird (also eine zusätzliche obere Schranke für ds/dt); und/oder
• - Mit der so ermittelten Funktion s(t) wird der zeitliche Verlauf der Scanneransteuerung p(s(t)) und/oder der zeitliche Verlauf der Laserleistungsvorgabe L(E(s(t))) aus dem vorgegebenen Strecken-Energieeintrag E(s) berechnet; und/oder
• - Übergabe der so vorausgeplanten Trajektorie p(s(t)) und des zeitlichen Verlaufs der Laserleistung L(E(s(t))) an ein Echtzeit-Steuerungs-system; und/oder
• - Synchrone Ausgabe von Ansteuerungsdaten für das GalvanometerScansystem und den Laser auf Basis der vorausberechneten Trajektorie und des zeitlichen Verlaufs der Laserleistung (wobei hier eine Signalaufbereitung/-konversion/zeitliche Rasterung der jeweiligen Signale für Laser und Galvanometer-Scanner unabhängig voneinander erfolgen kann).
• Je nach Prozess und eingesetztem Laser in Kombination mit dem Ablenksystem (Scanner) ergeben sich unterschiedliche Zusammenhänge zwischen dem Soll-Energieeintrag E und den einzustellenden Laserparametern L, die durch die Funktion L(E) beschrieben werden müssen. Dieser i.d.R. insbesondere nicht-lineare Zusammenhang kann mit Hilfe von Kennlinien approximiert werden.
• Die Funktion L(E) ist insbesondere abhängig von der Bahngeschwindigkeit des Lasers, kann also eine Funktion L(E,v) beider Parameter sein. In der Regel wird bei einer höheren Bahngeschwindigkeit eine höhere Laserleistung L eingestellt, um denselben Energieeintrag zu erreichen. Der Zusammenhang ist Abhängig von der Physik der Laserwechselwirkung mit dem Material des Objekts und kann in etwa linear in der Geschwindigkeit sein oder nichtlinear.
• In der Funktion L(E) kann eine von der Positionierung des Laserfokus durch das Scan-System abhängige Korrektur (Ausgleich der optischen Abbildung) enthalten sein.
• Die Funktion E(s) kann abschnittsweise konstant oder linear und/oder mit äquidistanten Stützstellen definiert sein. Z.B. Markieren einer Zeile eines Bitmaps (Graustufenbild) oder bei Beginn und Ende von Schweißprozessen
• Die vorgegebene geometrische Bahn kann eine Zeile eines gerasterten Graustufenbildes sein und/oder die vorgegebenen Soll-Energieeinträge können abschnittsweise konstant und äquidistant sein, um die Graustufenwerte der Pixel des Graustufenbilds abzubilden.
• Für ein Galvanometer-Scan-System mit Trajektorienregler ist die vorberechneten Trajektorien vorzugsweise zumindest geschwindigkeits- und beschleunigungsbegrenzt. Eine Verbesserung der Bahntreue kann durch zusätzliche Ruckbegrenzung erreicht werden.
• Vorteilhaft ist es, wenn bei der Vorausplanung ausgehend von dem geometrischen Verlauf der Bahn ein Verlauf der maximal möglichen Geschwindigkeit ermittelt wird, bei der alle Dynamikgrenzen des Galvanometer-Scan-Systems eingehalten werden können. Bei gekrümmten Bahnen kann eine lokal maximale Geschwindigkeit ermittelt werden, bei der die Beschleunigungs- und Ruckgrenzen des Galvanometer-Scansystems keiner Achsrichtung überschritten wird.
• Die Komplexität der Berechnung einer zeitoptimalen ruckbeschränkten Trajektorie ist hoch. Um Rechenzeit zu sparen, kann bei der Berechnung einer beschleunigungs- und/oder ruckbegrenzten Trajektorie ein Glättungsverfahren eingesetzt werden, insbesondere zur Berechnung einer ruckbegrenzten Trajektorie aus einer beschleunigungsbegrenzten Trajektorie.
• Das Galvanometer-Scan-System kann zwei Galvanometer-Achsen umfassen und die Bahn kann eine 2D-Bahn sein, die in einer Bearbeitungsebene in einer Fokusebene liegt.
• Das Galvanometer-Scan-System kann ein dynamisches Fokussiersystem umfassen und die Bahn kann eine 3D-Bahn sein, insbesondere eine Bahn, die auf einer nicht-ebenen Fläche eines Werkstücks angeordnet ist.
• Das Galvanometer-Scan-System kann mit weiteren langsameren redundanten Achsen kombiniert sein, wobei die Planung eine Aufteilung der Bewegung auf die Achsen der Galvanometer-Scanner und der redundanten Achsen umfassen kann. Die weiteren Achsen können das Werkstück relativ zum Galvanometer-Scan-System bewegen oder das Galvanometer-Scan-System relativ zum Werkstück.
• Das Galvanometerscansystem kann vier Galvanometer-Achsen umfassen, um sowohl Strahlposition als auch Strahlrichtung in zwei Achsen dynamisch einzustellen. Die Prozessparameter umfassen dann insbesondere auch den Anstellwinkel des Laserstrahls. Dieses 4-Achs-System kann um eine Fokussiereinheit erweitert werden, sodass zusätzlich der Bearbeitungsabstand variabel ist.
• Bei der Vorausplanung kann eine Defokussierung des Strahls, die wegen der beschränkten Dynamik der Fokussiereinrichtung auftreten kann, durch eine Anpassung (Erhöhung) der Laserleistung kompensiert werden. Alternativ kann ein Puffer-Einstellbereich der Laserleistung vorgesehen werden, der in der Vorausplanung reserviert wird, um während der Ausführung der Bearbeitung eine Echtzeitkompensation vornehmen zu können.
• Vorteilhaft ist eine deterministische Vorausplanung und Steuerung anstatt Echtzeit-Kompensation oder anstatt iterativer Optimierung der Ansteuerung per Versuch & Irrtum. Vorteilhafterweise erfolgt die Bearbeitung mit einer höheren Scan-Geschwindigkeit entlang der Bahn an Stellen mit geringerem Soll-Energieeintrag. Des Weiteren ist es vorteilhaft, wenn die Grenze der verfügbaren Laserleistung durch Berechnung des Verlaufs einer lokalen maximalen Geschwindigkeit in Abhängigkeit des lokalen Soll-Energieeintrags (in einem Zwischenschritt) berücksichtigt wird. Ferner ist es vorteilhaft, wenn die zeitliche Ausführung unter Berücksichtigung der Dynamikgrenzen des Scansysteme und/oder des Lasers optimiert wird.
• Vorteilhaft ist es, wenn ein schleppverzugsfreier Regler des Galvanometer-Scan-Systems verwendet wird, bei dessen Verwendung vorzugsweise eine Vorberechnung des Sollwertverlaufs (Trajektorienplanung) benötigt wird, um Beschleunigung und/oder Ruck entlang der Bahn zu begrenzen. Mit Schleppverzug wäre es praktisch fast unmöglich den Zeitverlauf der Laserleistung bei variabler Geschwindigkeit des Scansystems richtig vorauszuberechnen, da das Zeitverhalten des Reglers schwer modellierbar ist und damit das genaue bahnbezogene Einbringen des Soll-Energieeintrag nicht sinnvoll vorausberechnet werden kann. Für den Fall eines solchen Systeme kann ein iteratives Vorgehen gewählt werden, um eine weitere Optimierung durchzuführen, insbesondere mit zumindest einem der folgenden Schritte: Geschwindigkeitsvariation und Aufzeichnung des Verlaufs, Berechnung und Validierung der Parameter L, Prüfen auf Optimalität und/oder wieder Geschwindigkeitsvariation oder Akzeptieren der Lösung. Außerdem wäre die Dynamik des Scansystems mit klassischem Regler nur begrenzt nutzbar für eine schnelle Variation der Scangeschwindigkeit.
• Ein Anwendungsfall für die vorstehende Erfindung ist beispielsweise die Erstellung von Bitmaps (einem gerasterten Bild mit Graustufeninformationen) mit einem Laser, beispielsweise insbesondere zur Erstellung von Mustern auf Textilien oder für die Erzeugung einer Fotodarstellung auf einem Chipkarten-Ausweis, was im Folgenden beschrieben wird. Vorzugsweise ist die Erfindung zusätzlich oder alternativ gemäß der nachfolgenden Beschreibung ausgebildet, wobei die genannten Merkmale einzeln oder in beliebiger Kombination vorhanden sein können. Bitmaps bestehen aus einer Vielzahl von Pixeln und werden mit Laser-Scannern, insbesondere Galvo-Scansystemen, zeilenweise unidirektional oder bidirektional markiert. Typischerweise wird die Zeilengeschwindigkeit konstant gehalten und die Laserenergie pro Pixel entsprechend dem gewünschten Grauwert variiert. Die Dynamik des Scan-Systems ist für die Bildqualität irrelevant, da die Beschleunigungsphasen außerhalb des Bitmap Bereichs liegen. Schleppverzüge können durch einen Versatz der Zeilen kompensiert werden. Auf diese Weise können hochauflösende Bitmaps präzise gelasert werden.
• Um Prozesszeit zu sparen und die Produktivität bei gegebener Laserleistung zu steigern, kann die Scangeschwindigkeit innerhalb einer Zeile dem Grauwertverlauf angepasst werden. Aus dem Grauwert des Pixels wird die benötigte Laserenergie ermittelt, aus diesem Wert lässt sich mit der maximal verfügbaren Laserleistung die maximal mögliche Pixelgeschwindigkeit am Ort des Pixels berechnen. Für jede Pixelzeile kann eine zeitoptimale Trajektorie, also ein zeitabhängiger Positionsverlauf, bestimmt werden. Beschleunigungs- und Ruckgrenzen des Systems müssen berücksichtigt werden. Die Geschwindigkeit der Trajektorie muss an jeder Pixelposition kleiner sein als die maximal mögliche Pixelgeschwindigkeit, die aus den Grauwerten berechnet wird, andernfalls kann der Grauwert nicht realisiert werden.
• Die Laserleistung wird optimal genutzt, wenn immer die maximale Laserleistung genutzt wird und die Grauwerte nur über die Scangeschwindigkeit realisiert werden. Grauwerte können von Pixel zu Pixel beliebig variieren, was eine sehr hohe Beschleunigung des Scan-Systems erfordern würde. Die Aufgabe besteht nun darin, eine zeitoptimale Trajektorie unter den gegebenen Randbedingungen zu bestimmen. Die mögliche Zeitersparnis hängt stark von der Grauwertverteilung der Bitmaps ab, bei Textil-Strukturierungen sind die Bedingungen meist günstig.
• Um der berechneten Trajektorie exakt folgen zu können, ist eine Vorsteuerung der Scanner-Regelung erforderlich. Dies kann mit einem Scansystem wie dem SCANLAB excelliSCAN oder offline erfolgen. Die Lasersteuerung für die Pixel muss präzise an jeder Pixelposition erfolgen. Aufgrund der Einschaltdauer des Lasers und der Pixelgeschwindigkeit dehnt sich das Pixel über eine bestimmte Länge aus, die kleiner als der Pixelabstand ist. Die Lasersteuerung sollte so erfolgen, dass die Pixel auf dem gewünschten Pixelraster zentriert werden.
• Im Folgenden wird der Grauwert des Pixels i innerhalb einer Zeile mit dem Wert G_i bezeichnet. Der Wertebereich von G liegt zwischen 0 und 1. Bitmap-Dateien verwenden normalerweise 8-Bit Grauwerte, d.h. die Grauwerte müssen zuerst auf 1 normiert werden. Ein Grauwert von 0 entspricht „weiß“ und damit der maximalen Laserenergie. Je nach Verfahren ist aber auch ein inverser Zusammenhang möglich.
• Bei Verwendung eines Lasers, insbesondere einer CW-Laserdiode, mit einer maximalen Leistung von P_max ergibt sich die maximale Pixelenergie zu E_i = P_max · D/v_i , wobei D der Pixelabstand und v_i die Geschwindigkeit am Pixel i ist. Dies ist nur eine Näherung, da die Geschwindigkeit nicht konstant ist. Da jedoch der Pixelabstand und die Variation der Geschwindigkeit von Pixel zu Pixel gering sind, kann diese Näherung verwendet werden.
• Unter der Annahme eines linearen Zusammenhangs zwischen Grauwert und Pixelenergie kann daraus die maximal mögliche Geschwindigkeit v_i am Pixel i bestimmt werden. E_max stellt die Pixelenergie dar, die für einen Grauwert von 0 erforderlich ist. Die tatsächliche Geschwindigkeit ist in der Regel geringer und der Grauwert muss durch Reduzierung der Laserleistung oder kurzzeitiges Abschalten erreicht werden. Ein Grauwert von 1 würde eine unendlich hohe Geschwindigkeit erlauben, was aber durch Dynamikgrenzen begrenzt wird, nämlich beispielsweise, dass, vorzugsweise durch eine RTC-Steuerkarte im Mikrovektormodus, nur eine Pixelfrequenz von 100kHz erzeugen kann: v_limit = D · 100kHz $$E_i=\left(1-G_i\right)\cdot E_{max}$$

