WO2015032926A1 - Verfahren zur bearbeitung eines werkstücks mittels eines laserstrahls, laserwerkzeug, lasermaschine, maschinensteuerung - Google Patents

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PCT/EP2014/068999
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Peter Hildebrand
Gottfried Reinicke
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Sauer Gmbh Lasertec
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Definitions

  • the invention relates to a method for machining a workpiece by means of a laser beam and to a laser tool, a laser machine and a machine controller according to the preambles of the independent claims.
  • FIG. 1 schematically shows a known machine tool 1.
  • the machine 1 has a machine frame 16. Attached to it adjustable is a workpiece table 14, which holds a workpiece 11 clamped in operation. The mobility of the workpiece table 14 relative to the
  • Frame 16 can be set translationally and / or rotationally along one or more translatory and / or rotational axes. These axes are indicated by 15. Also attached to the machine frame 16 is a laser tool head 13. It can be interchangeable and standardized over couplings ⁇ HSK, taper shank, ... ⁇ be used and removable. Also, the tool head 13 can along one or more translational and / or rotatory axes 17 relative to the machine frame 16 be adjustable.
  • the laser tool head 13 emits a laser beam 12 which impinges on the surface 10 of the workpiece 11 and leads there to material liquefaction and material evaporation.
  • the laser beam 12 is usually not a continuous laser beam but a pulsed laser light.
  • the pulse power is regularly so high that individual pulses can cause the material evaporation in each case.
  • a controller 18 controls the laser beam 12 and in particular the position of the focus of the laser beam 12 in space via actuators in the head 13. It also controls the axes 15 and 17 and other machine components. It can generally be connected to sensor 19. The sensor 19 can, for example, measure the already created die three-dimensionally or can determine the instantaneous point of contact of the laser beam on the die and feed it to the controller 18 in an appropriately formatted manner.
  • a memory 18a holds processing data, which may also include program data for a machining program of a CNC machine.
  • the workpiece 11 may be a metallic material or a ceramic or a plastic. But it can also be a coating of a carrier.
  • the structure to be fabricated may be a voluminous die, or some kind of surface finish that hardly penetrates the depth of the die. As an example, the following is the production of a
  • Injection mold for vehicle fittings adopted.
  • the macroscopic form is already produced elsewhere and the machine described is intended to introduce a suitable surface structuring. Since a casting mold is to be made, it is necessary to produce a negative mold.
  • Laser heads 13 can accomplish such high deflections but usually not or only with significant quality losses. Because of this, it is often the case that the workpiece surface is divided into segments. Each segment is then processed from its own constant relative position between the workpiece 11 and tool head 13. When the machining of the segment is finished, the workpiece is moved relative to the tool head by using the axes 15 and 17 and controlled appropriately, in which case a new segment is machined in a new relative position.
  • Figure 2 shows the segmentation of a workpiece in a known manner.
  • 10 is a die in the workpiece surface. It is assumed that the total size of the workpiece surface is too large to be machined out of a single relative position between tool head 13 and workpiece 11.
  • the workpiece surface is therefore subdivided into segments 21a, 21b, 21c, 21d, the subdivision being a logical, not a real division. For each individual segments, a specific relative position between the workpiece and the tool head is then set, from which the segment is processed. Both the segmentation and the determination of the respective relative positions occur according to several criteria.
  • the workpiece surface may in 10 or Be divided into 20 or 50 or more segments.
  • the segment boundaries may be different in stratified material removal in different layers, as indicated by the gratings 21, 22, 23 in FIG.
  • the respectively shown Grids indicate segment boundaries in different layers (z-position). Preferably, these are offset from each other, so that no artifacts on the side walls noticeably form at the boundaries, which may have discontinuities, because the effects are smeared.
  • FIG. 3 shows one of the problems that can occur in the segmentation of workpiece surfaces.
  • FIG. 3 a shows that the workpiece surface is divided into two segments 21 a, 21 b.
  • the position of the laser head 13 would be chosen so that the respective position is good or optimal relative to the current workpiece surface.
  • Optimal would mean that on average the laser impinges approximately perpendicular to the workpiece surface, so that the power can be introduced as equal and well-defined in the workpiece to be machined. This leads to a very individual positioning of the head 13 when the workpiece surface, as shown in Figure 3a, is uneven.
  • 13-1 and 13-2 different positions of the head 13 are indicated.
  • each segment can work optimally for itself.
  • disadvantages of this approach are shown in FIGS. 3b and 3c.
  • the laser beams from the two positions 13-1 and 13-2 strike the workpiece surface at different angles ⁇ and ⁇ .
  • the diameter d of the laser beam 12 is the same in each case, it is due to the fact that different angles ⁇ and ß in adjacent, but from different relative positions generated impulse hits on the workpiece top to different projection dimensions pl and p2 on the workpiece surface.
  • this leads to uneven images of the laser beam diameter on the workpiece surface (geometrical errors) and, on the other hand, or as a consequence, to uneven power densities and thus different removal behavior (ablation errors).
  • Segment boundaries visually usually be clearly perceptible. This is highly undesirable. These effects can also be smeared within a layer by interleaving the track boundaries between the segments. But even then inequality can become visibly or functionally noticeable.
  • Figure 4 shows another problem at the segment boundaries.
  • FIG. 4 shows that individual points do not adjoin one another regularly. Shown is only a connection error in the vertical direction of the drawing plane. There may also be horizontal errors in the plane of the drawing which lead to misalignment of the tracks.
  • FIG. 5 shows typical laser pulses 50a, 50b and 50c along the time axis.
  • 51 symbolizes individual impulses or groups of impulses which follow one another regularly with a period T.
  • the period T is good and fast in most types of lasers, but only poorly or slowly controllable in some, but in any case relatively uniform and predictable.
  • the pulse 50a individual pulses 51 follow each other with period T.
  • the pulse 50b is followed by double pulses of pulses 52, 53
  • each one of the first weaker is the second one.
  • These double pulses also define a period T with respect to one another.
  • Pulse 50c also shows double pulses of pulses 52, 53, which may, however, be the same.
  • All pulses shown also show a phenomenon at power up. If it is assumed that the pulse / double pulse to be seen on the left is the first one after switching on, it is frequently observed that the first pulses are relatively strong and the subsequent ones become weaker until they reach a constant level. It therefore changes the Abtrags antique due to this Aufangsimpulsuberhöhung shortly after switching. Expressed in diameters of the laser pulse hits, diameters of the first hits would be larger than those of the following ones.
  • the removal rates are also uneven, which can lead to removal irregularities or erosion errors.
  • the unequal power densities may arise due to geometry errors as described above or due to the described initial pulse overshoot.
  • the object of the invention is to specify a method for machining a workpiece by means of a laser beam and a laser tool which can be used for this purpose, which increase the accuracy of the laser control in the case of segmented workpiece machining and in particular reduce visually perceptible differences.
  • the laser beam is guided over the workpiece surface in a constant relative position between the workpiece and the tool head.
  • the workpiece is machined sequentially from a first and another second relative position.
  • the processing parameters in the second relative position are controlled such that one or more impact points of laser pulses generated on the workpiece surface from the second relative position have a defined position relative to one or more impact locations of laser pulses on the workpiece surface generated from the first relative position, in particular in a one- or two-dimensional Grid are defined by a plurality of generated from the first relative position out impact of laser pulses on the workpiece surface.
  • first workpiece positions of a first workpiece surface segment are machined from a first relative position and second workpiece positions are machined out of an adjacent second workpiece surface segment from another second relative position, wherein the segments can adjoin one another in overlapping or non-overlapping fashion.
  • the first and second segments and the first and second relative positions are determined according to two criteria, the first determines the determination of the angle of incidence in accordance with the conditions in the respective relative positions and the second determines the determination of the angle of incidence such that, preferably in parallel cutting planes Considering a considered angle of incidence of the laser beam relative to the workpiece surface in the one relative position with respect to a considered angle of incidence of the laser beam relative to the workpiece surface in the other relative position is selected, preferably so that the difference of the considered angles of incidence is reduced or falls below a predetermined maximum amount ,
  • the impact geometries of laser impulses on the workpiece surface which are made of different relative positions (in different segments) we the, but immediately or close to each other, matched, so that the imaging geometry of the laser beam on the workpiece surface at the boundary varies less and therefore does not "jump.” This also reduces abrupt functional or perceptible differences at the segment boundaries.
  • the workpiece positions and the relative position can be chosen so that the average angle of incidence of the laser beam relative to the workpiece surface in this relative position is not in the range of 90 ° ⁇ 3 °.
  • the pulsed laser beam is moved over positions on the workpiece surface in a constant relative position between the workpiece and the tool head guided, wherein successively first workpiece positions of a first workpiece surface segment of a
  • first relative position and second workpiece positions are machined out of an adjacent second workpiece surface segment from another second relative position, wherein the segments can overlap each other overlapping or non-overlapping.
  • the segments are smaller than the ein Kunststoffbare working window of the laser head and are determined in particular by subdivision of a preliminary segment, wherein the subdivision in accordance with the consideration of angles of incidence of laser beams relative to the workpiece surface in the preliminary segment and possibly. also adjoining segments occurs.
  • the method just described is helpful if within a segment the laser beam fill angles on the workpiece surface vary so much that the differences become noticeable even within a segment. It is then possible to subdivide a provisional segment into several smaller segments, so that within a smaller segment the variances become smaller and, if necessary, over the segment boundaries. as previously described can be matched to each other.
  • angles of incidence may be angles of the laser light axis with respect to the instantaneous local workpiece surface before the laser beam strikes, wherein structural features, the smaller than the 20 or 10 or 5 ⁇ away can be titled.
  • a pulsed laser beam originating from a tool head In a method for processing a workpiece by means of a pulsed laser beam originating from a tool head, the latter is guided over the workpiece surface and the workpiece is adjusted relative to the tool head by one or more automatically controlled or controlled adjusting axes. One or more of the adjustment axes and the pulsed laser beam from the tool head are operated simultaneously and coordinated with each other.
  • the pulsed laser beam is guided over positions on the workpiece surface in a constant relative position between the workpiece and the tool head, whereby first and second workpiece positions of a first and second workpiece surface segment successively a first or adjacent second Relative position to be worked out.
  • the laser beams in the border region fall from the first relative position at a different angle to the workpiece than from the second relative position.
  • the laser impulse impact points in one of the relative positions are in accordance with the
  • Projection sizes of the laser beam diameter on the surface approximately in the case of Figure 3c are arranged not overlapping. It should be noted that when layered
  • the layers need not be flat, but can be uneven. For example, they may follow the original (uneven) surface of the workpiece or may follow the final exterior shape of the die or be uneven for other criteria.
  • the unevenness can be achieved by a suitable choice of the scan boundaries in a segment and / or by appropriate focus control in the z direction.
  • the pulsed laser beam is guided over the workpiece surface in a constant relative position between the workpiece and the tool head.
  • Workpiece areas delimited against each other are which is processed out of a first and another second relative position out.
  • several layers of material are removed.
  • the boundaries of the workpiece areas are chosen differently in a layer than in an immediately above or below layer, in particular qualitatively different or such that the boundaries in the one layer not only translationally shifted against the boundaries in the immediately above or below layer are.
  • segment boundaries in a layer may follow a rectangular pattern, in a following one
  • the removal rate of the laser per pulse can be controlled.
  • This manipulated variable can be used for the compensation of other infusion variables on the removal rate, such as the angle of incidence.
  • the dependency can for example be such that a certain defocusing (focus position above or below the instantaneous workpiece surface) is selected at approximately perpendicular incidence, ie high power density, while the focus at oblique incidence in the
  • Laser beam has a laser source, an optical system for shaping the laser light and a guide for guiding the laser light.
  • the optical system has an adjustable optical element in the beam path, which has different optical properties, if one looks at its properties in mutually rotated, but the laser beam leading planes.
  • the optical element with the different optical properties in different planes can be used to compensate for differences resulting from the machining geometry. They may be similar to lenses that correct astigmatism, " or may themselves be lenses that are made astigmatic. The measure of astigmatism and / or the
  • Alignment can be adjustable. Also, oval apertures may be provided, adjusting orientation is, for example, to compensate for different ovalities at segment boundaries.
  • the machining can be performed in a constant relative position so that the points of impact of the laser light are guided over the surface segment currently to be processed by the laser beam, in particular its focus region, in two.
  • Dimensions x and y are deflected via galvano mirrors, the focus length is controlled as a function of the deflection (z-shifter) and, if necessary, adjusted.
  • a light valve is keyed.
  • Some of the described methods or method steps can be planned in advance and mapped in a correspondingly pre-written machining program that is stored in the machine and executed during workpiece machining. However, some of the steps may or may also be controlled in real time or controlled in accordance with sensor signals.
  • the methods described can be used in the voluminous Gesenkbiildung by surface layered layered material removal or surface processing for optical or other purposes or for surface texturing by removal of punctiform or related structures in only one or a few layers.
