WO2016206943A1 - Scannerkopf mit integriertem strahllagesensor sowie justageanordnung zur offline-justage - Google Patents

Scannerkopf mit integriertem strahllagesensor sowie justageanordnung zur offline-justage Download PDF

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laser
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Christian Sonner
Matthias Rabe
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Scanlab AG
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    • B23K26/0665—Shaping the laser beam, e.g. by masks or multi-focusing by beam condensation on the workpiece, e.g. for focusing

Definitions

  • the present invention relates to a scanner head for laser material processing with a focusing optics and a beam position system for influencing the laser beam position, which is the focusing optics in the propagation direction of the laser beam, which comprises at least two controllable movable optical elements and by means of an angle of incidence of the laser beam on the processing surface dynamically is adjustable and the processing location of the laser beam is two-dimensional dynamic on the processing surface movable. Furthermore, the invention relates to a Jus- tagean Aunt with such a scanner head and a Justageverfah- ren for offline adjustment.
  • the above-mentioned scanner heads are used for various purposes, in particular for marking, labeling, for abrasive and / or structuring processing, for cutting, for drilling, for sintering or for welding.
  • structures of any shape can be introduced into a workpiece whose edges have a desired angle of inclination to the workpiece surface.
  • the impact angle should be adjustable independently of the web guide. Independent adjustment of both parameters should be possible with high precision and high speed in order to achieve correspondingly high processing speeds in laser material processing.
  • the device for guiding tion of the laser beam for machining a workpiece has a mirror assembly with movable mirrors for generating an angle of incidence of the laser beam to a focusing optics for adjusting a lateral offset of the laser beam on the workpiece and for generating a lateral offset of the laser beam on the focusing optics for adjusting an angle of incidence of the Laser beam on the workpiece.
  • a first beam splitter is arranged between a laser source and the mirror arrangement.
  • the first beam splitter is associated with a first sensor element. This first sensor element serves to monitor the beam profile and the beam position.
  • the beam position can be detected exclusively in an area located upstream of the mirror arrangement.
  • the disadvantage here is that an adjustment of the system can be done exclusively by components that are upstream of the mirror assembly in the propagation direction of the laser beam. These are usually components that are not part of the scanner head. Such adjustment is very complex, tedious and expensive.
  • DE 10 2004 053 298 A1 discloses a scan head as part of a laser, drilling and cutting device. It has a series of components arranged in the light path of the laser: an intensity-regulating beam attenuation unit in conjunction with a wobble unit regulating a parallel beam displacement, a beam expander telescope increasing the beam cross section of the laser, a scan block guiding the focus of the laser beam, and a the laser beam focusing on the sample working unit and optionally in the light path einkoppelbare additional testing and control units.
  • the beam attenuation unit contains a sequence of a retarder, a first Brewster window and a second Brewster window arranged in the light path, wherein the retarder and / or at least one of the two Brewster windows are made rotatable about the optical axis.
  • the wobble unit is formed from an arrangement introduced into the light path from two plane-parallel windows, wherein the axis of rotation of the first plane-parallel window, the axis of rotation of the second plane-parallel window and the propagation direction of the laser beam are orthogonal to each other.
  • the retarder or the plane-parallel window are suitably moved by Galvanometertechniken.
  • a scanner head for laser material processing with a focusing optics and a beam position system is proposed.
  • a laser beam can be focused in a processing location, in particular on a processing surface of a workpiece or in the vicinity of this processing location.
  • the beam position system With the beam position system, the laser beam position on the processing surface of the workpiece can be influenced.
  • the laser beam position is defined by four, in particular independent, geometric parameters. These include, for example, an x and a y coordinate for defining a passage point through a plane and a propagation direction in space defined, for example, by a first and / or second spatial angle.
  • the beam position system precedes the focusing optics in the propagation direction of the laser beam.
  • the beam position system comprises at least two movable optical elements that can be controlled, in particular by means of a control unit.
  • the beam position system is designed such that by means of this an angle of incidence of the laser beam on the processing surface is adjustable. This can be achieved, for example, by a parallel tion of the laser beam perpendicular to the optical axis of the focusing optics.
  • the beam position system is designed such that by means of this the processing location of the laser beam is two-dimensional, in particular in an xy plane, movable on the processing surface. This can be done for example by a deflection (adjustment) of the laser beam relative to the optical axis of the focusing optics.
  • the scanner head includes a beam position sensor.
  • the beam position sensor is downstream of the beam position system in the propagation direction of the laser beam.
  • the beam position sensor is designed such that by means of this, in particular for the offline adjustment of the beam position system, at least four independent, in particular at least one rotational and / or translational position parameter of the laser beam can be detected.
  • the beam position sensor is designed such that by means of this, in particular indirectly and / or directly, an actual position of the laser beam can be detected. The actual position is determined by the at least four independent position parameters.
  • the beam position sensor is in this case preferably arranged and / or formed such that the at least four independent positional parameters and / or the actual position of the laser beam determined by the latter are detectable by means of this in the housing interior of the scanner head and / or in an area downstream of the beam position system , The actual position is accordingly detected, in particular indirectly, on the basis of the at least four independent positional parameters.
  • the sensory detection takes place by means of the beam position sensor, in particular in relation to the propagation direction of the laser beam and / or with respect to its beam path in the region between the beam position system and the focusing optics. Due to the fact that the actual position of the laser beam is detected only in a region downstream of the beam position system, a correction of an externally induced error, which is caused in particular by a component located upstream of the scanner head, can be effected from Radiation system itself be made. It is therefore not necessary to influence the external component. Rather, the external error is compensated by the scanner head itself. Furthermore, with the scanner head described above, an offline adjustment of the system can be carried out very quickly and inexpensively by a corresponding readjustment of the beam positioning system. Furthermore, such an offline adjustment by means of the beam position system is characterized by a very high accuracy.
  • the beam position sensor is designed in such a way that it can detect translational position parameters, ie in particular 2D position locations, and / or rotational position parameters, ie 2D position angles.
  • the translational position parameters are detected in particular in an xy plane as the x coordinate and / or as the y coordinate and reproduce the theoretical penetration point of the laser beam through the xy plane.
  • the xy plane in which the position parameters are detected is thus advantageously oblique, in particular perpendicular, aligned with the beam path.
  • the beam position sensor can detect a first inclination angle in an xz plane and / or a second inclination angle of the laser beam in a yz plane.
  • the beam position sensor comprises at least two sensors, in particular 2D sensors.
  • two translational position parameters can be determined in two planes by means of two 2D sensors, which are arranged in the beam path with respect to the beam path of the laser beam in the beam direction.
  • the exact actual position of the laser beam can now be determined or detected.
  • a sensor lens can be arranged in front of a 2D sensor of the beam position sensor, which causes a defined deflection of the laser beam as a function of the angle of incidence and / or so makes a rotational position parameter measurable with a location-sensitive sensor.
  • the beam position sensor may also comprise a plurality, in particular two, three or four sensor units, which are designed to determine one or more position parameters at different locations in the beam path, wherein four independent position parameters can be determined from the combination of these measurement results.
  • These sensor units can also be structurally separated.
  • four slit diodes may be used to detect, for example, a total of four 1-D beam position information at multiple locations in a region of the beam path that may be offset along with the known geometry of the sensor assembly and the distances to a measured beam position.
  • quadrant diodes camera elements, so-called PSD ("position sensitive devices") or wavefront sensors are possible sensors with which geometrical information about the beam position, such as location or propagation direction, can be determined and from which a beam position sensor can be constructed.
  • PSD position sensitive devices
  • wavefront sensors are possible sensors with which geometrical information about the beam position, such as location or propagation direction, can be determined and from which a beam position sensor can be constructed.
  • the beam position sensor can be permanently integrated in the scanner head. Alternatively, this can also be installed so that it can be removed from the scanner head and / or only for the purpose of adjusting the scanner head with this detachably connected.
  • the beam position sensor in the propagation direction of the laser beam is advantageously a beam splitter, in particular a semi-transparent Mirror, upstream.
  • the beam splitter can be pivoted into and out of the beam path. Accordingly, it is conceivable that the beam splitter is swiveled in for adjustment before the actual machining process, ie, offline, and swung out again during the actual machining process, ie, online.
  • the beam position sensor can detect the actual position of the laser beam in the region between the beam position system and the focusing optics.
  • the beam splitter is arranged in the beam path in the region between the beam position system and the focusing optics.
  • the beam position sensor and the beam splitter are arranged relative to one another such that the laser light transmitted by the beam splitter can be guided onto the beam position sensor and / or the laser light reflected by the beam splitter can be guided onto the focusing optics ,
  • the scanner head comprises an integrated computing unit.
  • the arithmetic unit is arranged inside the housing of the scanner head.
  • this integrated computing unit of the beam position sensor and / or a control unit of the beam position system which is preferably also integrated in the scanner head connected.
  • This is preferably a cable-based compound of the aforementioned components.
  • the scanner head comprises an external interface via which an external computing unit can be connected or connected to the beam position sensor and / or the control unit.
  • an external computing unit can be connected or connected to the beam position sensor and / or the control unit.
  • the scanner head comprises an adjustment arrangement for the offline adjustment of the laser beam or is at least formed as part of such an adjustment arrangement.
  • the adjustment arrangement here advantageously comprises the beam position sensor for detecting the actual position, the arithmetic unit for determining a correction value, the control unit for setting the correction value and / or the beam position system for setting the new laser beam position dependent on the correction value. If the scanner head has an internal arithmetic unit, the alignment arrangement is thus completely integrated in the scanner head. With external processing unit, the scanner head forms part of the adjustment arrangement.
  • the adjustment arrangement can thus advantageously at the installation of the scanner head or else to, for. Temperature-related, to eliminate drift error, before each machining process or adjusted at predetermined time intervals, without having to take in the beam path of the laser beam upstream external components, such as the laser beam source to influence.
  • the scanner head or the possibly external arithmetic unit has a memory in which the desired position of the laser beam is stored.
  • the memory can be a separate component which is connected to the arithmetic unit or else can be integrated directly into the arithmetic unit.
  • the desired position may also be indirectly stored by the at least four independent desired position parameters.
  • the desired position of the laser beam is preferably determined at the factory, in particular individually for the respective scanner head, and stored in the memory of the scanner head.
  • the arithmetic unit is designed in such a way that it can be used to calculate at least one correction value for the beam position system by means of an actual / desired position adjustment.
  • the unit has used or implemented an iterative approximation method or a stochastic search method.
  • the correction value is preferably multidimensional. This means that the correction value reflects the delta between desired position and actual position in several adjustment dimensions of the beam position system.
  • the correction value accordingly comprises at least one readjustment value for at least two optical elements of the beam position system.
  • the arithmetic unit automatically transmits the correction value to the control unit.
  • the scanner head is designed such that the processing process, in particular exclusively, can be carried out when the beam position sensor is deactivated.
  • the material processing process can thus proceed without the beam position sensor being activated.
  • the arithmetic unit and the control unit can be designed as separate components. Alternatively, however, it is also just as advantageous if the arithmetic unit and the control unit are configured together as arithmetic / control unit integrated in the scanner head.
