WO2019081381A1 - Bestrahlungseinrichtung, bearbeitungsmaschine und verfahren zum bestrahlen eines ebenen bearbeitungsfeldes - Google Patents

Bestrahlungseinrichtung, bearbeitungsmaschine und verfahren zum bestrahlen eines ebenen bearbeitungsfeldes

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WO2019081381A1
WO2019081381A1 PCT/EP2018/078786 EP2018078786W WO2019081381A1 WO 2019081381 A1 WO2019081381 A1 WO 2019081381A1 EP 2018078786 W EP2018078786 W EP 2018078786W WO 2019081381 A1 WO2019081381 A1 WO 2019081381A1
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focal length
processing
machining
focusing
trajectory
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PCT/EP2018/078786
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Matthias Allenberg-Rabe
Reto HIDBER
Fabio JUTZI
Stefan Marzenell
Christoph RÜTTIMANN
Philipp Wagenblast
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Trumpf Laser- Und Systemtechnik Gmbh
Trumpf Schweiz Ag
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Definitions

  • Irradiation device processing machine and method for irradiating a planar processing field
  • the present invention relates to an irradiation device, comprising: a beam source for generating a processing beam, in particular a
  • Laser beam a scanner device with at least one scanner mirror, preferably with two scanner mirrors, for aligning the processing beam on a flat processing field, and a focusing device for focusing the processing beam in the planar processing field, which has a variable focal length for focusing the processing beam in the planar processing field.
  • the invention also relates to a processing machine for producing three-dimensional components by irradiation of powder layers comprising such an irradiation device, and to a corresponding method.
  • the processing beam for example a
  • Laser beam aligned via a scanner device with at least one scanner mirror to different positions of a flat processing field.
  • the processing beam executes a particularly straight-line trajectory in the plane processing field.
  • positions may be the endpoints of a straight line trajectory to be generated in the planar processing field, such as used in marking hatching workpieces or in additive manufacturing to create a contiguous surface area by a scanning motion.
  • Scanner device is focused in a flat edit box, a
  • An irradiation device in the form of a marking laser for grayscale marking of a workpiece with an optical deflection unit (scanner device) and an F-theta objective for producing a planar focus surface has become known from DE 20 2013 100 969 U1.
  • an F-theta lens generates due to the heating of the lens material, a so-called thermal lens, which leads to an unwanted change in the focus position of the processing beam. Therefore, scanner equipment without an F-theta lens is often used in additive manufacturing. For the focusing of the processing beam can in this case a
  • Focusing device may be used, which has a focusing optical element, such as a power-resistant focusing lens, in front of the
  • Scanner device is arranged.
  • the machining beam is aligned with different positions in the machining field, it becomes Scanner mirror pivots to the X position and / or the Y position of the
  • Focusing device is the focus position of the laser beam in the
  • the distance of the focus position of the machining beam measured in the Z direction, i. perpendicular to the plane processing field, therefore, varies depending on the position (in the X or Y direction) in the plane processing field or depending on the deflection angle through or through the scanner mirror.
  • a dynamic focuser with a fast (dynamic) Z-axis is used, which allows a fast change of the (total) focal length of the focuser to the focus position always in the flat edit box.
  • the total focal length of the focusing device is typically adjusted so that the focal length is always - i. at each deflection of the scanner or the mirror and thus at each position in the planar processing field - the beam path of the processing beam to the planar processing field corresponds.
  • a method and a device for selective laser melting are described in which a plurality of laser beams are used simultaneously.
  • a plurality of laser beams are directed to a single galvanometer, wherein each one of the plurality of laser beams can be automatically dynamically focused prior to being directed to the galvanometer.
  • a dynamic focusing device for example in the form of a so-called varioSCAN device can be used, as it is marketed by the company. Scanlab.
  • Processing beam for example, to generate hatching in marking or in the production of small contiguous surface areas in the additive manufacturing, occurs in the irradiation device described above, the problem that the focusing, more specifically an adaptive optical element of the focusing device, which allows the change of the focus position or the focal length, must perform a lot of fast movements. This leads to increased wear of the focusing device or the optical element enabling the change of the focal length.
  • the invention is based on the object, an irradiation device, a processing machine with such an irradiation device and a
  • an irradiation device of the type mentioned above which has a control device which is designed to control the focusing device so that the focal length of the focusing device does not change during the movement of the processing beam along a trajectory in the plane processing field when a difference between a maximum focal length and a minimum focal length of the focusing means required for focusing the machining beam in the plane machining field is below a threshold value as the machining beam travels along the trajectory, or when moving the machining beam along the trajectory while maintaining the focal length is a maximum difference between the focus positions of the processing beam perpendicular to the edit field below a threshold.
  • the two positions in the edit field where the focuser has its maximum focal length and minimum focal length are typically those positions along the trajectory that are at a maximum or minimum distance from the center of the planar edit field.
  • the two positions may be the end points of the trajectory to be generated in the processing field by means of the processing beam, for example in the form of a straight or curved line, and / or any points or positions that exist between the two endpoints of the
  • the inventors have recognized that with slight deviations of the focus position of the laser beam in the Z direction from the target focus position in the plane
  • the diameter of the processing beam typically a laser beam, only slightly changed.
  • the irradiation can therefore be carried out within certain limits, which are given by the threshold, even with a single focal length, so that the processing beam is not focused at all positions along the trajectory in the plane processing field. According to the invention, it is therefore proposed, for small vectors or
  • Focusing device not changed during movement along the trajectory.
  • Positions in the edit field varies with the same difference in the deflection angle over the plane edit field. Alternatively to the difference between the two
  • Focal distances can be used as a criterion for setting the threshold value, the maximum difference in the Z direction, ie perpendicular to the plane processing field, between the Z-direction focus positions along the trajectory that would occur in maintaining a constant focal length of the focusing device. In both cases, the difference can be compared with a threshold, which is typically dependent on the Rayleigh length (see below).
  • the control of the focusing device may be in the simplest case, the focal length, at any position along the trajectory to
  • Focusing in the planar machining field is needed to maintain movement of the machining beam along the trajectory. It is typically more favorable if the average between the maximum focal length and the minimum focal length is set to be the focal length of the
  • Movement is kept constant.
  • the focusing device can be given a control command which blocks a change in the focal length and when the other end point of the trajectory in the processing field is reached, a control command can be transmitted to the focusing device. who picks up the blockade.
  • the beam source is designed to generate a laser beam and the control device is designed to set the threshold value in
  • the Rayleigh length of the laser beam represents the distance along the beam direction of the laser beam that the laser beam needs until the cross-sectional area of the laser beam doubles from the beam waist (at the focus position).
  • the Rayleigh length is therefore greater, the larger the focus diameter.
  • the Rayleigh length also depends on the wavelength of the laser beam. At a wavelength of, for example, about 1064 nm and a focus diameter of 100 ⁇ results in a Rayleigh length of more than 6 mm, i. the one or the
  • Scanner levels can be deflected over a relatively large range without significantly changing the diameter of the processing beam in the planar processing field. If it is empirically determined up to which magnification of the beam cross section or up to which intensity reduction no significant influence on the irradiation process is observed, a suitable value for the threshold value can be defined and those can be defined Identify vectors or contours between two positions, for which it is not necessary to change the focal length.
  • the threshold is no greater than the rayle length of the laser beam. In this case results in the difference between the two
  • Focal lengths a maximum doubling of the beam cross section of the laser beam, which is still acceptable in many applications.
  • the threshold may be chosen to be less than the Rayleigh length, for example, the threshold may not be greater than one half of the Rayleigh length, no greater than one fifth of the Rayleigh length, or no greater than one tenth of the Rayleigh length, if greater than Focus position would adversely affect the processing result.
  • control device for example in the form of an electronic
  • Control card typically controls both the rotational movement (s) of the
  • Scanner mirror for example in the form of a MEMS mirror, or the
  • the control device can therefore charge the values for the activation of the focusing device and possibly the scanner mirror in such a way that, for a small difference of the focal lengths or for a small maximum difference of the focus positions in Z. Direction, which is below the respective threshold value, the focusing device is not driven to change the focal length.
  • control device is designed to determine for all positions along the trajectory in the plane processing field focus positions perpendicular to the plane processing field, which lie on a common spherical shell, the tangential tangential - typically in the center or in the plane processing field Center - touched and its radius with the distance between the scanner mirror and the flat edit box
  • the controller is given two-dimensional coordinates in the plane processing field and the Control means determines a third coordinate perpendicular to the planar processing field in such a way that the focus positions on a
  • Focusing device focus positions can be specified in the Z direction, which are chosen so that the focal length of the focusing device is kept constant, without the focusing device or one of these optionally associated further control device must be modified.
  • the control device can purposefully identify trajectories between two (end) points and / or between arbitrary points or positions in the plane processing field in which the difference of the focus positions in the Z direction or the Difference of the focal lengths is below the threshold, so that the focal length of
  • Focusing device must be changed in the movement of the machining beam along these trajectories, for example in the form of straight or curved lines or in the form of curved curves.
  • the controller typically makes a comparison between the threshold and the difference between the two focal lengths, and between the threshold and the maximum difference between the focus positions along the trajectory, to identify trajectories where the change in focal length is not is required.
  • the focusing device In a further embodiment, the focusing device
  • Focusing element which is arranged in the beam path of the processing beam in front of the at least one scanner mirror.
  • the focusing element can be an optical element with a constant focal length, for example a focusing lens or optionally a focusing mirror.
  • the arrangement of the focusing element in the beam path of the processing beam can not be changed as a rule.