  • the workpieces can z. B. large casting molds for mass-produced plastic (thermoplastics), for example in automotive engineering. The focus position of the laser beam in the space-is- Y-PH ⁇ ti v well predictable controllable.
  • Figure 1 shows generally schematically a machine in which the described methods and tools can be used
  • FIG. 9 shows a result of the method of FIG. 8
  • FIG. 10 shows schematically sketches for angle-dependent focus control.
  • features can also be combined with one another if the combination is not expressly mentioned, as far as the combination is technically possible.
  • Representations of method steps and methods are also to be understood as representations of device parts and devices or device parts and devices that implement the respective method steps or methods, and vice versa.
  • a coordinate system is used in this description, as indicated in FIG.
  • the z direction is vertical and can be the depth direction of the die, while the x and y coordinates are horizontal. It is pointed out, however, that this is to be understood only for illustrative purposes.
  • FIG. 6 shows a method in which the effects described with respect to FIG. 3 c are reduced or avoided. It is hereby ensured that the
  • Relative positions between the tool 13 and workpiece surface segment 21a and 21b are each selected not only under each individual optimization, but also with mutual consideration, in particular such that the angles of incidence 'and ß' in the boundary regions of the segments 21a, 21b are matched to each other, so Also, the projection of the laser cross section on the workpiece surface in the boundary region of the segments 21a, 21b less different and at best equal or uniform.
  • Surface segments are then each at least two criteria used.
  • One is the individual setting for the respective segment, which can take place according to the necessary criteria or optimization criteria for the respective segment, and the other is the adjustment of the settings in such a way that the angles of incidence ⁇ 'and ⁇ ' are in the limit range be the same or the same.
  • the result of the application of the one criterion can be modified by the application of the other criterion.
  • the relative position can initially be set in a segment-immanent manner, for example as shown in FIG. 3, so that the conditions are optimally possible in the respective segment 21a, 21b, for instance by approximately the averaged angle of incidence being approximately rectangular. For this will be
  • Positions 13-1 and 13-2 of the laser head 13 for processing the segment 21a and 21b set Other criteria can also be used here, such as the avoidance of shadows or mechanical collisions.
  • a result of the approximation of the angles of incidence in the border region of adjoining segments may be that at least in one segment the average angle of incidence, not as a priori desired, is optimally perpendicular, but suboptimally displaced from the vertical, say at least 3 ° or at least 6 °.
  • angles of incidence these can, unless otherwise stated, be angles of incidence of the laser beam on the workpiece surface in the respective border area, or average angles of incidence over the workpiece surface entire segment. Angle ⁇ and 180 ° -ex are considered equal.
  • FIG. 8 shows a method which serves to reduce or avoid connection errors at segment boundaries, as shown in FIG. 4, in order to arrive at a result as shown in FIG. Shown is the procedure in individual segments along
  • the controller operates in such a way that in the later (second) relative position the machine parameters (relative positioning, laser control,, etc are set so that the laser impulse impact points in the second segment have a defined position with respect to the laser impulse impact points in the first segment , in particular such that they are defined to, in particular in a grid, which is predetermined by the impact points in the processing of the first segment.
  • the predefined screening and the following connection thereto can be viewed one or two-dimensionally. In this case, it is possible to proceed as shown in FIG. 8 after the workpiece machining has ended out of a first relative position.
  • step 801 the laser operation is started so that laser pulses are generated. But you can still be hidden by a shutter (light valve).
  • step 802 the relative positioning of the laser head and workpiece for processing the new segment in the vicinity of the previously processed segment is set and, if necessary, adjusted. sensory accurately determined.
  • step 803 the laser pulse timing is detected in phase within the period T of the laser pulses.
  • the mechanical parameters are set to achieve a defined insertion and impact of the laser pulses in the new segment.
  • These specifications may include the start time of the scanner operation, the acceleration of the scanner, the final speed (angular velocity) of the laser. Also the
  • Opening time of the shutter can be determined here.
  • the scanner is then started in accordance with the determined sizes.
  • the shutter is opened so that laser pulses impinge on the workpiece surface.
  • the respectively present pulse timing can be used as an input variable for the determination of the Values are used in step 804.
  • the frequency and / or phase of the laser pulses are controllable, they too can be set as a result of the determinations in step 804 and then adjusted accordingly.
  • step 804 "can be sensory obtained and then used either data relating to the previous processing, for example, the impingement oints in the previous processing are measured optically, or, if present, can fall back on already existing stored values be used when processing, z. B. the laser control or regulation in the processing of the previous segment have been stored. In this way, information about the already given grid can be generated.
  • Step 804 the definitions in Step 804, also with reference to the theoretical values in the previous segment.
  • sensor system 19 can optionally be provided so that the currently existing die (intermediate result of the production) can be measured very precisely in real time two or three-dimensionally during the workpiece production or impact points during the test runs just described, and that the measured values in the memory device 18a in real time (during the workpiece production) can be stored retrievable.
  • the survey can be done in high resolution to x, y and z, so that a "map" of the hitherto manufactured segments can be stored with high resolution in any case so accurately that the real grid is known or can be determined from it.
  • the sensor 19 may be designed so that it can accurately detect the impact of laser pulses on the workpiece surface two- or three-dimensional.
  • the sensor system 19 can be an optical sensor system which either evaluates the process illumination of the laser ablation or which takes pictures in the manner of a camera, which are evaluated automatically.
  • the adjustment of relative positioning in step 802 may be done according to predetermined / programmed parameters, while the determinations in step 804 and the previous necessary acquisitions in real time may be made immediately during workpiece machining.
  • the laser head 13 and the mechanical actuator axes 15, 17 can also be operated simultaneously and in a coordinated manner.
  • a translational adjusting axis 15, for example, of the workpiece table 14 can be moved slowly continuously in one direction, while at the same time
  • Laser tool 13 works by the scanner and the laser are controlled appropriately. In this way, even a large workpiece in at least one dimension be traveled continuously without segment boundaries, so that the number of segment boundaries decreases.
  • the segments may then be straight or curvilinear "processing strips" that extend over all or at least part of the workpiece surface. There are no more processing limits along the strip direction. They then need to be considered only for adjacent stripes and edited as previously described. The processing and consideration may be as described with reference to FIGS. 6 and 8.
  • the Laserimpulsschreibstellen positioned in one of the relative position (also) in accordance with the difference of said angles of incidence, in particular shifted from (offset from) other definitions.
  • oval impact sites can be evacuated away from less oval impact sites, and / or conversely, less ovals are brought closer to more oval ones.
  • the degree of overlap or the distance from adjacent laser pulse be a match.
  • the overlaps are adjusted to each other (i.e., difference smaller) or made equal.
  • the points of impact may be positioned or modified from other determinations such that at the segment boundary, and preferably also within the border region of the second segment, the overlaps of the impulse impact sites are the same as in the border region of the first segment, if constraints already exist from other criteria available.
  • ov dmax / dmin of the maximum to the transverse to the minimum diameter of the image of the laser beam on the workpiece surface (approximately an ellipse).
  • o 1 / sin (ex).
  • a right angle of incidence (90 °) and around it "relatively small deviations" of ⁇ 30 ° are preferred, which corresponds to ovalities between 1 and 1, 15. But in finely structured or very wavy dies or
  • Structures in the workpiece can be local - together with the angular deflection of the laser beam through the
  • Scanner - also very oblique to almost abrasive angle of incidence (a ⁇ 45 °, ⁇ 30 °) arise, so that the ovalities ov> 1.4 or ov> 2 can arise.
  • the offset direction may be the direction of the major axis of the larger oval, or the raster direction closer to the major axis of the oval. This can be achieved that different
  • the laser beam diameter on the surface approximately in the case of Figure 3c are arranged not overlapping.
  • the oval impact points in the left-hand segment 21 a can be displaced to the left, so that they do not overlap in the boundary region.
  • FIGS. 4 and 9 show segment boundaries at right angles or cutting edges to machining tracks. However, the same considerations apply to segment boundaries parallel to machining tracks. Track pitch, track direction and location of the hits in the edge tracks must then be suitably set so that the production of the new relative position is as accurate as possible in the grid defined by the earlier processing.
  • Segment boundaries can, but need not be defined in a straight line. In any case, they are ideal boundaries. When the laser pulse hits raster distinguishable
  • hits can be selected or modified during work planning and programming and / or on an ad hoc basis during piece processing so that individual hits are unambiguously assigned to one of the other segments. It is generally pointed out that the methods described in this description can not be used individually in each case but can also be combined with one another.
  • Material can be removed in several layers.
  • One layer is composed of traces of laser impingement points. Within the track, the laser impingement sites may be related / overlapped, but need not, and adjacent traces may be related / overlapping, but need not, so that a layer may be removed selectively or in a striped or planar manner. If in a relative position between the laser head and the workpiece within a layer of the removal as desired is complete or track by train or selectively done, can either to a new
  • Relative position can be transferred, or it can be removed at the same relative position in another (lower) layer.
  • the layers can, but need not, be flat, as stated above.
  • the focus position may also be in z depending on the instantaneous deflection of the laser (either angularly determined or x-y
  • segment boundaries in the individual layers can be selected qualitatively differently. Maybe they can in the be a layer at right angles, hexagonal in the following layer, randomized in a subsequent layer, such as Voronoi. In principle, the segment boundaries may also be random in all layers, for example by Voronoi line patterns between quasi-randomly selected points.
  • Impact geometries in the boundary region can be compensated by beam shaping, in particular shaping of the beam cross section, for example by astigmatic lenses, oval diaphragms or the like.
  • Another way to control the power input per area is to selectively adjust the focal position relative to the workpiece surface, as shown by way of example in Figures 10a and 10b.
  • FIG. 10a shows the laser source 71, which emits the laser beam 12 ⁇ pulsed). Among other things, it passes through the adjustable focus 73 ("z-shifter"), with which the focal length of the optics and thus the focus position can be adjusted quickly Workpiece 11 is shown displaced 77 symbolizes the scanner, which works with oscillating mirrors ("galvo mirrors").
  • the non-existing geometric distortion is compensated by an optical expansion.
  • the optical beam spread can be made smaller by making the height h above or below the workpiece surface smaller until it becomes, and then remains, at a selected angular position, for example 90 ° to -30 °. In this way geometric distortions can be approximately compensated by optical beam spreads or beam confinements.
  • Fig. 10b shows a corresponding characteristic curve.
  • the height h of the focus 12a above or below the surface of the workpiece 11 is at maximum incidence at maximum hmax and decreases left and right thereof. Both the height hmax and the other characteristic parameters are chosen such that the best possible overall distribution over the possible range of the angle a results.
  • the height difference h can already be stored permanently in the predefined processing program or can be applied in real time dependent on the angle or superimposed on other control or regulation criteria.
  • FIG. 7 shows a laser tool. It may, for example, be the processing head 13 in FIG. However, certain components may be provided separately from the actual tool head 13 that can be inserted into the machine, such as the physical laser light source 71 and an associated optics 72. Together, they can form a light source 70 which is provided independently of the processing head 13 and the ge - Pulsed laser light generated »is guided or brought freely into the processing head 13 and then there as
  • Source light is available.
  • the machining head 13 has components for
  • Beam shaping and components for beam guidance are Beam shaping and components for beam guidance.
  • the machining head 13 is in communication with the controller 18.
  • actuators in the processing head 13 can be adjusted in accordance with commands from the controller 18.
  • two oscillating mirrors are referred to, which have crossing vibration axes and by means of which the laser beam can be guided over the surface. They are often referred to as “scanners” or “gazec mirrors.”
  • scanners or “gazec mirrors.”
  • gazec mirrors there is an adjustable focus of the
  • the z-shifter He agrees the focal length of the optics and thus the position of the focus 12a of the laser beam in the propagation direction, which can be considered simplified as z-direction.
  • the z-shifter is a fast optical component »that can be changed quickly and in real time under the influence of the control and, for example, can set and change the focus depending on the x and y.
  • 74 designates a fast adjustable optical lens which acts astigmatically, ie has different focal lengths in different spatial planes, which however all guide the laser beam.
  • the astigmatism can be automatically adjusted in strength and position quickly in real time, such as by using pressure-sensitive or deformable optical materials that can be pressurized with appropriate piezo elements or other actuators under the influence of the control, or the like.
  • the different breaking behavior is then controllable in size and orientation and can be used by the controller 18 of the machine to compensate for other factors, in particular the already mentioned several times different imaging geometries on the surface, as described in Figure 3b.
  • 75 symbolizes a diaphragm whose aperture is smaller than the laser cross section and which is not circularly symmetrical and can therefore partially shadow the laser beam as well. It may also be adjustable in its unevenness and subjected to the control intervention by the controller 18.
  • the aperture 73 can a mode aperture, so an aperture that hides edge rays.
  • the z-Shifter 73 is provided in virtually all scanners and laser heads to quickly adjust the position of the focus point targeted.