  

  $$v_i=\frac{P_{max}}{E_{max}}\cdot \frac{D}{1-{\text{G}}_i}$$

  
• Es können CO2 Laser verwendet werden. Diese werden beispielsweise durch ein PWM-Signal in einem Frequenzbereich von 0-100kHz angesteuert, typisch darf das Tastverhältnis einen Wert von beispielsweise 55% nicht überschreiten. Aufgrund der hohen Zeitkonstante, insbesondere von ca. 60µs, ist von einem nichtlinearen Zusammenhang zwischen Laser-Einschaltdauer und Pixelenergie auszugehen, aus diesem Grund wird eine Korrektur wie beispielsweise eine Gamma-Korrektur γ verwendet.
• Die Lasereinschaltzeit LaserOn_i am Pixel i wird aus dem Grauwert und der maximalen Lasereinschaltzeit eines weißen Pixels berechnet. $$LaserO{n}_i={\left(1-G_i\right)}^{\gamma }\cdot LaserOnMax$$

  
• Mit dem maximal zulässigen Tastverhältnis wird die maximale Pulsfrequenz berechnet und mit dem Pixelabstand wiederum die maximal mögliche Pixelgeschwindigkeit. $$v_i=\frac{DutyCycleMax}{LaserOnMax}\cdot \frac{D}{{\left(1-{\text{G}}_i\right)}^{\gamma }}$$

  
• Die Trajektorie kann beschleunigungs- und/oder ruckbegrenzt berechnet werden, damit sie auch vom Scan-System ausgeführt werden kann. Da eine Trajektorienplanung 3. Ordnung relativ komplex und zeitaufwendig ist, kann bei manchen Anwendungsfällen ein einfacherer Ansatz gewählt werden. Zuerst wird eine Trajektorie 2. Ordnung berechnet, dann wird die Ruckbegrenzung durch eine gleitende Mittelwertbildung realisiert. Dieses Verfahren ist wesentlich einfacher und schneller, liefert jedoch nicht die optimale Lösung.
• Die Geschwindigkeitsplanung kann im Ortsbereich, also in Abhängigkeit der Position erfolgen. $$a_{max}=\frac{dv}{dt}=\frac{dv}{dx}\cdot \frac{dx}{dt}=\frac{dv}{dx}\cdot v$$

  
• Die maximal mögliche Geschwindigkeitsänderung zwischen zwei benachbarten Pixeln mit Abstand D, kann durch Integration bestimmt werden. $$v_{i+1}=\sqrt{v_i^2+2\cdot D\cdot a_{max}}$$

  
• Eine beschleunigungsbegrenzte Geschwindigkeitsplanung kann sehr schnell mit einer einmaligen Vorwärts- und Rückwärtsplanung entlang der Pixelzeile erfolgen. Dabei wird v_i+1 ermittelt und mit der maximal möglichen Pixelgeschwindigkeit verglichen. Wenn die Geschwindigkeit erlaubt ist, wird sie für diese Pixel verwendet, andernfalls wird die maximal mögliche Geschwindigkeit verwendet.
• Aus dem optimierten positionsabhängigem Geschwindigkeitsverlauf über eine Pixelzeile kann nun einfach die Trajektorie x(t) berechnet werden.
• Die maximal mögliche Beschleunigung des Scan-Systems für die Trajektorienplanung innerhalb einer Zeile muss nicht zwingend verwendet werden. Ein reduzierter Wert kann ausreichen, um die gewünschte Performancesteigerung zu erreichen.
• Ein gleitender Mittelwert kann auf die Trajektorie angewendet werden, wenn eine Ruckbegrenzung nötig ist. Die Mittelung erfolgt über 2· M + 1 Zeitschritte, der Index j gibt dabei die Position in 10µs Zeitschritten an. Beschleunigungssprünge werden damit über 2· M + 1 Zeitschritte verteilt und der Ruck begrenzt. $${\tilde{x}}_J=\frac{1}{2\cdot M+1}{\displaystyle \sum _{k=-M}^M{x}_{j+k}}$$

  
• Die Mittelwertbildung wirkt wie ein Tiefpassfilter auf die Pixelgeschwindigkeit, wodurch sich die Geschwindigkeit an einigen Positionen erhöhen und die maximal mögliche Geschwindigkeit geringfügig übersteigen kann. Das kann durch eine geeignete Verfeinerung des Planungsverfahrens auch vermieden werden.
• Zusätzlich müssen Überfahrwege am Anfang und Ende der Zeile angefügt werden. Die Länge ergibt sich aus der Multiplikation der Pixelgeschwindigkeit am ersten und letzten Pixel mit der Überfahrzeit von M · 10µs. Aus der Trajektorie können nun die Lasersteuersignale für die Pixel ermittelt werden, Signallaufzeiten sind dabei zu berücksichtigen.
• Auch Sprünge vom Ende einer Zeile zum Anfang der nächsten Zeile sollten zeitoptimal erfolgen. Die Berechnung kann mit 3. Ordnung oder 2. Ordnung und Mittelungsfilter erfolgen. Die Anfangs- und Endgeschwindigkeiten der Pixelzeilen müssen individuell berücksichtigt werden. Außerdem können die Anfangs- und Endpositionen der Zeilen variieren. Aus Zeitgründen werden die Zeilen bidirektional markiert. Für die Planung der Sprünge stehen schnelle Algorithmen in kommerziell oder frei erhältlichen Bibliotheken zur Verfügung. Abhängig von den Dynamikgrenzen des Scansystems und dem verfügbaren Einstellbereich der Leistung des Lasers muss möglicherweise zusätzlich auch die Geschwindigkeit explizit begrenzt werden und nicht nur implizit über die Grauwerte der Pixelzeile.
• Vorgelagert zu der hier dargestellten Planung der Scanner- und Laseransteuerung entlang der Zeilen des Bitmaps kann optional auch eine an den Bildinhalt angepasste optimale Planung der Bahnen erfolgen. Dies kann bedeuten, dass Zeilen des Bildes nicht unbedingt gleiche Länge aufweisen und auch nicht unbedingt immer gleiche Richtung/Orientierung aufweisen. Das Bild kann auch aus mehreren Bereichen mit unterschiedlicher Bearbeitungsstrategie zusammengesetzt sein. Diese Bereiche können auch überlappen oder miteinander verzahnt sein. Das hier dargestellte Verfahren zur Planung der Scannerbewegung und der Laseransteuerung kann hier aber in gleicher oder analoger Weise angewandt werden.
• Um zu vermeiden, dass bedingt durch die Laserdynamik die ersten Pixel in der ersten Zeile fehlen, sollte die Laser-Ansteuerung geeignet geplant werden, um den Laser zum Zeilenbeginn sicher in einem Zustand zu versetzen, der den Beginn der Zeile zeitgerecht ermöglicht.
• Vorgeschlagen wird weiterhin ein Computerprogramm, das bei Ausführung durch eine Recheneinheit diese veranlasst, zumindest einen Teil der Verfahrensschritte des Verfahrens zur Zeitoptimierung gemäß einem oder mehreren der in der vorangegangenen und/oder nachfolgenden Beschreibung beschriebenen Verfahrensschritte durchzuführen. Das Computerprogramm kann beispielsweise auf einem Speicher in der Recheneinheit hinterlegt sein und/oder kann von der Recheneinheit ausgeführt werden. Die Recheneinheit kann auch mittels eines Computers ausgebildet sein.
• Vorgeschlagen wird außerdem ein computerlesbares Speichermedium, umfassend ein Computerprogramm, wobei das Computerprogramm bei Ausführung mittels eines Computers diesen veranlasst, das Verfahren zur Zeitoptimierung gemäß einem oder mehreren der in der vorangegangenen und/oder nachfolgenden Beschreibung beschriebenen Verfahrensschritte auszuführen. Das computerlesbare Speichermedium kann der oben genannte Speicher sein. Das Computerprogramm kann gemäß einem Merkmal der vorangegangenen und/oder nachfolgenden Beschreibung ausgebildet sein.
• Vorgeschlagen wird ferner eine Laserbearbeitungsvorrichtung zur Laserbearbeitung eines Objekts mit einem Laser zur Laserbearbeitung. Der Laser kann hierbei von einer Lasereinheit erzeugt werden.
• Des Weiteren umfasst die Laserbearbeitungsvorrichtung ein Galvo-Scansystem zum Führen eines Lasers über das Objekt.
• Außerdem umfasst die Laserbearbeitungsvorrichtung die Recheneinheit, wobei die Recheneinheit ausgebildet ist, das Verfahren gemäß zumindest einem der vorangegangenen und/oder nachfolgenden Beschreibung beschriebenen Verfahrensschritten durchzuführen.
• Im Folgenden wird eine mögliche Berechnung für das zeitoptimierte Durchlaufen bzw. Bearbeiten der Bearbeitungsbahn auf dem Objekt gegeben.
• Der geometrische Pfad p wird definiert durch, $$\begin{array}{cc}p\left(s\right)=\left[\begin{array}{c}x\left(s\right)\\ y\left(s\right)\\ z\left(s\right)\end{array}\right],& p\left(s\right)\end{array}\in C^2\left(D\right)$$