  • the focusing device for changing the focal length at least one in the beam path in front of the at least one Scanner mirror arranged in the beam direction of the processing beam slidably disposed and / or variable in the focal length optical element.
  • the optical element may, for example, be a focusing lens or a diverging lens.
  • the focusing device has at least one (fixed) focusing element with a typically much smaller focal length and thus a larger refractive power, since the displaceable optical element is used for realizing a dynamic change of the focus position Focal length should have only a relatively small mass. Possibly.
  • the focusing device may consist only of a single displaceable or otherwise in the focal length variable optical element.
  • the focusing device can have at least one adaptive optical element with an adjustable focal length.
  • the optical element may, for example, be a deflection mirror with-within certain limits-an adjustable curvature, but also another type of optical element whose focal length is adjustable, for example a lens with a variable curvature.
  • the irradiation device is designed to mark a workpiece arranged in the planar processing field, more precisely a workpiece surface arranged there.
  • Irradiation device can for marking (or lettering and / or
  • a beam source in the form of a bar laser or the like, as described in DE 20 2013 100 969 U1.
  • only one scanner level may be provided in such an irradiation device, i. the processing beam can be deflected by the scanner device only in one spatial direction.
  • Two-dimensional marking of the workpiece in this case can take place in that the workpiece in a second, typically perpendicular to the first
  • a two-dimensional mark can also be made if the scanner mirror around two axes or in two Spatial directions is pivotable.
  • the invention also relates to a processing machine for the production of
  • Three-dimensional components by irradiation of powder layers comprising: an irradiation device as described above, and a
  • irradiating powder layer can be arranged.
  • higher powers are required than for labeling applications, which is why the beam source of the irradiation device in such a processing machine usually has a higher power and possibly a different wavelength than that of a beam source for an irradiation device for labeling applications.
  • the beam source it can be in this case - but also at
  • Marking applications for example, to trade a fiber laser.
  • the processing machine is used for local melting of a powder bed or a powder layer, which is arranged in the planar processing field of the scanner device, in order to produce a layer of the three-dimensional component by the so-called "laser metal fusion" (LMF)
  • LMF laser metal fusion
  • Processing field is typically arranged a work surface in the processing chamber.
  • the invention also relates to a method for irradiating a plane
  • Processing field by means of a processing beam in particular by means of a laser beam, comprising: moving the processing beam along a trajectory in the plane processing field by means of a scanner device, wherein in the event that during the movement of the processing beam along the trajectory
  • Processing beam perpendicular to the processing field is below a threshold, the focal length of the focusing device during the movement of the processing beam along the trajectory is not changed.
  • the difference between the two focal lengths or the maximum difference between the focus positions is perpendicular to
  • Focusing device in the movement along the trajectory is not changed when the difference is below the threshold. In this way, the wear of components of the focusing device can be reduced by a not necessarily required change in the focus position. It is understood that for the
  • the focal length of the focusing device is adapted so as not to negatively influence the irradiation process.
  • the threshold value is selected as a function of a Rayleigh length of the laser beam. Preferably, the threshold does not become greater than that
  • the threshold may form a fraction of the Rayleigh length of the laser beam, for example half the Rayleigh length, one-fifth of the Rayleigh length, one-tenth of the Rayleigh length, etc.
  • a respectively suitable numerical value for the threshold value can be determined empirically.
  • Fig. 1 is a schematic representation of an embodiment of a
  • Irradiation device with a scanner device and a Focusing device for marking a workpiece by means of a laser beam
  • Fig. 2a is a detailed view of the irradiation device of Fig. 1 with a
  • Fig. 3 is an illustration of a processing machine for the production of
  • FIG. 1 shows an exemplary structure of an irradiation device 1 for marking a workpiece 2.
  • the irradiation device 1 has a
  • Beam source 3 in the form of a bar laser with a laser rod 4 as active
  • Laser medium on It is understood that instead of a rod laser, another laser beam source in the irradiation device 1 can be used.
  • the beam source 3 in the form of the rod laser emits a processing beam 5 in the form of a laser beam, which impinges on a focusing device 6, which serves to focus the laser beam 5 onto the workpiece 2.
  • the focusing device 6 has for this purpose a variable (total) focal length f, as will be described in more detail below.
  • the laser beam 5 After passing through the focusing device 6, the laser beam 5 strikes a scanner device 7 which, in the example shown, has two scanner mirrors 9a, 9b, which are respectively rotated via a galvanometer drive 8a, 8b.
  • the scanner device 7 or the two scanner mirrors 9a, 9b allow a two-dimensional deflection of the laser beam 5 in a plane processing field E, which is indicated schematically in FIG. 1 in the form of a square on the workpiece 2.
  • the edit field E is limited by the maximum deflection or the maximum rotation angle of the scanner mirrors 9a, 9b.
  • the two scanner mirrors 9a, 9b are arranged in Fig. 1 so that the first
  • Scanner mirror 9a when rotating about its axis of rotation deflects the laser beam 5 in the Y direction of an XYZ coordinate system shown in Fig. 1, while the second scanner mirror 9b deflects the laser beam 5 in the X direction.
  • Laser beam 5 and the focusing device 6, more precisely, their focal length f, are controlled by means of a control device 10.
  • a trajectory B in the form of a straight line is generated between a first position Xi, Yi and a second position X 2 , Y 2 in the plane machining field E by turning the machining steel 5 by means of the scanner device 7 is moved in the plane processing field E.
  • the line between the two positions Yi or X 2 , Y 2 of the plane processing field E in the Y direction, that is, only the second scanner mirror 9 b is pivoted to the processing beam 5 from the first position Xi, Yi to the second position X 2 , Y 2 to move.
  • the two positions Xi, Yi; X 2 , Y 2 can basically be chosen arbitrarily in the plane processing field E and that the trajectory B is not necessarily a straight line.
  • Fig. 2a shows a detail of the irradiation device 1 of Fig. 1, wherein the
  • Scanner device 7 is shown.
  • the focusing device 6 is arranged with a first, static focusing lens 1 1 with a constant focal length and a second, in the beam direction of the processing beam 5 slidable focusing lens 12.
  • a displacement device which is indicated in Fig. 2a by a double arrow.
  • the (total) focal length of the focusing device 6 can be changed in such a way that the focus position Zi, Z 2 at the two (arbitrary) positions Xi, Yi and X 2 , Y 2 in the Z direction is always at the height of the plane processing field E in the Z direction.
  • a first focal length fi of the focusing means 6 at the first position Xi , Yi in which the
  • the second scanner mirror 9b is pivoted by a deflection angle ⁇ with respect to the vertical orientation at the first position Xi, Yi.
  • Difference of the second focal length f 2 to the first focal length fi is selected such that the length difference between the circular path 13 shown in FIG
  • Processing beam 5 would have in the maintenance of the first focal length fi to the planar processing field E, and the planar processing field E is exactly balanced. Without such a change in the focal length f of
  • Focusing device 6 a defocusing of the processing beam 5 would occur in the planar processing area E, which is typically undesirable, since this would lead to an unwanted broadening of the line thickness in the marking of the workpiece 2.
  • the intensity of the laser beam 5 is lower, whereby possibly another marking process or - when falling below an intensity threshold required for marking - no marking of the workpiece 2 takes place.
  • Fig. 2b shows the case that the two positions Xi, Yi and X 2 , Y 2 in the planar processing field E have a comparatively small distance A of about 20 mm and a deflection angle ⁇ of about 7.5 ° to each other.
  • the machining beam 5 in the form of the laser beam can be described in the region of the beam waist in good approximation with the parameters of a Gauss beam, ie by a (minimum) radius R of the beam cross section and by the Rayleigh length Z R in the beam direction of the laser beam 5, in which the cross-sectional area twice as indicated, as indicated in Fig. 2b.
  • Z R ⁇ r 2 / ⁇ 0 .
  • Processing area E is the focal length fi of the focusing device 6 for the first position X 1 , Y 1 is maintained, the cross-sectional area of the laser beam 5 in the planar processing area E below twice the minimum
  • the focal length fi at the first position X 1 , Y 1 - or possibly another (constant) focal length, for example the mean value from the two focal lengths f M (fi + f 2 ) 1 2 - are maintained, ie it is not necessary in such a movement of the laser beam 5 from the first position Yi to the second position X 2 , Y 2, the movable lens 12th the
  • Focusing device 6 to move.
  • Position X 2 , Y 2 has a maximum distance from the center of the machining field E along the trajectory B, corresponds to the focal length fi of
  • Focusing device 7 at the first position X 1 , Y 1 of the minimum focal length f m in along the trajectory B and the focal length f 2 of the focusing device 7 at the second position X 2 , Y 2 corresponds to the maximum focal length f max along the trajectory B. It is understood that the positions Xi, Yi and X 2 , Y2, where the minimum focal length f m in and the maximum focal length f ma x along the trajectory B, do not have to coincide with the end points Xi, Yi or X 2 , Y 2 of the trajectory B.
  • Laser beam 5 is dependent.
  • 3 mm.
  • This difference ⁇ is smaller than the threshold value AZ S , which likewise corresponds to half the Rayleigh length Z R / 2 in the example shown.
  • FIG. 3 shows a processing machine 15 which has an irradiation device 1, in which, as in FIG. 2 a, only the second scanner mirror 9 b of the scanner device 7 is shown to simplify the illustration.
  • Irradiation device 1 of Fig. 3 differs from the irradiation device 1 shown in Fig. 1 only in that as the beam source 3, a fiber laser having a power of e.g. generated more than 1 kW.
  • the beam source 3 a fiber laser having a power of e.g. generated more than 1 kW.