  • One or more of the mentioned optical elements, astigmatic lens 74, aperture 75 and damping 76 may additionally be provided. All elements are under the influence of the controller 18 and can be used to compensate for irregularities resulting in particular from uneven geometric images of the laser cross section on the current workpiece surface. This compensation can be done in real time (during the
  • Adjustability can be so fast that it can be tracked to the respective current positions of the laser beam, to make adjustments even within a track. For example, when the laser beam is guided along a track from one end of a segment to the other end of the segment and thereby the If the angle of incidence changes from 70 ° to 30 ° to 110 ° and, accordingly, the projection of the laser beam cross section changes from oval to circular and then again oval, then the astigmatism of a lens can be tracked so that it changes
  • Ovality is compensated by the beam cross-section is adjusted by the adjustable astigmatism of the lens compensating in its ovality. Similar considerations apply to the mentioned aperture or
  • a machine control which is designed to initiate or execution of a method as described above on or with a machine tool, an aspect of the invention.
  • Many of the mentioned features can be implemented by software running in a controller of a CMC machine or programmable machine tool.
  • Machine control as described above implements an aspect of the invention.
  • Typical concrete values are: Laser type: fiber laser or ultrashort pulse laser
  • Wavelength 100 to 2,000 nm, esp. 300 to 1,100 nm
  • Segment size 10 mm,> 20 mm,> 50 mm,> 100 mm Number of segments in the workpiece> 10,> 50,> 100
  • Layer thickness d corresponding to the removal depth of a pulse Lower limits 1 ⁇ or 2 im, upper limits 5 ⁇ or 10 ⁇
  • Laser pulse power Lower limits 0, 1 mJ or 0, 2 mJ or 0.5 mJ, upper limits 2 mJ or 5mJ or 10 mj
  • Angle of incidence of the laser beam with respect to local workpiece flat 90 ° ⁇ 30 ° to 90 ° ⁇ 70 °
  • Path speed of the laser beam > 500 mm / s,> 1,000 mm / s,> 2,000 mm / s> 5,000 mm / s

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Plasma & Fusion (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
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Abstract

In einem Verfahren zur Bearbeitung eines Werkstücks mittels eines einem Werkzeugkopf entspringenden gepulsten Laserstrahls wird in einer konstanten Relativlage zwischen Werkstück und Werkzeugkopf der gepulste Laserstrahl über die Werkstückoberfläche geführt und das Werkstück nacheinander aus einer ersten und einer anderen zweiten Relativlage heraus bearbeitet. Die Bearbeitungsparameter in der zweiten Relativlage werden so gesteuert, dass eine oder mehrere aus der zweiten Relativlage heraus erzeugten Auftreffstellen von Laserimpulsen auf der Werkstückoberfläche eine definierte Lage in Bezug auf eine oder mehrere aus der ersten Relativlage heraus erzeugten Auftreffstellen von Laserimpulsen auf der Werkstückoberfläche haben, insbesondere in einem ein- oder zweidimensionalen Raster liegen, das durch mehrere aus der ersten Relativlage heraus erzeugte Auftreffstellen von Laserimpulsen auf der Werkstückoberfläche definiert ist.

Description

Verfahren zur Bearbeitung eines Werkstücks mittels eines Laserstrahls , Laserwerkzeug, Lasermaschine ,
Maschinens euerung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bearbei - tung eines Werkstücks mittels eines Laserstrahls sowie ein Laserwerkzeug , eine Lasermaschine und eine Maschinensteuerung gemäß den Oberbegriffen der unabhängigen Pa- tentansprüche .
Stand der Technik ist etwa DE1017322A,
WO2000/18535, DE10324439A, DE10352402A, DE102004013475A, EP1613447A1, DE1021007012816 , DE102007012815A,
DE102007016056A
Figur 1 zeigt schematisch eine bekannte Werkzeugmaschine 1. Die Maschine 1 weist einen Maschinenrahmen 16 auf . An ihm verstellbar angebracht ist ein Werkstücktisch 14 , der im Betrieb ein Werkstück 11 aufgespannt hält. Die Verfahrbarkeit des Werkstücktischs 14 gegenüber dem
Rahmen 16 kann translatorisch und/oder rotatorisch längs einer oder mehrerer translatorischer und/oder rotatorischer Achsen eingestellt sein. Diese Achsen sind mit 15 angedeutet . Auch am Maschinenrahmen 16 befestigt ist ein Laserwerkzeugkopf 13. Er kann auswechselbar sein und über standardisierte Kupplungen {HSK, Kegelschaft, ...} einsetzbar und herausnehmbar sein. Auch der Werkzeugkopf 13 kann längs einer oder mehrerer translatorischer und/oder rotatorischer Achsen 17 gegenüber dem Maschinenrahmen 16 verstellbar sein .
Der Laserwerkzeugkopf 13 sendet einen Laserstrahl 12 aus» der auf die Oberfläche 10 des Werkstücks 11 auftrifft und dort zu Materialverflüssigung und Materialverdampfung führt. Der Laserstrahl 12 ist üblicherweise kein kontinuierlicher Laserstrahl, sondern ein gepulstes Laserlicht. Die Impulsleistung ist regelmäßig so hoch, dass einzelne Impulse jeweils für sich die Materialverdampfung bewirken können. Mittels eines Scanners sowie einer geeigneten Optik wird der Laserstrahl, insbesondere sein Fokus, im Raum wie gewünscht geführt.
Eine Steuerung 18 steuert den Laserstrahl 12 und insbesondere die Lage des Fokus des Laserstrahls 12 im Raum über Stellglieder im Kopf 13. Sie steuert auch die Achsen 15 und 17 und sonstige Maschinenkomponenten. Sie kann allgemein mit Sensorik 19 verbunden sein. Die Senso- rik 19 kann beispielsweise das schon geschaffene Gesenk dreidimensional vermessen oder kann den momentanen Auf - treffpunkt des Laserstrahls auf dem Gesenk ermitteln und der Steuerung 18 geeignet formatiert zuführen. Ein Speicher 18a hält Bearbeitungsdaten, die auch Programmdaten für ein Bearbeitungsprogramm einer CNC-Maschine aufweisen können .
Das Werkstück 11 kann ein metallisches Material sein oder eine Keramik oder ein Kunststoff . Es kann sich aber auch um einen Lacküberzug eines Trägers handeln. Die zu fertigende Struktur kann ein voluminöses Gesenk sein oder eine irgendwie geartete Oberflächenbearbeitung, die kaum in die Tiefe des Gesenks führt . Als Beispiel sei im Folgenden die Fertigung einer
Spritzgussform für Fahrzeugarmaturen angenommen. Die makroskopische Form sei schon anderweitig hergestellt und die beschriebene Maschine soll eine geeignete Oberflä- chenstrukturierung einbringen. Da eine Gussform, faerzu- stellen ist, ist eine Negativform herzustellen. Das
Werkstück ist relativ groß und kann Oberflächen von
0,1 m2 oder mehr oder 1 m2 oder mehr haben. Dies entspricht bei quadratischer Gesamtform einer Kantenlänge von mindestens 31 cm bzw. 1 m auf der Werkstückoberflä- che.
Laserköpfe 13 können solch hohe Auslenkungen aber in der Regel nicht oder nur unter deutlichen Qualitätseinbußen bewerkstelligen. Deswegen wird häufig so verfah- ren, dass die Werkstückoberfläche in Segmente aufgeteilt wird. Jedes Segment wird dann aus einer jeweils eigenen konstanten Relativposition zwischen Werkstück 11 und Werkzeugkopf 13 bearbeitet. Wenn die Bearbeitung des Segments beendet ist, wird das Werkstück relativ zum Werk- zeugkopf verfahren, indem die Achsen 15 und 17 verwendet und geeignet angesteuert werden, wobei dann in einer neuen Relativposition ein neues Segment bearbeitet wird.
Figur 2 zeigt die Segmentierung eines Werkstücks in bekannter Weise. Man kann sich das gezeigte Werkstück beispielsweise als Gussform eines Knopfs mit vier Löchern vorstellen, für die negativ in der Form die als vier Kreise symbolisierten Säulen stehen bleiben. 10 ist ein Gesenk in der Werkstückoberfläche. Es sei angenommen, dass die Gesamtgröße der Werkstückoberfläche zu groß ist, als dass sie aus einer einzigen Relativposition zwischen Werkzeugkopf 13 und Werkstück 11 heraus bearbeitet werden könnte. Die Werkstückoberfläche wird deshalb in Segmente 21a, 21b, 21c, 21d unterteilt, wobei die Unterteilung eine logische, keine reale Teilung ist. Für die jeweils einzelnen Segmente wird dann eine bestimmte Relativposition zwischen Werkstück und Werkzeugkopf eingestellt, aus der heraus das Segment bearbeitet wird. Sowohl die Segmentierung als auch die Festlegung der jeweiligen Rela- tivpositionen geschehen nach mehreren Kriterien. Eines kann die Optimierung der Einfallswinkel sein, ein anderes notwendig die Vermeidung von Abschattungen oder Kollisionen. Wenn die Bearbeitung in einem Segment beendet ist, werden Werkstück und/oder Werkzeugkopf relativ zueinander verfahren, sodass für ein weiteres Segment eine gute Relativposition gegeben ist» aus der heraus das weitere Segment bearbeitet werden kann, usw. Die Werkstückober- fläche kann in 10 oder 20 oder 50 oder mehr Segmente unterteilt sein. Wenn darüber hinaus ein Gesenk in die Tiefe zu fertigen ist, können die Segmentgrenzen bei schichtweisem Materialabtrag in unterschiedlichen Schichten unterschiedlich liegen, wie dies durch die Gitter 21, 22, 23 in Figur 2 angedeutet ist. Die jeweils gezeigten Gitter geben Segmentgrenzen in unterschiedlichen Schichten ( z-Lage) an. Vorzugsweise sind diese gegeneinander versetzt, so dass sich an den Grenzen, die Unstetigkeiten aufweisen können, keine Artefakte an den Seitenwänden merkbar ausbilden, weil die Effekte verschmiert sind.
Figur 3 zeigt eines der Probleme, die bei der Segmentierung von Werkstückoberflächen auftreten können. In Figur 3a ist gezeigt, dass die Werkstückoberfläche in zwei Segmente 21a, 21b aufgeteilt ist. Für jedes Segment würde die Position des Laserkopfs 13 so gewählt werden, dass die jeweilige Position relativ zur momentanen Werkstückoberfläche gut oder optimal ist. Optimal würde bedeuten, dass im Mittel der Laser in etwa senkrecht auf die Werkstückoberfläche auftrifft, so dass die Leistung möglichst gleich und wohldefiniert in das zu bearbeitende Werkstück eingebracht werden kann. Dies führt zu einer sehr individuellen Positionierungen des Kopfs 13 , wenn die Werkstückoberfläche, wie in Figur 3a gezeigt, uneben ist. Durch 13-1 und 13-2 sind unterschiedliche Positionen des Kopfs 13 angedeutet.
Der Effekt ist, dass in jedem Segment für sich optimal gearbeitet werden kann. Nachteile dieses Ansatzes sind allerdings in den Figuren 3b und 3c gezeigt. An der Grenze zwischen den Segmenten 21a und 21b treffen die Laserstrahlen aus den zwei Positionen 13-1 und 13-2 unter unterschiedlichen Winkeln α und ß auf die Werkstückober- fläche auf. Wenn der Durchmesser d des Laserstrahls 12 jeweils der gleiche ist, kommt es aufgrund der unter- schiedlichen Winkel α und ß bei nebeneinanderliegenden, aber aus unterschiedlichen Relativpositionen heraus erzeugten Impulstreffern auf der Werkstückoberfache zu unterschiedlichen Projektionsabmessungen pl und p2 auf der Werkstückoberfläche. Dies führt einerseits zu ungleichmäßigen Abbildungen des Laserstrahldurchmessers auf der Werkstückoberflache (Geometriefehlern} und andererseits bzw. als Folge zu ungleichmäßigen Leistungsdichten und damit unterschiedlichem Abtragsverhalten (Abtragsfeh- 1er) .
Wenn einzelne Punkte entsprechend den Auftreffstellen einzelner Laserimpulse eingebracht werden sollen» haben diese an der Segmentgrenze abhängig davon, auf welcher Seite sie liegen, systematisch die gleichen
Geometrieabweichungen. Bei senkrechtem Einfall bei Segment 21b wird die Form näherungsweise kreisförmig sein, während bei schrägem Einfall die Form ellipsenförmig verzerrt wird. Selbst wenn dies keine funktionalen Aus- Wirkungen hat, wird der Übergang der Form längs der
Segmentgrenzen optisch in der Regel doch deutlich wahrnehmbar sein. Dies ist hochgradig unerwünscht. Auch diese Effekte können innerhalb einer Schicht „verschmiert werden, indem die Spurgrenzen zwischen den Segmenten verzahnt werden. Aber auch dann können Ung1eichmäßigkei- ten sichtbar oder funktional merkbar werden.