  • the beam positioning system comprises at least four rotatable mirrors. These rotatable mirrors are preferably each designed to be rotatable only about a single respective axis of rotation.
  • the axes of rotation of the mirrors are at least partially different from each other, i. oriented differently to each other in space. These can be controlled advantageously via the control unit. If the mirrors are each only rotatably mounted about a single axis, the beam position can be changed very quickly.
  • the beam position system comprises a parallel offset unit for adjusting the at least one angle of incidence. Additionally or alternatively, it is further advantageous if the beam position system is deflected unit for two-dimensional method of the laser beam comprises.
  • the parallel offset unit is preferably arranged upstream of the deflection unit in the beam propagation direction.
  • the parallel offset unit and / or the deflection unit each comprise two mirrors rotatably mounted about a single axis of rotation.
  • a position parameter can preferably be set by means of each of the mirrors.
  • setting parameters and position parameters are related in the processing area via a coordinate transformation, which is defined in a factory calibration process.
  • the scanner head prefferably has a focusing adjustment unit, in particular upstream of the beam position sensor.
  • the focus adjustment unit preferably comprises a beam-expanding telescope unit with at least one lens displaceable along the optical axis.
  • the focusing optics for changing the focus position of the laser beam in the z-direction is axially displaceable along its optical axis.
  • the focus adjustment unit is further preferably connected to the control unit, so that it can be controlled accordingly.
  • the alignment arrangement comprises a scanner head for laser material processing.
  • the scanner head comprises focusing optics, by means of which a laser beam can be focused in a processing location on a processing surface of a workpiece.
  • the scanner head has a Beam position system for influencing the laser beam position.
  • the beam position system precedes the focusing optics in the propagation direction of the laser beam.
  • the beam position system comprises at least two controllable and / or movable optical elements.
  • the processing location of the laser beam can be moved on the processing surface in two dimensions by means of the beam position system.
  • the adjustment arrangement further comprises a computing unit.
  • the arithmetic unit is designed in particular as an external arithmetic unit and / or connected via an external interface of the scanner head with a beam position sensor and / or a control unit of the scanner head.
  • the scanner head is formed according to the preceding description, wherein said features may be present individually or in any combination.
  • a very fast and high-quality off-line adjustment of the scanner head can take place.
  • this does not have to influence any external unit, such as the laser beam source, upstream of the scanner head in the direction of the beam path. Instead, all data are determined in the scanner head and adjusted by means of this, in particular by means of the beam position system and / or adjusted.
  • the scanner head or the adjustment arrangement is thus a self-sufficient system that can be mounted and adjusted independently of the customer's environment.
  • an adjustment method for the offline adjustment of a scanner head and / or an alignment arrangement is also proposed.
  • the scanner head and / or the alignment arrangement are formed according to the preceding description, wherein said features may be present individually or in any combination.
  • an actual position of the laser beam is recorded offline, ie before the actual machining process.
  • This actual position of the laser beam is detected by means of a beam position sensor, the at least four independent positional parameters of the laser beam can detect, detected or determined.
  • the data acquisition or the detection of the actual position of the laser beam is further carried out in relation to the propagation direction of the laser beam in a - downstream of a beam position system of the scanner head - area.
  • changes to the laser beam position caused by the beam position system can thus be sensed by the beam position sensor in addition to externally caused changes in the laser beam position.
  • a computing unit compensates the detected actual position of the laser beam with a desired position stored, in particular in a memory.
  • the arithmetic unit calculates a correction value for the beam position system.
  • a control unit adjusts the beam position system taking into account the correction value.
  • the adjusting method described above can be carried out once or even several times, the adjustment method in the latter case would represent a control loop.
  • the desired position of the laser beam is determined at the factory, in particular within the scope of a factory calibration process. Furthermore, it is advantageous if this setpoint position of the laser beam, which is determined individually for each manufactured scanner head, is stored in a memory.
  • the beam position at which the Werkkai ibrier revitaliz the scanner head was performed can be determined and stored as the target position of the laser beam.
  • the beam position at which the Werkkai ibrier revitaliz the scanner head was performed can be restored. This is advantageous because the same beam position at the input of the scanner head does not have to be present during factory calibration and commissioning by the customer.
  • the correction value determined in the adjustment method can be an offset value, which is added to the control values after the coordinate transformation.
  • the correction value may correspond to four angle correction values which are added to the four angular adjustment values of four rotatable optical elements of the beam position system.
  • the scanner head may also be designed such that by means of this measurement of the spatial beam profile and / or the divergence of the beam by one or more other suitable sensor units or a suitably designed beam position sensor - which can be determined due to suitable technical design preferably in addition to the beam position additional parameters to the nature of the laser beam - can be done.
  • Such measurements may also include intensity, polarization state or spectral properties of the laser.
  • the correction value of the beam position according to the invention in the computer unit can also be included in a further correction method and, for example, transmitted to the control unit together or with other correction values.
  • FIG. 1 shows a schematic representation of an adjustment arrangement according to a first embodiment, in which all components of the adjustment arrangement are integrated in a scanner head,
  • FIG. 2 shows a schematic representation of an adjustment arrangement according to a second exemplary embodiment, in which a computing unit is connected via an external interface to the components integrated in the scanner head,
  • FIG. 3 shows a schematic illustration of a beam position sensor according to a first exemplary embodiment
  • Figure 4 shows a schematic representation of a beam position sensor according to a second embodiment
  • Figure 5 is a schematic representation of a Strahllagesystenns according to a first embodiment
  • Figure 6 is a schematic representation of a beam position system according to a second embodiment.
  • FIG. 1 shows an alignment arrangement 1 in a schematic representation with which a beam position system 3 of a scanner head 2 for laser material processing can be adjusted.
  • the alignment arrangement 1 comprises, in addition to the beam position system 3, a beam position sensor 4, a computing unit 5, a memory 6 and / or a control unit 7.
  • the alignment arrangement 1 is completely integrated in the scanner head 2. You are thus inside a scanner housing 8.
  • the position of the laser beam 9 can be influenced.
  • the beam position system 3 comprises at least two controllable by the control unit 7 optical elements, which are not shown in detail in the figures. These optical elements are preferably rotatably mounted mirrors, which can be controlled by means of an actuator.
  • the beam position system 3 comprises a deflection unit 11.
  • the deflection unit 1 1 is in this case designed such that by means of this a processing location 12, in which the laser beam 9 impinges on a processing surface 13 of a workpiece 14, two-dimensional, ie in the x and y direction, can be moved on the processing surface 13.
  • the deflection unit 1 1 preferably comprises two mirrors, which are each mounted rotatably only about a single axis of rotation.
  • the method of the processing location 12 can be generated on the processing surface 13 in the x direction via the first mirror and in the y direction via the second mirror.
  • the beam position system 3 comprises a parallel offset unit 10.
  • the parallel offset unit 10 of the deflection unit 11 is preferably arranged in front of it.
  • an angle of incidence of the laser beam 9 on the processing surface 13 can be adjusted. This is done via a parallel displacement of the laser beam 9 perpendicular to an optical axis 16 of a focusing optical system 15.
  • the focusing optical system 15 is accordingly downstream of the beam positioning system 3, in particular of the parallel displacement unit 10, in the propagation direction of the laser beam 9.
  • the laser beam 9 can be focused in the processing location 12 on the processing surface 13 of the workpiece 14.
  • the parallel offset unit 10 comprises at least two rotatable mirrors.
  • an angle of inclination ⁇ of the laser beam 9 can be set. Accordingly, for example by means of a first movable mirror in a x-z plane, a first inclination angle and by means of the second movable mirror in a y-z plane, a second inclination angle can be adjusted.
  • the parallel displacement of the laser beam 9 can also take place via two successive movable, in particular rotatable or tiltable, optical disks.
  • the scanner head 2 for laser material processing shown in FIG. 1 further comprises a focus setting unit 17.
  • the laser beam 9 can be changed in a z direction.
  • a lens of the focus adjusting unit 17 is axially displaceable in the propagation direction of the laser beam.
  • the focus adjusting unit 17 is disposed between the beam placing system 3 and the focusing lens 15 according to the present embodiment.
  • the focus setting unit 17 could also be formed by the focusing optics 15.
  • the scanner head 2 has a control unit 7. This is integrated in the scanner head 2 according to the present embodiment.
  • the control unit 7 is connected to the beam position system 3, specifically in particular to the parallel offset unit 10 and the deflection unit 11.
  • the control unit 7 can be used to control the movable optical elements, in particular mirrors, not shown in detail in the figures.
  • the parallel offset unit 10 the angle of incidence and by means of the deflection unit 1 1, the position of the processor location 12 in the x-y plane can be adjusted.
  • the control unit 7 is electrically connected to the focus setting unit 17, so that by means of this the focus position in the z direction is adjustable.
  • the scanner head 2 comprises at least parts of the alignment arrangement 1, wherein the adjustment arrangement according to the first exemplary embodiment is completely integrated in the scanner head 2.
  • the beam position sensor 4 forms a component of the adjustment arrangement. With the beam position sensor 4, an actual position 19 of the laser beam 9 in the region of the beam path between the beam position system 3 and the focusing optics 15 can be detected.
  • the beam position sensor 4 is downstream of the beam position system 3 in the propagation direction of the laser beam 9.
  • the beam position sensor 4 of the focusing optical system 15 is arranged upstream in the propagation direction of the laser beam 9. Accordingly, the beam position sensor 4 is integrated in the scanner head 2 in such a way that it can detect the actual position 19 of the laser beam 9 in the region of the beam path between the beam position system 3 and the focusing optical system 15.
  • a beam splitter 20 is disposed between the beam position system 3 and the focusing optics 15.
  • the beam splitter 20 is formed as a semi-transparent mirror.
  • the laser beam 9 can be coupled out of the optical path leading to the focusing optical system 15 without its actual position 19 being changed.
  • the decoupled part of the laser beam 9 can now be detected by means of the beam position sensor 4.
  • the beam position sensor 4 and the beam splitter 20 are arranged relative to one another such that the laser light transmitted by the beam splitter is directed onto the beam position sensor 4 and the laser light reflected by the beam splitter 20 is directed onto the focusing optical system 15.
  • the actual position 19 of the laser beam 9 is defined by at least four independent position parameters of the laser beam 9. By detecting these at least four independent positional parameters, the beam position sensor 4 thus indirectly scans the actual position 19 of the laser beam 9 in the region between the beam position system 3 and the focusing optics 15.
  • the positional parameters for determining the actual position 19 of the laser beam 9 they are translational and / or rotational position parameters.
  • the beam position sensor 4 is connected to the arithmetic unit 5 presently integrated in the scanner head 2.
  • the position parameters or the actual position 19 of the laser beam 9 determined by the connection can be transmitted to the arithmetic unit 5 via this connection.
  • the adjustment arrangement 1 further comprises the memory 6, in which a desired position 21 of the laser beam 9 is stored.
  • the desired position 21 is that position of the laser beam 9, which should have this in the area between the beam position system 3 and the focusing optics 15.
  • this target position 21 is now set and / or adjusted.
  • the setpoint position 21 of the laser beam 9 or the at least four positional parameters 21 determining the positional parameters were determined at the factory for this purpose prior to delivery of the scanner head 2.