  

  wobei x(s), y(s), z(s) die Pfadkoordinaten in Bezug zur bisherigen Bogenlänge s ∈ [0, L] sind.
• Damit lassen sich die vektorielle Geschwindigkeit, Beschleunigung und Ruck wie folgt ausdrücken. $$v=p\text{'}\dot{s}$$

  

  $$a=p\text{'}\ddot{s}+p\text{'}\text{'}{\dot{s}}^2$$

  

  $$j=p\stackrel{⃛}{s}+p\text{'}\text{'}\dot{s}\ddot{s}+p\text{'}\text{'}\text{'}{\dot{s}}^3$$

  

  wobei $$\begin{array}{cc}\dot{s}=\frac{ds}{dt},& p\text{'}\end{array}=\frac{dp}{ds}$$

  

  das Optimierungsproblem durch die Maximierung der Geschwindigkeit definiert. $$maximize{\displaystyle {\int }_0^L\dot{s}ds}$$

  
• Die Lösung wird durch die maximal realisierbare Geschwindigkeit, Beschleunigung und Ruck begrenzt. $$v_{max}\ge \left|p\text{'}\dot{s}\right|$$

  

  $$a_{max}\ge \left|p\text{'}\ddot{s}+p\text{'}\text{'}{\dot{s}}^2\right|$$

  

  $$j_{max}\ge \left|p\text{'}\stackrel{⃛}{s}+p\text{'}\text{'}\dot{s}\ddot{s}+p\text{'}\text{'}\text{'}{\dot{s}}^3\right|$$

  
• Da t unbekannt ist, und deswegen ṡ, s̈ und s̈. nicht explizit berechnet werden können, wird eine Substitution durchgeführt. Für $\dot{s}=\sqrt{q}$

  

  ergibt sich, $$v_{max}\ge \left|p\text{'}\right|\sqrt{q}$$

  

  $$a_{max}\ge \left|\frac{1}{2}p\text{'}q\text{'}+p\text{'}\text{'}q\right|$$

  

  $$j_{max}\ge \left|\frac{1}{2}p\text{'}q\text{'}\text{'}+\frac{3}{2}p\text{'}\text{'}q\text{'}+p\text{'}\text{'}\text{'}q\right|\sqrt{q}$$

  
• Per Definition ist s und somit auch q positiv definit. Definiert man nun q als einen B-Spline zweiter Ordnung, können die Ableitungen q', q'' als linear über die Stützstellen [a₁, a₂ ... a_K] des Splines betrachtet werden, $$\begin{array}{lll}q\left(s\right)={\displaystyle \sum _{i=1}^K{N}_{i\mathrm{,2}}\left(s\right)\cdot a_i,}\hfill & \hfill & q\text{'}\left(s\right)={\displaystyle \sum _{i=1}^{K}N{\text{'}}_{i\mathrm{,2}}\left(s\right)\cdot a_i}\hfill \\ \hfill & q\text{'}\text{'}\left(s\right)={\displaystyle \sum _{i=1}^{K}N\text{'}{\text{'}}_{i\mathrm{,2}}\left(s\right)\cdot a_i}\hfill & \hfill \end{array}$$

  

  wobei N_i,2(s) die Basis Funktionen des Splines sind. Diese werden mithilfe des De-Boor-Algorithmus bestimmt.
• Die Stützstellen [a₁, a₂ ... a_K] sind jetzt die Optimierungsparameter. Um die Optimierungsaufgabe vollständig zu linearisieren muss eine Approximation für jq gefunden werden. Dazu löst man das Optimierungsproblem ohne Ruckbegrenzung. Das dadurch ermittelte q* stellt eine Obergrenze aller realisierbarer ruckbegrenzter Trajektorien dar. Der Lösungsraum der Aufgabe kann durch eine zusätzliche Bedingung (Ruck) nur kleiner oder gleich des bereits ermittelten q* sein. Mithilfe dieser Approximation kann im zweiten Optimierungsschritt die Bedingung als Pseudo-Ruck eingeführt werden. $${\tilde{J}}_{max}\ge \left|\frac{1}{2}p\text{'}q\text{'}\text{'}+\frac{3}{2}p\text{'}\text{'}g\text{'}+p\text{'}\text{'}\text{'}q\right|\sqrt{q*}$$

  
• Da q* ≥ q gilt auch j_max ≥ j̃_max
• Somit ergeben sich zwei notwendige Schritte zur Ermittlung der ruckbegrenzten Trajektorie:
• Schritt 1: $$maximize{\displaystyle {\int }_0^L\dot{s}ds}$$

  

  mit $$v_{max}\ge \left|p\text{'}\right|\sqrt{q*}$$

  

  $$a_{max}\ge \left|\frac{1}{2}p\text{'}q*\text{'}+p\text{'}\text{'}q*\right|$$

  
• Schritt 2: $$maximizie{\displaystyle {\int }_0^L\dot{s}ds}$$

  

  mit $$v_{max}\ge \left|p\text{'}\right|\sqrt{q}$$

  

  $$a_{max}\ge \left|\frac{1}{2}p\text{'}q\text{'}+p"q\right|$$

  

  $${\tilde{J}}_{max}\ge \left|\frac{1}{2}p\text{'}q"+\frac{3}{2}p"q\text{'}+p"\text{'}q\right|\sqrt{q*}$$

  
• Unter der Verwendung der Matrixdarstellung des B-splines, $$\left[\begin{array}{c}{q}_1\\ ⋮\\ q_K\end{array}\right]=\left[\begin{array}{ccc}{N}_{\mathrm{1,2}}\left(s_1\right)& \cdots & N_{K\mathrm{,2}}\left(s_1\right)\\ ⋮& \ddots & ⋮\\ N_{\mathrm{1,2}}\left(s_k\right)& \cdots & N_{K\mathrm{,2}}\left(s_K\right)\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{a}_1\\ ⋮\\ a_K\end{array}\right]$$

  

  können effektive LP-Solver verwendet werden. Durch diese Darstellung kann nun ebenfalls für jeden Pfadparameter s ein explizites v_max,i vorgegeben werden. $$\left[\begin{array}{c}{v}_{max\mathrm{,1}}{}^2\\ ⋮\\ v_{max,K}{}^2\end{array}\right]\ge {\left|p\text{'}\right|}^2\left[\begin{array}{ccc}{N}_{\mathrm{1,2}}\left(s_1\right)& \cdots & N_{K\mathrm{,2}}\left(s_1\right)\\ ⋮& \ddots & ⋮\\ N_{\mathrm{1,2}}\left(s_k\right)& \cdots & N_{K\mathrm{,2}}\left(s_K\right)\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{a}_1\\ ⋮\\ a_K\end{array}\right]$$