Figur 4 zeigt ein weiteres Problem an den Segmentgrenzen. In jeder Relativlage wird der Laser längs mehre rer Spuren geführt und erzeugt so, abhängig von der Führungsgeschwindigkeit und der Impulsfrequenz fp = 1/T, eine Folge einzelner Auftreffstellen. Wenn dann zur
Fertigung eines weiteren Segments die Relativlage verstellt ist, kann es zu Anschlussfehlern kommen, da die Steuerung in der zweiten» späteren Relativlage zwar in sich richtig und gleichmäßig sein kann, aber nicht in
Bezug auf die nach der Bearbeitung aus der ersten Relativlage vorgefundene Situation heraus vorgenommen wurde . Figur 4 zeigt, dass einzelne Punkte nicht regelmäßig aneinander anschließen. Gezeigt ist nur ein Anschlussfehler in vertikaler Richtung der Zeichnungsebene. Es kann auch waagerecht in der Zeichnungsebene liegende Anschlussfehler geben, die zum Versatz der Spuren gegen- einander führen . Abermals gilt auch hier, dass selbst wenn diese Effekte keine funktionalen Auswirkungen hätten, sie mindestens optisch als Artefakt längs der Segmentgrenze wahrnehmbar sind, was abermals hochgradig unerwünscht ist .
Figur 5 zeigt typische Laserpulse 50a, 50b und 50c längs der Zeitachse . 51 symbolisiert einzelne Impulse bzw. Impulsgruppen, die mit einer Periodendauer T sehr regelmäßig aufeinanderfolgen . Die Periodendauer T ist bei den meisten Lasertypen gut und schnell, bei einigen aber nur schlecht oder langsam steuerbar, aber in jedem Fall relativ gleichmäßig und vorhersehbar . Im Puls 50a folgen Einzelimpulse 51 mit Periodendauer T aufeinander. Im Puls 50b folgen Doppelimpulse aus Impulsen 52 , 53
regelmäßig aufeinander, wobei jeweils der erste schwächer ist als der zweite. Auch diese Doppelimpulse definieren gegeneinander eine Periodendauer T. Im Puls 50c sind auch Doppelimpulse aus Impulsen 52, 53 gezeigt , die aber gleich sein können.
Alle dargestellten Pulse zeigen auch ein Phänomen beim Einschalten. Wird angenommen, dass der jeweils links zu sehende Impuls/Doppelimpuls der erste nach dem Anschalten ist, ist häufig zu beobachten, dass die ersten Impulse relativ stark sind und die nachfolgenden schwächer werden, bis sie einen konstanten Pegel erreicht haben. Es ändert sich deshalb die Abtragsleistung aufgrund dieser Aufangsimpulsuberhöhung kurz nach dem Einschalten. Ausgedrückt in Durchmessern der Laserimpuls- treffer wären Durchmesser der ersten Treffer größer als die der folgenden.
Wenn die Leistungsdichte (Leistung pro Fläche) auf der Werkstückoberfläche ungleichmäßig ist» sind auch die Abtragsleistungen ungleichmäßig, sodass Abtragsungleichmäßigkeiten bzw. Abtragsfehler entstehen können. Die ungleichen Leistungsdichten können sich aufgrund von Geometriefehlern wie oben beschrieben oder aufgrund der beschriebenen Anfangsimpulsüberhöhung ergeben.
Es zeigt sich somit insgesamt, dass bei bekannten segmentierenden Werkstückbearbeitungsverfahren mittels Laserstrahl zwar innerhalb der jeweiligen Segmente mit wünschenswerter Genauigkeit gearbeitet werden kann und dass Artefakte an Segmentanschlüssen in gewisser Weise verschmiert werden können, dass aber an den Grenzen benachbarter Segmente Unstetigkeiten in Form von Geometriefehlern, Anschlussfehlern oder Abtragsfehlem entstehen können, die optisch wahrnehmbar sind und/oder funkti- onale Unstetigkeiten hervorrufen. Das eine wie das andere ist unerwünscht.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Bearbeitung eines Werkstücks mittels eines Laserstrahls und ein hierfür verwendbares Laserwerkzeug anzugeben, die die Genauigkeit der Lasersteuerung bei segmentierter Werkstückbearbeitung erhöhen und insbesondere optisch wahrnehmbare Unterschiede verringern. Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche gelöst.
In einem Verfahren zur Bearbeitung eines gepulsten Laserstrahls wird in einer konstanten Relativlage zwi- sehen Werkstück und Werkzeugkopf der Laserstrahl über die Werkstückoberfläche geführt. Das Werkstück wird nacheinander aus einer ersten und einer anderen zweiten Relativlage heraus bearbeitet. Die Bearbeitungsparameter in der zweiten Relativlage werden so gesteuert, dass eine oder mehrere aus der zweiten Relativlage heraus erzeugten Auftreffstellen von LaserImpulsen auf der Werkstückoberfläche eine definierte Lage in Bezug auf eine oder mehrere aus der ersten Relativlage heraus erzeugten Auftreffstellen von Laserimpulsen auf der Werkstückoberfläche haben, insbesondere in einem ein- oder zweidimensionalen Raster liegen, das durch mehrere aus der ersten Relativlage heraus erzeugte Auftreffstellen von Laserimpulsen auf der Werkstückoberfläche definiert ist . Mit dem so gestalteten Verfahren wird bewirkt, dass das Raster, das durch die Bearbeitung aus einer Relativposition heraus vorgegeben ist, bei der Bearbeitung aus der späteren Relativposition möglichst aweichungsfrei und systematisch fortgesetzt wird, so dass im Idealfall
Unterschiede bzw. Segmentgrenzen nicht mehr wahrnehmbar sind.
Bei einem weiteren Verfahren zur Bearbeitung eines Werkstücks mittels eines einem Werkzeugkopf entspringen- den gepulsten Laserstrahls wird in einer konstanten
Relativlage zwischen Werks ück und Werkzeugkopf der gepulste Laserstrahl über Positionen auf der Werkstückoberfläche geführt . Nacheinander werden erste Werkstückpositionen eines ersten Werkstückoberflächensegments aus einer ersten Relativlage und zweite Werkstückpositionen aus einem angrenzenden zweiten Werkstückoberflächensegment aus einer anderen zweiten Relativlage heraus bearbeitet , wobei die Segmente überlappend oder nicht überlappend aneinander angrenzen können . Die ersten und zweiten Segmente und die erste und die zweite Relativlage werden nach Maßgabe zweier Kriterien festgelegt , deren erstes die Festlegung der Einfallswinkel nach Maßgabe der Verhältnisse bei der jeweiligen Relativlagen bestimmt und deren zweites die Festlegung der Einfallswinkel derart bestimmt, dass, vorzugsweise in parallelen Schnittebenen betrachtet, ein betrachteter Einfallswinkel des Laserstrahls gegenüber der Werkstückoberfläche in der einen Relativlage im Hinblick auf einen betrachteten Einfallwinkel des Laserstrahls gegenüber der Werkstückoberfläche in der anderen Relativlage gewählt wird, vorzugsweise so, dass der Unterschied der betrachteten Einfallswinkel verringert wird oder unter einen vorgegebenen maximalen Betrag fällt. Bei diesem Verfahren werden die Auftreffgeometrien von Laserimpulstreffern auf der Werkstückoberfläche, die aus unterschiedlichen Relativpositionen heraus (in unterschiedlichen Segmenten) gefertigt we den, aber unmittelbar oder nahe beieinander liegen, aneinander angeglichen, sodass die Abbildungsgeometrie des Laserstrahls auf der Werkstückoberfläche an der Grenze weniger stark variiert und deshalb nicht oder kaum „springt". Auch auf diese Weise werden abrupte funktionale oder wahrnehmbare Unterschiede an den Segmentgrenzen verringert .
Die Werkstückpositionen und die Relativlage können so gewählt werden, dass der mittlere Einfallswinkel des Laserstrahls gegenüber der Werkstückoberfläche bei dieser Relativlage nicht im Bereich von 90 °± 3° liegt .
Bei einem Verfahren zur Bearbeitung eines Werkstücks mittels eines einem Werkzeugkopf entspringenden gepulsten Laserstrahls wird in einer konstanten Relativlage zwischen Werkstück und Werkzeugkopf der gepulste Laserstrahl über Positionen auf der Werkstückoberfläche geführt, wobei nacheinander erste Werkstückpositionen eines ersten Werkstückoberflächensegments aus einer
ersten Relativlage und zweite Werkstückpositionen aus einem angrenzenden zweiten Werkstückoberflächensegment aus einer anderen zweiten Relativlage heraus bearbeitet werden, wobei die Segmente überlappend oder nicht überlappend aneinander angrenzen können . Die Segmente sind kleiner als das einsteuerbare Arbeitsfenster des Laserkopfs und werden insbesondere durch Unterteilung eines vorläufigen Segments festgelegt , wobei die Unterteilung nach Maßgabe der Betrachtung von Einfallswinkeln von Laserstrahlen gegenüber der Werkstückoberfläche im vorläufigen Segment und ggf . auch daran angrenzender Segmente erfolgt .
Das eben beschriebene Verfahren ist hilfreich, wenn innerhalb eines Segments die Laserstrahleinf llswinkel auf der Werkstückoberfläche so stark variieren, dass auch innerhalb eines Segments die Unterschiede wahrnehmbar werden . Es kann dann ein vorl ufiges Segment in mehrere kleinere Segmente unterteilt werden, sodass innerhalb eines dann kleineren Segments die Varianzen kleiner werden und über die Segmentgrenzen hinweg ggf . wie vorher beschrieben aneinander angeglichen werden können.
Soweit Einfallswinkel betrachtet werden, können dies Winkel der Laserlichtachse gegenüber der momentanen lokalen Werkstückoberfläche vor Auftreffen des Laserstrahls sein, wobei über strukturelle Merkmale, die kleiner sind als der 20 oder 10 oder 5 μτη hinweg gernititelt werden kann.
Bei einem Verfahren zur Bearbeitung eines Werk- Stücks mittels eines einem Werkzeugkopf entspringenden gepulsten Laserstrahls wird dieser über die Werkstückoberfläche geführt und das Werkstück durch eine oder mehrere automatisch gesteuerte oder geregelte Stellachsen relativ gegenüber dem Werkzeugkopf verstellt . Eine oder mehrere der Stellachsen und der gepulste Laserstrahl aus dem Werkzeugkopf werden gleichzeitig und aufeinander abgestimmt betrieben.
Bei diesem Verfahren ist es möglich, durch gleich- zeitig im Betrieb wenigstens einer mechanischen Stellachse und des Laserstrahls Artefakte, die sich durch die diskrete Einstellung unterschiedlicher Relativpositionen/Segmente ergeben, in wenigstens einer Flächendimension zu vermeiden, indem mit der bzw. den mechanischen
Stellachsen große Bereiche eines großen Werkstücks „nonstop" abgefahren werden.
Bei einem Verfahren zur Bearbeitung eines Werk- Stücks mittels eines einem Werkzeugkopf entspringenden gepulsten Laserstrahls wird in einer konstanten Relativlage zwischen Werkstück und Werkzeugkopf der gepulste Laserstrahl über Positionen auf der Werkstückoberfläche geführt , wobei nacheinander erste und zweite Werkstückpositionen eines ersten bzw. zweiten Werkstückoberflächen- segments aus einer ersten bzw. angrenzenden zweiten Relativlage heraus bearbeitet werden. Die Laserstrahlen im Grenzbereich fallen aus der ersten Relativlage unter einem anderen Winkel auf das Werkstück ein als aus der zweiten Relativlage . Die Laserimpulsauftreffstellen in einer der Relativlage werden dabei nach Maßgabe des
Unterschieds der genannten Einfallswinkel positioniert, insbesondere gegenüber anderweitigen Festlegungen verschoben. Damit kann" erreicht werden, dass unterschiedliche
Projektionsgrößen des Laserstrahldurchmessers auf der Oberfläche etwa im Fall der Figur 3c nicht überlappend angeordnet werden. Es sei darauf hingewiesen, dass bei schichtweisem
Materialabtrag die Schichten nicht eben sein müssen, sondern uneben sein können. Sie können etwa der ursprünglichen (unebenen) Werkstückoberfläche folgen oder können der endgültigen Außenform des Gesenks folgen oder nach weiteren Kriterien uneben gestaltet sein. Die Unebenheit kann durch geeignete Wahl der Scangrenzen in einem Segment und/oder durch entsprechende Fokussteuerung in z- Richtung erreicht werden . Bei einem Verfahren zur Bearbeitung eines Werkstücks mittels eines einem Werkzeugkopf entspringenden gepulsten Laserstrahls wird in einer konstanten Relativlage zwischen Werkstück und Werkzeugkopf der gepulste Laserstrahl über die Werkstückoberfläche geführt . Gegen- einander abgegrenzte Werkstückbereiche werden nacheinan- der aus einer ersten und einer anderen zweiten Relativlage heraus bearbeitet wird. In mehreren Durchläufen werden mehrere Schichten von Material abgetragen. Die Grenzen der Werkstückbereiche werden in einer Schicht anders gewählt werden als in einer unmittelbar darüber oder darunter liegenden Schicht , insbesondere qualitativ anders bzw. so, dass die Grenzen in der einen Schicht nicht nur translatorisch gegen die Grenzen in der unmittelbar darüber oder darunter liegenden Schicht verschoben sind.