  • the factory determined target position 21 of the laser beam 9 is stored in the memory 6.
  • the memory 6 may be a separate unit or else integrated in the arithmetic unit 5.
  • the arithmetic unit 5 compares the detected by means of the beam position sensor 4 actual position 19 with the factory determined and / or stored in the memory 6 target position 21 of the laser beam 9. If a the beam position system 3 upstream adjustment error is present, the arithmetic unit 5 may be a deviation of the actual Position 19 of the desired target position 21 determine. In this case, the arithmetic unit 5 calculates a correction value. This correction value determines a readjustment of the beam position system 3 to be made, in particular the parallel offset unit 10 and / or the deflection unit 11. For calculating the correction value, the arithmetic unit 5 uses an iterative approximation method and / or a stochastic search method.
  • the arithmetic unit 5 is connected to the control unit 7. As a result, the correction value determined by the arithmetic unit 5 can be transmitted to the control unit 7.
  • a readjustment of the beam position system 3, in particular of at least one optical element of the parallel offset unit 10 and / or the deflection unit 11, is now carried out via the control unit 7.
  • Advantageously, can thus be corrected by the corresponding readjustment of the beam position system 3 of this upstream adjustment error, so that the actual position 19 corresponds to the execution of the adjustment of the target position 21.
  • the adjustment method described above can also be designed as a control loop, whereby the actual position 19 of the laser beam 9 readjusted by means of the correction value is sensed again by the beam position sensor 4 and detected by the arithmetic unit 5 in the context of another actual / desired position Matching is checked. This process can be carried out until the actual position 19 is within a predetermined tolerance range.
  • the above adjustment procedure is not online - i. not during the editing process - but offline - i. before the start of the actual machining process. Accordingly, the offline adjustment takes place, for example, when the scanner head is installed by the customer and / or within predetermined time intervals in order to be able to correct temperature-related or wear-related maladjustments.
  • FIG. 2 shows the adjusting arrangement 1 according to a second exemplary embodiment.
  • the same reference numerals are used for features that are identical and / or at least comparable in their design and / or mode of action compared to the first embodiment shown in Figure 1. Unless these are explained in detail again, their design and / or mode of action corresponds to those of the features already described above.
  • the adjustment arrangement 1 shown in FIG. 2 comprises, like the exemplary embodiment illustrated in FIG. 1, a beam position sensor 4 for detecting the actual position 19 of the laser beam 9, a computing unit 5 for carrying out an actual / desired value adjustment and / or for calculating a Correction value, a control unit 7 for readjusting the beam position system 3 Taking into account the at least one correction value and the beam position system 3 for influencing the laser beam position.
  • the arithmetic unit 5 is formed as an external arithmetic unit.
  • the scanner head 2 has an external interface 22. This may be a wired and / or wireless interface.
  • the memory 6 with its target position of the laser beam 9 determining data is preferably, as shown in Figure 2, integrated in the scanner head 2. In this way, it can be ensured that the setpoint position determined at the factory is assigned individually to the respective scanner head 2 checked at the factory. Alternatively, however, it is also conceivable that the memory 6 is integrated with the stored desired position 21 in the external computer unit 5.
  • FIGS. 3 and 4 show two alternative embodiments of the beam position sensor 4.
  • the beam position sensor 4 is designed such that by means of this at least four position parameters of the laser beam 9 can be detected.
  • the beam position sensor 4 can thus also be referred to as a 4D sensor.
  • the actual position 19 of the laser beam 9 is determined.
  • the beam position sensor 4 thus indirectly detects the actual position 19 of the laser beam 9 via the four position parameters.
  • the position parameters may be translational and / or rotational position parameters.
  • two translational position parameters are determined by means of a first two-dimensional sensor 23. These may be an x-coordinate and a y-coordinate with respect to a beam position sensor coordinate system.
  • the beam position sensor 4 has a second two-dimensional sensor 24. With- By means of this two rotational position parameters are determined.
  • a sensor lens 25 is connected upstream of the second sensor 24 in the propagation direction of the laser beam 9. Through this, a defined deflection of the laser beam, whereby an angle measurement is made possible.
  • a sensor beam splitter 26 is disposed in front of it.
  • the actual position 19 can be determined according to the exemplary embodiment illustrated in FIG. 4 by means of two sensors 23, 24 arranged at different distances 27, 28 relative to the sensor beam splitter 26.
  • a first x-coordinate and first y-coordinate are detected and by means of the second sensor 24 a second x-coordinate and second y-coordinate.
  • the x-coordinate, y-coordinate and the angle of incidence of the laser beam relative to this reference plane can thus be calculated with reference to a reference plane.
  • the sensors 23, 24 can be, for example, imaging sensors, in particular camera chips.
  • position-sensitive multi-surface diodes (quadrant diodes) and / or wavefront sensors are conceivable.
  • FIG. 5 shows an exemplary embodiment of the beam position system 3 in which the beam position can be adjusted by means of four rotatable single-axis mirrors 29a, 29b, 29c, 29d.
  • Each of these single-axis mirrors 29a, 29b, 29c, 29d is rotatable only about a single axis of rotation. Since the axes of rotation are not all parallel to one another and the mirrors are arranged at different locations, the four degrees of freedom of rotation of the axes of rotation provide four degrees of freedom for the beam position.
  • This embodiment of the beam position system 3 is also an example of a beam position system 3, which is not composed of two separate subsystems, ie, a separate parallel offset unit 10 and a separate deflection unit 1 1, but the functions of parallel displacement and tilt of the beam are integrated into a single system.
  • FIG. 6 shows a second exemplary embodiment of the beam position system 3, in which the beam position can be adjusted by means of two double-axis mirrors 30a, 30b which can be tilted about two axes of rotation. Due to the two times two degrees of freedom of Spiegelverkippung four StellDeutschsgrade for the beam position are provided.
  • This embodiment of the beam position system 3 is another example of a beam position system that is not constructed of two subsystems, but provides the functions of parallel displacement and tilt of the beam integrated into a single mirror unit.
  • a drive of the mirror via galvanometer drives is particularly advantageous to allow a very dynamic and at the same time very accurate adjustment of the beam position.
  • the galvanometer drives in the beam position system 3 are preferably operated in online operation in a closed loop position control, which is designed independently of the beam position sensor 4. It is therefore based on an independent of the beam position sensor 4 position measurement in the galvanometer drives.

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Scannerkopf (2) zur Lasermaterialbearbeitung mit einer Fokussieroptik (15) und einem Strahllagesystem (3) zum Beeinflussen der Laserstrahllage, das der Fokussieroptik (15) in Ausbreitungsrichtung des Laserstrahls (9) vorgelagert ist, das zumindest zwei ansteuerbare bewegliche optische Elemente (10, 11) umfasst und mittels dem ein Auftreffwinkel (a) des Laserstrahls (9) auf der Bearbeitungsoberfläche (13) einstellbar ist und der Prozessort (12) des Laserstrahls (9) zweidimensional auf der Bearbeitungsoberfläche (13) verfahrbar ist. Der Scannerkopf (2) umfasst einen Strahllagesensor (4), der dem Strahllagesystem (3) in Ausbreitungsrichtung des Laserstrahls (9) nachgelagert ist und mittels dem zur Offline-Justage des Strahllagesystems (3) zumindest vier unabhängige Lageparameter des Laserstrahls (9) und/oder eine durch diese festgelegte Ist-Lage (19) des Laserstrahls (9) erfassbar ist. Des Weiteren Betrifft die Erfindung eine diesbezügliche Justageanordung sowie Justageverfahren.

Description

Scannerkopf mit integriertem Strahllaqesensor sowie Justaqeanord- nunq zur Offline-Justaqe
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Scannerkopf zur Lasermaterialbear- beitung mit einer Fokussieroptik und einem Strahllagesystem zum Beeinflussen der Laserstrahllage, das der Fokussieroptik in Ausbreitungsrichtung des Laserstrahls vorgelagert ist, das zumindest zwei ansteuerbare bewegliche optische Elemente umfasst und mittels dem ein Auftreffwinkel des Laserstrahls auf der Bearbeitungsoberfläche dynamisch einstellbar ist und der Prozessort des Laserstrahls zweidimensional dynamisch auf der Bearbeitungsoberfläche verfahrbar ist. Des Weiteren betrifft die Erfindung eine Jus- tageanordnung mit einem derartigen Scannerkopf sowie ein Justageverfah- ren zur Offline-Justage.
Vorstehend genannte Scannerköpfe werden zu unterschiedlichen Zwecken, insbesondere zum Markieren, Beschriften, zur abtragenden und/oder strukturierenden Bearbeitung, zum Schneiden, zum Bohren, zum Sintern oder zum Schweißen, eingesetzt. Für verschiedene Anwendungen der Lasermaterialbearbeitung ist es vorteilhaft, nicht nur die Position des Laserfokus auf einer beliebigen Bahn zu führen, sondern gleichzeitig den Auftreffwinkel der Laserstrahlachse auf dem Werkstück zu kontrollieren. Dadurch lassen sich beispielsweise Strukturen beliebiger Form in ein Werkstück einbringen, deren Kanten einen gewünschten Neigungswinkel zur Werkstückoberfläche aufweisen. Idealerweise sollte der Auftreffwinkel unabhängig von der Bahnführung einstellbar sein. Die unabhängige Einstellung beider Parameter sollte mit hoher Präzision und hoher Geschwindigkeit durchführbar sein, um entsprechend hohe Bearbeitungsgeschwindigkeiten bei der Lasermaterialbearbeitung zu erzielen.
Aus der DE 10 2013 222 834 A1 ist eine entsprechende Vorrichtung und ein Verfahren zur Führung eines Laserstrahls bekannt. Die Vorrichtung zur Füh- rung des Laserstrahls zur Bearbeitung eines Werkstücks weist eine Spiegelanordnung mit beweglichen Spiegeln zur Erzeugung eines Anstellwinkels des Laserstrahls auf eine fokussierende Optik zur Einstellung eines lateralen Versatzes des Laserstrahls auf dem Werkstück und zur Erzeugung eines lateralen Versatzes des Laserstrahls auf der fokussierenden Optik zur Einstellung eines Auftreffwinkels des Laserstrahls auf dem Werkstück auf. Entlang der Ausbreitung eines Laserstrahls ist zwischen einer Laserquelle und der Spiegelanordnung ein erster Strahlteiler angeordnet. Dem ersten Strahlteiler ist ein erstes Sensorelement zugeordnet. Dieses erste Sensorelement dient zur Überwachung des Strahlprofils und der Strahlposition. Hierdurch kann die Strahllage ausschließlich in einem der Spiegelanordnung vorgelagerten Bereich erfasst werden. Nachteilig hierbei ist, dass eine Justage des Systems ausschließlich durch Komponenten erfolgen kann, die der Spiegelanordnung in Ausbreitungsrichtung des Laserstrahls vorgelagert sind. Hierbei handelt es sich in der Regel um Komponenten, die nicht Bestandteil des Scannerkopfes sind. Eine derartige Justage gestaltet sich sehr aufwändig, langwierig und teuer.