  • Irradiation device 1 serves to irradiate a powder layer 14 arranged in a processing chamber 16, which forms the uppermost layer of a powder bed 19, in which a three-dimensional component 20, to be more precise the one already
  • powder is first taken from a powder reservoir container 22 arranged in the processing chamber 16 and transferred into the building platform region 17 from a powder reservoir region 18 in which the powder reservoir container 22 is located.
  • a pusher not shown in detail is used for this purpose, which powder from the powder reservoir area 18 transferred to the building platform area 17 by the powder is moved on top of a working plane located in the working plane E.
  • a punch 21 in the building platform region 17 and thus the powder bed 19 is displaced parallel downwards by the layer thickness of a powder layer, as indicated in FIG. 3 by an arrow, before the irradiation of the (new) powder layer 14 is carried out in the building platform region 17.
  • Powder layer 14 is bounded laterally by the structural cylinder of the building platform region 17.
  • the dimension of the plane processing field E which may for example be about 30 cm, is at the (maximum) deflection angle ⁇ of the
  • the scanner mirrors 9a, 9b can be rotated so far about their respective axis of rotation that any location of the planar processing field E can be achieved.
  • Focusing device 6 along the trajectory B can be kept constant. In this way, also in the case of the processing machine 15 shown in FIG. 3, the service life of the focusing device 6 can be increased.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Bestrahlungseinrichtung, umfassend: eine Strahlquelle zur Erzeugung eines Bearbeitungsstrahls (5), insbesondere eines Laserstrahls, eine Scannereinrichtung (7) mit mindestens einem Scannerspiegel (9b) zum Ausrichten des Bearbeitungsstrahls (5) auf ein ebenes Bearbeitungsfeld (E), sowie eine Fokussiereinrichtung (6), die zur Fokussierung des Bearbeitungsstrahls (5) in dem ebenen Bearbeitungsfeld (E) eine veränderbare Brennweite (f1, f2) aufweist. Die Bestrahlungseinrichtung weist eine Steuerungseinrichtung auf, die ausgebildet ist, die Fokussiereinrichtung (6) anzusteuern, so dass sich die Brennweite (f1) der Fokussiereinrichtung (6) bei der Bewegung des Bearbeitungsstrahls (5) entlang einer Bahnkurve in dem ebenen Bearbeitungsfeld (E) nicht verändert, wenn bei einer Bewegung des Bearbeitungsstrahls (5) entlang der Bahnkurve eine Differenz (Δf) zwischen einer maximalen Brennweite (fmax) und einer minimalen Brennweite (fmin) der Fokussiereinrichtung (6), die zur Fokussierung des Bearbeitungsstrahls (5) in dem ebenen Bearbeitungsfeld (E) erforderlich sind, unter einem Schwellwert (Δfs) liegt, oder wenn bei der Bewegung des Bearbeitungsstrahls (5) entlang der Bahnkurve (B) unter Beibehaltung der Brennweite (f1) eine maximale Differenz (ΔΖ = Z2 - Z1) zwischen den Fokus-Positionen (Z2, Z1) des Bearbeitungsstrahls (5) senkrecht zum Bearbeitungsfeld (E) unter einem Schwellwert (ΔZS) liegt. Die Erfindung betrifft auch eine Bearbeitungsmaschine mit einer solchen Bestrahlungseinrichtung sowie ein zugehöriges Verfahren.

Description

Bestrahlungseinrichtung, Bearbeitungsmaschine und Verfahren zum Bestrahlen eines ebenen Bearbeitungsfeldes
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Bestrahlungseinrichtung, umfassend: eine Strahlquelle zur Erzeugung eines Bearbeitungsstrahls, insbesondere eines
Laserstrahls, eine Scannereinrichtung mit mindestens einem Scannerspiegel, bevorzugt mit zwei Scannerspiegeln, zum Ausrichten des Bearbeitungsstrahls auf ein ebenes Bearbeitungsfeld, sowie eine Fokussiereinrichtung zur Fokussierung des Bearbeitungsstrahls in dem ebenen Bearbeitungsfeld, die zur Fokussierung des Bearbeitungsstrahls in dem ebenen Bearbeitungsfeld eine veränderbare Brennweite aufweist. Die Erfindung betrifft auch eine Bearbeitungsmaschine zum Herstellen von dreidimensionalen Bauteilen durch Bestrahlen von Pulverschichten, die eine solche Bestrahlungseinrichtung aufweist, sowie ein entsprechendes Verfahren. Bei Bestrahlungseinrichtungen zum Bestrahlen von Pulverschichten zur additiven Fertigung von dreidimensionalen Bauteilen sowie bei Bestrahlungseinrichtungen zur Markierung von Werkstücken wird der Bearbeitungsstrahl, beispielsweise ein
Laserstrahl, über eine Scannereinrichtung mit mindestens einem Scannerspiegel auf unterschiedliche Positionen eines ebenen Bearbeitungsfeldes ausgerichtet.
Zwischen zwei jeweiligen Positionen führt der Bearbeitungsstrahl eine insbesondere geradlinige Bahnkurve in dem ebenen Bearbeitungsfeld aus. Bei den beiden
Positionen kann es sich beispielsweise um die Endpunkte einer in dem ebenen Bearbeitungsfeld zu erzeugenden geradlinigen Bahnkurve handeln, wie sie beispielsweise bei der Markierung von Werkstücken zur Erzeugung von Schraffuren oder bei der additiven Fertigung zum Erzeugung eines zusammenhängenden Flächenbereichs durch eine scannende Bewegung verwendet wird.
Um zu erreichen, dass der Bearbeitungsstrahl nach dem Durchlaufen der
Scannereinrichtung in einem ebenen Bearbeitungsfeld fokussiert wird, kann ein
(telezentrisches) F-Theta-Objektiv verwendet werden, das im Strahlengang nach der Scannereinrichtung angeordnet ist. Eine Bestrahlungseinrichtung in Form eines Markierungslasers zum Graustufenmarkieren eines Werkstücks mit einer optischen Ablenkeinheit (Scannereinrichtung) und einem F-Theta-Objektiv zur Erzeugung einer ebenen Fokusfläche ist aus der DE 20 2013 100 969 U1 bekannt geworden.
Bei hohen Leistungen des Bearbeitungsstrahls, wie sie bei manchen
Markierungsanwendungen und insbesondere beim Pulveraufschmelzen in der additiven Fertigung benötigt werden, erzeugt ein F-Theta-Objektiv aufgrund der Erwärmung des Linsenmaterials eine so genannte thermische Linse, die zu einer ungewollten Veränderung der Fokus-Position des Bearbeitungsstrahls führt. Daher werden bei der additiven Fertigung häufig Scannereinrichtungen ohne ein F-Theta- Objektiv verwendet. Für die Fokussierung des Bearbeitungsstrahls kann in diesem Fall eine
Fokussiereinrichtung verwendet werden, die ein fokussierendes optisches Element aufweist, beispielsweise eine leistungsbeständige Fokussierlinse, die vor der
Scannereinrichtung angeordnet ist. Bei der Ausrichtung des Bearbeitungsstrahls auf unterschiedliche Positionen in dem Bearbeitungsfeld wird der bzw. werden die Scannerspiegel verschwenkt, um die X-Position und/oder die Y-Position des
Bearbeitungsstrahls zu verändern. Bei konstanter Brennweite der
Fokussiereinrichtung liegt die Fokus-Position des Laserstrahls bei der
Verschwenkung des Scannerspiegels auf einer Kreisbahn bzw. bei der Verwendung von zwei Scannerspiegeln auf einer Kugelschale. Der Abstand der Fokus-Position des Bearbeitungsstrahls gemessen in Z-Richtung, d.h. senkrecht zu dem ebenen Bearbeitungsfeld, variiert daher in Abhängigkeit von der Position (in X- bzw. Y- Richtung) in dem ebenen Bearbeitungsfeld bzw. in Abhängigkeit vom Ablenkwinkel durch den bzw. durch die Scannerspiegel.
Um eine ebene Fokusfläche bzw. ein ebenes Bearbeitungsfeld zu erzeugen, wird in diesem Fall typischerweise eine dynamische Fokussiereinrichtung mit einer schnellen (dynamischen) Z-Achse verwendet, die eine schnelle Veränderung der (Gesamt-)Brennweite der Fokussiereinrichtung ermöglicht, um die Fokus-Position stets in dem ebenen Bearbeitungsfeld zu halten. Um dies zu erreichen, wird die Gesamtbrennweite der Fokussiereinrichtung typischerweise derart verändert bzw. angepasst, dass die Brennweite stets - d.h. bei jeder Auslenkung des bzw. der Scannerspiegel und somit an jeder Position in dem ebenen Bearbeitungsfeld - dem Strahlweg des Bearbeitungsstrahls zu dem ebenen Bearbeitungsfeld entspricht.
In der WO 2015/191257 A1 sind ein Verfahren und eine Vorrichtung zum selektiven Laserschmelzen beschrieben, bei denen mehrere Laserstrahlen simultan verwendet werden. Bei dem Verfahren wird eine Mehrzahl von Laserstrahlen auf ein einziges Galvanometer gelenkt, wobei jeder einzelne der Mehrzahl von Laserstrahlen vor dem Lenken auf das Galvanometer automatisch dynamisch fokussiert werden kann. Zu diesem Zweck kann eine dynamische Fokussiereinrichtung beispielsweise in Form einer so genannten varioSCAN-Einrichtung verwendet werden, wie sie von der Fa. Scanlab vertrieben wird. Bei der Bestrahlung von vergleichsweise kleinen Flächenbereichen mittels des
Bearbeitungsstrahls, beispielsweise zur Erzeugung von Schraffuren beim Markieren oder bei der Erzeugung von kleinen zusammenhängenden Flächenbereichen bei der additiven Fertigung, tritt bei der weiter oben beschriebenen Bestrahlungseinrichtung das Problem auf, dass die Fokussiereinrichtung, genauer gesagt ein adaptives optisches Element der Fokussiereinrichtung, das die Veränderung der Fokus- Position bzw. der Brennweite ermöglicht, sehr viele schnelle Bewegungen ausführen muss. Dies führt zu einem erhöhten Verschleiß der Fokussiereinrichtung bzw. des die Veränderung der Brennweite ermöglichenden optischen Elements.