Etwa können die Segmentgrenzen in einer Schicht einem rechteckigen Muster folgen, in einer folgenden
Schicht einem sechseckigem Muster, in einer abermals folgenden Schicht einem zufälligen Muster» usw. Wegen der vermiedenen Regelmäßigkeit der Segmentgrenzen ist das Auftreten von Artefakten im zuletzt gefertigten Produkt abermals verringert . In einem Verfahren zur Bearbeitung eines Werkstücks mittels eines einem Werkzeugkopf entspringenden gepulsten Laserstrahls wird dieser mit einer Optik und einer Führung im Werkzeugkopf fokussiert und geführt . Die Fokusläge wird in Tiefenrichtung nach Maßgabe des Einfallswin- kels des Laserstrahls auf der Werkzeugoberfläche gesteuert .
Durch eine gezielt gesteuerte Defokussierung gegenüber der Werkstückoberfläche kann die Abtragsleistung des Lasers pro Impuls gesteuert werden . Diese Stellgröße kann zur Kompensation anderer Einfiussgroßen auf die Abtragsleistung verwendet werden, etwa des Einfallswinkels. Die Abhängigkeit kann beispielsweise so sein, dass bei nähe- rungsweise senkrechtem Einfall, also hoher Leistungsdich- te, eine gewisse Defokussierung (Fokuslage oberhalb oder unterhalb der momentanen Werkstückoberfläche) gewählt wird, während der Fokus bei schrägem Einfall in der
Werkstückoberfläche liegt. Varianzen der Abtragsleistung aufgrund geometrischer Verhältnisse werden dann durch Varianzen der Fokuslage ausgeglichen.
Ein Laserwerkzeug zur Bearbeitung eines Werkstücks mittels eines dem Werkzeug entspringenden gepulsten
Laserstrahls hat eine Laserquelle, eine Optik zur Formung des Laserlichts und einer Führung zur Führung des Laserlichts. Die Optik weist im Strahlengang ein einstellbares optisches Element aufweist, das unterschiedliche optische Eigenschaften aufweist, wenn man seine Eigenschaften in gegeneinander verdrehten, aber den Laserstrahl führenden Ebenen betrachtet .
Das optische Element mit den in unterschiedlichen Ebenen unterschiedlichen optischen Eigenschaften kann dazu eingesetzt werden, sich aus der Bearbeitungsgeomet- rie ergebende Unterschiede zu kompensieren. Sie können ähnlich wie Linsen wirken, die Astigmatismus korrigieren» bzw. können selbst Linsen sein, die astigmatisch ausgebildet sind. Das Maß des Astigmatismus und/oder die
Ausrichtung können einstellbar sein. Auch können ovale Blenden vorgesehen sein, eieren Ausrichtung einstellbar ist, etwa um unterschiedliche Ovalitäten an Segmentgrenzen auszugleichen .
Allgemein kann die Bearbeitung in einer konstanten Relativlage so geschehen, dass die Auftreffstellen des Laserlichts über das momentan zu bearbeitende Oberflächensegment geführt werden, indem der Laserstrahl , insbesondere seine Fokusregion, in zwei. Dimensionen x und y (bzw. bei konstanter Brennweite über eine Kugeloberflä- che) über Galvano-Spiegel ausgelenkt wird, die Fokusläge auslenkungsabhängig gesteuert wird (z-shifter) und ggf . ein Lichtventil getastet wird .
Einige der beschriebenen Verfahren bzw. Verfahrens- schritte können vorab geplant und in einem entsprechend vorab verfassten Bearbeitungsprogramm, abgebildet sein, das in der Maschine gespeichert ist und bei der Werkstückbearbeitung abgearbeitet wird. Einige der Schritte können bzw. müssen aber auch in Echtzeit gesteuert oder nach Maßgabe von Sensoriksignalen geregelt sein.
Die beschriebenen Verfahren können bei der voluminösen Gesenkbi1dung durch flächendeckend schichtweisen Materialabtrag oder bei der Oberflächenbearbeitung zu optischen oder anderen Zwecken oder zur Oberflächentextu- rierung durch Abtrag von punktuellen oder zusammenhängen- den Strukturen in nur einer oder einigen wenigen Schichten verwendet werden . Die Werkstücke können z. B . große Gussformen für Massenprodukte aus Kunststoff (Thermoplas- te) etwa im Automobilbau sein . Die Fokusiage des Laserstrahls im Raum -ist- Y-PH ^t-i v gut vorhersehbar steuerbar. In einer vereinfachten (die sich aus den Schwingspiegeln ergebende kalottenförmige Geometrie außer Acht lassenden) Darstellung kann gesagt werden , dass die Auslenkung des Fokus in der Fläche mittels Schwingspiegeln mit sich kreuzenden Schwingachsen bewirkt wird (Steuerung in etwa in der x-y-Ebene - siehe Koordinatendefinition in Fig . 1) , während in Tiefenrich- tung (z -Richtung, weg vom Werkzeug) der Fokus mittels schneller optischer Elemente ( "z-Shif er" ) gesteuert werden kann. Diese Komponenten können unter kontinuierlicher, schneller Ansteuerung von der Maschinensteuerung 18 her stehen .
Nachfolgend werden Bezug nehmend auf die Zeichnungen Ausführungsformen der Erfindung beschrieben, es zeigen Fig. 1 allgemein schematisch eine Maschine, in der die beschriebenen Verfahren und Werkzeuge verwendet werden können,
Fig . 2 die Segmentierung der Werkstückoberfläche, auch in mehreren Schichten,
Fig. 3 Skizzen zur Erläuterung von Problemen beim Auftreffwinkel des Laserstrahls ,
Fig. 4 Skizzen zur Erläuterung von Problemen am Rand von Segmenten,
Fig. 5 typische Laserpulse, Fig. 6 eine Skizze zur Erläuterung der Festlegung von Auftreffwinkel des Laserstrahls,
Fig. 7 schematisch ein Laserwerkzeug,
Fig. 8 ein Verfahren zur Verbesserung von An- Schlüssen an Segmentgrenzen,
Fig. 9 ein Ergebnis des Verfahrens der Figur 8 , Fig. 10 schematisch Skizzen zur winkelabhängigen FokusSteuerung . Allgemein sind in dieser Beschreibung Merkmale auch dann als miteinander kombinierbar zu verstehen, wenn die Kombination nicht ausdrücklich angesprochen ist , soweit die Kombination technisch möglich ist. Darstellungen von Verfahrensschritten und Verfahren sind auch als Darstel- lungen von Geräteteilen und Geräten bzw. Vorrichtungsteilen und Vorrichtungen, die die jeweiligen Verfahrens - schritte bzw. Verfahren implementieren, zu verstehen, und umgekehrt . Allgemein wird in dieser Beschreibung ein Koordinatensystem verwendet , wie es in Figur 1 angedeutet ist . Die z-Richtung ist vertikal und kann die Tiefenrichtung des Gesenks sein, während die x- und y- oordinaten horizontal liegen. Es wird aber darauf verwiesen, dass dies lediglich zu erläuternden Zwecken zu verstehen ist . Wegen der diversen rotatorischen Stellachsen und komplexer Geometrien im konkreten Betrieb kann nicht grundsätzlich davon ausgegangen werden, dass bspw. die (momentane oder anfängliche) Werkstückoberfläche in der x-y-Ebene liegt oder dass die Tiefenrichtung eines Gesenks immer vertikal ausgerichtet ist .
Figur 6 zeigt ein Verfahren, bei dem die zu Figur 3c beschriebenen Effekte verringert bzw. vermieden werden . Es wird hierbei dafür Sorge getragen, dass die
Relativpositionen zwischen Werkzeug 13 und Werkstückober- flächensegment 21a und 21b jeweils nicht nur unter jeweils individueller Optimierung gewählt werden, sondern auch unter gegenseitiger Berücksichtigung, insbesondere derart, dass die Einfallswinkel ' und ß ' in den Grenzbereichen der Segmente 21a, 21b aneinander angeglichen werden, sodass auch die Projektion des Laserquerschnitts auf die Werkstückoberfläche im Grenzbereich der Segmente 21a, 21b weniger unterschiedlich und bestenfalls gleich bzw. gleichförmig wird.
Für die Festlegung der jeweiligen Relativpositionen in den einzelnen Segmenten zwischen Werkzeugkopf 13 und Segment 21a, 21b, ... zur Bearbeitung der jeweiligen
Oberflächensegmente kommen dann jeweils mindestens zwei Kriterien zur Anwendung . Das eine ist die individuelle Einstellung für das jeweilige Segment , die nach notwendi - gen Kriterien oder Optimierungskriterien für das jeweili- ge Segment erfolgen kann, und das andere ist die Anglei- chung der Einstellungen derart , dass die Einfallswinkel α' und ß ' im Grenzbereich gleich oder gleicher werden . Insbesondere kann das Ergebnis der Anwendung des einen Kriteriums durch die Anwendung des anderen Kriteriums modifiziert werden. Dabei kann die Relativposition zunächst segmentimmanent eingestellt werden, etwa wie in Figur 3 gezeigt so, dass im jeweiligen Segment 21a, 21b die Verhältnisse bestmöglich sind, indem etwa der gemittelte Einfallswinkel näherungsweise rechtwinklig ist. Hierfür werden
Positionen 13-1 und 13-2 des Laserkopfs 13 zur Bearbeitung des Segments 21a bzw. 21b festgelegt. Auch andere Kriterien können hier zum Tragen kommen, etwa die Vermei - dung von Äbschattungen oder von mechanische Kollisionen.
Allerdings können sich dann aus den unterschiedlichen Relativpositionen heraus unterschiedliche Einfallswinkel a, ß des Laserstrahls im Grenzbereich zwischen den Segmenten 21a, 21b ergeben. Dies ist insbesondere dann der Fall , wenn das Werkstück uneben ist . Die individuelle Einstellung kann dann wie in Figur 6 gezeigt dahi gehend modifiziert werden, dass beide Positionen 13-1 und 13-2 nach rechts auf 13-3 bzw. 13-4 verschoben werden. Dadurch sind zwar innerhalb der einzelnen Segmente die Verhältnisse nicht mehr ganz optimal, aber die Einfallswinkel oi ' und ß · (vorzugsweise in einer bzw. in parallelen schnittebenen betrachtet) sind aneinander angeglichen, so dass auch die Auftreffgeometrien des Laserdurchmessers anei - nander angeglichen sind, so dass die erwähnten Artefakte weniger oder nicht entstehen .
Es kann auch anders herum derart vorgegangen werden, dass zunächst gleiche Einfallswinkel α ' und ß' in den Grenzregionen eingestellt werden und diese Einstel- lungen dann nach Maßgabe jeweils segmentindividueller Kriterien und Optimierungen für die Bearbeitungen des jeweils individuellen Segments modifiziert werde . Es kann dann eine weitere Bewertung zur Abwägung der Effekte der beiden Kriterien gegeneinander dahingehend stattfinden, wie viel insgesamt einerseits gewonnen und andererseits verloren wird, wenn nach Maßgabe des einen oder des anderen Kriteriums Einstellungen bzw.
Veränderungen der Einstellungen vorgenommen werden, um insgesamt zu einem definierten Ergebnis zu kommen . ni sp Verfahrensschritte können vorab in der Arbeitsplanung automatisch vollzogen werden . Die Ergebnisse können sich dann in einem Bearbeitungsprogramm niederschlagen, das die jeweiligen Parameter einsteuert , wenn es bei der konkreten Werkstückbearbeitung abläuft .
Ein Ergebnis der Angleichung der Einfallswinkel im Grenzbereich aneinander angrenzender Segmente kann sein, dass mindestens in einem Segment der mittlere Einfallswinkel , nicht wie häufig a priori gewünscht , optimal senkrecht ist, sondern suboptimal gegen die Senkrechte verschoben ist, etwa um mindestens 3° oder mindestens 6° .
Soweit Einfallswinkel betrachtet werden, können diese, wenn nichts anderes gesagt ist, Einfallswinkel des Laserstrahls auf die Werkstückoberfläche im j eweiligen Grenzgebiet sein, oder mittlere Einfallswinkel über das gesamte Segment hinweg. Winkel α und 180° -ex werden dabei als gleich angesehen.