Ferner ist aus der DE 10 2004 053 298 A1 ein Scankopf als Teil einer Laser-, Bohr- und Schneideinrichtung bekannt. Dieser weist eine in den Lichtweg des Lasers angeordnete Reihe folgender Komponenten auf: eine intensitäts- regulierende Strahldämpfungseinheit in Verbindung mit einer eine parallele Strahlversetzung regulierenden Taumeleinheit, ein den Strahlquerschnitt des Lasers vergrößerndes Strahl-Expander-Teleskop, einen den Focus des Laserstrahls führenden Scanblock und eine den Laserstrahl auf die Probe fokussierende Arbeitseinheit sowie optional in den Lichtweg einkoppelbare zusätzliche Prüf- und Kontrolleinheiten. Die Strahldämpfungseinheit enthält eine in dem Lichtweg angeordnete Folge aus einem Retarder, einem ersten Brewster-Fenster und einem zweiten Brewster-Fenster, wobei der Retarder und/oder mindestens eines der beiden Brewster-Fenster um die optische Achse drehbar ausgeführt sind. Die Taumeleinheit ist aus einer in den Lichtweg eingebrachte Anordnung aus zwei planparallelen Fenstern ausgebildet, wobei die Drehachse des ersten planparallelen Fensters, die Drehachse des zweiten planparallelen Fensters und die Ausbreitungsrichtung des Laserstrahls orthogonal zueinander sind. Der Retarder bzw. die planparallelen Fenster werden zweckmäßigerweise durch Galvanometereinheiten bewegt.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es somit, einen Scannerkopf, eine Justageanordnung sowie ein Justageverfahren bereitzustellen, mittels denen offline - d.h. vor dem eigentlichen Bearbeitungsprozess - sehr effizient und/oder genau eine Justage des Systems erfolgen kann ohne hierbei auf dem Scannerkopf in Ausbreitungsrichtung des Laserstrahls vorgelagerte Komponenten Einfluss nehmen zu müssen.
Die Aufgabe wird gelöst durch einen Scannerkopf, eine Justageanordnung sowie ein Justageverfahren mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche.
Vorgeschlagen wird ein Scannerkopf zur Lasermaterialbearbeitung mit einer Fokussieroptik und einem Strahllagesystem. Mittels der Fokussieroptik ist ein Laserstrahl in einem Prozessort, insbesondere auf einer Bearbeitungsoberfläche eines Werkstücks oder in der Nähe dieses Prozessorts, fokussierbar. Mit dem Strahllagesystem kann die Laserstrahllage auf der Bearbeitungsoberfläche des Werkstücks beeinflusst werden. Die Laserstrahllage ist durch vier, insbesondere voneinander unabhängige, geometrische Parameter definiert. Diese umfassen z.B. eine x- und eine y-Koordinate zur Definition eines Durchtrittspunkts durch eine Ebene und eine, beispielsweise durch einen ersten und/oder zweiten Raumwinkel definierte, Ausbreitungsrichtung im Raum. Das Strahllagesystem ist der Fokussieroptik in Ausbreitungsrichtung des Laserstrahls vorgelagert. Des Weiteren umfasst das Strahllagesystem zumindest zwei, insbesondere mittels einer Steuereinheit, ansteuerbare bewegliche optische Elemente. Das Strahllagesystem ist derart ausgebildet, dass mittels diesem ein Auftreffwinkel des Laserstrahls auf der Bearbeitungsoberfläche einstellbar ist. Dies kann beispielsweise durch eine parallele Verschie- bung des Laserstrahls lotrecht zur optischen Achse der Fokussieroptik erfolgen. Des Weiteren ist das Strahl lagesystem derart ausgebildet, dass mittels diesem der Prozessort des Laserstrahls zweidimensional, insbesondere in einer x-y-Ebene, auf der Bearbeitungsoberfläche verfahrbar ist. Dies kann beispielsweise durch eine Ablenkung (Anstellung) des Laserstrahls relativ zur optischen Achse der Fokussieroptik erfolgen.
Der Scannerkopf umfasst einen Strahllagesensor. Der Strahllagesensor ist dem Strahllagesystem in Ausbreitungsrichtung des Laserstrahls nachgelagert. Des Weiteren ist der Strahllagesensor derart ausgebildet, dass mittels diesem, insbesondere zur Offline-Justage des Strahllagesystems, zumindest vier voneinander unabhängige, insbesondere zumindest ein rotatorischer und/oder translatorischer, Lageparameter des Laserstrahls erfassbar sind. Zusätzlich oder alternativ ist der Strahllagesensor derart ausgebildet, dass mittels diesem, insbesondere mittelbar und/oder unmittelbar, eine Ist-Lage des Laserstrahls erfassbar ist. Die Ist-Lage ist durch die zumindest vier voneinander unabhängigen Lageparameter festgelegt. Der Strahllagesensor ist hierbei vorzugsweise derart angeordnet und/oder ausgebildet, dass mittels diesem im Gehäuseinneren des Scannerkopfes und/oder in einem dem Strahllagesystem nachgelagerten Bereich die zumindest vier unabhängigen Lageparameter und/oder die, insbesondere durch diese festgelegte, Ist-Lage des Laserstrahls erfassbar sind. Die Ist-Lage wird demnach insbesondere mittelbar anhand der zumindest vier voneinander unabhängigen Lageparameter erfasst.
Die sensorische Erfassung erfolgt mittels des Strahllagesensors insbesondere in Bezug zur Ausbreitungsrichtung des Laserstrahls und/oder in Bezug zu dessen Strahlengang im Bereich zwischen dem Strahllagesystem und der Fokussieroptik. Dadurch, dass die Ist-Lage des Laserstrahls erst in einem dem Strahllagesystem nachgelagerten Bereich erfasst wird, kann vorteilhafterweise eine Korrektur eines extern bedingten Fehlers, der insbesondere von einer dem Scannerkopf vorgelagerten Komponente verursacht wird, vom Strah llagesystem selbst vorgenommen werden. Es ist somit nicht notwendig auf die externe Komponente Einfluss zu nehmen. Vielmehr wird der externe Fehler durch den Scannerkopf selbst kompensiert. Des Weiteren kann mit dem vorstehend beschriebenen Scannerkopf eine Offline-Justage des Systems durch eine entsprechende Nachjustage des Strahllagesystems sehr schnell und kostengünstig durchgeführt werden. Ferner zeichnet sich eine derartige Offline-Justage mittels des Strahllagesystems durch eine sehr hohe Genauigkeit aus.
Vorteilhaft ist es, wenn der Strahllagesensor derart ausgebildet ist, dass dieser translatorische Lageparameter, d.h. insbesondere 2D-Lageorte, und/oder rotatorische Lageparameter, d.h. 2D-Lagewinkel, erfassen kann. Die translatorischen Lageparameter werden hierbei insbesondere in einer x-y-Ebene als x-Koordinate und/oder als y-Koordinate erfasst und geben den theoretischen Durchstoßpunkt des Laserstrahls durch die x-y-Ebene wieder. Die x-y- Ebene, in der die Lageparameter erfasst werden, ist somit vorteilhafterweise schräg, insbesondere lotrecht, zum Strahlengang ausgerichtet. Zusätzlich oder alternativ ist es ferner vorteilhaft, wenn der Strahllagesensor in einer x- z-Ebene einen ersten Neigungswinkel und/oder in einer y-z-Ebene einen zweiten Neigungswinkel des Laserstrahls erfassen kann. Hierfür ist es vorteilhaft, wenn der Strahllagesensor zumindest zwei Sensoren, insbesondere 2D-Sensoren, umfasst. So können beispielsweise mittels zwei 2D-Sensoren, die im Strahlengang im Bezug zum Strahlenverlauf des Laserstrahls zueinander in Strahlrichtung beabstandet angeordnet sind, in zwei Ebenen jeweils zwei translatorische Lageparameter ermittelt werden. Anhand der beiden Durchstoßpunkte der jeweiligen Sensorebene und dem vorbekannten Abstand zwischen den beiden Sensorebenen kann nun die exakte Ist-Lage des Laserstrahls bestimmt bzw. erfasst werden. Zur Ermittlung eines rotatorischen Lageparameters kann beispielsweise vor einem 2D-Sensor des Strahllagesensors eine Sensorlinse angeordnet sein, die eine definierte Ablenkung des Laserstrahls in Abhängigkeit des Auftreffwinkels hervorruft und/oder so einen rotatorischen Lageparameter mit einem ortssensitiven Sensor messbar macht.
Der Strahllagesensor kann auch mehrere, insbesondere zwei, drei oder vier Sensoreinheiten umfassen, die dazu ausgelegt sind, an verschiedenen Stellen im Strahlengang einen oder mehrere Lageparameter zu ermitteln, wobei aus der Kombination dieser Messergebnisse vier unabhängige Lageparameter bestimmbar sind. Diese Sensoreinheiten können dabei auch baulich getrennt ausgebildet sein. Zum Beispiel können vier Spaltdioden verwendet werden, um an mehreren Stellen in einem Bereich des Strahlgangs beispielsweise insgesamt vier 1 D-Informationen über die Strahllage zu ermitteln, die zusammen mit der bekannten Geometrie des Sensoraufbaus und der Abstände zu einer gemessenen Strahllage verrechnet werden können.
Des Weiteren sind Quadrantendioden, Kameraelemente, so genannte PSD („Position sensitive devices") oder Wellenfrontsensoren mögliche Sensoren mit denen eine geometrische Information zur Strahllage, wie Ort oder Ausbreitungsrichtung, ermittelt werden können und aus denen somit ein Strahllagesensor aufgebaut sein kann.
Der Strahllagesensor kann fest im Scannerkopf integriert sein. Alternativ kann dieser aber auch so eingebaut sein, dass er vom Scannerkopf entfernt und/oder nur zum Zweck der Justage des Scannerkopfs mit diesem lösbar verbunden werden kann.
Um den Laserstrahl sensorisch erfassen zu können, wird dieser, in einem dem Strahllagesystem nachgelagerten Bereich ausgekoppelt. Die Lage des Strahls nach der Auskopplung steht in einer definierten und festen Beziehung zur Lage des Strahls am Ort der Auskopplung, so dass die gemessene Lage im Inneren des Sensors eindeutig die Lage am Ort der Auskopplung repräsentiert. Hierfür ist dem Strahllagesensor in Ausbreitungsrichtung des Laserstrahls vorteilhafterweise ein Strahlteiler, insbesondere ein halbtransparenter Spiegel, vorgelagert. Der Strahlteiler kann in den Strahlengang ein- und ausschwenkbar sein. Demnach ist es vorstellbar, dass der Strahlteiler vor dem eigentlichen Bearbeitungsprozess, d.h. offline, zur Justage eingeschwenkt und während des eigentlichen Bearbeitungsprozesses, d.h. online, wieder ausgeschwenkt wird.
Vorteilhaft ist es, wenn der Strahllagesensor die Ist-Lage des Laserstrahls im Bereich zwischen dem Strahllagesystem und der Fokussieroptik sensorisch erfassen kann. Hierfür ist es vorteilhaft, wenn der Strahlteiler im Strahlengang im Bereich zwischen dem Strahllagesystem und der Fokussieroptik angeordnet ist.