Aufgabe der Erfindung
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Bestrahlungseinrichtung, eine Bearbeitungsmaschine mit einer solchen Bestrahlungseinrichtung sowie ein
Verfahren zum Bestrahlen eines ebenen Bearbeitungsfeldes bereitzustellen, welche den Verschleiß der Fokussiereinrichtung bei der Bestrahlung reduzieren.
Gegenstand der Erfindung Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Bestrahlungseinrichtung der eingangs genannten Art gelöst, die eine Steuerungseinrichtung aufweist, die ausgebildet ist, die Fokussiereinrichtung anzusteuern, so dass sich die Brennweite der Fokussiereinrichtung bei der Bewegung des Bearbeitungsstrahls entlang einer Bahnkurve in dem ebenen Bearbeitungsfeld nicht verändert, wenn bei der Bewegung des Bearbeitungsstrahls entlang der Bahnkurve eine Differenz zwischen einer maximalen Brennweite und einer minimalen Brennweite der Fokussiereinrichtung, die zur Fokussierung des Bearbeitungsstrahls in dem ebenen Bearbeitungsfeld erforderlich sind, unter einem Schwellwert liegt, oder wenn bei der Bewegung des Bearbeitungsstrahls entlang der Bahnkurve unter Beibehaltung der Brennweite eine maximale Differenz zwischen den Fokus-Positionen des Bearbeitungsstrahls senkrecht zum Bearbeitungsfeld unter einem Schwellwert liegt.
Bei den beiden Positionen im Bearbeitungsfeld, an denen die Fokussiereinrichtung ihre maximale Brennweite und ihre minimale Brennweite aufweist, handelt es sich typischerweise um diejenigen Positionen entlang der Bahnkurve, die vom Zentrum des ebenen Bearbeitungsfeldes einen maximalen bzw. einen minimalen Abstand aufweisen. Bei den beiden Positionen kann es sich um die Endpunkte der in dem Bearbeitungsfeld mittels des Bearbeitungsstrahls zu erzeugenden Bahnkurve, beispielsweise in Form einer geraden oder gekrümmten Linie handeln, und/oder um beliebige Punkte bzw. Positionen, die zwischen den beiden Endpunkten der
Bahnkurve liegen.
Wie weiter oben beschrieben wurde, müsste rein rechnerisch bei einer Bestrahlung, bei welcher der Bearbeitungsstrahl zwischen zwei in einem geringen Abstand zueinander befindlichen Positionen in dem Bearbeitungsfeld bewegt wird, d.h. bei vergleichsweise kleinen Auslenkungen des bzw. der Scannerspiegel zwischen den beiden Positionen, eine entsprechend kleine Veränderung der Brennweite der Fokussiereinrichtung erfolgen, was insbesondere bei der Erzeugung von Schraffuren oder von kleinen zusammenhängenden Flächenbereichen bei der additiven
Fertigung zu einem erhöhten Verschleiß der Fokussiereinrichtung führen würde.
Die Erfinder haben erkannt, dass bei geringen Abweichungen der Fokus-Position des Laserstrahls in Z-Richtung von der Soll-Fokusposition in dem ebenen
Bearbeitungsfeld sich der Durchmesser des Bearbeitungsstrahls, typischerweise eines Laserstrahls, nur geringfügig verändert. Die Bestrahlung kann daher in gewissen Grenzen, die durch den Schwellwert vorgegeben werden, auch mit einer einzigen Brennweite vorgenommen werden, so dass der Bearbeitungsstrahl nicht an allen Positionen entlang der Bahnkurve in dem ebenen Bearbeitungsfeld fokussiert wird. Erfindungsgemäß wird daher vorgeschlagen, bei kleinen Vektoren bzw.
Bahnkurven, d.h. bei vergleichsweise kleinen Differenzen zwischen dem minimalen und dem maximalen Abstand von zwei beliebigen Positionen entlang der Bahnkurve in dem Bearbeitungsfeld zum Zentrum des Bearbeitungsfeldes und demzufolge einer geringen Differenz zwischen den zugeordneten Brennweiten, die
Fokussiereinrichtung so anzusteuern, dass sich die Brennweite der
Fokussiereinrichtung während der Bewegung entlang der Bahnkurve nicht verändert.
Die Differenz der Brennweiten hat sich als ein geeigneteres Kriterium für die
Festlegung des Schwellwerts erwiesen als der Abstand zwischen den beiden
Positionen in dem ebenen Bearbeitungsfeld, da der Abstand zwischen zwei
Positionen in dem Bearbeitungsfeld bei gleicher Differenz der Ablenkwinkel über das ebene Bearbeitungsfeld variiert. Alternativ zur Differenz zwischen den beiden
Brennweiten kann als Kriterium für die Festlegung des Schwellwerts die maximale Differenz in Z-Richtung, d.h. senkrecht zu dem ebenen Bearbeitungsfeld, zwischen den Fokus-Positionen in Z-Richtung entlang der Bahnkurve verwendet werden, die bei der Beibehaltung einer konstanten Brennweite der Fokussiereinrichtung auftreten würde. In beiden Fällen kann die Differenz mit einem Schwellwert verglichen werden, der typischerweise von der Rayleighlange abhängig ist (s.u.).
Die Ansteuerung der Fokussiereinrichtung kann im einfachsten Fall darin bestehen, die Brennweite, die an einer beliebigen Position entlang der Bahnkurve zur
Fokussierung in dem ebenen Bearbeitungsfeld benötigt wird, während der Bewegung des Bearbeitungsstrahls entlang der Bahnkurve beizubehalten. Günstiger ist es typischerweise, wenn der Mittelwert zwischen der maximalen Brennweite und minimalen Brennweite als diejenige Brennweite festgelegt wird, die bei der
Bewegung konstant gehalten wird. In beiden Fällen kann der Fokussiereinrichtung beispielsweise beim Erreichen eines ersten Endpunkts (Startpunkts) der Bahnkurve in dem Bearbeitungsfeld ein Steuerbefehl übermittelt werden, der eine Veränderung der Brennweite blockiert und beim Erreichen des anderen Endpunkts der Bahnkurve in dem Bearbeitungsfeld kann der Fokussiereinrichtung ein Steuerbefehl übermittelt werden, der die Blockade aufhebt.
Bei einer Ausführungsform ist die Strahlquelle zur Erzeugung eines Laserstrahls ausgebildet und die Steuerungseinrichtung ist ausgebildet, den Schwellwert in
Abhängigkeit von der Rayleighlänge des Laserstrahls festzulegen. Die Rayleighlänge des Laserstrahls stellt diejenige Distanz entlang der Strahlrichtung des Laserstrahls dar, die der Laserstrahl braucht, bis sich die Querschnittsfläche des Laserstrahls ausgehend von der Strahltaille (an der Fokus-Position) verdoppelt. Die
Rayleighlänge ist daher umso größer, je größer der Fokusdurchmesser ist. Die Rayleighlänge hängt auch von der Wellenlänge des Laserstrahls ab. Bei einer Wellenlänge von beispielsweise ca. 1064 nm und einem Fokusdurchmesser von 100 μιτι ergibt sich eine Rayleighlänge von mehr als 6 mm, d.h. der bzw. die
Scannerspiegel können über einen verhältnismäßig großen Bereich ausgelenkt werden, ohne dass sich der Durchmesser des Bearbeitungsstrahls in dem ebenen Bearbeitungsfeld deutlich verändert. Wird empirisch festgestellt, bis zu welcher Vergrößerung des Strahlquerschnitts bzw. bis zu welcher Intensitätsverringerung kein nennenswerter Einfluss auf den Bestrahlungsprozess beobachtet wird, kann ein geeigneter Wert für den Schwellwert definiert werden und es können diejenigen Vektoren bzw. Konturen zwischen zwei Positionen identifiziert werden, für die es nicht erforderlich ist, die Brennweite zu verändern.
Bei einer Ausführungsform ist der Schwellwert nicht größer als die Rayleighlange des Laserstrahls. In diesem Fall ergibt sich bei der Differenz zwischen den beiden
Brennweiten maximal eine Verdopplung des Strahlquerschnitts des Laserstrahls, die bei vielen Anwendungen noch akzeptabel ist. Es versteht sich, dass der Schwellwert auch kleiner als die Rayleighlange gewählt werden kann, beispielsweise kann der Schwellwert nicht größer als die Hälfte der Rayleighlänge, nicht größer als ein Fünftel der Rayleighlänge oder nicht größer als ein Zehntel der Rayleighlänge sein, wenn eine größere Abweichung der Fokus-Position das Bearbeitungsergebnis nachteilig beeinflussen würde.