Figur 8 zeigt ein Verfahren, das dazu dient, An- schlussfehler an Segmentgrenzen, wie sie in Figur 4 gezeigt sind, zu verringern bzw. zu vermeiden, um zu einem Ergebnis wie in Figur 9 gezeigt zu gelangen. Gezeigt ist das Vorgehen in einzelnen Segmenten längs
Spuren, die in der Zeichnungsebene vertikal verlaufen. Dabei werden zuerst mittels des Laserscanners alle Spuren in einem Segment 21a abgefahren, indem Laser und Scanner entsprechend gesteuert werden . Danach wird die Relativposition mittels der mechanischen Stellachsen 15 und 17 so geändert , dass das benachbarte Segment bearbeitet werden kann, indem dort die Spuren mit dem Scanner abgefahren werden können .
Die Steuerung er olgt dabei so, dass in der späteren (zweiten) Relativlage die Maschinenparameter (Rela- tivpositionierung, Lasersteuerung , , .. ) so eingestellt werden, dass die Laserimpulsauftreffstellen im zweiten Segment eine definierte Lage in Bezug auf die Laserimpulsauftreffstellen im ersten Segment haben, insbesondere derart , dass sie definiert zu, insbesondere in einem Raster liegen, das durch die Auftreffstellen bei der Bearbeitung des ersten Segments vorgegeben ist . Die vorgegebene Rasterung und der folgende Anschluss daran können ein- oder zweidimensional betrachtet werden . Dabei kann wie in Figur 8 gezeigt vorgegangen werden, nachdem die Werkstückbearbeitung aus einer ersten Relativlage heraus beendet ist. Im Schritt 801 wird der Laserbetrieb gestartet, so dass Laserimpulse erzeugt werden. Sie können aber noch von einem Shutter (Lichtventil) ausgeblendet sein. Davor oder danach wird im Schritt 802 die relative Positionierung von Laserkopf und Werkstück zur Bearbeitung des neuen Segments in der Nachbarschaft des vorher bearbeiteten Segments eingestellt und ggf . sensorisch genau ermittelt . Im Schritt 803 wird das Laserimpulstiming phasengenau innerhalb der Periodendauer T der Laserimpulse erfasst .
Im Schritt 804 werden die mechanischen Parameter festgelegt , um ein definiertes Einsetzen und Auftreffen der Laserimpulse im neuen Segment zu erreichen. Diese Festlegungen können die Startzeit des Scannerbetriebs , die Beschleunigung des Scanners , die Endgeschwindigkeit (Winkelgeschwindigkeit) des Lasers umfassen . Auch der
Öff ungszeitpunkt des Shutters kann hier bestimmt werden . Im Schritt 805 wird dann der Scanner nach Maßgabe der bestimmten Größen gestartet . Wenn die gewünschten Sollwerte erreicht sind, wird im Schritt 806 der Shutter geöffnet, sodass Laserimpulse auf der Werkstückoberfläche auftreffen .
Insbesondere dann, wenn die LaserImpulsfrequenz nicht oder nur unzureichend steuerbar ist, kann nach dem Einschalten des Lasers das jeweils vorhandene Impulstim- ing phasengenau als Eingangsgröße zur Bestimmung der Werte in Schritt 804 herangezogen werden. Wenn andererseits die Frequenz und/oder Phasenlage der Laserimpulse steuerbar sind, können auch diese als Ergebnis der Bestimmungen im Schritt 804 gesetzt und dann entsprechend eingestellt werden.
Die Festlegungen werden so getroffen, dass das gewünschte Ergebnis erreicht wird, nämlich dass die Auftreffstellen der Laserimpulse in der neuen Relativpositi ~ on, also im neuen, benachbarten Segment, das Raster in einer Rasterdimension oder in beiden Rasterdimensionen möglichst genau fortsetzen, das durch die Bearbeitung des früheren Segments vorgegeben ist. Um im Schritt 804 die gewünschten Festlegungen treffen zu können» können Daten bezüglich der früheren Bearbeitung entweder sensorisch eingeholt und dann verwendet werden, indem beispielsweise die Auftreff unkte bei der früheren Bearbeitung optisch vermessen werden, oder, soweit vorhanden, kann auf schon vorhandene gespeicherte Werte zurückgegriffen werden, die bei der Abarbeitung, z. B. der Lasersteuerung bzw. -regelung bei der Bearbeitung des vorherigen Segments gespeichert wurden. Auf diese Weise können Informationen über das schon vorgegebene Raster generiert werden. Wenn jedoch die Bearbeitung mechanisch so determiniert ist, dass die theoretischen Bearbeitungspositionen (Auftreffstellen der Laserimpulse auf der Werkstückoberfläche) den realen hinreichend genau entsprechen, können die Festlegungen im Schritt 804 auch Bezug nehmend auf die theoretischen Werte im vorherigen Segment getroffen werden .
Auf diese Weise wird erreicht , dass bei der Bear- beitung des neuen Segments 21b aus der neuen Relativposition heraus die Laserimpulse möglichst rastergenau in einer oder in beiden Flächendimensionen des Rasters auf die Werkstückoberflache auftreffen, sodass die in Figur 4 gezeigten Fehler vermieden und das in Figur 9 gezeigte Ergebnis erreicht wird .
Es ist auch möglich, in der neuen Relativposition einen oder mehrere Testläufe mit schwachem oder abgeschwächtem Laserlicht ohne Bearbeitungseffekt durchzufüh- ren, deren Ergebnisse (AuftreffPositionen der Laserimpulse) sensorisch zu erfassen, nach Massgabe der erfassten Ergebnisse gesetzte Parameter zu variieren oder neue einzustellen und dann mit den so entstandenen Parametern die Werkstückbearbeitung vorzunehme .
Allgemein wird darauf hingewiesen, dass Sensorik 19 gegebenenfalls so vorgesehen sein kann, dass das momentan vorhandene Gesenk (Zwischenergebnis der Fertigung) während der Werkstückfertigung oder Auftreffstellen während der eben beschriebenen Testläufe sehr genau in Echtzeit zwei- oder dreidimensional vermessen werden können, und dass die Messwerte in der Speichereinrichtung 18a in Echtzeit (während der Werkstückfertigung) abrufbar gespeichert sein können . Die Vermessung kann hochauflösend nach x, y und z geschehen, so dass eine "Landkarte" des bisher gefertigten Segments hochauflösend jedenfalls so genau gespeichert sein kann, dass das reale Raster bekannt ist bzw. daraus ermittelt werden kann. Die Sensorik 19 kann so ausgebildet sein, dass sie die Auftreffstellen von Laserimpulsen auf der Werkstückoberfläche zwei- oder dreidimensional genau erfassen kann. Die Sensorik 19 kann eine optische Sensorik sein, die entweder das Prozessleuchten des Laserabtrags auswer- tet oder die nach Art einer Kamera Aufnahmen macht, die automatisch ausgewertet werden.
Die Einstellung der relativen Positionierung im Schritt 802 kann nach Maßgabe vorgegebener/programmierter Parameter erfolgen, während die Bestimmungen im Schritt 804 und die vorherigen notwendigen Erfassungen in Echt- zeit unmittelbar während der Werkstückbearbeitung erfolgen können. Zur Vermeidung von Segmentgrenzen, soweit dies möglich ist, können Laserkopf 13 und die mechanischen Stel - lachsen 15 , 17 auch gleichzeitig und aufeinander abgestimmt betrieben werden. In einem einfachen Fall kann etwa eine translatorische Stellachse 15 beispielsweise des Werkstücktischs 14 langsam kontinuierlich in eine Richtung verfahren werden, während gleichzeitig das
Laserwerkzeug 13 arbeitet, indem der Scanner sowie der Laser geeignet angesteuert werden. Auf diese Weise kann auch ein großes Werkstück mindestens in einer Dimension kontinuierlich ohne Segmentgrenzen abgefahren werden, sodass sich die Anzahl der Segmentgrenzen verringert.
Die Segmente können dann gerade oder krummlinige "Bearbeitungsstreifen" sein, die sich über die gesamte oder mindestens einen Teil der Werkstückoberfläche ziehen. Längs der Streifenrichtung gibt es keine Bearbei - tungsgrenzen mehr. Sie müssen dann nur zu benachbarten Streifen hin berücksichtigt und wie vorher beschrieben bearbeitet werden. Die Bearbeitung und Berücksichtigung kann wie Bezug nehmend auf die Figuren 6 und 8 beschrieben erfolgen.
Wenn nacheinander erste und zweite Werkstückpositi - onen eines ersten bzw. zweiten Werkstückoberflächensegments aus einer ersten bzw. angrenzenden zweiten Relativlage heraus bearbeitet werden und die Laserstrahlen im Grenzbereich aus der ersten Relativlage unter einem anderen Winkel auf das Werkstück einfallen als aus der zweiten Relativlage, können die Laserimpulsauftreffstellen in einer der Relativlage (auch) nach Maßgabe des Unterschieds der genannten Einfallswinkel positioniert, insbesondere gegenüber anderweitigen Festlegungen verschoben (veroffsettet ) werden.
Insbesondere können ovale Auftreffstellen von weniger ovalen Auftreffstellen weg veroffsettet werden und/oder umgekehrt werden weniger ovale an ovalere herangerückt. Als quantitatives Maß hierfür kann der Überlap- pungsgrad oder der Abstand von benachbarten Laserimpuls- treffern sein. Auf diese Weise werden an der Grenze bzw. im Grenzbereich die Überlappungen bzw. Abstände aneinander angeglichen (d . . Unterschied kleiner) oder gleich gemacht . Die Auftreffstellen können so positioniert oder gegenüber anderen Festlegungen modifiziert werden, dass an der Segmentgrenze und vorzugsweise auch innerhalb der Grenzregion des zweiten Segments die Überlappungen der Impulsauftreffstellen so sind wie in der Grenzregion des ersten Segments bzw. daran angeglichen werden, wenn aus anderen Kriterien schon Vorgaben vorliegen.
Die Ovalität ov kann als Verhältnis ov = dmax/dmin des maximalen zum quer dazu liegenden minimalen Durchmessers des Abbilds des Laserstrahls auf der Werkstückober- fläche (näherungsweise eine Ellipse) ausgedrückt werden . Sie lässt sich bei der Annahme eines kreisförmigen Laserstrahlquerschnitts auch aus dem Einfallswinkel des Laserstrahls gegenüber der lokalen Werkstückoberf1 che über die Beziehung o = 1/sin (ex) ermitteln. Allgemein sind ein möglichst rechtwinkliger Einfallswinkel (90°) und darum herum „relativ kleine Abweichungen" von ± 30° bevorzugt , was Ovalitäten zwischen 1 und 1 , 15 entspricht . Aber bei fein strukturierten oder sehr welligen Gesenken bzw.
Strukturen im Werkstück können lokal - zusammen mit der winkelmäßigen Auslenkung des Laserstrahls durch den
Scanner - auch sehr schräge bis fast schleifende Einfallswinkel (a < 45°, < 30°) entstehen, so dass die Ovalitäten ov > 1.4 oder ov > 2 entstehen können . Die Offsetrichtung kann die Richtung der großen Achse des größeren Ovals sein oder diejenige Rasterrichtung, die näher an der großen Achse des Ovals liegt . Damit kann erreicht werden, dass unterschiedliche
Proj ektionsgrößen des Laserstrahldurchmessers auf der Oberfläche etwa im Fall der Figur 3c nicht überlappend angeordnet werden. Im Falle der Figur 3c können bspw. die ovalen Auftreffstellen im linken Segment 21a nach links verschoben werden, so dass sie im Grenzbereich nicht überlappen .
Die Figuren 4 und 9 zeigen Segmentgrenzen rechtwinklig bzw. schneidend zu Bearbeitungsspuren. Gleiche Erwägungen gelten aber bei Segmentgrenzen parallel zu Bearbeitungsspuren . Spurabstand, Spurrichtung und Lage der Treffer in den Randspuren müssen dann geeignet so eingestellt werden, dass die Fertigung aus der neuen Relativposition möglichst genau in dem durch die frühere Bearbeitung definierten Raster liegt .
Segmentgrenzen können, müssen aber nicht geradlinig definiert sein. In jedem Fall sind sie ideelle Grenzen. Wenn die Laserimpulstreffer Raster unterscheidbarer
Treffer definieren, können bei der Arbeitsplanung und Programmierung und/oder ad hoc bei der erkstückbearbei - tung die Segmentgrenzen so gewählt bzw. modifiziert werden, dass einzelne Treffer eindeutig dem einen der dem anderen Segment zugeordnet werden. Allgemein wird darauf hingewiesen, dass die in dieser Beschreibung beschriebenen Verfahren nicht nur jeweils einzeln zum Einsatz kommen können, sondern auch miteinander kombiniert eingesetzt werden können.