  
• Weitere Vorteile der Erfindung sind in den nachfolgenden Ausführungsbeispielen beschrieben. Es zeigen:
• 1 eine Bearbeitung eines Objekts 1 durch einen Laser 2 entlang einer Bearbeitungsbahn 4 mit Hilfe eines Galvo-Scansystems 3,
• 2 Beispiele eines ortsabhängigen Energieeintragsverlaufs E(s) sowie eines ortsabhängigen idealisierten und eines realisierbaren Geschwindigkeitsverlaufs v(s) und
• 3 ein alternatives Beispiel eines ortsabhängigen Energieeintragsverlaufs E(s) sowie eines ortsabhängigen idealisierten und eines realisierbaren Geschwindigkeitsverlaufs v(s).
• 1 zeigt eine Laserbearbeitung eines Objekts 1 durch einen Laser 2 entlang einer Bearbeitungsbahn 4 mittels einer Laserbearbeitungsvorrichtung 19. Die Laserquelle 20 erzeugt einen Laserstrahl (im weiteren kurz „Laser“ genannt). Der Laser 2 wird mit Hilfe eines Galvo-Scansystems 3 über das Objekt 1 und entlang der Bearbeitungsbahn 4 geführt. Im Folgenden wird es so erläutert, dass der Laser 2 über das Objekt 1 bewegt wird. Hierfür wird ein Strahl des Lasers 2 bzw. ein Laserstrahl oder ein Laserfokus des Lasers 2 über das Objekt 1 und entlang der Bearbeitungsbahn 4 bewegt.
• Die Bearbeitungsbahn 4 weist gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel einen Bahnanfang 5 und ein Bahnende 6 auf. Der Laser 2 überstreicht somit die Bearbeitungsbahn 4, oder auch kurz die Bahn 4, vom Bahnanfang 5 bis zum Bahnende 6. Insbesondere beginnt der Laser 2 die Bearbeitung des Objekts 1 am Bahnanfang 5 und beendet die Bearbeitung des Objekts 1 am Bahnende 6.
• Galvo-Scansystem 3 bedeutet hier, dass das Galvo-Scansystem 3 zumindest einen, insbesondere zumindest zwei, Galvanometerantrieb(e) 9, 10 aufweist, die im Folgenden näher erläutert werden. Galvo ist hier und im Folgenden die Abkürzung für Galvanometerantrieb.
• Um den Laser 2 auf das Objekt 1 zu lenken und um den Laser 2 bewegen zu können, umfasst das Galvo-Scansystem 3 in diesem Ausführungsbeispiel zwei Ablenkspiegel 7, 8. Mit Hilfe der beiden Ablenkspiegel 7, 8 kann der Laser 2 flächig über das Objekt 1 bewegt werden. Beispielsweise kann mittels eines ersten Ablenkspiegels 7 der Laser 2 in einer Richtung bewegt werden, wohingegen ein zweiter Ablenkspiegel 8 den Laser 2 in einer dazu orientierten Querrichtung bewegen kann. Insgesamt kann hierdurch der Laser 2 über das Objekt 1 bewegt werden.
• Der Laserstrahl kann wie in diesem Beispiel dargestellt optional mit einer Scan-Optik 11 im Strahlgang nach den Ablenkspiegeln 7, 8, auf die Ebene des Werkstücks fokussiert werden. Hierfür kann insbesondere ein f-theta-Objektiv eingesetzt werden, bei dem die Position des Fokus in der Ebene im Wesentlichen linear von den Ablenkwinkeln der beiden Ablenkspiegel abhängt.
• Um beide Ablenkspiegel 7, 8 bewegen zu können, ist jedem Ablenkspiegel 7, 8 ein Galvanometerantrieb 9, 10, oder auch kurz ein Galvo 9, 10, zugeordnet. Mit Hilfe eines ersten Galvanometerantriebs 9 kann der erste Ablenkspiegel 7 und mit des eines zweiten Galvanometerantriebs 10 kann der zweite Ablenkspiegel 8 bewegt werden.
• Das Galvo-Scansystem 3 erhält von einer Steuerung 22 Positionsdaten p(t), die die Koordinaten der Bearbeitungsbahn 4 auf dem Objekt 1 repräsentieren. Die Bearbeitungsbahn 4 ist mittels der Positionsdaten p(t) bestimmt. Für die Steuerung der Galvanometerantriebe 9, 10 werden diese Positionsdaten p(t) verwendet um zu den Zeitpunkten t eine Sollposition der Ablenkspiegel 7, 8 vorzugeben. Die jeweilige Stellung der Ablenkspiegel 7, 8 hängt hierbei noch von der Orientierung und/oder Position des Galvo-Scansystems 3 zum Objekt 1 ab. Die Positionsdaten p(t) werden ferner in der Form p(t) = p(s(t)) mit Hilfe eines zeitabhängigen Bahnfortschritts s(t) ermittelt. Die Berechnung des zeitabhängigen Bahnfortschritts s(t) wird in der folgenden Beschreibung beschrieben und/oder ist in der vorangegangenen Beschreibung erläutert.
• Des Weiteren umfasst das Laserbearbeitungssystem(NR) eine Fokussiereinheit 21, mit deren Hilfe die Divergenz des Laserstrahls 2 variiert werden kann. Hierdurch ist nicht nur einer Bearbeitung des Objekts 1 in der Breite und Länge möglich, sondern auch in der Tiefe. Außerdem kann mit Hilfe der Fokussiereinheit 21 der Laser 2 aufgeweitet werden, so dass der Laser 2 das Objekt 1 nicht nur an einem Punkt bzw. in einem relativ kleinen Bereich bearbeitet, sondern durch die Aufweitung in einem entsprechend größeren Bereich. Der Laser 2 kann somit defokussiert werden. Wie hier gezeigt ist, ist die Fokussiereinheit 21 der Laserquelle 20 nachgeordnet und/oder vom Galvo-Scansystem 3 beabstandet. Wie hier zu sehen ist, ist die Fokussiereinheit 21 einer im Folgenden erläuterten Lasereinkopplung 12 vorgelagert. Optional kann die Fokussiereinheit 21 auch integraler Bestandteil des Galvo-Scansystems 3 sein
• Ferner weist das Galvo-Scansystem 3 eine Lasereinkopplung 12 auf. Der Laser 2 kann an einem entfernten Ort erzeugt werden und zum Führen über das Objekt 1 in das Galvo-Scansystem 3 eingekoppelt werden. Alternativ ist es möglich, dass der Laser 2 auch im oder am Galvo-Scansystem 3 direkt erzeugt wird. Die hier gezeigte Laserquelle 20 kann somit auch Bestandteil des Galvo-Scansystems 3 sein.
• Die Laser-Bearbeitungsvorrichtung 19 umfasst die Steuerung 22, die in diesem Beispiel außerhalb des Galvo-Scansystems 3 angeordnet ist, die optional aber auch in das Galvo-Scansystem 3 und insbesondere in die Galvo-Steuereinheit 13 integriert sein kann. Die Steuerung 22 kann auch in die Rechnereinheit 14 integriert sein. Als Steuerung 22 kann beispielsweise eine SCANLAB RTC6 PCI-Steckkarte in der Rechnereinheit 14 eingesetzt werden oder eine SCANLAB RTC6 Ethernet Box, die über eine Ethernetverbindung mit der Rechnereinheit 14 verbunden ist.
• Die Steuerung 22 kann vorteilhafterweise die Laserquelle 22 derart ansteuern, dass die Laserleistung angepasst werden kann Die Steuerung 22 kann mit einem Mittel zur Modulation der Laserleistung verbunden sein, das in diesem Beispiel in der Laserquelle 22 angeordnet sein kann. Hierbei kann es sich beispielsweise um einen akusto-optischen Modulator handeln oder um die Modulation des Stroms einer Laserdiode. Die Steuerung 22 ist außerdem mit dem Galvo-Scansystem 3 verbunden, um die Positionsdaten p(t) an die Galvo-Steuereinheit 13 zu übertragen. Optional kann die Steuerung 22 außerdem mit der Fokussiereinheit 21 verbunden sein, um die Fokus des Lasers 2 zu variieren.
• Weiterhin umfasst das Galvo-Scansystem 3 gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel die Galvo-Steuereinheit 13, die das Galvo-Scansystem 3 und somit die Bewegung des Lasers 2 steuert. Insbesondere kann die Galvo-Steuereinheit 13 die Winkelstellung der beiden Galvos 9, 10 bzw. die beiden Galvanometerantriebe 9, 10 regeln, so dass die beiden Ablenkspiegel 7, 8 entsprechend des Sollpositionsverlaufs bewegt werden und den Laser 2 entlang der Bearbeitungsbahn 4 führen Um der Bearbeitungsbahn 4 möglichst genau zu folgen, ist in der Galvo-Steuereinheit 13 bevorzugt ein Regelungsverfahren implementiert, das keinen Schleppverzug aufweist, insbesondere einen sogenannten Zustandsregler oder einen sogenannten Trajektorienregler. Das Regelungsverfahren kann voraussetzen, dass der Sollpositionsverlauf dynamische Grenzen insbesondere für Geschwindigkeit und/oder Beschleunigung und/oder Ruck einhält, die den physikalischen Grenzen der Galvanometerantriebe 7, 8 und/oder den Grenzen ihrer Stromversorgung entsprechen. Diese Dynamikgrenzen können z.B. zur Verbesserung der Stabilität des Regelungsalgorithmus auch enger gefasst sein, als die entsprechenden physikalischen Grenzen.
• Wie hier dargestellt ist, weist die Bearbeitungsbahn 4 eine sich ändernde Dicke auf. Die Dicke soll hier einen Energieeintrag E in das Objekt 1 entlang der Bearbeitungsbahn 4 repräsentieren. Dickere Stellen an der Bearbeitungsbahn 4 sollen einen hohen Energieeintrag E repräsentieren, wohingegen dünnere Stellen einen entsprechend geringen Energieeintrag E repräsentieren. Der Energieeintrag E ist weiterhin die Energie, die der Laser 2 in das Objekt 1 entlang der Bearbeitungsbahn 4 einbringt. Der Energieeintrag E hängt hierbei von der Laserleistung L des Laser 2 ab. Eine hohe Laserleistung L führt zu einem hohen Energieeintrag E und eine geringe Laserleistung L führt zu einem geringen Energieeintrag E. Des Weiteren hängt der Energieeintrag E von der Zeit ab. Je länger sich der Laser 2 an einer Stelle der Bearbeitungsbahn 4 bzw. in einem Bereich entlang der Bearbeitungsbahn 4 befindet, desto mehr Energie wird eingetragen.