Um den Laserstrahl zur sensorischen Erfassung aus dem Bearbeitungsstrahlengang entkoppeln zu können, ist es vorteilhaft, wenn der Strahllagesensor und der Strahlteiler derart zueinander angeordnet sind, dass das vom Strahlteiler durchgelassene Laserlicht auf den Strahllagesensor und/oder das vom Strahlteiler reflektierte Laserlicht auf die Fokussieroptik leitbar ist.
Zur Analyse der sensorisch erfassten Daten ist es vorteilhaft, wenn der Scannerkopf eine integrierte Recheneinheit umfasst. Die Recheneinheit ist hierbei im Gehäuseinneren des Scannerkopfes angeordnet. Vorzugsweise ist mit dieser integrierten Recheneinheit der Strahllagesensor und/oder eine Steuereinheit des Strahllagesystems, die vorzugsweise ebenfalls im Scannerkopf integriert ist, verbunden. Hierbei handelt es sich vorzugsweise um eine kabelbasierte Verbindung der vorstehend genannten Komponenten.
Alternativ dazu ist es ebenso auch vorteilhaft, wenn der Scannerkopf eine externe Schnittstelle umfasst, über die eine externe Recheneinheit mit dem Strahllagesensor und/oder der Steuereinheit verbindbar oder verbunden ist. Hierdurch können die Herstellungskosten des Scannerkopfes reduziert werden, da für mehrere Scannerköpfe lediglich eine einzige Recheneinheit not- wendig wäre, die über die entsprechende externe Schnittstelle mit dem Strahllagesensor und/oder der Steuereinheit verbunden werden kann.
Vorteilhaft ist es, wenn der Scannerkopf eine Justageanordnung zur Offline- Justage des Laserstrahls umfasst oder zumindest als Teil einer derartigen Justageanordnung ausgebildet ist. Die Justageanordnung umfasst hierbei vorteilhafterweise den Strahllagesensor zum Erfassen der Ist-Lage, die Recheneinheit zum Ermitteln eines Korrekturwertes, die Steuereinheit zum Einstellen des Korrekturwertes und/oder das Strahllagesystem zum Einstellen der vom Korrekturwert abhängigen neuen Laserstrahllage. Wenn der Scannerkopf eine interne Recheneinheit aufweist, ist die Justageanordnung somit vollständig im Scannerkopf integriert. Bei externer Recheneinheit bildet der Scannerkopf einen Teil der Justageanordnung. Mittels der Justageanordnung kann somit vorteilhafterweise bei der Installation des Scannerkopfes oder aber auch um, z.B. temperaturbedingte, Driftfehler zu beheben, vor jedem Bearbeitungsprozess oder in vorbestimmten Zeitintervallen justiert werden, ohne auf im Strahlengang des Laserstrahls vorgelagerte externe Komponenten, wie beispielsweise die Laserstrahlquelle, Einfluss nehmen zu müssen.
Vorteilhaft ist es, wenn der Scannerkopf oder die ggf. externe Recheneinheit einen Speicher aufweist, in dem die Soll-Lage des Laserstrahls abgespeichert ist. Der Speicher kann hierbei ein separates Bauteil sein, das mit der Recheneinheit verbunden ist oder aber auch direkt in die Recheneinheit integriert sein. Die Soll-Lage kann ferner mittelbar durch die zumindest vier unabhängigen Soll-Lageparameter abgespeichert sein. Die Soll-Lage des Laserstrahls wird vorzugsweise werkseitig, insbesondere individuell für den jeweiligen Scannerkopf, ermittelt und in dem Speicher des Scannerkopfes hinterlegt.
Vorteilhaft ist es, wenn die Recheneinheit derart ausgebildet ist, dass mittels dieser über einen lst-/Soll-Lage-Abgleich zumindest ein Korrekturwert für das Strahllagesystem berechenbar ist. Hierfür ist es vorteilhaft, wenn die Re- cheneinheit ein iteratives Annäherungsverfahren oder ein stochastisches Suchverfahren benutzt bzw. implementiert hat. Der Korrekturwert ist vorzugsweise mehrdimensional ausgebildet. Dies bedeutet, dass der Korrekturwert das Delta zwischen Soll-Lage und Ist-Lage in mehreren Verstelldimensionen des Strahllagesystems widergibt. Der Korrekturwert umfasst demnach für zumindest zwei optische Elemente des Strahllagesystems jeweils zumindest einen Nachjustagewert. Des Weiteren ist es vorteilhaft, wenn die Recheneinheit den Korrekturwert automatisch an die Steuereinheit übermittelt.
Vorteilhaft ist es, wenn der Scannerkopf derart ausgebildet ist, dass der Be- arbeitungsprozess, insbesondere ausschließlich, bei deaktiviertem Strahllagesensor ausführbar ist. Der Materialbearbeitungsprozess kann somit ablaufen, ohne dass der Strahllagesensor aktiviert ist.
Die Recheneinheit und die Steuereinheit können als separate Bauteile ausgebildet sein. Alternativ ist es aber auch ebenso vorteilhaft, wenn die Recheneinheit und die Steuereinheit zusammen als im Scannerkopf integrierte Rechen-/Steuereinheit ausgebildet sind.
In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung umfasst das Strahllagesystem mindestens vier drehbare Spiegel. Diese drehbaren Spiegel sind vorzugsweise jeweils nur um eine einzige jeweilige Drehachse drehbar ausgebildet. Die Drehachsen der Spiegel sind zumindest teilweise zueinander verschieden, d.h. unterschiedlich zueinander im Raum orientiert. Über die Steuereinheit können diese vorteilhafterweise angesteuert werden. Wenn die Spiegel jeweils nur um eine einzige Achse drehbar gelagert sind, kann die Strahllage sehr schnell verändert werden.
Vorteilhaft ist es, wenn das Strahllagesystem eine Parallelversatzeinheit zum Einstellen des zumindest einen Auftreffwinkels umfasst. Zusätzlich oder alternativ ist es ferner vorteilhaft, wenn das Strahllagesystem eine Ablenkein- heit zum zweidimensionalen Verfahren des Laserstrahls umfasst. Vorzugsweise ist die Parallelversatzeinheit in Strahlausbreitungsrichtung der Ablenkeinheit vorgelagert. Um eine sehr schnelle Verstellung der Laserstrahllage bewirken zu können, ist es vorteilhaft, wenn die Parallelversatzeinheit und/oder die Ablenkeinheit jeweils zwei um eine einzige Drehachse drehbar gelagerte Spiegel umfasst. Hierbei kann vorzugsweise mittels jedem der Spiegel ein Lageparameter eingestellt werden. Vorzugsweise hängen Stellparameter und Lageparameter im Bearbeitungsbereich über eine Koordinatentransformation zusammen, die in einem Werkkai ibrierprozess festgelegt ist. Mittels der Parallelversatzeinheit kann der Laserstrahl auf einer Verschiebeachse, die lotrecht zur optischen Achse der Fokussieroptik ausgerichtet ist, verschoben werden. Durch diese Parallelverschiebung kann der Auftreffwinkel des Laserstrahls auf der Bearbeitungsoberfläche verändert werden.
Des Weiteren ist es vorteilhaft, wenn der Scannerkopf eine, insbesondere dem Strahllagesensor vorgelagerte, Fokus-Einstelleinheit aufweist. Mittels dieser Fokus-Einstelleinheit ist die Fokuslage des Laserstrahls in einer z- Richtung veränderbar. Hierfür umfasst die Fokus-Einstelleinheit vorzugsweise eine strahlaufweitende Teleskopeinheit mit mindestens einer entlang der optischen Achse verschiebbaren Linse.
Alternativ ist es ebenso vorteilhaft, wenn die Fokussieroptik zum Verändern der Fokuslage des Laserstrahls in z-Richtung entlang ihrer optischen Achse axial verschiebbar ist. Die Fokus-Einstelleinheit ist ferner vorzugsweise mit der Steuereinheit verbunden, so dass diese entsprechend angesteuert werden kann.
Vorgeschlagen wird ferner eine Justageanordnung zur Offline-Justage eines Scannerkopfs. Die Justageanordnung umfasst einen Scannerkopf zur Lasermaterialbearbeitung. Der Scannerkopf umfasst eine Fokussieroptik, mittels der ein Laserstrahl in einem Prozessort auf einer Bearbeitungsoberfläche eines Werkstücks fokussierbar ist. Des Weiteren weist der Scannerkopf ein Strahllagesystem zum Beeinflussen der Laserstrahllage auf. Das Strahllagesystem ist der Fokussieroptik in Ausbreitungsrichtung des Laserstrahls vorgelagert. Des Weiteren umfasst das Strahllagesystem zumindest zwei ansteuerbare und/oder bewegliche optische Elemente. Mittels des Strahllagesystems ist durch eine parallele Verschiebung des Laserstrahls lotrecht zur optischen Achse der Fokussieroptik ein Auftreffwinkel des Laserstrahls auf der Bearbeitungsoberfläche einstellbar. Zusätzlich oder alternativ ist mittels des Strahllagesystems der Prozessort des Laserstrahls zweidimensional auf der Bearbeitungsoberfläche verfahrbar. Neben dem Scannerkopf umfasst die Justageanordnung ferner eine Recheneinheit. Die Recheneinheit ist insbesondere als externe Recheneinheit ausgebildet und/oder über eine externe Schnittstelle des Scannerkopfes mit einem Strahllagesensor und/oder einer Steuereinheit des Scannerkopfes verbunden. Der Scannerkopf ist gemäß der vorangegangenen Beschreibung ausgebildet, wobei die genannten Merkmale einzeln oder in beliebiger Kombination vorhanden sein können. Mit der Justageanordnung kann eine sehr schnelle und qualitativ hochwertige Off- line-Justage des Scannerkopfs erfolgen. Vorteilhafterweise muss hierbei auf keine in Richtung des Strahlverlaufs dem Scannerkopf vorgelagerte externe Einheit, wie beispielsweise die Laserstrahlquelle, Einfluss genommen werden. Stattdessen werden sämtliche Daten im Scannerkopf ermittelt und auch mittels diesem, insbesondere mittels des Strahllagesystems einstellt und/oder eingeregelt. Der Scannerkopf bzw. die Justageanordnung ist somit ein autarkes System, das unabhängig von kundenseitigen Rahmenbedingungen montiert und einjustiert werden kann.