Material kann in mehreren Schichten abgetragen werden. Eine Schicht setzt sich dabei zusammen aus Spuren von Laserimpulsauftreffstellen. Innerhalb der Spur können die Laserimpulsauftreffstellen zusammenhängen/überlappen, müssen dies aber nicht, und benachbarte Spuren können zusammenhängen/überlappen, müssen dies aber nicht, sodass punktuell oder streifenförmig oder flächig eine Schicht abgetragen werden kann. Wenn in einer Relativposition zwischen Laserkopf und Werkstück innerhalb einer Schicht der Abtrag wie gewünscht vollständig oder spurweise oder punktuell erfolgt ist, kann entweder zu einer neuen
Relativposition übergegangen werden, oder es kann bei der gleichen Relativposition in einer weiteren (tiefer liegenden) Schicht abgetragen werden. Die Schichten können, müssen aber nicht, eben sein, wie schon weiter oben gesagt. Unter Verwendung des z-Shifters kann die Fokuslage auch in z abhängig von der momentanen Auslenkung des Lasers (entweder winkelmäßig bestimmt oder nach x-y
bestimmt) gesteuert werden» sodass auch nicht ebene
Schichten eingesteuert werden können.
Wenn mehrere Schichten abgetragen werden sollen und in jeder Schicht segmentiert gearbeitet wird, können in den einzelnen Schichten die Segmentgrenzen qualitativ unterschiedlich gewählt sein. Etwa können sie in der einen Schicht rechtwinklig sein, in der folgenden Schicht sechseckförmig, in einer abermals folgenden Schicht zufallsbestimmt , etwa als Voronoi. -Muster , in einer folgenden Schicht dreieckig, etc. Die Segmentgrenzen können auch grundsätzlich in allen Schichten zufallsbestimmt sein, etwa durch Voronoi -Linienmuster zwischen quasi - zufällig gewählten Punkten .
Dies unterscheidet sich vom bekannten Vorgehen nach Figur 2 dadurch , dass in der Figur 2 die Segmentgrenzen in den unterschiedlichen Schichten lediglich translatorisch gegeneinander verschoben sind, um den Aufbau von Artefakten an den Gesenkwänden zu verhindern . Die qualitativ unterschiedlichen Segmentgrenzen in den aufeinan- derfolgenden Schichten, wie beschrieben, führen aber dazu, dass sich auch während des Abtrags Artefakte nicht auf auen, die zu einer Verungleichmäßigung des Abtrags führen würden . Wenn an Segmentgrenzen unterschiedliche Eintreff - winkel nicht vermeidbar sind, können eine oder mehrere Kompensationsstrategien bzw. Kompensationsschritte vorgenommen werden, insbesondere bei flacher werdenden Auftreffwinkeln
- Einführung eines vorzugsweise winkelabhängigen
Offsets am Anfang der Spur, sodass Überlappungen entsprechend den unterschiedlichen Ovalitäten durch Auseinanderziehen vermieden werden, - Erhöhung der Laserleistung, um in größeren ovalen Auftreffstellen den Leistungseintrag pro Fläche konstant zu halten, - Erhöhen der Scangeschwindigkeit in Spurrichtung, um die Auftreffstellen weiter auseinander zu ziehen, um insgesamt den Leistungseintrag pro Fläche näherungsweise konstant zu halten, - Strahlformung derart, dass unterschiedliche Auf- treffgeometrien im Grenzbereich durch Strahlformung, insbesondere Formung des Strahlquerschnitts, kompensiert werden, etwa durch astigmatische Linsen, ovale Blenden oder ähnliches.
Eine weitere Möglichkeit, den Leistungseintrag pro Fläche zu steuern, ist es, die Fokuslage gezielt gegenüber der Werkstückoberfläche zu verstellen, wie dies beispielhaft in Figuren 10a und 10b dargestellt ist.
Figur 10a zeigt die Laserquelle 71, die den Laserstrahl 12 {gepulst) aussendet. Unter anderem durchläuft er die einstellbare Fokussierung 73 („z-shifter" ) , mit der schnell die Brennweite der Optik und damit die Fokuslage eingestellt werden kann. In der Figur 10a ist die Fokus- läge mit 12a um die Höhe h über der Oberfläche des Werkstücks 11 verstellt gezeigt. 77 symbolisiert den Scanner, der mit Schwingspiegeln ( "Galvo-Spiegel" ) arbeitet.
Da entsprechend den unterschiedlichen Winkellagen des Spiegels 77 der Strahl 12 unter unterschiedlichen Winkel a. auf die Werkstückoberfläche auftrifft, ergeben sich die schon bezugnehmend auf die Figuren 3b und 3c beschriebenen unterschiedlichen Abbildungen des Strahldurchmessers auf die Werkstückoberfläche . Dementsprechend ändert sich der Leistungseintrag pro Fläche. Dies kann kompensiert werden, indem winkelabhängig die Fokuslage über bzw. unter der Werkstückoberfläche gesteuert wird.
Insbesondere kann die Steuerung so sein, dass bei nahezu senkrechtem Auftreffen ( = 90° = n/2 ) eine größte Höhe hmax des Fokus 12a über bzw. unter der Werkstückoberfläche eingestellt wird. Dadurch wird die nicht vorhandene geometrische Verzerrung durch eine optische Aufweitung kompensiert. Bei kleineren Einfallswinkeln wird die geometrische Verzerrung größer. Dementsprechend kann die optische Strahlaufweitung kleiner gewählt werden, indem die Höhe h über bzw. unter der Werkstückoberfläche kleiner gewählt wird, bis sie bei einer gewählten Winkellage, zum Beispiel 90° bis -30°, Mull wird und dann auch bleibt. Auf diese Weise können geometrische erzerrungen durch optische StrahlaufWeitungen bzw. Strahleinengungen näherungsweise kompensiert werden.
Fiaur 10b zeigt eine entsprechende Kennlinie. Die Höhe h des Fokus 12a über bzw. unter der Oberfläche des Werkstücks 11 ist bei senkrechtem Einfall maximal hmax und sinkt links und rechts davon. Sowohl die Höhe hmax als auch die sonstigen Kennlinienparameter werden so gewählt , dass sich eine möglichst optimierte Gesamtver- teilung über den möglichen Bereich des Winkels a ergibt . Die Höhendifferenz h kann schon fest im vorab festgelegten Bearbeitungsprogramm hinterlegt sein oder kann in Echtzeit winkelabhängig eingesteuert bzw. zu sonstigen Steuer- bzw. Regelungskriterien überlagert angewendet werden .
Figur 7 zeigt ein Laserwerkzeug. Es kann sich beispielsweise um den Bearbeitungskopf 13 in Figur 1 handeln. Dabei können jedoch gewisse Komponenten separat vom eigentlichen Werkzeugkopf 13, der in die Maschine einsetzbar ist, vorgesehen sein, etwa die physikalische Laserlichtquelle 71 und eine zugehörige Optik 72. Sie können zusammen eine Lichtquelle 70 bilden, die unabhängig vom Bearbeitungskopf 13 vorgesehen ist und die ge- pulstes Laserlicht erzeugt» das geführt oder frei in den Bearbeitungskopf 13 gebracht wird und dann dort als
Quelllicht zur Verfügung steht.
Der Bearbeitungskopf 13 weist Komponenten zur
Strahlformung und Komponenten zur Strahlführung auf.
Allgemein ist zu sagen, dass der Bearbeitungskopf 13 mit der Steuerung 18 in Verbindung steht. Insbesondere können Stellglieder im Bearbeitungskopf 13 nach Maßgabe von Befehlen von der Steuerung 18 einsteilbar sein. Mit 77 sind zwei Schwingspiegel bezeichnet, die sich kreuzende Schwingachsen haben und mittels derer der Laserstrahl über die Fläche geführt werden kann. Sie werden immer wieder auc als „Scanner" oder „Gaivc- Spiegel angesprochen. Mit 73 ist eine einstellbare Fokussierung des
Lasers bezeichnet, der sogenannte "z-Shifter" . Er be- stimmt die Brennweite der Optik und damit die Lage des Fokus 12a des Laserstrahls in Ausbreitungsrichtung, was vereinfacht als z-Richtung angesehen werden kann. Der z- Shifter ist eine schnelle optische Komponente» die unter Einfluss der Steuerung schnell und in Echtzeit veränderlich ist und beispielsweise x- und y-abhängig die Fokus - läge einstellen und ändern kann.
Mit 74 ist eine auch schnell einstellbare optische Linse bezeichnet, die astigmatisch wirkt, also in unterschiedlichen Raumebenen, die aber alle den Laserstrahl führen, unterschiedliche Brennweiten hat. Der Astigmatismus kann in Stärke und Lage schnell in Echtzeit automatisch einstellbar sein, etwa indem druckempfindliche oder verformbare optische Materialien verwendet werden, die mit entsprechenden Piezoelementen oder sonstigen Aktoren unter Einwirkung der Steuerung druckbeaufschlagbar sind, oder ähnliches. Das unterschiedliche Brechverhalten ist dann in Größe und Ausrichtung steuerbar und kann von der Steuerung 18 der Maschine dazu verwendet werden, andere Einflussgrößen zu kompensieren, insbesondere die schon mehrfach erwähnten unterschiedlichen Abbildungsgeometrien auf der Oberfläche, wie in Figur 3b beschrieben. 75 symbolisiert eine Blende, deren Apertur kleiner als der Laserquerschnitt ist und die nicht kreissymmetrisch ist und dementsprechend auch den Laserstrahl teilweise abschatten kann. Auch sie kann in ihrer Ungleichmä- ßigkeit einstellbar sein und dem Steuerungseingriff von der Steuerung 18 her unterworfen sein. Die Blende 73 kann eine Modenblende sein, also eine Apertur, die Randstrahlen ausblendet .
76 symbolisiert eine einstellbare Dämpfung, mittels derer die Laserleistung allgemein schnell reduziert werden kann. Er steht unter Einfluss der Steuerung 18.
Der z-Shifter 73 ist in praktisch allen Scannern und Laserköpfen vorgesehen, um die Lage des Fokuspunkts schnell gezielt einstellen zu können. Eine oder mehrere der genannten optischen Elemente, astigmatische Linse 74 , Blende bzw. Modenblende 75 und Dämpfung 76, können zusätzlich vorgesehen sein. Alle Elemente stehen unter Einfluss der Steuerung 18 und können dazu verwendet werden, Ungleichmäßigkeiten, die sich insbesondere aus ungleichen geometrischen Abbildungen des Laserquerschnitts auf der momentanen Werkstückoberfläche ergeben, auszugleichen. Dieser Ausgleich kann in Echtzeit (während der
Werkstückbearbeitung) geschehen und veränderlich eingestellt werden . Auch hier können früher gespeicherte Werte oder Werte aus der Sensorik 19 als Eingangsgrößen für die zu treffenden Festlegungen herangezogen werden . Die
Einstellbarkeit kann so schnell sein, dass sie den jeweiligen momentanen Positionen des Laserstrahls nachgeführt werden kann, um Ausgleiche auch innerhalb einer Spur zu bewerkstelligen. Wenn beispielsweise der Laserstrahl längs einer Spur von einem Ende eines Segments zum ande- ren Ende des Segments geführt wird und sich dabei der Einfallswinkel von 70° auf 30° auf 110° ändert und sich dementsprechend die Projektion des Laserstrahlquerschnitts von oval auf kreisförmig und dann wieder oval ändert, kann dementsprechend der Astigmatismus einer Linse so nachgeführt werden, dass die sich ändernde
Ovalität ausgeglichen wird, indem der Strahlquerschnitt durch den einstellbaren Astigmatismus der Linse kompensierend in seiner Ovalität eingestellt wird. Ähnliche Überlegungen gelten für die angesprochene Blende bzw.
oden lende und für die angesprochene Dämpfung.
Viele der oben genannten Merkmale bilden sich als Auslegung einer Steuerung einer CNC-Maschine oder einer programmierbaren Werkzeugmaschine ab. Insoweit ist auch eine Maschinensteuerung, die zur Einsteuerung bzw. Ausführung eines erfahrens wie oben beschrieben auf bzw. mit einer Werkzeugmaschine ausgelegt ist, ein Aspekt der Erfindung. Viele der genannten Merkmale können mittels Software implementiert werden, die in einer Steuerung einer CMC-Maschine oder programmierbaren Werkzeugmaschine läuft. Insoweit ist auch ein Datenträger mit computerlesbarem, Code darauf, der bei der Ausführung in einer CNC- Maschine ein Verfahren oder eine Maschine oder eine
Maschinensteuerung wie oben beschrieben implementiert ein Aspekt der Erfindung.