• Mit Hilfe des Energieeintrags E bzw. durch den Laser 2 kann das Objekt 1 beispielsweise graviert, abgetragen, markiert, geschnitten und/oder geschweißt werden. In Abhängigkeit des Energieeintrags E durch den Laser 2 an einer bestimmten Stelle bzw. in einem bestimmten Bereich wird das Objekt 1 auch entsprechend bearbeitet. Beispielsweise kann durch einen geringen Energieeintrag E, beispielsweise im Bereich des Bahnanfangs 5, das Objekt so bearbeitet werden, dass sich die Eigenschaften des Objekts 1 an dieser Stelle nur wenig ändern. Soll beispielsweise Material abgetragen werden, so wird durch den geringen Energieeintrag E, wie hier am Bahnanfang 5 dargestellt ist, nur wenig Material abgetragen. In einem mittleren Bereich der Bearbeitungsbahn 4, an denen die Bearbeitungsbahn 4 hier dicker dargestellt ist, wird im Vergleich zum Bahnanfang 5 mehr Energie eingetragen bzw. ist der Energieeintrag E höher. Hier wird folglich das Objekt 1 stärker bearbeitet, natürlich unter der Voraussetzung, dass das Objekt 1 entsprechend gleichbleibende Eigenschaften aufweist bzw. beispielsweise entlang der hier gezeigten Bearbeitungsbahn 4 aus dem gleichen Material ausgebildet ist. Wird wieder Material abgetragen, so wird durch den höheren Energieeintrag E mehr Material abgetragen bzw. werden die Eigenschaften des Objekts 1 an der Stelle des höheren Energieeintrags E stärker verändert. Wie bereits erwähnt ist, soll hier vorausgesetzt werden, dass zur einfacheren Erklärung das Objekt 1 überall gleichbleibende Eigenschaften aufweist.
• Die Bearbeitung des Objekts 1 entlang der Bearbeitungsbahn 4 hängt somit vom Energieeintrag E entlang der Bearbeitungsbahn 4 ab. Zusätzlich hängt die Bearbeitung des Objekts 1 noch von weiteren Faktoren wie Material etc. ab, die jedoch hier noch nicht beachtet werden. Nichtsdestotrotz können derartige Faktoren in dem in der folgenden Beschreibung beschriebenen Verfahren und/oder in dem in der vorangegangenen Beschreibung beschriebenen Verfahren berücksichtigt werden.
• Als weiteres Beispiel kann das Objekt 1 ein Textilmaterial sein, in das ein Muster aufgebracht werden soll. Mit Hilfe des Lasers 2 kann ein Textilstück, insbesondere ein gefärbtes Textilstück, entlang der Bearbeitungsbahn 4 gebleicht werden. Durch den Energieeintrag E durch den Laser 2 können Farbstoffe zerstört werden, so dass an diesen Stellen das Textilstück heller wird. Über den Energieeintrag E entlang der Bearbeitungsbahn 4 kann hierdurch ein Muster aufgebracht werden. Durch eine Variierung des Energieeintrags E entlang der Bearbeitungsbahn 4 können somit auch verschiedene Stufen der Ausbleichung erreicht werden, so dass das Textilstück entsprechend heller oder dunkler (in Bezug auf die Farbe des Textilstücks) entlang der Bearbeitungsbahn 4 wird. Wird die Bearbeitungsbahn 4 entsprechend geplant, können so verschiedene zweidimensionale Muster oder beispielsweise auch Schriftzüge ausgebildet werden.
• Da es sich um eine industrielle Bearbeitung des Objekts 1 handeln kann, ist es vorteilhaft, wenn die Bearbeitung des Objekts 1 durch den Laser 2, also eine Laserbearbeitung des Objekts 1, so schnell wie möglich erfolgt. Hierfür wird ein Verfahren, insbesondere ein computerimplementiertes Verfahren, zur Zeitoptimierung der Laserbearbeitung des Objekts 1, bei der der Laser 2 entlang der vorgegebenen Bearbeitungsbahn 4 auf dem Objekt 1 durch ein Galvo-Scansystem 3 führbar ist, vorgeschlagen.
• Beschrieben ist bereits, dass das Objekt 1 ein Textilstück oder allgemein ein Werkstück sein kann. Zusätzlich oder alternativ kann das Objekt 1 auch ein Körperteil sein, so dass die Laserbearbeitung für medizinische Zwecke verwendet wird.
• Des Weiteren ist hier die Recheneinheit 14 gezeigt, mit der das in der vorangegangenen Beschreibung und/oder das in der nachfolgenden Beschreibung erläuterte Verfahren durchgeführt werden kann. Die mit dem Verfahren ermittelten Steuerungsdaten können von der Recheneinheit 14 an die Steuerung 22 übertragen werden. Die Steuerung 22 steuert dann zumindest die Modulation der Laserleistung und die Position des Lasers 2 synchron. Des Weiteren ist eine Laserbearbeitungsvorrichtung 19 zumindest teilweise gezeigt. Die Laserbearbeitungsvorrichtung 19 umfasst den Laser 2 bzw. die Laserquelle 20, mit der der Laser 2 erzeugt wird, die Fokussiereinheit 21, das Galvo-Scansystem 3, die Recheneinheit 14 und vorzugsweise die Steuerung 22.
• 2 zeigt Beispiele eines ortsabhängigen Energieeintragsverlaufs E(s) 15, eines ortsabhängigen idealisierten Geschwindigkeitsverlaufs v(s) 16 sowie von Leistungsverläufen 23, 24.
• 2 zeigt drei Diagramme bzw. Koordinatensysteme. Bei beiden Koordinatensystemen gibt die Abszissenachse einen Ort s oder eine Stelle entlang der Bearbeitungsbahn 4 an. Im ersten oberen Diagramm bzw. Koordinatensystem ist die Energie bzw. der Energieeintrag E auf der Ordinatenachse aufgetragen. Im zweiten unteren Diagramm bzw. Koordinatensystem ist die Geschwindigkeit v auf der Ordinatenachse aufgetragen.
• Der ortsabhängige Energieeintragsverlauf E(s) 15 gibt hier an, wie hoch der Energieeintrag an einem Ort s der Bearbeitungsbahn 4 sein muss. Zu beachten ist hier, dass der ortsabhängige Energieeintragsverlauf E(s) 15 der 2 der Bearbeitungsbahn 4 der 1 nachempfunden ist. So beginnt der ortsabhängige Energieeintragsverlauf E(s) 15, wie auch der ortsabhängigen idealisierten Geschwindigkeitsverlauf v(s) 16, ebenfalls am Bahnanfang 5 und endet am Bahnende 6. Wird somit der Ort s im Diagramm bzw. Koordinatensystem vom Bahnanfang 5 zum Bahnende 6 durchlaufen, so wird auch die Bearbeitungsbahn 4 vom Bahnanfang 5 zum Bahnende 6 durchlaufen.
• Da der ortsabhängige Energieeintragsverlauf E(s) 15 der 2 der Bearbeitungsbahn 4 der 1 nachempfunden ist, steigt der ortsabhängige Energieeintragsverlauf E(s) 15 vom Bahnanfang 5 bis zu einem mittleren Bereich an. In 1 ist dies durch die dicker werdende Bearbeitungsbahn 4 dargestellt. Danach sinkt der ortsabhängige Energieeintragsverlauf E(s) 15 wieder ab, was in 1 durch die dünner werdende Bearbeitungsbahn 4 dargestellt ist.
• Der ortsabhängige Energieeintragsverlauf E(s) 15 ist vorteilhafterweise vorgegeben. Das heißt, dass der ortsabhängige Energieeintragsverlauf E(s) 15 als Eingangsdaten vorliegen. Der ortsabhängige Energieeintragsverlauf E(s) 15 kann vorteilhafterweise auch aus einem Vorgabewert bzw. aus einem ortsabhängigen Vorgabewertverlauf ermittelt werden. Beispielsweise gibt ein Kunde als Vorgabewertverlauf einen Abtrageverlauf entlang der Bearbeitungsbahn 4 vor, wobei der Abtrageverlauf vorgibt, wieviel Material entlang der Bearbeitungsbahn 4 abgetragen werden soll. Als Vorgabewertverlauf kann auch ein Ausbleichverlauf vorgegeben werden, der angibt, wie stark das Textilstück entlang der Bearbeitungsbahn 4 ausgebleicht werden soll. Aus diesem Vorgabewertverlauf kann der ortsabhängige Energieeintragsverlauf E(s) 15 ermittelt werden, wobei hierfür vorzugsweise zumindest Materialeigenschaften miteinberechnet werden. Es ist klar, dass für Kunststoff und Metall, z.B. Eisen oder Stahl, unterschiedliche Energieeinträge nötig sind, um auf einen vergleichbaren Materialabtrag zu gelangen.
• Vorzugsweise wird aus dem ortsabhängigen Energieeintragsverlauf E(s) 15 der Energieeintrag E in das Objekt 1 in einem Bereich entlang der Bearbeitungsbahn 4 mittels Integration des ortsabhängigen Energieeintragsverlaufs E(s) 15 im entsprechenden Bereich im Diagramm ermittelt.
• Um die Bearbeitungsbahn 4 zeitoptimiert zu bearbeiten ist es vorteilhaft, wenn der Laser 2 so schnell wie möglich durch die Bearbeitungsbahn 4 bewegt wird. Die größtmögliche Geschwindigkeit des Lasers 2 entlang der Bearbeitungsbahn 4 wird zum einen dadurch limitiert, dass der ortsabhängige Energieeintragsverlauf E(s) 15 erreicht werden muss. Zum anderen weist der Laser 2 lediglich eine begrenzte Laserleistung auf.
• Beim Verfahren wird ein ortsabhängiger erster Leistungsverlauf L₁(_S) 23 des Lasers 2 entlang der Bearbeitungsbahn 4 festgelegt. Der ortsabhängige erste Leistungsverlauf L₁(_S) 23 ist stets geringer oder gleich der maximal möglichen Leistung des Lasers 2. Vorteilhafterweise wird der ortsabhängige erste Leistungsverlauf L₁(_S) 23 so hoch wie möglich festgelegt, so dass die Bearbeitungszeit der Bearbeitungsbahn 4 verkürzt wird, insbesondere konstant und gleich der verfügbaren maximalen Leistung, die die Laserquelle 20 erzeugen kann. Vorteilhaft ist es, wenn der ortsabhängige erste Leistungsverlauf L₁(_S) 23 zumindest abschnittsweise konstant festgelegt wird, wie es hier gezeigt ist. Anhand des ortsabhängigen ersten Leistungsverlaufs L₁(_S) 23 und des ortsabhängigen Energieeintragsverlaufs E(s) 15 wird der ortsabhängige idealisierte Geschwindigkeitsverlauf v_max(s) 16 berechnet. Eine mögliche Beziehung zwischen der ortsabhängigen idealisierten Geschwindigkeitsverlauf v_max(s) 16, des ortsabhängigen ersten Leistungsverlaufs L₁(_S) 23 und des ortsabhängigen Energieeintragsverlaufs E(s) 15 kann beispielsweise wie folgt sein: $$vmax\left(s\right)\sim \frac{L1\left(s\right)}{E\left(s\right)}$$