Die Steuerungseinrichtung, beispielsweise in Form einer elektronischen
Ansteuerkarte, steuert typischerweise sowohl die Drehbewegung(en) des
Scannerspiegels, beispielsweise in Form eines MEMS-Spiegels, bzw. der
Scannerspiegel und somit die Position in X-Richtung und/oder in Y-Richtung in dem ebenen Bearbeitungsfeld als auch die Brennweite der Fokussiereinnchtung und somit die Fokus-Position in Z-Richtung senkrecht zu dem ebenen Bearbeitungsfeld. Die Steuerungseinrichtung kann daher bei der Ansteuerung der Fokussiereinnchtung bei einer geringen Veränderung der Brennweite die Werte für die Ansteuerung der Fokussiereinnchtung sowie ggf. der Scannerspiegel so verrechnen, dass bei einer kleinen Differenz der Brennweiten bzw. bei einer kleinen maximalen Differenz der Fokus-Positionen in Z-Richtung, die unterhalb des jeweiligen Schwellwerts liegt, die Fokussiereinnchtung nicht für eine Veränderung der Brennweite angesteuert wird.
Bei einer weiteren Ausführungsform ist die Steuerungseinrichtung ausgebildet, für alle Positionen entlang der Bahnkurve in dem ebenen Bearbeitungsfeld Fokus- Positionen senkrecht zu dem ebenen Bearbeitungsfeld zu bestimmen, die auf einer gemeinsamen Kugelschale liegen, die das ebene Bearbeitungsfeld tangential - typischerweise im Zentrum bzw. in der Mitte - berührt und deren Radius mit dem Abstand zwischen dem Scannerspiegel und dem ebenen Bearbeitungsfeld
übereinstimmt. In diesem Fall werden der Steuerungseinrichtung zweidimensionale Koordinaten in dem ebenen Bearbeitungsfeld vorgegeben und die Steuerungseinrichtung bestimmt eine dritte Koordinate senkrecht zu dem ebenen Bearbeitungsfeld auf eine solche Weise, dass die Fokus-Positionen auf einer
Kugelschale liegen, die das ebene Bearbeitungsfeld typischerweise im Zentrum des Bearbeitungsfeldes tangential berührt. Auf diese Weise können der
Fokussiereinrichtung Fokus-Positionen in Z-Richtung vorgegeben werden, die so gewählt sind, dass die Brennweite der Fokussiereinrichtung konstant gehalten wird, ohne dass die Fokussiereinrichtung bzw. eine dieser ggf. zugeordnete weitere Steuerungseinrichtung modifiziert werden muss. In allen weiter oben beschriebenen Fällen können von der Steuerungseinrichtung gezielt Bahnkurven zwischen zwei (End-)Punkten und/oder zwischen beliebigen Punkten bzw. Positionen in dem ebenen Bearbeitungsfeld identifiziert werden, bei denen die Differenz der Fokus-Positionen in Z-Richtung bzw. die Differenz der Brennweiten unter dem Schwellwert liegt, so dass die Brennweite der
Fokussiereinrichtung bei der Bewegung des Bearbeitungsstrahls entlang dieser Bahnkurven, beispielsweise in Form von geraden oder gekrümmten Linien bzw. in Form von gekrümmten Kurven, verändert werden muss. In diesem Fall führt die Steuerungseinrichtung typischerweise einen Vergleich zwischen dem Schwellwert und der Differenz zwischen den beiden Brennweiten bzw. zwischen dem Schwellwert und der maximalen Differenz zwischen den Fokus-Positionen entlang der Bahnkurve durch, um Bahnkurven zu identifizieren, bei denen die Veränderung der Brennweite nicht erforderlich ist.
Bei einer weiteren Ausführungsform weist die Fokussiereinrichtung ein
Fokussierelement auf, das im Strahlengang des Bearbeitungsstrahls vor dem mindestens einen Scannerspiegel angeordnet ist. Wie weiter oben beschrieben wurde, kann es sich bei dem Fokussierelement um ein optisches Element mit einer konstanten Brennweite handeln, beispielsweise um eine Fokussierlinse oder ggf. um einen Fokussierspiegel. Neben der Brennweite des Fokussierelements lässt sich typischerweise auch die Anordnung des Fokussierelements im Strahlengang des Bearbeitungsstrahls in der Regel nicht verändern.
Bei einer weiteren Ausführungsform weist die Fokussiereinrichtung zur Veränderung der Brennweite mindestens ein im Strahlengang vor dem mindestens einen Scannerspiegel angeordnetes, in Strahlrichtung des Bearbeitungsstrahls verschiebbar angeordnetes und/oder in der Brennweite veränderbares optisches Element auf. Bei dem optischen Element kann es sich beispielsweise um eine Fokussierlinse oder um eine Zerstreuungslinse handeln. Typischerweise weist die Fokussiereinrichtung zusätzlich zu dem im Strahlengang verschiebbar angeordneten optischen Element mindestens ein (ortsfestes) Fokussierelement mit einer typischerweise deutlich kleineren Brennweite und somit einer größeren Brechkraft auf, da das verschiebbare optische Element für die Realisierung einer dynamischen Veränderung der Fokus-Position bzw. der Brennweite nur eine vergleichsweise geringe Masse aufweisen sollte. Ggf. kann die Fokussiereinrichtung aber auch nur aus einem einzigen verschiebbaren oder auf andere Weise in der Brennweite veränderbaren optischen Element bestehen.
Alternativ zur Veränderung der Brennweite durch die Verschiebung des optischen Elements in Strahlrichtung des Bearbeitungsstrahls kann die Fokussiereinrichtung mindestens ein adaptives optisches Element mit einer einstellbaren Brennweite aufweisen. Bei dem optischen Element kann es sich beispielsweise um einen Umlenkspiegel mit - in gewissen Grenzen - einstellbarer Krümmung handeln, aber auch um eine andere Art von optischem Element, dessen Brennweite einstellbar ist, beispielsweise um eine Linse mit veränderbarer Krümmung.
Bei einer weiteren Ausführungsform ist die Bestrahlungseinrichtung zur Markierung eines in dem ebenen Bearbeitungsfeld angeordneten Werkstücks, genauer gesagt einer dort angeordneten Werkstückoberfläche, ausgebildet. Die
Bestrahlungseinrichtung kann zur Markierung (bzw. Beschriftung und/oder
Kennzeichnung) des Werkstücks beispielsweise eine Strahlquelle in Form eines Stablasers oder dergleichen aufweisen, wie dies in der DE 20 2013 100 969 U1 beschrieben ist. Gegebenenfalls kann bei einer solchen Bestrahlungseinrichtung nur ein Scannerspiegel vorgesehen sein, d.h. der Bearbeitungsstrahl kann von der Scannereinrichtung nur in einer Raumrichtung abgelenkt werden. Eine
zweidimensionale Markierung des Werkstücks kann in diesem Fall dadurch erfolgen, dass das Werkstück in einer zweiten, typischerweise zur ersten senkrechten
Raumrichtung verschiebbar gelagert ist. Eine zweidimensionale Markierung kann auch erfolgen, wenn der Scannerspiegel um zwei Achsen bzw. in zwei Raumrichtungen schwenkbar ist.
Die Erfindung betrifft auch eine Bearbeitungsmaschine zur Herstellung von
dreidimensionalen Bauteilen durch Bestrahlen von Pulverschichten, umfassend: eine Bestrahlungseinrichtung wie sie weiter oben beschrieben ist, sowie eine
Bearbeitungskammer mit einem ebenen Bearbeitungsfeld, in dem die zu
bestrahlende Pulverschicht anordenbar ist. Typischerweise sind für die Herstellung von dreidimensionalen Bauteilen durch das Bestrahlen von Pulverschichten höhere Leistungen erforderlich als für Beschriftungsanwendungen, weshalb die Strahlquelle der Bestrahlungseinrichtung bei einer solchen Bearbeitungsmaschine in der Regel eine höhere Leistung sowie ggf. eine andere Wellenlänge aufweist als dies bei einer Strahlquelle für eine Bestrahlungseinrichtung für Beschriftungsanwendungen der Fall ist. Bei der Strahlquelle kann es sich in diesem Fall - aber auch bei
Markierungsanwendungen - beispielsweise um einen Faserlaser handeln.
Die Bearbeitungsmaschine dient zum lokalen Aufschmelzen eines Pulverbetts bzw. einer Pulverschicht, die in dem ebenen Bearbeitungsfeld der Scannereinrichtung angeordnet ist, um durch die so genannte„laser metal fusion" (LMF) eine Schicht des dreidimensionalen Bauteils zu erzeugen. Auf der Höhe des ebenen
Bearbeitungsfeldes ist typischerweise eine Arbeitsfläche in der Bearbeitungskammer angeordnet.
Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zum Bestrahlen eines ebenen
Bearbeitungsfeldes mittels eines Bearbeitungsstrahls, insbesondere mittels eines Laserstrahls, umfassend: Bewegen des Bearbeitungsstrahls entlang einer Bahnkurve in dem ebenen Bearbeitungsfeld mittels einer Scannereinrichtung, wobei für den Fall, dass bei der Bewegung des Bearbeitungsstrahls entlang der Bahnkurve eine
Differenz zwischen einer maximalen Brennweite und einer minimalen Brennweite, die zur Fokussierung des Bearbeitungsstrahls in dem ebenen Bearbeitungsfeld erforderlich sind, unter einem Schwellwert liegt, oder wobei für den Fall, dass bei der Bewegung des Bearbeitungsstrahls entlang der Bahnkurve unter Beibehaltung der Brennweite eine maximale Differenz zwischen den Fokus-Positionen des
Bearbeitungsstrahls senkrecht zum Bearbeitungsfeld unter einem Schwellwert liegt, die Brennweite der Fokussiereinrichtung bei der Bewegung des Bearbeitungsstrahls entlang der Bahnkurve nicht verändert wird.