Vorgeschlagen wird ferner ein Justageverfahren zur Offline-Justage eines Scannerkopfs und/oder einer Justageanordnung. Der Scannerkopf und/oder die Justageanordnung sind gemäß der vorangegangenen Beschreibung ausgebildet, wobei die genannten Merkmale einzeln oder in beliebiger Kombination vorhanden sein können. Bei dem Justageverfahren wird offline, d.h. vor dem eigentlichen Bearbeitungsprozess, eine Ist-Lage des Laserstrahls erfasst. Diese Ist-Lage des Laserstrahls wird mittels eines Strahllagesensors, der zumindest vier unabhängige Lageparameter des Laserstrahls erfassen kann, erfasst bzw. ermittelt. Die Datenerfassung bzw. die Erfassung der Ist- Lage des Laserstrahls erfolgt des Weiteren in Bezug zur Ausbreitungsrichtung des Laserstrahls in einem - einem Strahllagesystem des Scannerkopfes nachgelagerten - Bereich. Vorteilhafterweise können somit neben extern verursachten Änderungen der Laserstrahllage auch durch das Strahllagesystem hervorgerufene Änderungen der Laserstrahllage vom Strahllagesensor sensiert werden. Nach dem Erfassen der Ist-Lage des Laserstrahls mittels des Strahllagesensors gleicht eine Recheneinheit die erfasste Ist-Lage des Laserstrahls mit einer, insbesondere in einem Speicher, abgespeicherten Soll-Lage ab. Insbesondere wenn die Ist-Lage von der abgespeicherten Soll- Lage abweicht, berechnet die Recheneinheit einen Korrekturwert für das Strahllagesystem. Anschließend justiert eine Steuereinheit das Strahllagesystem unter Berücksichtigung des Korrekturwertes nach. Das vorstehend beschriebene Justageverfahren kann einmalig oder aber auch mehrmalig durchgeführt werden, wobei das Justageverfahren im letzteren Fall einen Regelkreis darstellen würde.
Vorteilhaft ist es, wenn die Soll-Lage des Laserstrahls werkseitig, insbesondere im Rahmen eines Werkkalibrierprozesses, ermittelt wird. Des Weiteren ist es vorteilhaft, wenn diese individuell für jeden hergestellten Scannerkopf ermittelte Soll-Lage des Laserstrahls in einem Speicher hinterlegt wird.
Insbesondere kann als Soll-Lage des Laserstrahls die Strahllage ermittelt und gespeichert werden, bei der der Werkkai ibrierprozess des Scannerkopfes durchgeführt wurde. Bei der Inbetriebnahme kann so die Strahllage wiederhergestellt werden, für die die Kalibrierparameter ermittelt wurden. Dies ist vorteilhaft, da bei der werkseitigen Kalibrierung und bei der kundenseiti- gen Inbetriebnahme nicht dieselbe Strahllage am Eingang des Scannerkopfes vorliegen muss. Außerdem ist auch keine bestimmte (absolute, zentrierte, gerade,...) Strahllage weder in der werkseitigen Kalibriervorrichtung noch in der Kundenanlage erforderlich, um nach der Inbetriebnahme einen sehr gut justierten und kalibrierten Zustand zu erreichen.
Bei dem Werkkai ibrierprozess können beispielsweise Parameter der Koordinatentransformationen ermittelt werden, mit denen im Betrieb des Scannerkopfs (online) aus vorgegebenen Koordinaten für die Strahllage und Fokusposition im Bearbeitungsfeld die entsprechenden Stellwerte für die beweglichen optischen Elemente des Strahllagesystems und der Stellwert für das Fokus-Einstell-System berechnet wird.
Der im Justageverfahren ermittelte Korrekturwert kann ein Offset-Wert sein, der nach der Koordinatentransformation zu den Stellwerten addiert wird. Insbesondere kann der Korrekturwert vier Winkelkorrekturwerten entsprechen, die zu den vier Winkelstellwerten von vier drehbaren optischen Elementen des Strahllagesystems addiert werden.
Neben der erfindungsgemäßen Vermessung der Strahllage mit dem Strahllagesensor und der Korrektur der Strahllage durch die Stellfreiheitsgrade des Strahllagesystems kann der Scannerkopf außerdem derart ausgebildet sein, dass mittels diesem eine Vermessung des räumlichen Strahlprofils und/oder der Divergenz des Strahls durch eine oder mehrere weitere geeignete Sensoreinheiten oder einen entsprechend ausgebildeten Strahllagesensor - der aufgrund geeigneter technischer Ausführung vorzugsweise neben der Strahllage zusätzliche Messgrößen zur Beschaffenheit des Laserstrahls ermitteln kann - erfolgen kann. Solche Messgrößen können außerdem Intensität, Polarisationszustand oder spektrale Eigenschaften des Lasers umfassen. Diese zusätzlichen Messdaten in Bezug auf die Strahleigenschaften können optional zusätzlich in Verbindung mit dem vorstehend beschriebenen Justageverfahren benutzt werden. Neben dem bestimmten Korrekturwert für die Strahllage können also auch weitere Informationen zur Korrektur anderer Abweichungen als der Strahllage in der Recheneinheit zur Berechnung der Stellparameter der bewegten Elemente des Scannerkopfes herangezogen werden. Beispielsweise kann eine durch eine geeignete Messung festgestellte Abweichung der Divergenz des Strahls von einer Soll-Divergenz in der Rechnereinheit im Rahmen der Berechnung der Stellparameter der Fokus- Einstelleinheit und der Strahllageeinheit kompensiert werden. So kann sichergestellt sein, dass der Fokus auch bei einer abweichenden Strahldivergenz auf der gewünschten Bearbeitungsbahn geführt wird und dabei gleichzeitig auch der vorgegebene Anstellwinkel des Strahls eingehalten wird. In diesem beispielhaften Fall kann der erfindungsgemäße Korrekturwert der Strahllage in der Rechnereinheit auch in einem weiterführenden Korrekturverfahren miteinberechnet werden und beispielsweise zusammen oder mit anderen Korrekturwerten verrechnet an die Steuereinheit übermittelt werden.
Weitere Vorteile der Erfindung sind in den nachfolgenden Ausführungsbeispielen beschrieben. Es zeigt:
Figur 1 eine schematische Darstellung einer Justageanordnung gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel, bei dem alle Komponenten der Justageanordnung in einem Scannerkopf integriert sind,
Figur 2 eine schematische Darstellung einer Justageanordnung gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel, bei dem eine Recheneinheit über eine externe Schnittstelle mit den im Scannerkopf integrierten Komponenten verbunden ist,
Figur 3 eine schematische Darstellung eines Strahllagesensors gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel,
Figur 4 eine schematische Darstellung eines Strahllagesensors gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel, Figur 5 eine schematische Darstellung eines Strahllagesystenns gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel und
Figur 6 eine schematische Darstellung eines Strahllagesystems gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel.
Figur 1 zeigt eine Justageanordnung 1 in schematischer Darstellung, mit der ein Strahllagesystem 3 eines Scannerkopfs 2 zur Lasermaterialbearbeitung justiert werden kann. Die Justageanordnung 1 umfasst neben dem Strahllagesystem 3 einen Strahllagesensor 4, eine Recheneinheit 5, einen Speicher 6 und/oder eine Steuereinheit 7. Gemäß dem in Figur 1 dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Justageanordnung 1 vollständig im Scannerkopf 2 integriert. Sie befinden sich somit im Inneren eines Scannergehäuses 8.
Mittels des Strahllagesystems 3 kann die Lage des Laserstrahls 9 beeinflusst werden. Hierfür umfasst das Strahllagesystem 3 zumindest zwei durch die Steuereinheit 7 ansteuerbare optische Elemente, die in den Figuren nicht weiter im Detail dargestellt sind. Bei diesen optischen Elementen handelt es sich vorzugsweise um drehbar gelagerte Spiegel, die mittels eines Aktuators angesteuert werden können.
Gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel umfasst das Strahllagesystem 3 eine Ablenkeinheit 1 1 . Die Ablenkeinheit 1 1 ist hierbei derart ausgebildet, dass mittels dieser ein Prozessort 12, in dem der Laserstrahl 9 auf eine Bearbeitungsoberfläche 13 eines Werkstücks 14 trifft, zweidimensional, d.h. in x- und y-Richtung, auf der Bearbeitungsoberfläche 13 verfahren werden kann. Hierfür umfasst die Ablenkeinheit 1 1 vorzugsweise zwei Spiegel, die jeweils nur um eine einzige Drehachse drehbar gelagert sind. Hierdurch kann das Verfahren des Prozessorts 12 auf der Bearbeitungsoberfläche 13 in x- Richtung über den ersten Spiegel und in y-Richtung über den zweiten Spiegel erzeugt werden. Des Weiteren umfasst das Strahllagesystenn 3 eine Parallelversatzeinheit 10. In Ausbreitungsrichtung des Laserstrahls 9 ist die Parallelversatzeinheit 10 der Ablenkeinheit 1 1 vorzugsweise vorgelagert. Mittels der Parallelversatzeinheit 10 kann ein Auftreffwinkel des Laserstrahls 9 auf der Bearbeitungsoberfläche 13 eingestellt werden. Dies erfolgt über eine parallele Verschiebung des Laserstrahls 9 lotrecht zu einer optischen Achse 16 einer Fokussieroptik 15. Die Fokussieroptik 15 ist demnach dem Strahllagesystem 3, insbesondere der Parallelversatzeinheit 10, in Ausbreitungsrichtung des Laserstrahls 9 nachgelagert. Mittels der Fokussieroptik 15 kann der Laserstrahl 9 in dem Prozessort 12 auf der Bearbeitungsoberfläche 13 des Werkstücks 14 fokussiert werden.
Zur Ausbildung dieser Parallelverschiebung des Laserstrahls 9 umfasst die Parallelversatzeinheit 10 zumindest zwei drehbare Spiegel. Mittels dieser Spiegel kann jeweils ein Neigungswinkel α des Laserstrahls 9 eingestellt werden. Demnach kann beispielsweise mittels eines ersten beweglichen Spiegels in einer x-z-Ebene ein erster Neigungswinkel und mittels des zweiten beweglichen Spiegels in einer y-z-Ebene ein zweiter Neigungswinkel eingestellt werden. Alternativ kann die parallele Verschiebung des Laserstrahls 9 aber auch über zwei hintereinandergeschaltete bewegliche, insbesondere drehbare bzw. verkippbare, optische Platten erfolgen.
Der in Figur 1 dargestellte Scannerkopf 2 zur Lasermaterialbearbeitung umfasst des Weiteren eine Fokus-Einstelleinheit 17. Mittels dieser kann der Laserstrahl 9 in einer z-Richtung verändert werden. Hierfür ist beispielsweise eine Linse der Fokus-Einstelleinheit 17 axial in Ausbreitungsrichtung des Laserstrahls verschiebbar. Die Fokus-Einstelleinheit 17 ist gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel zwischen dem Strahllagesystem 3 und der Fokussieroptik 15 angeordnet. In einem hier nicht dargestellten alternativen Ausführungsbeispiel könnte die Fokus-Einstelleneinheit 17 aber auch durch die Fokussieroptik 15 ausgebildet sein. In diesem Fall wäre die Fokussierop- tik 15 zum Verändern der Fokuslage des Laserstrahls 9 in z-Richtung gegenüber ihrer optischen Achse 16 axial verschiebbar.