  
• Die idealisierte Geschwindigkeit am Ort s kann insbesondere proportional zum Verhältnis aus ortsabhängigem Leistungsverlauf L₁ und dem erwünschten Energieeintrag E am Ort s sein. Es kann aber auch ein anderer insbesondere auch ein nichtlinearer Zusammenhang zwischen Leistung L, Energie E und Geschwindigkeit v für den Laserprozess gelten. Wichtig für das erfindungsgemäße Verfahren ist nur, dass es einen Wertebereich gibt, in dem einem Energieeintrag E und einer Leistung L eine Geschwindigkeit v über einen bekannten Zusammenhang zugeordnet werden kann. In diesen Zusammenhang können auch weitere Parameter wie z.B. eine Fokusgröße oder ein Einfallswinkel des Lasers 2 einfließen. Ermittelt werden kann dieser Zusammenhang beispielsweise aus experimentellen Parameterstudien, bei denen die Laserbearbeitung mindestens mit mehreren verschiedenen Werten der Parameter Leistung und Geschwindigkeit erfolgt und der Energieeintrag (also z.B. der Abtrag oder die Farbänderung) bewertet wird. Die so experimentell ermittelten Werte können und in einer Wertetabelle erfasst werden und es kann zwischen den Werten dieser Tabelle interpoliert werden. Die Wertetabelle oder eine geeignete Darstellung der Interpolation ist in der Recheneinheit 14 hinterlegt und erlaubt die Berechnung einer der drei Größen Geschwindigkeit v, Leistung L und/oder Energieeintrag E, wenn die beiden anderen Größen gegeben sind. Da die Abhängigkeit des Energieeintrags E von den Parametern Geschwindigkeit v und Leistung L i.d.R. jeweils einen streng monotonen Verlauf hat, ist die oben genannte Berechnung der Größen i.d.R. auf eindeutige Weise möglich. Wird der Zusammenhang für verschiedene weitere Parameter des Laserprozesses in analoger weise experimentell ermittelt, kann auch der Einfluss dieser Parameter im Verfahren berücksichtig werden. Beispielsweise kann der Einfluss des Einfallswinkels auf die Objektoberfläche oder der Einfluss einer Defokussierung des Laserstrahls in der Wertetabelle mit hinterlegt sein.
• Der ortsabhängige idealisierte Geschwindigkeitsverlauf v_max(s) 16 ist in 2 in dem mittleren Diagramm bzw. Koordinatensystem gezeigt. Wie zu sehen ist, ist der ortsabhängige idealisierte Geschwindigkeitsverlauf v_max(s) 16 in dem mittleren Bereich vergleichsweise gering. Der ortsabhängige idealisierte Geschwindigkeitsverlauf v_max(s) 16 ist hierbei in dem mittleren Bereich ausfolgendem Grund gering. Der ortsabhängige Energieeintragsverlauf E(s) 15 ist im mittleren Bereich groß, was beispielsweise dem dicken, mittleren Bereich der Bearbeitungsbahn 4 der 1 entspricht. Hier soll also ein vergleichsweise hoher Energieeintrag E in die Bearbeitungsbahn 4 erfolgen. Da jedoch die Laserleistung L bzw. der ortsabhängige erste Leistungsverlauf L₁(_S) 23 nicht beliebig hoch sein kann bzw. begrenzt ist, muss der ortsabhängige idealisierte Geschwindigkeitsverlauf v_max(s) 16 in diesem Bereich geringer sein, so dass der hohe Energieeintrag E erreicht werden kann. Der Laser 2 muss sich hier entsprechend langsam entlang der Bearbeitungsbahn 4 bewegen. Am Bahnanfang 5 sowie am Bahnende 6 ist der ortsabhängige idealisierte Geschwindigkeitsverlauf v_max(s) 16 dagegen größer, da hier der ortsabhängige Energieeintragsverlauf E(s) 15 geringer ist. Hier kann die Bearbeitungsbahn 4 vom Laser 2 wieder schneller durchlaufen werden, wobei immer noch der vorgegebene Energieeintrag E erzielt werden kann. Das „idealisiert“ beim ortsabhängigen idealisierten Geschwindigkeitsverlauf v_max(s) 16 bedeutet hier, dass dies die maximale Geschwindigkeit v_max ist, die der Laser 2 entlang der Bearbeitungsbahn 4 in Abhängigkeit des Orts s aufweisen kann, so dass beim ortsabhängigen ersten Leistungsverlauf L₁(_S) 23 der ortsabhängige Energieeintragsverlauf E(s) 15 gerade noch erreicht wird.
• Beim Verfahren wird ferner ein zeitabhängiger Bahnfortschritt s(t) derart berechnet, dass ein realisierbarer Geschwindigkeitsverlauf v(s) 17 des Lasers 2 entlang der Bearbeitungsbahn 4 durch den ortsabhängigen idealisierten Geschwindigkeitsverlauf v_max(s) 16 beschränkt ist und zumindest eine Dynamikgrenze des Galvo-Scansystems 3 entlang der Bearbeitungsbahn 4 eingehalten wird. Die zumindest eine Dynamikgrenze folgt daraus, dass die Ablenkspiegel 7, 8 nicht beliebig schnell bewegt und/oder deren Orientierung nicht beliebig schnell geändert werden kann. Insbesondere weisen die Galvanometerantriebe 9, 10 ebenfalls eine Trägheit auf, so dass der Laser 2 beispielsweise nicht beliebig schnell beschleunigt werden kann, um den idealisierten Geschwindigkeitsverlauf v_max(s) 16 zu erreichen. Die zumindest eine Dynamikgrenze kann somit eine Beschleunigungsgrenze und/oder eine Ruckgrenze des Galvo-Scansystems 3, insbesondere der Ablenkspiegel 7, 8 und/oder der Galvanometerantriebe 9, 10, sein.
• Der idealisierte Geschwindigkeitsverlauf v_max(s) 16 kann somit vom realisierbaren Geschwindigkeitsverlauf v(s) 17 höchstens erreicht werden. Der realisierbare Geschwindigkeitsverlauf v(s) 17 ist somit vom idealisierten Geschwindigkeitsverlauf v_max(s) 16 beschränkt.
• Um zum realisierbaren Geschwindigkeitsverlauf v(s) 17 zu gelangen, wird beim Verfahren der zeitabhängige Bahnfortschritt s(t) berechnet. Der zeitabhänge Bahnfortschritt s(t) gibt an, zu welchem Zeitpunkt der Laser 2 wie weit entlang der Bearbeitungsbahn 4 fortgeschritten ist. Der zeitabhänge Bahnfortschritt s(t) gibt somit an, an welchem Ort s sich der Laser 2 zu welcher Zeit t befindet.
• Der zeitabhänge Bahnfortschritt s(t) wird vorteilhafterweise mit Hilfe eines Optimierungsverfahrens berechnet, so dass eine Durchlaufzeit des Lasers 2 durch die Bearbeitungsbahn 4 bzw. eine Bearbeitungszeit der Bearbeitungsbahn 4 minimal wird. Zusätzlich oder alternativ kann der zeitabhänge Bahnfortschritt s(t) derart mit dem Optimierungsverfahren berechnet werden, dass der realisierbare Geschwindigkeitsverlauf v(s) 17 zumindest abschnittsweise, insbesondere überall, maximal wird.
• Im mittleren Diagramm der 2 ist weiterhin ein beispielhafter realisierbarer Geschwindigkeitsverlauf v(s) 17 als gestrichelte Linie dargestellt. Zu sehen ist, dass der realisierbare Geschwindigkeitsverlauf v(s) 17 vom ortsabhängigen idealisierten Geschwindigkeitsverlauf v_max(s) 16 beschränkt ist. Zumindest im Bereich des hier gezeigten Bahnanfangs 5 können beiden Verläufe 16, 17 zumindest annähernd gleich sein, beispielsweise da der Laser 2 bereits in einem Vorlauf beschleunigt wurde. Zu beachten ist jedoch, dass sich der realisierbare Geschwindigkeitsverlauf v(s) 17 dem ortsabhängigen idealisierten Geschwindigkeitsverlauf v_max(s) 16 sehr gut annähern kann, wenn beispielsweise eine geradlinige Bearbeitungsbahn 4 einen konstanten Energieeintrag E aufweist, so dass keine Änderungen der Laserleistung L und/oder der Geschwindigkeit v nötig sind. In diesem beispielhaften Fall kann sich der realisierbare Geschwindigkeitsverlauf v(s) 17 dem ortsabhängigen idealisierten Geschwindigkeitsverlauf v_max(s) 16 annähern.
• Beim Verfahren wird außerdem ein zeitabhängiger zweiter Leistungsverlauf L₂(s(t)) 24 berechnet, wobei der ortsabhängige erste Leistungsverlauf L₁(_S) 23 derart reduziert wird, dass an Stellen bzw. Orten s der Bearbeitungsbahn (4), an denen der realisierbare Geschwindigkeitsverlauf v(s) 17 geringer ist als der idealisierte ortsabhängige Geschwindigkeitsverlauf v_max(s) 16, der ortsabhängige Energieeintragsverlauf E(s)15 erzielt wird. Da der realisierbare Geschwindigkeitsverlauf v(s) 17 geringer ist als der ortsabhängige idealisierte Geschwindigkeitsverlauf v_max(s) 16 verweilt der Laser 2 auch länger in einem Bereich der Bearbeitungsbahn 4, so dass bei Beibehaltung des ortsabhängigen ersten Leistungsverlauf L₁(_S) 23 der Energieeintrag E zu groß wird, insbesondere die Vorgabe überschreitet. Um somit das Absenken des realisierbaren Geschwindigkeitsverlaufs v(s) 17 gegenüber dem ortsabhängigen idealisierten Geschwindigkeitsverlauf v_max(s) 16 auszugleichen, wird der ortsabhängige erste Leistungsverlauf L₁(_S) 23 zum zeitabhängigen zweiten Leistungsverlauf L₂(s(t)) 24 reduziert. Ein Zusammenhang zwischen realisierbaren Geschwindigkeitsverlaufs v(s) 17, dem zu erreichenden ortsabhängigen Energieeintragsverlauf E(s) 15 und dem zeitabhängigen zweiten Leistungsverlauf L₂(s(t)) 24 kann beispielsweise wie folgt sein: $$L_2\left(s\left(t\right)\right)\sim E\left(s\right)\ast v\left(s\right)$$