Wie weiter oben im Zusammenhang mit der Bestrahlungseinrichtung beschrieben wurde, wird auch bei dem Verfahren die Differenz zwischen den beiden Brennweiten bzw. die maximale Differenz zwischen den Fokus-Positionen senkrecht zum
Bearbeitungsfeld mit einem Schwellwert verglichen und die Brennweite der
Fokussiereinrichtung bei der Bewegung entlang der Bahnkurve wird nicht verändert, wenn die Differenz unter dem Schwellwert liegt. Auf diese Weise kann der Verschleiß von Komponenten der Fokussiereinrichtung durch eine nicht zwingend erforderliche Veränderung der Fokus-Position reduziert werden. Es versteht sich, dass für den
Fall, dass sich beim Vergleichen ergibt, dass die Differenz der Brennweiten über dem Schwellwert liegt, die Brennweite der Fokussiereinrichtung angepasst wird, um den Bestrahlungsprozess nicht negativ zu beeinflussen. Bei einer Variante wird der Schwellwert in Abhängigkeit von einer Rayleighlänge des Laserstrahls gewählt. Bevorzugt wird der Schwellwert nicht größer als die
Rayleighlänge des Laserstrahls gewählt. Der Schwellwert kann insbesondere einen Bruchteil der Rayleighlänge des Laserstrahls bilden, beispielsweise die Hälfte der Rayleighlänge, ein Fünftel der Rayleighlänge, ein Zehntel der Rayleighlänge, etc. Für eine bestimmte Anwendung, beispielsweise für die Beschriftung eines Werkstücks oder für den schichtweisen Aufbau von dreidimensionalen Bauteilen kann ein jeweils geeigneter numerischer Wert für den Schwellwert empirisch ermittelt werden.
Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der Zeich- nung. Ebenso können die vorstehend genannten und die noch weiter aufgeführten Merkmale je für sich oder zu mehreren in beliebigen Kombinationen Verwendung finden. Die gezeigten und beschriebenen Ausführungsformen sind nicht als abschließende Aufzählung zu verstehen, sondern haben vielmehr beispielhaften Charakter für die Schilderung der Erfindung.
Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer
Bestrahlungseinrichtung mit einer Scannereinrichtung und einer Fokussiereinrichtung zur Markierung eines Werkstücks mittels eines Laserstrahls,
Fig. 2a eine Detaildarstellung der Bestrahlungseinrichtung von Fig. 1 mit einer
Fokussiereinrichtung, die zur Fokussierung des Laserstrahls auf zwei unterschiedliche Positionen des Bearbeitungsfeldes zwei
unterschiedlichen Brennweiten erzeugt,
Fig. 2b eine Detaildarstellung des Laserstrahls bei der Fokussierung des
Laserstrahls auf zwei unterschiedliche Positionen des Bearbeitungsfeldes ohne eine Veränderung der Brennweite, sowie
Fig. 3 eine Darstellung einer Bearbeitungsmaschine zur Herstellung von
dreidimensionalen Bauteilen durch Bestrahlen von Pulverschichten mittels einer Bestrahlungseinrichtung, die analog zu Fig. 1 aufgebaut ist.
In der folgenden Beschreibung der Zeichnungen werden für gleiche bzw.
funktionsgleiche Bauteile identische Bezugszeichen verwendet. Fig. 1 zeigt einen beispielhaften Aufbau einer Bestrahlungseinrichtung 1 für die Markierung eines Werkstücks 2. Die Bestrahlungseinrichtung 1 weist eine
Strahlquelle 3 in Form eines Stablasers mit einem Laserstab 4 als aktivem
Lasermedium auf. Es versteht sich, dass an Stelle eines Stablasers auch eine andere Laserstrahlquelle in der Bestrahlungseinrichtung 1 verwendet werden kann. Die Strahlquelle 3 in Form des Stablasers emittiert einen Bearbeitungsstrahl 5 in Form eines Laserstrahls, der auf eine Fokussiereinrichtung 6 trifft, die dazu dient, den Laserstrahl 5 auf das Werkstück 2 zu fokussieren. Die Fokussiereinrichtung 6 weist zu diesem Zweck eine veränderliche (Gesamt-)Brennweite f auf, wie weiter unten näher beschrieben wird.
Der Laserstrahl 5 trifft nach dem Durchlaufen der Fokussiereinrichtung 6 auf eine Scannereinrichtung 7, die im gezeigten Beispiel zwei Scannerspiegel 9a, 9b aufweist, die jeweils über einen Galvanometerantrieb 8a, 8b gedreht bzw.
verschwenkt werden können, wie in Fig. 1 jeweils durch einen Doppelpfeil angedeutet ist. Die Scannereinrichtung 7 bzw. die beiden Scannerspiegel 9a, 9b ermöglichen eine zweidimensionale Ablenkung des Laserstrahls 5 in einem ebenen Bearbeitungsfeld E, das in Fig. 1 schematisch in Form eines Quadrats auf dem Werkstück 2 angedeutet ist. Das Bearbeitungsfeld E wird durch die maximale Auslenkung bzw. die maximalen Drehwinkel der Scannerspiegel 9a, 9b begrenzt. Die beiden Scannerspiegel 9a, 9b sind in Fig. 1 so angeordnet, dass der erste
Scannerspiegel 9a bei der Drehung um seine Drehachse den Laserstrahl 5 in Y- Richtung eines in Fig. 1 gezeigten XYZ-Koordinatensystems ablenkt, während der zweite Scannerspiegel 9b den Laserstrahl 5 in X-Richtung ablenkt.
Die Bewegung der beiden Galvanometerantriebe 8a, 8b zur Ablenkung des
Laserstrahls 5 und die Fokussiereinrichtung 6, genauer gesagt deren Brennweite f, werden mittels einer Steuerungseinrichtung 10 gesteuert. Bei dem in Fig. 1 gezeigten Beispiel wird auf dem Werkstück 2 eine Bahnkurve B in Form einer geraden Linie zwischen einer ersten Position Xi , Yi und einer zweiten Position X2, Y2 in dem ebenen Bearbeitungsfeld E erzeugt, indem der Bearbeitungsstahl 5 mit Hilfe der Scannereinrichtung 7 in dem ebenen Bearbeitungsfeld E bewegt wird. Zur
Vereinfachung der Darstellung verläuft die Linie zwischen den beiden Positionen Yi bzw. X2, Y2 des ebenen Bearbeitungsfeldes E in Y-Richtung, d.h. es wird nur der zweite Scannerspiegel 9b verschwenkt, um den Bearbeitungsstrahl 5 von der ersten Position Xi, Yi an die zweite Position X2, Y2 zu bewegen. Es versteht sich aber, dass die beiden Positionen Xi , Yi; X2, Y2 in dem ebenen Bearbeitungsfeld E grundsätzlich beliebig gewählt werden können und dass es sich bei der Bahnkurve B nicht zwingend um eine gerade Linie handelt.
Fig. 2a zeigt ein Detail der Bestrahlungseinrichtung 1 von Fig. 1 , bei dem zur
Vereinfachung der Darstellung nur der zweite Scannerspiegel 9b der
Scannereinrichtung 7 dargestellt ist. Im Strahlweg vor dem Scannerspiegel 9b bzw. vor der Scannereinrichtung 7 ist die Fokussiereinrichtung 6 mit einer ersten, statischen Fokussierlinse 1 1 mit konstanter Brennweite sowie einer zweiten, in Strahlrichtung des Bearbeitungsstrahls 5 verschiebbaren Fokussierlinse 12 angeordnet. Zur Verschiebung der zweiten Fokussierlinse 12 in Strahlrichtung des Bearbeitungsstrahls 5 dient eine Verschiebeeinrichtung, die in Fig. 2a durch einen Doppelpfeil angedeutet ist. Durch die Verschiebung der zweiten Fokussierlinse 12 kann die (Gesamt- )Brennweite der Fokussiereinrichtung 6 verändert werden, und zwar derart, dass die Fokus-Position Zi, Z2 an den beiden (beliebigen) Positionen Xi , Yi bzw. X2, Y2 in Z- Richtung stets auf Höhe des ebenen Bearbeitungsfelds E in Z-Richtung liegt. Für den Fall, dass der Ursprung der Z-Achse auf der Höhe des ebenen Bearbeitungsbereichs E liegt, gilt Zi = Z2 = 0. Wie in Fig. 2a zu erkennen ist, wird eine erste Brennweite fi der Fokussiereinrichtung 6 an der ersten Position Xi , Yi, in welcher der
Bearbeitungsstrahl 5 senkrecht auf den ebenen Bearbeitungsbereich E auftrifft und welche das Zentrum des Bearbeitungsfeldes E bildet, zu diesem Zweck auf eine zweite Brennweite f2 an der zweiten Position X2, Y2 vergrößert. An der zweiten Position X2, Y2 ist der zweite Scannerspiegel 9b um einen Ablenkwinkel α gegenüber der senkrechten Ausrichtung an der ersten Position Xi , Yi verschwenkt. Die
Differenz der zweiten Brennweite f2 zur ersten Brennweite fi ist so gewählt, dass die Längendifferenz zwischen der in Fig. 2a dargestellten Kreisbahn 13, die der
Bearbeitungsstrahl 5 bei der Beibehaltung der ersten Brennweite fi zu dem ebenen Bearbeitungsfeld E aufweisen würde, und dem ebenen Bearbeitungsfeld E genau ausgeglichen wird. Ohne eine solche Veränderung der Brennweite f der
Fokussiereinrichtung 6 würde eine Defokussierung des Bearbeitungsstrahls 5 in dem ebenen Bearbeitungsbereich E auftreten, die typischerweise unerwünscht ist, da diese zu einer ungewollten Verbreiterung der Linienstärke bei der Markierung des Werkstücks 2 führen würde. Durch die Vergrößerung der Linienstärke bzw. der bestrahlten Fläche ist die Intensität des Laserstrahls 5 geringer, wodurch ggf. ein anderer Markierungsprozess oder - beim Unterschreiten einer für das Markieren erforderlichen Intensitätsschwelle - keine Markierung des Werkstücks 2 erfolgt.