Wie bereits vorstehend erwähnt, weist der Scannerkopf 2 eine Steuereinheit 7 auf. Diese ist gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel im Scannerkopf 2 integriert. Die Steuereinheit 7 ist gemäß Figur 1 mit dem Strahllagesystem 3, nämlich insbesondere mit der Parallelversatzeinheit 10 und der Ablenkeinheit 1 1 verbunden. Über die Steuereinheit 7 können die in den Figuren nicht weiter im Detail dargestellten beweglichen optischen Elemente, insbesondere Spiegel, angesteuert werden. Infolgedessen kann mittels der Parallelversatzeinheit 10 der Auftreffwinkel und mittels der Ablenkeinheit 1 1 die Position des Prozessortes 12 in der x-y-Ebene eingestellt werden. Zusätzlich ist die Steuereinheit 7 mit der Fokus-Einstelleinheit 17 elektrisch verbunden, so dass mittels dieser die Fokuslage in z-Richtung einstellbar ist.
Ein Problem bei der kundenseitigen Inbetriebnahme des Scannerkopfs 2 besteht darin, dass der von einer Laserquelle 18 erzeugte Laserstrahl 9 dejustiert in den Scannerkopf 2 eintritt. Dieser Justagefehler setzt sich somit selbst bei werkseitig ordnungsgemäß kalibriertem Strahllagesystem 3 in Strahlausbreitungsrichtung über sämtliche Komponenten des Scannerkopfs 2, d.h. über die Parallelversatzeinheit 10 und die Ablenkeinheit 1 1 , fort. Um diesen vor dem Strahllagesystem 3 eingekoppelten Justagefehler zu korrigieren, umfasst der Scannerkopf 2 gemäß dem in Figur 1 dargestellten Ausführungsbeispiels zumindest Teile der Justageanordnung 1 , wobei die Justa- geanordnung gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel vollständig im Scannerkopf 2 integriert ist.
Der Strahllagesensor 4 bildet hierbei eine Komponente der Justageanordnung. Mit dem Strahllagesensor 4 kann eine Ist-Lage 19 des Laserstrahls 9 im Bereich des Strahlgangs zwischen dem Strahllagesystem 3 und der Fo- kussieroptik 15 erfasst werden. Hierfür ist der Strahllagesensor 4 dem Strahllagesystem 3 in Ausbreitungsrichtung des Laserstrahls 9 nachgelagert. Des Weiteren ist der Strahllagesensor 4 der Fokussieroptik 15 in Ausbreitungsrichtung des Laserstrahls 9 vorgelagert. Der Strahllagesensor 4 ist demnach derart im Scannerkopf 2 integriert, dass dieser die Ist-Lage 19 des Laserstrahls 9 im Bereich des Strahlgangs zwischen dem Strahllagesystem 3 und der Fokussieroptik 15 erfassen kann.
Hierfür ist zwischen dem Strahllagesystem 3 und der Fokussieroptik 15 ein Strahlteiler 20 angeordnet. Vorzugsweise ist der Strahlteiler 20 als halbtransparenter Spiegel ausgebildet. Mittels des Strahlteilers 20 kann der Laserstrahl 9, ohne dass seine Ist-Lage 19 verändert wird, aus dem zur Fokussieroptik 15 führenden Strahlengang ausgekoppelt werden. Der ausgekoppelte Teil des Laserstrahls 9 kann nun mittels des Strahllagesensors 4 erfasst werden. Gemäß Figur 1 ist der Strahllagesensor 4 und der Strahlteiler 20 derart zueinander angeordnet, dass das vom Strahlteiler durchgelassene Laserlicht auf den Strahllagesensor 4 und das vom Strahlteiler 20 reflektierte Laserlicht auf die Fokussieroptik 15 geleitet wird.
Die Ist-Lage 19 des Laserstrahls 9 ist durch zumindest vier voneinander unabhängige Lageparameter des Laserstrahls 9 festgelegt. Durch die Erfassung dieser zumindest vier voneinander unabhängigen Lageparameter sen- siert der Strahllagesensor 4 somit mittelbar die Ist-Lage 19 des Laserstrahls 9 im Bereich zwischen dem Strahllagesystem 3 und der Fokussieroptik 15. Bei den Lageparametern zur Bestimmung der Ist-Lage 19 des Laserstrahls 9 kann es sich um translatorische und/oder rotatorische Lageparameter handeln.
Gemäß Figur 1 ist der Strahllagesensor 4 mit der vorliegend im Scannerkopf 2 integrierten Recheneinheit 5 verbunden. Über diese Verbindung können die Lageparameter bzw. die durch diese festgelegte Ist-Lage 19 des Laserstrahls 9 an die Recheneinheit 5 übermittelt werden. Die Justageanordnung 1 umfasst des Weiteren den Speicher 6, in dem eine Soll-Lage 21 des Laserstrahls 9 abgespeichert ist. Bei der Soll-Lage 21 handelt es sich um diejenige Lage des Laserstrahls 9, die dieser im Bereich zwischen dem Strahllagesystem 3 und der Fokussieroptik 15 aufweisen soll. In einem Justageverfahren wird nun dieses Soll-Lage 21 eingestellt und/oder eingeregelt. Die Soll-Lage 21 des Laserstrahls 9 bzw. die zumindest vier die Soll-Lage 21 bestimmenden Lageparameter wurden hierfür vor Auslieferung des Scannerkopfes 2 werkseitig ermittelt. Bei diesem werkseitigen Kalibrier- prozess können somit Fertigungstoleranzen des Strahllagesystems 3 und/oder der Fokus-Einstelleinheit 17 berücksichtigt werden. Die werkseitig ermittelte Soll-Lage 21 des Laserstrahls 9 ist im Speicher 6 hinterlegt. Der Speicher 6 kann eine separate Einheit oder aber auch in der Recheneinheit 5 integriert sein.
Die Recheneinheit 5 vergleicht die mittels des Strahllagesensors 4 erfasste Ist-Lage 19 mit der werkseitig ermittelten und/oder im Speicher 6 hinterlegten Soll-Lage 21 des Laserstrahls 9. Sofern ein dem Strahllagesystem 3 vorgelagerte Justagefehler vorliegt, kann die Recheneinheit 5 eine Abweichung der Ist-Lage 19 von der gewünschten Soll-Lage 21 feststellen. In diesem Fall berechnet die Recheneinheit 5 einen Korrekturwert. Dieser Korrekturwert bestimmt eine vorzunehmende Neujustage des Strahllagesystems 3, insbesondere der Parallelversatzeinheit 10 und/oder der Ablenkeinheit 1 1 . Zur Berechnung des Korrekturwertes benutzt die Recheneinheit 5 ein iteratives Annäherungsverfahren und/oder ein stochastisches Suchverfahren. Die Recheneinheit 5 ist mit der Steuereinheit 7 verbunden. Hierdurch kann der von der Recheneinheit 5 ermittelte Korrekturwert an die Steuereinheit 7 übermittelt werden. Mittels des Korrekturwertes erfolgt nun über die Steuereinheit 7 eine Nachjustage des Strahllagesystems 3, insbesondere zumindest eines optischen Elementes der Parallelversatzeinheit 10 und/oder der Ablenkeinheit 1 1 . Vorteilhafterweise kann somit durch die entsprechende Nachjustage des Strahllagesystems 3 der dieser vorgelagerte Justagefehler korrigiert werden, so dass die Ist-Lage 19 nach Ausführung des Justageverfahrens der Soll- Lage 21 entspricht. Optional kann das vorstehend beschriebene Justagever- fahren auch als Regelkreis ausgebildet sein, wobei die Ist-Lage 19 des mittels des Korrekturwertes nachjustierten Laserstrahls 9 erneut mittels des Strahllagesensors 4 sensorische erfasst wird und von der Recheneinheit 5 im Rahmen eines weiteren lst-/Soll-Lage-Abgleichs überprüft wird. Dieser Pro- zess kann so lang durchgeführt werden, bis die Ist-Lage 19 innerhalb eines vorgegebenen Toleranzbereiches liegt.
Das vorstehende Justageverfahren erfolgt nicht online - d.h. nicht während des Bearbeitungsprozesses - sondern offline - d.h. vor Beginn des eigentlichen Bearbeitungsprozesses. Die Offline-Justage erfolgt demnach beispielsweise bei der kundenseitigen Installation des Scannerkopfes und/oder innerhalb vorbestimmter Zeitintervalle, um temperaturbedingte oder verschleißbedingte Dejustagen korrigieren zu können.
Figur 2 zeigt die Justageanordnung 1 gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel. Hierin werden für Merkmale, die im Vergleich zum in Figur 1 dargestellten ersten Ausführungsbeispiel in ihrer Ausgestaltung und/oder Wirkweise identisch und/oder zumindest vergleichbar sind, gleiche Bezugszeichen verwendet. Sofern diese nicht nochmals detailliert erläutert werden, entspricht deren Ausgestaltung und/oder Wirkweise denen der bereits vorstehend beschriebenen Merkmalen.
Die in Figur 2 dargestellte Justageanordnung 1 umfasst, wie auch das in Figur 1 dargestellte Ausführungsbeispiel, einen Strahllagesensor 4 zum Erfassen der Ist-Lage 19 des Laserstrahls 9, eine Recheneinheit 5 zum Durchführen eines lst-/Sollwert-Abgleichs und/oder zum Berechnen eines Korrekturwertes, eine Steuereinheit 7 zum Nachjustieren des Strahllagesystems 3 un- ter Berücksichtigung des zumindest einen Korrekturwertes und das Strahllagesystem 3 zum Beeinflussen der Laserstrahllage.
Im Gegensatz zum in Figur 1 dargestellten ersten Ausführungsbeispiel ist jedoch die Recheneinheit 5 als externe Recheneinheit ausgebildet. Um diese mit dem Scannerkopf 2, insbesondere mit dessen Strahllagesensor 4 und/oder Steuereinheit 7, zu koppeln, weist der Scannerkopf 2 eine externe Schnittstelle 22 auf. Hierbei kann es sich um eine kabelgebundene und/oder kabellose Schnittstelle handeln. Der Speicher 6 mit seinen die Soll-Lage des Laserstrahls 9 bestimmenden Daten ist vorzugsweise, wie in Figur 2 dargestellt, im Scannerkopf 2 integriert. Hierdurch kann sichergestellt werden, dass die werkseitig ermittelte Soll-Lage 21 dem jeweils werkseitig überprüften Scannerkopf 2 individuell zugeordnet ist. Alternativ ist es aber auch ebenso denkbar, dass der Speicher 6 mit der hinterlegten Soll-Lage 21 in der externen Rechnereinheit 5 integriert ist.
In den Figuren 3 und 4 sind zwei alternative Ausführungsformen des Strahllagesensors 4 dargestellt. Wie bereits vorstehend erwähnt, ist der Strahllagesensor 4 derart ausgebildet, dass mittels diesem zumindest vier Lageparameter des Laserstrahls 9 erfasst werden können. Der Strahllagesensor 4 kann somit auch als 4D-Sensor bezeichnet werden. Über die zumindest vier Lageparameter ist die Ist-Lage 19 des Laserstrahls 9 bestimmt. Der Strahllagesensor 4 erfasst somit mittelbar über die vier Lageparameter die Ist-Lage 19 des Laserstrahls 9. Die Lageparameter können hierbei translatorische und/oder rotatorische Lageparameter sein.