Typische konkrete Werte sind: Laserart : Faserlaser oder Ultrakurzpulslaser
Wellenlänge : 100 bis 2.000 nm, insbes . 300 bis 1.100 nm
Laserimpulsfrequenz > 20 kHz, > 50 kHz , > 500 kHz , > 1 MHz , > 2 MHz , > 5 MHz
Einstellbarkeit von Impulsfrequenz und/oder
Amplitude : „langsam" spurweise oder „schnei 1" von P ls zu Puls
Segmentgröße > 10 mm, > 20 mm, > 50 mm, > 100 mm Anzahl Segmente im Werkstück > 10, > 50, > 100
Laserdurchmesser im Fokus entspr. Durchmesser der Impulstreffer bei senkrechtem fokusierten Einfall : 10 μπι
- 100 μτα
Oval itat ov = dmax/dmin > 1.1, > 1.4, > 2
Schichtdicke d entsprechend Abtragstiefe eines Impulses : Untergrenzen 1 μν oder 2 im, Obergrenzen 5 μτη oder 10 μτα
Laserimpulsleistung : Untergrenzen 0 , 1 mJ oder 0 , 2 mJ oder 0,5 mJ, Obergrenzen 2 mJ oder 5mJ oder 10 mj
Auslenkung Laserstrahl : bis +/- 30°
Einfallswinkel des Laserstrahls gegenüber lokaler Werkstückobe flache : 90° ± 30° bis 90° ± 70°
Bahngeschwindigkeit des Laserstrahls > 500 mm/s, > 1.000 mm/s, > 2.000 mm/s > 5.000 mm/s
Werkstückgröße > 0, 1 mA2 oder > 1 mA2 oder > 30cm oder > 1 m

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Bearbeitung eines Werkstücks mittels eines einem Werkzeugkopf entspringenden gepulsten Laserstrahls, bei dem in einer konstanten Relativlage zwischen Werkstück und Werkzeugkopf der gepulste Laserstrahl über die Werkstückoberfläche geführt wird und wobei das Werkstück nacheinander aus einer ersten und einer anderen zweiten Relativlage heraus bearbeitet wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Bearbeitungsparameter in der zweiten Relativlage so gesteuert werden, dass eine oder mehrere aus der zweiten Relativlage heraus erzeugten Auftreffstellen von Laserimpulsen auf der Werkstückoberfläche eine definierte Lage in Bezug auf eine oder mehrere aus der ersten Relativlage heraus erzeugten Auftreffstellen von Laserimpulsen auf der Werkstückoberfläche haben, insbesondere in einem ein- oder zweidimensionalen Raster liegen, das durch mehrere aus der ersten Relativlage heraus erzeugte Auftreffstellen von Laserimpulsen auf der Werkstückoberfläche definiert ist.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dass die gesteuerten Bearbeitungsparameter einen oder mehrere der folgenden Größen umfassen:
- die zweite Relativlage,
- der Anschalt Zeitpunkt des gepulsten Laserstrahls
- der Öffnungszeitpunkt eines Lichtgatters, - die Auslenkung des Laserstrahls zum Anschaltzeitpunkt ,
- die Pulsfrequenz des Laserstrahls,
- die Bahngeschwindigkeit des Lagerstrahls auf der Werkstückoberfläche,
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerung der Auftreffstellen aus der zweiten Relativlage heraus auch nach Maßgabe von
Messergebnissen und/oder nach Maßgabe gespeicherter Werte von Größen bei der Werkstückbearbeitung aus der ersten Relativlage heraus erfolgt.
4. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in der zweiten Relativlage ein oder mehrere mechanische Parameter, insbesondere die Laserführung , nach Maßgabe von Laserparametern, insbesondere nach Maßgabe der Impulszeitpunkte gesteuert werden .
5. Verfahren zur Bearbeitung eines Werkstücks mittels eines einem, Werkzeugkopf entspringenden gepulsten Laserstrahls, vorzugsweise nach einem der vorherigen Ansprüche, bei dem in einer konstanten Relativlage zwi- sehen Werkstück und Werkzeugkopf der gepulste Laserstrahl über Positionen auf der Werkstückoberfläche geführt wird, wobei nacheinander erste Werkstückpositionen eines ersten Werkstückoberflächensegments aus einer ersten Relativlage und zweite Werkstückpositionen aus einem angrenzenden zweiten Werkstückoberflächensegment aus einer anderen zweiten Relativlage heraus bearbeitet werden , wobei die Segmente überlappend oder nicht überlappend aneinander angrenzen können , dadurch gekennzeichnet, dctsr» die ersten und zweiten Segmente und die erste und die zweite Relativlage nach Maßgabe zweier Kriterien festgelegt werden,
deren erstes eine Optimierung der Einfallswinkel in den jeweiligen Relativlagen bestimmt , und
deren zweites die Festlegung der Einf llswinkel derart bestimmt , dass, vorzugsweise in parallelen
Schnittebenen betrachtet, ein betrachteter Einfallswinkel des Laserstrahls gegenüber der Werkstückoberfläche in der einen Relativlage im Hinblick auf einen betrachteten Einfallwinkel des Laserstrahls gegenüber der Werkstück - Oberfläche in der anderen Relativlage gewählt wird, vorzugsweise so, dass der Unterschied der betrachteten Einfallswinkel verringert wird oder unter einen vorgegebenen maximalen Betrag f llt .
6. Verfahren nach Anspruch 5 , dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens zu einer der beiden Relativlagen betrachtete Einfallswinkel ein mittlerer Einfallswinkel bei dieser Relativlage ist oder ein Einfallswinkel bei Werkstückpositionen im Grenzbereich des Segments, insbe - sondere denjenigen der zugehörigen Werkstückpositionen, die an Werkstückpositionen bei der anderen Relativlage angrenzen .
7. Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet , dass beim zweiten Kriterium der Betrag des
Unterschieds, vorzugsweise in parallelen Schnittebenen betrachtet» auf kleiner 20° oder kleiner 15° oder kleiner 10° eingestellt wird.
8. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass zuerst das erste Kriterium angewendet wird und die sich ergebenden Verhältnisse nach Massgabe des zweiten Kriteriums modifiziert werden, oder dass zuerst das zweite Kriterium angewendet wird und die sich ergebenden Verhältnisse nach Massgäbe des ersten Kriteriums modifiziert werden .
9. Verfahren zur Bearbeitung eines Werkstücks mittels eines einem Werkzeugkopf entspringenden gepulsten Laserstrahls , vorzugsweise nach einem der vorherigen Ansprüche , bei dem in einer konstanten Relativlage zwischen Werkstück und Werkzeugkopf der gepulste Laserstrahl über Positionen auf der Werkstückoberfläche geführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Werkstückpositionen und die Relativlage so gewählt werden, dass der mittlere Einfallswinkel des Laserstrahls gegenüber der Werkstückoberfläche bei dieser Relativlage nicht im Bereich von 90°± 3° liegt .
10. Verfahren zur Bearbeitung eines Werkstücks mittels eines einem Werkzeugkopf entspringenden gepulsten Laserstrahls» vorzugsweise nach einem der vorherigen Ansprüche, bei dem in einer konstanten Relativlage zwi - sehen Werkstück und Werkzeugkopf der gepulste Laserstrahl über Positionen auf der Werkstückoberfläche geführt wird, wobei nacheinander erste Werkstückpositionen eines ersten Werkstückoberflächensegments aus einer ersten Relativlage und zweite Werkstückpositionen aus einem angrenzenden zweiten Werkstückoberflächensegment aus einer anderen zweiten Relativlage heraus bearbeitet werden, wobei die Segmente überlappend oder nicht überlappend aneinander angrenzen können, dadurch gekennzeichnet, dass die Segmente kleiner als das einsteuerbare Arbeits - fenster des Laserkopfs sind und insbesondere durch Unterteilung eines vorläufigen Segments festgelegt werden, wobei die Unterteilung nach Maßgabe der Betrachtung von Einfallswinkeln von Laserstrahlen gegenüber der Werkstückoberfläche im vorläufigen Segment und ggf. auch daran angrenzender Segmente erfolgt.
11. Verfahren zur Bearbeitung eines Werkstücks mittels eines einem Werkzeugkopf entspringenden gepulsten Laserstrahls, vorzugsweise nach einem der vorherigen Ansprüche, bei dem der gepulste Laserstrahl über die Werkstückoberfläche geführt und das Werkstück durch eine oder mehrere automatisch gesteuerte oder geregelte Stel- lachsen relativ gegenüber dem Werkzeugkopf verstellt wird, dadurch gekennzeichnet , dass eine oder mehrere der Stellachsen und der gepulste Laserstrahl aus dem Werkzeugkopf gleichzeitig und aufeinander abgestimmt betrieben werden.
12. Verfahren zur Bearbeitung eines Werkstücks mittels eines einem Werkzeugkopf entspringenden gepulsten Laserstrahls , vorzugsweise nach einem der vorherigen Ansprüche , bei dem in einer konstanten Relativlage zwischen Werkstück und Werkzeugkopf der gepulste Laserstrahl über Positionen auf der Werkstückoberfläche geführt wird, wobei nacheinander erste Werkstückpositionen eines ersten Werkstückoberflächensegments aus einer ersten Relativlage und zweite Werkstückpositionen aus einem angrenzenden zweiten Werkstückoberflächensegment aus einer anderen zweiten Relativlage heraus bearbeitet werden, wobei die Segmente überlappend oder nicht überlappend aneinander angrenzen können, wobei die Laserstrahlen im Grenzbereich aus der ersten Relativlage unter einem anderen Winkel auf das Werkstück einfallen als aus der zweiten Relativlage , dadurch gekennzeichnet , dass die Laserimpulsauftreffstellen in einer Relativlage nach Maßgabe des Unterschieds der genannten Einfallswin- kel positioniert werden, insbesondere gegenüber anderweitigen Festlegungen verschoben werden .
13. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in mehreren Durchläufen mehrere Schichten von Material an gleichen Stellen der Werkstückoberfläche abgetragen werden.
14. Verfahren zur Bearbeitung eines Werkstücks mit- tels eines einem Werkzeugkopf entspringenden gepulsten
Laserstrahls , vorzugsweise nach einem der vorherigen Ansprüche , bei dem in einer konstanten Relativlage zwischen Werkstück und Werkzeugkopf der gepulste Laserstrahl über die Werkstückoberfläche geführt wird und wobei gegeneinander abgegrenzte Werkst ckbereiche nacheinander aus einer ersten und einer anderen zweiten Relativlage heraus bearbeitet wird, und wobei in mehreren Durchläufen mehrere Schichten von Material abgetragen werden, dadurch gekennzeichnet , dass die Grenzen der Werkstückbereiche in einer Schicht anders gewählt werden als in einer unmittelbar darüber oder darunter liegenden Schicht , insbesondere qualitativ anders bzw. so, dass die Grenzen in der einen Schicht nicht nur translatorisch gegen die Grenzen in der unmittelbar darüber oder darunter liegenden Schicht verschoben sind.
15. Verfahren, vorzugsweise nach ei em der vorherigen Ansprüche , zur Bearbeitung eines Werkstücks mittels eines einem Werkzeugkopf entspringenden gepulsten Laserstrahls, de mit einer Optik und einer Führung im Werk- zeugkopf fokussiert und geführt wird, dadurch gekennzeichnet , die Fokusläge in Tiefenrichtung nach Maßgabe des Einfallswinkels des Laserstrahls auf der Werkzeugoberfläche gesteuert wird.
16. Verfahren nach Anspruch 15 , bei dem der Abstand des Laserfokus von der Werkstückoberfläche größer wird, wenn der Einf llswinkel sich einem rechten Winkel annähert .
17. Verfahren nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche , dadurch gekennzeichnet , dass Oberflächen- strukturierungen aus einzelnen oder einigen wenigen zusammenhängenden Laserimpulsauftreffpunkten erzeugt werden .
18. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche .
19. Werkzeug zur Bearbeitung eines Werkstücks mittels eines dem Werkzeug entspringenden gepulsten Laserstrahls , mi einer Laserquelle, einer Optik zur Formung des Laserlichts und einer Führung zur Führung des Laserlichts , dadurch gekennzeichnet , dass die Optik im Strahlengang ein einstellbares optisches Element aufweist , das unterschiedliche optische Eigenschaften aufweist, wenn man seine Eigenschaften in gegeneinander verdrehten, aber den Laserstrahl führenden Ebenen betrachtet .
20. Werkzeug nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet , dass die Einstellbarkeit des optischen Elements die Einstellung seiner Ausrichtung und/oder der Unterschied- lichkeit in den verdrehten Ebenen umfasst und/oder die Einfügung bzw. Herausnahme des optischen Elements in den bzw. aus dem Strahlengang .
21. Werkzeug nach Anspruch 19 oder 20 , dadurch gekennzeichnet , dass das Element eine Linse , die in den gegeneinander verdrehten Ebenen unterschiedliche Brennweiten aufweist , oder eine Blende ist , die in den gegeneinander verdrehten Ebenen unterschiedliche Aperturabmessungen aufweist .
22. Steuerung für eine Vorrichtung nach Anspruch
18.
23. Datenträger mit computerlesbarem Code darauf , der bei der Ausführung ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 17 implementiert oder eine Vorrichtung nach Anspruch 18 oder eine Steuerung nach Anspruch 22 bildet .
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