Fig. 2b zeigt den Fall, dass die beiden Positionen Xi , Yi bzw. X2, Y2 in dem ebenen Bearbeitungsfeld E einen vergleichsweise kleinen Abstand A von etwa 20 mm sowie einen Ablenkwinkel α von ca. 7,5° zueinander aufweisen. Der Bearbeitungsstrahl 5 in Form des Laserstrahls kann im Bereich der Strahltaille in guter Näherung mit den Parametern eines Gaußstrahls beschrieben werden, d.h. durch einen (minimalen) Radius R des Strahlquerschnitts sowie durch die Rayleighlänge ZR in Strahlrichtung des Laserstrahls 5, bei welcher die Querschnittsfläche auf das Doppelte ansteigt, wie dies in Fig. 2b angedeutet ist. Für die Rayleighlänge ZR, den minimalen Radius r und die Wellenlänge λ0 des Laserstrahls 5 gilt bei Luft (n= 1 ,0) als umgebendem Medium: ZR = π r2 / λ0. Für das Beispiel eines Laserstrahls 5 mit einer Wellenlänge λ0 von ca. 1064 nm und einem Fokusdurchmesser 2 r von ca. 100 μιτι ergibt sich eine
Rayleighlänge ZR von etwas mehr als 7 mm. Da sich innerhalb der Rayleighlänge ZR die Querschnittsfläche des Laserstrahls 5 verdoppelt, kann man den Laserstrahl 5 über vergleichsweise große Ablenkwinkel α zwischen den beiden Positionen Xi , Yi bzw. X2, Y2 auslenken, ohne dass die Querschnittsfläche des Laserstrahls 5 in dem ebenen Bearbeitungsbereich E signifikant zunimmt. So liegt beispielsweise bei dem in Fig. 2b gezeigten Beispiel die Differenz Af zwischen der Brennweite fi an der ersten Position Yi in dem ebenen Bearbeitungsfeld E und der Brennweite f2 an der zweiten Position X2, Y2, die zur Fokussierung des Bearbeitungsstrahls 5 auf das ebene Bearbeitungsfeld E benötigt würde, unterhalb der Rayleighlänge ZR, wobei bei dem in Fig. 2b gezeigten Beispiel ungefähr gilt Af < ZR / 2. Wie in Fig. 2b ebenfalls zu erkennen ist, liegt für den Fall, dass bei der Bewegung des Bearbeitungsstrahls 5 von der ersten Position X1 , Y1 in dem ebenen
Bearbeitungsbereich E an die zweite Position X2, Y2 in dem ebenen
Bearbeitungsbereich E die Brennweite fi der Fokussiereinrichtung 6 für die erste Position X1, Y1 beibehalten wird, die Querschnittsfläche des Laserstrahls 5 in dem ebenen Bearbeitungsbereich E unter dem Doppelten der minimalen
Querschnittsfläche an der Strahltaille des Laserstrahls 5. Daher kann bei dem in Fig. 2b gezeigten Beispiel bei der Bewegung des Laserstrahls 5 die Brennweite fi an der ersten Position X1 , Y1 - oder ggf. eine andere (konstante) Brennweite, z.B. der Mittelwert aus den beiden Brennweiten fM = (fi + f2) 1 2 - beibehalten werden, d.h. es ist nicht erforderlich, bei einer solchen Bewegung des Laserstrahls 5 von der ersten Position Yi an die zweite Position X2, Y2 die bewegliche Linse 12 der
Fokussiereinrichtung 6 zu verschieben.
Bei dem in Fig. 2a, b gezeigten Beispiel, bei dem die erste Position X1 , Y1 dem
Zentrum des ebenen Bearbeitungsfeldes E entspricht und bei dem die zweite
Position X2, Y2 einen maximalen Abstand vom Zentrum des Bearbeitungsfelds E entlang der Bahnkurve B aufweist, entspricht die Brennweite fi der
Fokussiereinrichtung 7 an der ersten Position X1, Y1 der minimalen Brennweite fmin entlang der Bahnkurve B und die Brennweite f2 der Fokussiereinrichtung 7 an der zweiten Position X2, Y2 entspricht der maximalen Brennweite fmax entlang der Bahnkurve B. Es versteht sich, dass die Positionen Xi, Yi bzw. X2, Y2, an denen die minimale Brennweite fmin und die maximale Brennweite fmax entlang der Bahnkurve B eingenommen werden, nicht mit den Endpunkten Xi, Yi bzw. X2, Y2 der Bahnkurve B übereinstimmen müssen.
Die Steuerungseinrichtung 10 steuert in diesem Fall, bei dem die Differenz Af = fmax - fmin zwischen der maximalen Brennweite fmax an der zweiten Position X2, Y2 und der minimalen Brennweite fmin an der ersten Position Xi, Yi unter einem Schwellwert Afs liegt, der typischerweise von der Rayleighlänge ZR abhängt und insbesondere der Rayleighlänge ZR entspricht (Afs = ZR) oder ein Bruchteil der Rayleighlänge ZR ist, die Fokussiereinrichtung 6 derart an, dass die bewegliche Linse 12 nicht verschoben wird. Auf diese Weise kann der Verschleiß der Fokussiereinrichtung 6 reduziert und deren Lebensdauer erhöht werden.
Für den Fall, dass der Steuerungseinrichtung 10 für die Steuerung der
Galvanoantriebe 8a, 8b und der Fokussiereinrichtung 7 nur zweidimensionale Koordinaten (d.h. nur die Positionen in X- und in Y-Richtung) zur Verfügung gestellt werden, kann die Steuerungseinrichtung 10 mit Hilfe des Schwellwerts Afs diejenigen Vektoren zwischen zwei Punkten Xi, Yi bzw. X2, Y2 identifizieren, an denen an Stelle der (konstanten) Fokus-Position Z = 0, die dem ebenen Bearbeitungsfeld E entspricht, eine Fokus-Position in Z-Richtung verwendet werden kann, die von dem ebenen Bearbeitungsfeld E abweicht. Bei dem in Fig. 2b gezeigten Beispiel kann an der ersten Position Xi, Yi die Fokus-Position Z1 = 0 auf der Höhe des ebenen Bearbeitungsfeldes E gewählt werden, während an der zweiten Position X2, Y2 eine Fokus-Position Z2 in Z-Richtung verwendet wird, die auf einer Kugelschale 13 liegt, die an das ebene Bearbeitungsfeld E angrenzt bzw. dieses tangiert und deren Radius R dem Abstand in Z-Richtung zwischen dem zweiten Scannerspiegel 9b und dem ebenen Bearbeitungsbereich E entspricht. Wie weiter oben beschrieben wurde, kann durch die Vorgabe der beiden Fokus-Positionen Zi, Z2, sowie weiterer Fokus- Positionen, die auf der Kugelschale 13 liegen und die weiteren Positionen entlang der Bahnkurve B entsprechen, die Brennweite fi der Fokussiereinrichtung 6 für die Bahnkurve B bzw. die Linie zwischen der ersten Position Xi, Yi und der zweiten Position X2, Y2 konstant gehalten werden. Es versteht sich, dass alternativ der Fokussiereinrichtung 6 ein Steuerbefehl vorgegeben werden kann, die ein Verfahren der zweiten Linse 12 in Strahlrichtung des Bearbeitungsstrahls 5 verhindert, wenn der zweite Scannerspiegel 9b
verschwenkt wird, um den Bearbeitungsstrahl 5 in dem ebenen Bearbeitungsfeld E entlang der Bahnkurve B von der ersten Position Xi , Yi an die zweite Position X2, Y2 zu bewegen. Äquivalent bzw. alternativ zur dem Schwellwert Af in Form der Differenz fi - f2 zwischen den Brennweiten fi, f2 kann ggf. auch die maximale Differenz ΔΖ = Z1 - Z2 zwischen den Fokus-Positionen Zi, Z2 in Z-Richtung auf der Kugelschale 13, welche das Bearbeitungsfeld E tangential berührt, entlang der Bahnkurve B mit einem Schwellwert AZS verglichen werden, der von der Rayleighlänge ZR des
Laserstrahls 5 abhängig ist. Im gezeigten Beispiel wird der minimale Wert der Fokus- Position Zi = 0 an der ersten Position Xi, Yi angenommen und der maximale Wert der Fokus-Position Z2 = 3 mm wird an der zweiten Position X2, Y2 angenommen, d.h. es gilt ΔΖ = | Z2 - Zi | = 3 mm. Diese Differenz ΔΖ ist kleiner als der Schwellwert AZS, der im gezeigten Beispiel ebenfalls der halben Rayleighlänge ZR / 2 entspricht.
Fig. 3 zeigt eine Bearbeitungsmaschine 15, die eine Bestrahlungseinrichtung 1 aufweist, bei der wie in Fig. 2a zur Vereinfachung der Darstellung nur der zweite Scannerspiegel 9b der Scannereinrichtung 7 dargestellt ist. Die
Bestrahlungseinrichtung 1 von Fig. 3 unterscheidet sich von der in Fig. 1 gezeigten Bestrahlungseinrichtung 1 lediglich dadurch, dass als Strahlquelle 3 ein Faserlaser verwendet wird, der eine Leistung von z.B. mehr als 1 kW erzeugt. Die
Bestrahlungseinrichtung 1 dient zur Bestrahlung einer in einer Bearbeitungskammer 16 angeordneten Pulverschicht 14, welche die oberste Schicht eines Pulverbetts 19 bildet, in dem ein dreidimensionales Bauteil 20, genauer gesagt die bereits
hergestellten Schichten des dreidimensionalen Bauteils 20, eingebettet sind.