  
• Der zeitabhängige Bahnfortschritt s(t) kann als ein normierter Bahnfortschritt definiert werden, d.h. s(t) repräsentiert die Länge der Strecke, die auf der Bahn bis zum Zeitpunkt t zurückgelegt wurde. Der zeitabhängige Bahnfortschritt s(t) ist damit eindeutig umkehrbar in ein t(s). Daraus gilt dann: $$v\left(t\right)=\frac{ds\left(t\right)}{dt}$$

  
• Mit der Umkehrfunktion t(s), lässt sich hieraus v(s) bestimmen als v(s) = v(t(s)).
• Die beiden Leistungsverläufe 23, 24 sind hier in dem unteren Diagramm gezeigt. Wie zu sehen ist, ist der ortsabhängige erste Leistungsverlauf L₁(_S) 23 größer oder gleich dem zeitabhängigen zweiten Leistungsverlauf L₂(s(t)) 24. Außerdem ist zu sehen, dass der zweite Leistungsverlauf L₂(s(t)) 24 gegenüber dem Leistungsverlauf L₁(_S) 23 an den Orten stärker reduziert ist, an denen der realisierbare Geschwindigkeitsverlauf 17 weiter nach unten von dem idealisierten Geschwindigkeitsverlauf 16 abweicht. Des Weiteren ist zu sehen, dass der zweite Leistungsverlauf L₂(s(t)) 24 entlang der gesamten Bearbeitungsbahn 4 nur wenig unterhalb des ersten Leistungsverlaufs L₁(_S) 23 liegt. Daran ist erkennbar, dass die verfügbare Leistung des Lasers durch die Optimierung zu einem hohen Maß im Prozess ausgenutzt werden kann.
• 3 zeigt ein Beispiel einer Bearbeitungsbahn 4, die einen diskreten ortsabhängigen Energieeintragsverlauf E(s) 15 aufweist. Hier sind im oberen Bereich der 3 sechs Kästchen gezeigt, die beispielhafte Bahnabschnitte 18 entlang der Bearbeitungsbahn 4 sind. Dass die Bearbeitungsbahn 4 lediglich sechs Bahnabschnitte 18 aufweist, ist lediglich eine Vereinfachung für die Erläuterung. Eine Bearbeitungsbahn 4 kann deutlich mehr Bahnabschnitten 18 umfassen, beispielsweise bis zu einigen 10.000, da ein Bahnabschnitt 18 eine Größe von einigen µm aufweisen kann. Durch eine derartige Anzahl an Bahnabschnitten 18 wird aus dem hier gezeigten diskreten ortsabhängigen Energieeintragsverlauf E(s) 15 ein annähernd kontinuierlicher ortsabhängiger Energieeintragsverlauf E(s) 15, so dass auch mit kontinuierlichen Funktionen gerechnet werden kann.
• Der ortsabhängiger Energieeintragsverlauf E(s) 15 kann beispielsweise von einem Vorgabewertverlauf zu Grauwerten stammen. Jedem Bahnabschnitt 18 kann ein Grauwert zugeordnet sein, der einen Farbton beispielsweise auf einem Textilstück widergibt. Mit Hilfe des Vorgabewertverlaufs bzw. aus dem Grauwert für jeden Bahnabschnitt kann der ortsabhängige Energieeintragsverlauf E(s) 15 ermittelt werden, so dass der dazugehörige Farbton auf dem Textilstück erzielt wird. Beispielsweise muss der Energieeintrag E höher sein, wenn mehr Farbe aufgelöst werden muss, so dass das Textilstück an dieser Stelle heller wird. Die hier gezeigten Kästchen bzw. Bahnabschnitte 18 können mit Pixel einer Bitmap verglichen werden oder aus dieser stammen.
• Jedem Bahnabschnitt 18 ist hier ein Energieeintrag E zugeordnet, der anhand des ortsabhängigen Energieeintragsverlaufs E(s) 15 ermittelt werden kann. So weist der erste Bahnabschnitt 18a den ersten Energieeintrag E₁ = 2 auf. Der zweite Bahnabschnitt 18b weist den zweiten Energieeintrag E₂ = 2 auf. Der dritte Bahnabschnitt 18c weist den dritten Energieeintrag E₃ = 7 auf. Der vierte Bahnabschnitt 18d weist den vierten Energieeintrag E₄ = 10 auf. Der fünfte Bahnabschnitt 18e weist den fünften Energieeintrag E₅ =6 auf. Der sechste Bahnabschnitt 18f weist den sechsten Energieeintrag E₆ = 3 auf. Dieser ortsabhängige Energieeintragsverlauf E(s) 15 ähnelt somit in etwa dem der 1 und 2. Dieser hier gezeigte ortsabhängige Energieeintragsverlauf E(s) 15 ist vorgegeben bzw. aus einem Vorgabewertverlauf ermittelt.
• Anhand des ortsabhängigen Energieeintragsverlaufs E(s) 15 und des ortsabhängigen ersten Leistungsverlaufs L₁(_S) 23 wird der ortsabhängige idealisierte Geschwindigkeitsverlauf v_max(s) 16 ermittelt. Da der ortsabhängige Energieeintragsverlauf E(s) 15 diskret ist, also entlang der jeweiligen Bahnabschnitte 18 konstant ist, ist auch der der ortsabhängige idealisierte Geschwindigkeitsverlauf v_max(s) 16 abschnittsweise, nämlich in den jeweiligen Bahnabschnitten 18, konstant. Der ortsabhängige idealisierte Geschwindigkeitsverlauf v_max(s) 16, wie auch der ortsabhängige Energieeintragsverlauf E(s) 15, sind hier treppenförmig bzw. sind eine Treppenfunktion.
• Mit der Strichpunkt-Linie ist der realisierbare Geschwindigkeitsverlauf v(s) 17 gezeigt. Dieser ist hier so berechnet, dass dieser in den jeweiligen Bahnabschnitten 18 linear ist, wobei die zeitliche Änderung der Geschwindigkeit v hier durch eine Dynamikgrenze des Galvo-Scansystems 3 - in dem Beispiel nämlich insbesondere eine Beschleunigungsgrenze - begrenzt ist. Außerdem ist dieser derart berechnet, dass dieser durch den ortsabhängigen idealisierten Geschwindigkeitsverlauf v_max(s) 16 beschränkt ist. Des Weiteren ist zu sehen, dass im vierten Bahnabschnitt 18d der realisierbare Geschwindigkeitsverlauf v(s) 17 und der ortsabhängige idealisierte Geschwindigkeitsverlauf v_max(s) 16 gleich sind, wobei der realisierbare Geschwindigkeitsverlauf v(s) 17 immer noch vom ortsabhängigen idealisierten Geschwindigkeitsverlauf v_max(s) 16 beschränkt ist.
• Die Begrenzung der Beschleunigung ist im dargestellten Beispiel in 3 in den ersten beiden Bahnabschnitten 18a, 18b zu erkennen. Der realisierbare Geschwindigkeitsverlauf v(s) 17 folgt im ersten Bahnabschnitt 18a nicht dem idealisierten Geschwindigkeitsverlauf v_max(s) 16, da sonst der Betrag der erforderlichen Beschleunigung im Bereich des zweiten Bahnabschnitts 18b die Beschleunigungsgrenze des Galvo-Scansystems 3 überschreiten würde bzw. der idealisierte Geschwindigkeitsverlauf v_max(s) 16 im dritten Bahnabschnitt 18c überschritten werden würde, selbst wenn die maximal verfügbare Beschleunigung im zweiten Bahnabschnitt 18b eingesetzt werden würde. Um dies zu vermeiden, wird in dem Verfahren bereits im ersten Bahnabschnitt 18a eine veränderliche Geschwindigkeit v gewählt, um die bis zum Beginn des dritten Bahnabschnitts 18c erforderliche gesamte Geschwindigkeitsänderung Δv über die ersten beiden Bahnabschnitte 18a, 18b zu verteilen. Würde dies nicht (wie in diesem Beispiel dargestellt) ausreichen, um die Beschleunigungsgrenze einzuhalten, müsste im Verfahren die Geschwindigkeit v am Beginn des ersten Bahnabschnitts 18a schon niedriger gewählt werden als die idealisierte Geschwindigkeit v_max(s) 16, um einen realisierbaren Geschwindigkeitsverlauf v(s) 17 bestimmen zu können.
• Da der realisierbare Geschwindigkeitsverlauf v(s) 17 zumindest abschnittsweise geringer ist als der ortsabhängige idealisierte Geschwindigkeitsverlauf v_max(s) 16, wird der ortsabhängige erste Leistungsverlauf L₁(_S) 23 reduziert, wobei der zeitabhängige zweite Leistungsverlauf L₂(s(t)) 24 berechnet wird, so dass der Energieeintragsverlauf E(s) erreicht wird bzw. so dass die Energieeinträge E in den jeweiligen Bahnabschnitten 18 erreicht und insbesondere nicht überschritten werden. Hierbei kann - insbesondere bei sehr kurzen Bahnabschnitten 18 - für die Bahnabschnitte 18 auch ein jeweils konstanter Energieeintrag E aus einer mittleren Geschwindigkeit v des Bahnabschnitts 18 berechnet werden, der im zeitlichen Mittel dem Energieeintrag E des Bahnabschnitts 18 entspricht.
• Im dritten Diagramm ist nochmals der realisierbare Geschwindigkeitsverlauf v(s) 17 gezeigt, hier jedoch geglättet. Dies hat den Vorteil, dass der realisierbare Geschwindigkeitsverlauf v(s) 17 knickfrei ist, so dass sich die Geschwindigkeit v nicht abrupt ändert. Durch diese Glättung wird auch der Ruck, der der Zeitableitung der Beschleunigung entspricht, auf einen endlichen Wert begrenzt. Durch eine geeignete Wahl der Parameter der Glättung kann erreicht werden, dass auch eine weitere Dynamikgrenze den Galvo-Scansystems 3, nämlich eine Ruckgrenze, eingehalten wird.
• Aus dem mit diesem Verfahren ermittelten Bahnfortschritt s(t) können die Ansteuerungsdaten p(t) = p(s(t) für das Galvo-Scansystem 3 und L₂ (t) = L₂ (s(t)) für die Modulation der Laserleistung L bestimmt werden, die von der Recheneinheit 14 an die Steuerung 22 übertragen werden können.
• Bei der Berechnung kann derselbe Zusammenhang zwischen den Prozessgrößen Energieeintrag E, Geschwindigkeit v und Leistung L genutzt werden, der oben im Kontext der Berechnung der idealisierten Geschwindigkeit v_max(s) 16 bereits beschrieben wurde.
• Zum Zweck der Ausführung durch die Steuerung 22 können diese Daten durch die Steuerung 22 oder die Recheneinheit 14 optional noch interpoliert oder skaliert werden, um dem zeitlichen Takt der Steuerung 22 und/oder dem internen Koordinatensystem des Galvo-Scansystems 3 zu entsprechen. Beispielsweise kann die Steuerung 22 an das Galvo-Scansystem 3 alle 10µs zwei digitale Werte mit einer Auflösung von 20bit übertragen, die die Soll-Winkelstellung der Galvanometerantriebe 7, 8 beschreiben und synchron dazu die Leistung des Lasers 2 mit einer höheren Taktrate von beispielsweise 8 MHz oder 64 MHz modulieren. Die Ansteuerung der Lasermodulation kann durch die Steuerung 22 beispielsweise auch mit einem Analogsignal erfolgen, das aus einem digitalen Signal gewonnen wird, das die Steuerung 22 aus dem zeitabhängigen zweiten Leistungsverlauf L₂ (t) generiert.
• Die Steuerung 22 kann die Laserquelle 20 auch zwischen zwei Leistungen digital modulieren, insbesondere auch an- und abschalten. Die Steuerung 22 kann die Laserquelle 20 beispielsweise mit einem pulsweitenmodulierten Signal ansteuern, mit dem der zeitabhängige zweite Leistungsverlauf L₂ (t) 24 gebildet wird. Durch das Tastverhältnis kann hierbei eine mittlere Laserleistung eingestellt werden, der zeitabhängige zweite Leistungsverlauf L₂ (t) entspricht.
• Im unteren Diagramm sind wieder die beiden Leistungsverläufe L₁(s) 23, L₂(s(t)) 24 gezeigt. Hier ist wieder zu sehen, dass in den Bereichen, in denen der realisierbare Geschwindigkeitsverlauf v(s) 17 stärker vom idealisierten Geschwindigkeitsverlauf v_max(s) 16 abweicht, der zweite Leistungsverlauf L₂(s(t)) 24 stärker gegenüber dem ortsabhängigen ersten Leistungsverlauf L₁(s) 23 reduziert ist. Beispielsweise sind im vierten Bahnabschnitt 18d der zeitabhängige zweite Leistungsverlauf L₂(s(t)) 24 und der ortsabhängige erste Leistungsverlauf L₁(s) 23 gleich, da auch der realisierbare Geschwindigkeitsverlauf v(s) 17 und der idealisierte Geschwindigkeitsverlauf v_max(s) 16 gleich sind. Im ersten und zweiten Bahnabschnitt 18a, 18b weicht der zeitabhängige zweite Leistungsverlauf L₂(s(t)) 24 relativ stark vom ortsabhängigen ersten Leistungsverlauf L₁(_S) 23 ab, da auch der realisierbare Geschwindigkeitsverlauf v(s) 17 stärker vom idealisierte Geschwindigkeitsverlauf v_max(s) 16 abweicht. Die Abweichung ist dazu im Vergleich zum fünften und sechsten Bahnabschnitt 18e, 18f geringer. Die Reduktion des zweiten Leistungsverlaufs L₂(s(t)) 24 gegenüber dem ortsabhängigen ersten Leistungsverlauf L₁(_S) 23 kann dabei von der ortsabhängigen Differenz zwischen dem realisierbaren Geschwindigkeitsverlauf v(s) 17 und dem idealisierten Geschwindigkeitsverlauf v_max(s) 16 abhängig sein.
• Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die dargestellten und beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt. Abwandlungen im Rahmen der Patentansprüche sind ebenso möglich wie eine Kombination der Merkmale, auch wenn diese in unterschiedlichen Ausführungsbeispielen dargestellt und beschrieben sind.
• Bezugszeichenliste