Bei dem in Figur 3 dargestellten ersten Ausführungsbeispiel werden mittels eines ersten zweidimensionalen Sensors 23 zwei translatorisch Lageparameter ermittelt. Diese können in Bezug auf ein Strahllagesensor- Koordinatensystem eine x-Koordinate und eine y-Koordinate sein. Um auch die Winkelstellung des Laserstrahls 9 im Raum bestimmen zu können, weist der Strahllagesensor 4 einen zweiten zweidimensionalen Sensor 24 auf. Mit- tels diesem werden zwei rotatorische Lageparameter ermittelt. Hierfür ist dem zweiten Sensor 24 in Ausbreitungsrichtung des Laserstrahls 9 eine Sensorlinse 25 vorgeschaltet. Durch diese erfolgt eine definierte Ablenkung des Laserstrahls, wodurch eine Winkelmessung ermöglicht wird. Um den in den Strahllagesensor 4 eintretenden Laserstrahl 9 auf beide Sensoren 23, 24 leiten zu können, ist diesen ein Sensorstrahlteiler 26 vorgelagert.
Alternativ kann die Ist-Lage 19 gemäß dem in Figur 4 dargestellten Ausführungsbeispiel mittels zweier zum Sensorstrahlteiler 26 in zueinander unterschiedliche Abständen 27, 28 angeordneten Sensoren 23, 24 ermittelt werden. Hierbei wird mittels des ersten Sensors 23 eine erste x-Koordinate und erste y-Koordinate erfasst und mittels des zweiten Sensors 24 eine zweite x- Koordinate sowie zweite y-Koordinate. Anhand der bekannten Abstände 27, 28 kann somit in Bezug zu einer Referenzebene die x-Koordinate, y- Koordinate sowie der Auftreffwinkel des Laserstrahls relativ zu dieser Bezugsebene berechnet werden.
Die Sensoren 23, 24 können in beiden Ausführungsbeispielen beispielsweise bildgebende Sensoren, insbesondere Kamera-Chips, sein. Ebenso sind positionsempfindliche Mehrflächendioden (Quadrantendioden) und/oder Wellen- frontsensoren denkbar.
Figur 5 zeigt ein Ausführungsbeispiel des Strahllagesystems 3 bei dem die Strahllage mittels vier drehbarer Einachs-Spiegel 29a, 29b, 29c, 29d eingestellt werden kann. Jeder dieser Einachs-Spiegel 29a, 29b, 29c, 29d ist nur um eine einzige Drehachse drehbar. Da die Drehachsen zueinander nicht alle parallel sind und die Spiegel an unterschiedlichen Orten angeordnet sind, sind durch die vier Stellfreiheitsgrade der Drehachsen vier Stellfrei- heitsgrade für die Strahllage bereitgestellt. Dieses Ausführungsbeispiel des Strahllagesystems 3 ist außerdem ein Beispiel für ein Strahllagesystem 3, das nicht aus zwei separaten Teilsystemen, d.h. aus einer separaten Parallelversatzeinheit 10 und einer separaten Ablenkeinheit 1 1 , aufgebaut ist, sondern die Funktionen der Parallelverschiebung und der Verkippung des Strahls in einem einzigen System integriert sind.
Figur 6 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel des Strahllagesystems 3, bei dem die Strahllage mittels zwei um jeweils zwei Drehachsen kippbaren Doppelachs-Spiegeln 30a, 30b eingestellt werden kann. Durch die zwei mal zwei Freiheitsgrade der Spiegelverkippung sind vier Stellfreiheitsgrade für die Strahllage bereitgestellt. Dieses Ausführungsbeispiel des Strahllagesystems 3 ist ein weiteres Beispiel für ein Strahllagesystem, das nicht aus zwei Teilsystemen aufgebaut ist, sondern die Funktionen der Parallelverschiebung und der Verkippung des Strahls in einer einzigen Spiegeleinheit integriert bereitstellt.
Bei den vorstehenden Ausführungsbeispielen ist ein Antrieb der Spiegel über Galvanometerantriebe besonders vorteilhaft, um eine sehr dynamische und gleichzeitig sehr exakte Einstellung der Strahllage zu ermöglichen. Die Galvanometerantriebe im Strahllagesystem 3 werden im Online-Betrieb vorzugsweise in einer closed loop Positionsregelung betrieben, die unabhängig vom Strahllagesensor 4 ausgeführt ist. Sie beruht demnach auf einer vom Strahllagesensor 4 unabhängigen Positionsmessung in den Galvanometerantrieben.
Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die dargestellten und beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt. Abwandlungen im Rahmen der Patentansprüche sind ebenso möglich wie eine Kombination der Merkmale, auch wenn diese in unterschiedlichen Ausführungsbeispielen dargestellt und beschrieben sind. Bezuaszeichenliste
Justageanordnung
Scannerkopf
Strahllagesystem
Strahllagesensor
Recheneinheit
Speicher
Steuereinheit
Scannergehäuse
Laserstrahl
Parallelversatzeinheit
Ablenkeinheit
Prozessort
Bearbeitungsoberfläche
Werkstück
Fokussieroptik
optische Achse
Fokus-Einstelleinheit
Laserquelle
Ist-Lage
Strahlteiler
Soll-Lage
externe Schnittstelle
erster Sensor
zweiter Sensor
Sensorlinse
Sensorstrahlteiler
erster Abstand
zweiter Abstand
Einachs-Spiegel
Doppelachs-Spiegel

Claims

P a t e n t a n s p r ü c h e
1 . Scannerkopf (2) zur Lasermaterialbearbeitung mit
einer Fokussieroptik (15) und
einem Strahllagesystem (3) zum Beeinflussen der Laserstrahllage, das der Fokussieroptik (15) in Ausbreitungsrichtung des Laserstrahls (9) vorgelagert ist,
das zumindest zwei ansteuerbare bewegliche optische Elemente um- fasst und
mittels dem ein Auftreffwinkel des Laserstrahls (9) auf der Bearbeitungsoberfläche (13) einstellbar ist und
der Prozessort (12) des Laserstrahls (9) zweidimensional auf der Bearbeitungsoberfläche (13) verfahrbar ist,
dadurch gekennzeichnet
dass der Scannerkopf (2) einen Strahllagesensor (4) umfasst, der dem Strahllagesystem (3) in Ausbreitungsrichtung des Laserstrahls (9) nachgelagert ist und
mittels dem zumindest vier unabhängige Lageparameter des Laserstrahls (9) und/oder eine durch diese festgelegte Ist-Lage (19) des Laserstrahls (9) erfassbar ist.
2. Scannerkopf nach dem vorherigen Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass dem Strahllagesensor (4) in Ausbreitungsrichtung des Laserstrahls (9) ein Strahlteiler (20), insbesondere ein halbtransparenter Spiegel, vorgelagert ist.
3. Scannerkopf nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Strahlteiler (20) im Strahlengang im Bereich zwischen dem Strahllagesystem (3) und der Fokussieroptik (15) angeordnet ist.
4. Scannerkopf nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet dass der Strahllagesensor (4) und der Strahlteiler (20) derart zueinander angeordnet sind, dass das vom Strahlteiler (20) durchgelassene Laserlicht auf den Strahllagesensor (4) und/oder das vom Strahlteiler (20) reflektierte Laserlicht auf die Fokussieroptik (15) leitbar ist.
5. Scannerkopf nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet dass der Scannerkopf (2) zur Offline- Justage des Laserstrahls (9) eine integrierte Recheneinheit (5) um- fasst, mit der der Strahllagesensor (4) und/oder eine Steuereinheit (7) des Strahllagesystems (3) verbunden ist, oder
eine externe Schnittstelle (22) umfasst, über die eine externe Recheneinheit (5) mit dem Strahllagesensor (4) und/oder der Steuereinheit (7) verbindbar ist.
6. Scannerkopf nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet dass der Strahllagesensor (4), die integrierte Recheneinheit (5), die Steuereinheit (7) und/oder das Strahllagesystem (3) eine Scannerkopf integrierte Justageanordnung zur Offline- Justage des Scannerkopfs bilden.
7. Scannerkopf nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in einem Speicher (6), insbesondere der Recheneinheit (5), eine Soll-Lage (21 ) des Laserstrahls (9) abgespeichert ist.
8. Scannerkopf nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Recheneinheit (5) derart ausgebildet ist, dass mittels dieser über einen lst-/Soll-Lage-Abgleich ein, insbesondere mehrdimensionaler, Korrekturwert für das Strahllagesys- tem (3) berechenbar ist und/oder dieser Korrekturwert an die Steuereinheit (7) übermittelbar ist.
9. Scannerkopf nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Recheneinheit (5) und die Steuereinheit (7) zusammen als im Scannerkopf (2) integrierte Rechen- /Steuereinheit ausgebildet sind.
10. Scannerkopf nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Strahllagesystem (3) mindestens vier drehbare optische Elemente, insbesondere Spiegel, umfasst, von denen zumindest einer mittels eines Galvanometerantriebs bewegbar ist.
1 1 . Scannerkopf nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet dass das Strahllagesystem (3) eine Parallelversatzeinheit (10) zum Einstellen des zumindest einen Auftreffwinkels und
eine Ablenkeinheit (1 1 ) zum zweidimensionalen Verfahren des Laserstrahls (9) umfasst.
12. Scannerkopf nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet dass der Scannerkopf (2) eine, insbesondere dem Strahllagesensor (4) vorgelagerte, Fokus-Einstelleinheit (17) aufweist, mittels der die Fokuslage des Laserstrahls (9) in einer z- Richtung veränderbar ist, oder
dass die Fokussieroptik (15) zum Verändern der Fokuslage des Laserstrahls (9) in z-Richtung gegenüber ihrer optischen Achse axial verschiebbar ist.
13. Justageanordnung (1 ) zur Offline-Justage eines Scannerkopfs (2) umfassend
einen Scannerkopf (2) zur Lasermaterialbearbeitung und
eine, insbesondere externe, Recheneinheit (5), die vorzugsweise über eine externe Schnittstelle (22) des Scannerkopfes (2) mit einem Strahllagesensor (4) und/oder einer Steuereinheit (7) des Scannerkopfes (2) verbunden ist,
dadurch gekennzeichnet
dass der Scannerkopf (2) nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche ausgebildet ist.
14. Justageverfahren zur Offline-Justage eines nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche ausgebildeten Scannerkopfes (2) und/oder einer Justageanordnung (1 ),
dadurch gekennzeichnet
dass in Bezug zur Ausbreitungsrichtung eines Laserstrahls (9) in einem einem Strahllagesystem (3) des Scannerkopfes (2) nachgelagerten Bereich mittels eines Strahllagesensors (4), der zumindest vier unabhängige Lageparameter des Laserstrahls (9) erfasst, eine Ist- Lage (19) des Laserstrahls (9) erfasst wird,
eine Recheneinheit (5) die erfasste Ist-Lage (19) des Laserstrahls (9) mit einer abgespeicherten Soll-Lage (22) abgleicht und einen Korrekturwert berechnet und
eine Steuereinheit (7) das Strahllagesystem (3) anhand des Korrek- turwertes nachjustiert.
15. Justageverfahren nach dem vorherigen Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Soll-Lage (22) des Laserstrahls (9) werkseitig im Rahmen eines Werkkalibrierprozesses des Scannerkopfs ermittelt und in einem Speicher (6) hinterlegt wird.
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