Für das Erzeugen einer neuen Schicht des dreidimensionalen Bauteils 20 wird zunächst aus einem in der Bearbeitungskammer 16 angeordneten Pulverreservoir- Behälter 22 Pulver entnommen und von einem Pulverreservoir-Bereich 18, in dem der Pulverreservoir-Behälter 22 sich befindet, in den Bauplattformbereich 17 verbracht. Im gezeigten Beispiel wird zu diesem Zweck eine nicht näher dargestellte Schiebevorrichtung verwendet, welche das Pulver von dem Pulverreservoir-Bereich 18 in den Bauplattformbereich 17 überführt, indem das Pulver auf der Oberseite einer in der Bearbeitungsebene E befindlichen Arbeitsfläche verschoben wird. Ein Stempel 21 in dem Bauplattformbereich 17 und somit das Pulverbett 19 wird parallel um die Schichtdicke einer Pulverschicht nach unten verschoben, wie in Fig. 3 durch einen Pfeil angedeutet ist, bevor die Bestrahlung der (neuen) Pulverschicht 14 in dem Bauplattformbereich 17 durchgeführt wird.
Ein ebenes Bearbeitungsfeld E für die Durchführung der Bestrahlung der
Pulverschicht 14 ist seitlich durch den Bauzylinder des Bauplattformbereichs 17 begrenzt. Die Abmessung des ebenen Bearbeitungsfeldes E, die beispielsweise bei ca. 30 cm liegen kann, ist an den (maximalen) Umlenkwinkel α des
Bearbeitungsstrahls 5 durch die Scannereinrichtung 7 angepasst, d.h. die Scanner- Spiegel 9a, 9b können so weit um ihre jeweilige Drehachse gedreht werden, dass jeder Ort des ebenen Bearbeitungsfeldes E erreicht werden kann.
Wie im Zusammenhang mit Fig. 1 und mit Fig. 2a, b beschrieben wurde, kann auch bei der in Fig. 3 beschriebenen Bearbeitungsmaschine 15 die Brennweite der Fokussiereinrichtung 6 konstant gehalten werden, wenn die Differenz Af = fmax - fmin zwischen der maximalen Brennweite fmax und der minimalen Brennweite fmin, die entlang der Bahnkurve B auftreten, unter einem Schwellwert Afs liegt. Auch die maximale Differenz ΔΖ zwischen den Fokus-Positionen Zi, Z2 in Z-Richtung, die entlang der Bahnkurve B auftreten, kann wie weiter oben beschrieben mit einem Schwellwert AZS verglichen werden, um zu prüfen, ob die Brennweite der
Fokussiereinrichtung 6 entlang der Bahnkurve B konstant gehalten werden kann. Auf diese Weise kann auch bei der in Fig. 3 gezeigten Bearbeitungsmaschine 15 die Lebensdauer der Fokussiereinrichtung 6 erhöht werden.

Claims

Patentansprüche
1 . Bestrahlungseinrichtung (1 ), umfassend:
eine Strahlquelle (3) zur Erzeugung eines Bearbeitungsstrahls (5), insbesondere eines Laserstrahls,
eine Scannereinrichtung (7) mit mindestens einem Scannerspiegel, bevorzugt mit zwei Scannerspiegeln (9a, 9b), zum Ausrichten des Bearbeitungsstrahls (5) auf ein ebenes Bearbeitungsfeld (E),
eine Fokussiereinrichtung (6), die zur Fokussierung des Bearbeitungsstrahls (5) in dem ebenen Bearbeitungsfeld (E) eine veränderbare Brennweite (f, fi , f2) aufweist,
gekennzeichnet durch
eine Steuerungseinrichtung (10), die ausgebildet ist, die Fokussiereinrichtung (6) anzusteuern, so dass sich die Brennweite (f) der Fokussiereinrichtung (6) bei der Bewegung des Bearbeitungsstrahls (5) entlang einer Bahnkurve (B) in dem ebenen Bearbeitungsfeld (E) nicht verändert, wenn bei der Bewegung des Bearbeitungsstrahls (5) entlang der Bahnkurve (B) eine Differenz (Af = fmax - fmin) zwischen einer maximalen Brennweite (fmax) und einer minimalen Brennweite (fmin) der Fokussiereinrichtung (6), die zur Fokussierung des Bearbeitungsstrahls (5) in dem ebenen Bearbeitungsfeld (E) erforderlich sind, unter einem
Schwellwert (Afs) liegt, oder wenn bei der Bewegung des Bearbeitungsstrahls (5) entlang der Bahnkurve (B) unter Beibehaltung der Brennweite (fi ) eine maximale Differenz (ΔΖ = Z2 - Zi ) zwischen den Fokus-Positionen (Z2, Zi ) des
Bearbeitungsstrahls (5) senkrecht zum Bearbeitungsfeld (E) unter einem
Schwellwert (AZS) liegt.
2. Bestrahlungseinrichtung nach Anspruch 1 , bei der die Strahlquelle (3) zur
Erzeugung eines Laserstrahls (5) ausgebildet ist und bei der die
Steuerungseinrichtung (10) ausgebildet ist, den Schwellwert (Afs, AZS) in
Abhängigkeit von einer Rayleighlänge (ZR) des Laserstrahls (5) festzulegen.
3. Bestrahlungseinnchtung nach Anspruch 2, bei welcher der Schwellwert (Afs, AZS) nicht größer als die Rayleighlänge (ZR) des Laserstrahls (5) ist, bevorzugt nicht größer als die Hälfte, besonders bevorzugt nicht größer als ein Fünftel, insbesondere nicht größer als ein Zehntel der Rayleighlänge (ZR) ist.
4. Bestrahlungseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Steuerungseinrichtung (10) ausgebildet ist, für Positionen (Xi, Υι; X2, Y2; ...) entlang der Bahnkurve (B) in dem ebenen Bearbeitungsfeld (E) Fokus-Positionen (Zi, Z2, ...) senkrecht zu dem ebenen Bearbeitungsfeld (E) zu bestimmen, die auf einer gemeinsamen Kugelschale (13) liegen, die das ebene Bearbeitungsfeld (E) tangential berührt und deren Radius (R) mit dem Abstand zwischen dem
Scannerspiegel (9b) und dem ebenen Bearbeitungsfeld (E) übereinstimmt.
5. Bestrahlungseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welcher die Fokussiereinrichtung (6) ein Fokussierelement (11 ) aufweist, das im
Strahlengang des Bearbeitungsstrahls (5) vor dem mindestens einen
Scannerspiegel (9a, 9b) angeordnet ist.
6. Bestrahlungseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welcher die Fokussiereinrichtung (6) zur Veränderung der Brennweite (fi, h) mindestens ein im Strahlengang des Bearbeitungsstrahls (5) vor dem mindestens einen Scannerspiegel (9a, 9b) angeordnetes, in Strahlrichtung des Bearbeitungsstrahls (5) verschiebbar angeordnetes und/oder in der Brennweite (f) veränderbares optisches Element (12) aufweist.
7. Bestrahlungseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, die zur Beschriftung eines in dem ebenen Bearbeitungsfeld (E) angeordneten
Werkstücks (2) ausgebildet ist.
8. Bearbeitungsmaschine (15) zur Herstellung von dreidimensionalen Bauteilen (20) durch Bestrahlen von Pulverschichten (14), umfassend:
eine Bestrahlungseinrichtung (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, sowie eine Bearbeitungskammer (16) mit einem ebenen Bearbeitungsfeld (E), in dem die zu bestrahlende Pulverschicht (16) anordenbar ist.
9. Verfahren zum Bestrahlen eines ebenen Bearbeitungsfeldes (E) mittels eines Bearbeitungsstrahls (5), insbesondere mittels eines Laserstrahls, umfassend: Bewegen des Bearbeitungsstrahls (5) entlang einer Bahnkurve (B) des ebenen Bearbeitungsfeldes (E) mittels einer Scannereinrichtung (7), wobei für den Fall, dass bei der Bewegung des Bearbeitungsstrahls (5) entlang der Bahnkurve (B) eine Differenz (Af = fmax - fmin) zwischen einer maximalen Brennweite (fmax) und einer minimalen Brennweite (fmin), die zur Fokussierung des Bearbeitungsstrahls (5) in dem ebenen Bearbeitungsfeld (E) erforderlich sind, unter einem
Schwellwert (Afs) liegt, oder dass bei der Bewegung des Bearbeitungsstrahls (5) entlang der Bahnkurve (B) unter Beibehaltung der Brennweite (fi ) eine maximale Differenz (ΔΖ = Z2 - Zi ) zwischen den Fokus-Positionen (Z2, Zi ) des
Bearbeitungsstrahls (5) senkrecht zum Bearbeitungsfeld (E) unter einem
Schwellwert (AZS) liegt, die Brennweite (fi ) der Fokussiereinrichtung (6) bei der Bewegung des Bearbeitungsstrahls (5) entlang der Bahnkurve (B) nicht verändert wird.
10. Verfahren nach Anspruch 9, bei dem der Schwellwert (Afs) in Abhängigkeit von einer Rayleighlänge (ZR) des Laserstrahls (5) gewählt wird, wobei der
Schwellwert (Afs) bevorzugt nicht größer als die Rayleighlänge (ZR) des
Laserstrahls (5) gewählt wird.
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