1

Objekt

2

Laser

3

Galvo-Scansystem

4

Bearbeitungsbahn

5

Bahnanfang

6

Bahnende

7

erster Ablenkspiegel

8

zweiter Ablenkspiegel

9

erster Galvanometerantrieb

10

zweiter Galvanometerantrieb

11

Scan-Optik

12

Lasereinkopplung

13

Galvo-Steuereinheit

14

Recheneinheit

15

ortsabhängiger Energieeintragsverlauf E(s)

16

ortsabhängiger idealisierter Geschwindigkeitsverlauf v_max(s)

17

realisierbarer Geschwindigkeitsverlauf v(s)

18

Bahnabschnitt s(t)

19

Laserbearbeitungsvorrichtung

20

Laserquelle

21

Fokussiereinheit

22

Steuerung

23

ortsabhängiger erster Leistungsverlauf L₁(s)

24

zeitabhängiger zweiter Leistungsverlauf L₂(s(t))

s

Ort

E

Energieeintrag

v

Geschwindigkeit

t

Zeit

• 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
• WO 2020025771 A1 [0007]

Claims (16)

1. Verfahren, insbesondere computerimplementiertes Verfahren, zur Zeitoptimierung einer Laserbearbeitung eines Objekts (1), bei der ein Laser (2) entlang einer vorgegebenen Bearbeitungsbahn (4) auf dem Objekt (1) durch ein Galvo-Scansystem (3) führbar ist, bei dem ein ortsabhängiger Energieeintragsverlauf E(s) (15) entlang der vorgegebenen Bearbeitungsbahn (4) in das Objekt durch den Laser festgelegt ist; bei dem ein ortsabhängiger erster Leistungsverlauf L₁(_S) (23) des Lasers (2) entlang der Bearbeitungsbahn (4) festgelegt wird und bei dem anhand des ortsabhängigen ersten Leistungsverlaufs L₁(_S) (23) und des ortsabhängigen Energieeintragsverlaufs E(s) (15) ein ortsabhängiger idealisierter Geschwindigkeitsverlauf v_max(s) (16) berechnet wird; bei dem ein zeitabhängiger Bahnfortschritt s(t) derart berechnet wird, dass ein realisierbarer Geschwindigkeitsverlauf v(s) (17) des Lasers (2) entlang der Bearbeitungsbahn (4) durch den ortsabhängigen idealisierten Geschwindigkeitsverlauf v_max(s) (16) beschränkt ist und zumindest eine Dynamikgrenze des Galvo-Scansystems (3) entlang der Bearbeitungsbahn (4) eingehalten wird; und bei dem ein zeitabhängiger zweiter Leistungsverlauf L₂(s(t)) (24) berechnet wird, wobei der ortsabhängige erste Leistungsverlauf L₁(_S) (23) derart reduziert wird, dass an Orten (s) der Bearbeitungsbahn (4), an denen der realisierbare Geschwindigkeitsverlauf v(s) (17) geringer ist als der ortsabhängige idealisierte Geschwindigkeitsverlauf v_max(s) (16), der ortsabhängige Energieeintragsverlauf E(s) (15) erzielt wird.
2. Verfahren nach dem vorherigen Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass der zeitabhängige Bahnfortschritt s(t) derart berechnet wird, dass eine Bearbeitungszeit der Bearbeitungsbahn (4) minimiert wird.
3. Verfahren nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der zeitabhängige Bahnfortschritt s(t) derart berechnet wird, dass der realisierbare Geschwindigkeitsverlauf v(s) (17) des Lasers (2) zumindest abschnittsweise, insbesondere überall, maximal wird.
4. Verfahren nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der zeitabhängige Bahnfortschritt s(t) mittels eines Optimierungsverfahrens berechnet wird, wobei beim Optimierungsverfahren vorzugsweise mehrere unterschiedliche zeitabhängige Bahnfortschritt s(t) ermittelt werden, und hieraus der zeitabhängige Bahnfortschritt s(t) ausgewählt wird, der die kürzeste Bearbeitungszeit der Bearbeitungsbahn (4) liefert.
5. Verfahren nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der zeitabhängige Bahnfortschritt s(t) derart berechnet wird, dass eine Dynamikgrenze des Lasers (2), insbesondere der Laserleistung, eingehalten wird.
6. Verfahren nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der zeitabhängige Bahnfortschritt s(t) derart berechnet wird, dass als Dynamikgrenze des Galvo-Scansystems (3) eine Beschleunigungs- und/oder eine Ruckgrenze eingehalten wird.
7. Verfahren nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der zeitabhängige Bahnfortschritt s(t) derart berechnet wird, dass dieser, der realisierbare Geschwindigkeitsverlauf (17) und/oder daraus ableitbare Verläufe, insbesondere mittels einer Zeitableitung, stetig und/oder stetig differenzierbar, insbesondere glatt, sind.
8. Verfahren nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der ortsabhängige Energieeintragsverlauf E(s) (15) und/oder der ortsabhängige erste Leistungsverlauf L₁(_S) (23) und/oder der ortsabhängige idealisierte Geschwindigkeitsverlauf v_max(s) (16), derart berechnet und/oder festgelegt werden, dass diese treppenförmig und/oder in zumindest einigen Bahnabschnitten entlang der Bearbeitungsbahn (4) konstant sind.
9. Verfahren nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Berechnung des zeitabhängigen zweiten Leistungsverlaufs L₂(s(t)) (24) und/oder des ortsabhängigen idealisierten Geschwindigkeitsverlauf v_max(s) (16) eine Orientierung und/oder eine Positionierung des Galvo-Scansystems (3) zur Bearbeitungsbahn (4) miteinberechnet wird.
10. Verfahren nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass aus dem zeitabhängigen Bahnfortschritt s(t) zeitabhängige Koordinaten p(s(t)) zur Bearbeitungsbahn (4) für den Galvo-Scansystem (3) zum Bewegen des Lasers (2) entlang der Bearbeitungsbahn (4) ermittelt werden.
11. Verfahren nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren zur Zeitoptimierung einer Laserbearbeitung eines Objekts (1) von einer Recheneinheit (14) durchgeführt wird.
12. Verfahren nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Koordinaten p(s(t)) an eine Steuereinheit des Galvo-Scansystems (3) und der zeitabhängige zweite Leistungsverlauf L₂(s(t)) (24) an eine Lasersteuerung übermittelt werden.
13. Verfahren nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Vorfeld der realen Laserbearbeitung des Objekts (1) die Laserbearbeitung rechnergestützt, insbesondere in Bezug auf ein Betriebsverhalten, simuliert wird und/oder dass nach der Zeitoptimierung der Laserbearbeitung und/oder nach dem Simulieren der Laserbearbeitung die reale Laserbearbeitung des Objekts (1) erfolgt.
14. Computerprogramm, das bei Ausführung durch eine Recheneinheit (14) diese veranlasst, das Verfahren gemäß einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche auszuführen.
15. Computerlesbares Speichermedium, umfassend ein Computerprogramm, wobei das Computerprogramm bei Ausführung mittels einer Recheneinheit (14) diese veranlasst, das Verfahren gemäß einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche auszuführen.
16. Laserbearbeitungsvorrichtung zur Laserbearbeitung eines Objekts (1) mit einem Laser (2) zur Laserbearbeitung, mit einem Galvo-Scansystem (3) zum Führen eines Lasers (2) über das Objekt (1) und mit einer Recheneinheit (14), dadurch gekennzeichnet, dass die Recheneinheit (14) ausgebildet ist, um das Verfahren gemäß zumindest einem der vorangegangenen Ansprüchen durchzuführen.

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