WO2019149872A1 - Vorrichtung zur lasermaterialbearbeitung mit einer eine relayoptik aufweisenden sensoreinheit - Google Patents

Vorrichtung zur lasermaterialbearbeitung mit einer eine relayoptik aufweisenden sensoreinheit Download PDF

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scanning mirror
scanner
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Martin Becker
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Scanlab Gmbh
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    • B23K26/60—Preliminary treatment

Definitions

  • the present invention relates to a device for, in particular, industrial laser material processing of at least one workpiece with a processing scanner for guiding a laser focus of a processing laser beam along a path on the workpiece which comprises a movable scanning mirror for deflecting the processing laser beam is arranged in a processing beam path of the processing laser such that the processing laser beam for adapting the position of the laser focus is deflectable before the exit of the processing laser beam from the processing scanner final, and with a sensor unit having a sensor for detecting an analysis area on the Workpiece includes.
  • the invention relates to a method for operating a device for laser material processing of at least one workpiece, in which a laser focus of a processing laser beam is guided with a processing scanner on the workpiece along a path, wherein the processing laser beam for this purpose with a movable scanning mirror before the exit of the processing laser beam is deflected from the processing scanner final, and in which a sensor of a sensor unit an analysis area is detected on the workpiece.
  • the joining device has a feed device and a beam guiding device connected to it for guiding the laser beam, wherein the beam guiding device can be moved along a feed direction by means of the feed device.
  • the beam guidance device has at least one low-frequency deflection unit and at least one floh frequency deflection unit for guiding the laser beam, which are arranged serially in the beam path of the laser beam, wherein the at least one low-frequency deflection unit for oscillating movement of the laser beam along a direction with a first oscillation frequency and the at least one high-frequency deflection unit for oscillating the laser beam along the same direction with a second oscillation frequency, the second oscillation frequency being greater than the first oscillation frequency.
  • a measuring light of a seam guiding sensor system is coupled into the beam path of the processing scanner.
  • the disadvantage here is that the data acquisition of the suture tracking sensor is adversely affected at least by the movement of the downstream scanning mirror. This again makes the data acquisition inaccurate.
  • the detection range of the seam guidance sensor can be freely selected close to the joining position of the laser beam and not independently of it.
  • the object is achieved by a device for laser material processing and by a method for operating such a device for laser material processing with the features of the independent patent claims.
  • a device is proposed for laser material processing of at least one workpiece, in particular for welding, cutting, drilling, engraving, structuring, heat treatment, coating, 3D printing (eg additive manufacturing and / or generative manufacturing) and / or volume build-up (eg rapid prototyping and / or selective sintering).
  • the device is preferably a, in particular industrial, machine tool and / or laser processing machine.
  • the device is not for medical, especially surgical, applications intended.
  • the device is not suitable for medical, in particular surgical, applications.
  • the apparatus comprises a processing scanner for guiding a laser focus of a processing laser beam along a path on the workpiece.
  • the processing scanner has a movable scanning mirror for deflecting the processing laser beam.
  • the scanning mirror is arranged in a processing beam path of the processing laser in such a way that the processing laser beam can finally be deflected from the processing scanner in order to adapt the position of the laser focus to the exit of the processing laser beam. Accordingly, if the processing scanner has a plurality of scan mirrors, the scan mirror described above, in particular the last scan mirror, i. the one who in the propagation direction of the processing laser beam can last adjust the position of the laser focus. If the processing scanner has only a single scanning mirror, the scanning mirror described above is exactly the same as the latter, since the latter also controls the laser focus prior to the exit of the processing laser beam final, i. as the last deflection, distracts.
  • the device further comprises a sensor unit.
  • the sensor unit has a sensor for detecting an analysis area on the workpiece.
  • the scanning mirror is permeable to sensor radiation of the sensor.
  • a sensor beam path of the sensor unit passes through the transmissive scanning mirror.
  • data can thus be acquired by the sensor in the analysis area through the scanning mirror, without the data acquisition being negatively influenced by the movement of any scanning mirror. The data acquisition is thus decoupled from the mirror movement to the method of the laser focus and / or to the wobbling of the laser focus.
  • wobble is to be understood as meaning a high-frequency movement of the laser focus.
  • the laser focus with small amplitude is present preferably guided transversely to the feed over the machining path.
  • this makes it possible to adapt the local distribution of the energy input, in particular to the respective processing task and / or the materials used, for example to favorably influence the geometry or the tendency of a weld to crack.
  • the weld width can be kept constant.
  • the sensor unit comprises a relay optics.
  • the relay optics is arranged in the sensor beam path between the sensor and the transmissive scanning mirror. Furthermore, this is designed such that it images one sensor-side first imaging plane and one scan-mirror-side second imaging plane into one another. The sensor-side first imaging plane and the second imaging plane on the scan mirror side are thus conjugated via the relay optics.
  • the relay optics form a plane as an object onto a second plane, ie an image.
  • the relay optics thus transports a picture to another location.
  • the relay optics form two spaced apart planes from each other. As a result, a picture can be transported through long and thin sections with free words.
  • the relay optic is preferably designed such that the puncture position of the sensor beam path does not change by the scanning mirror, even if the sensor beam is deflected. With the relay optics, the field of view of the sensor spaced from the scanning mirror can thus be increased.
  • the transmissive scanning mirror is designed such that it at least partially reflects a machining radiation of the machining laser beam and / or emitted by the sensor and / or from the anode. lysis area, in particular reflected and / or scattered sensor radiation.
  • the sensor beam path can thus be superposed with the machining beam path at least in one part.
  • the sensor beam path is decoupled, essentially or largely, from the movement of the transmissive scanning mirror, so that movement of the scanning mirror has no or only a very small effect on the position and / or orientation of the sensor beam path and, as a result on the data collected by the sensor, in particular on the accuracy of the position of the data acquisition or the analysis area has.
  • the processing radiation and the sensor radiation have mutually different wavelengths or wavelength ranges. Additionally or alternatively, it is advantageous if the permeable scanning mirror for reflecting the processing radiation, in particular on its front side and / or its rear side, has a dichroic coating corresponding to the wavelength range of the processing radiation.
  • the front side and / or the back of the transmissive scanning mirror for transmitting the sensor radiation has an antireflective coating which corresponds to the wavelength range of the sensor radiation.
  • the front side and the back side of the transmissive scanning mirror are plane-parallel to one another in a passage region of the sensor radiation.
  • the passage region forms only a partial region of the entire scanning mirror surface.
  • the passage area is furthermore arranged in particular centrally on the scanning mirror.
  • the machining radiation and the sensor radiation at least in the region of the scanning mirror, have mutually different polarizations and the transmissive scanning mirror is designed such that it reflects the machining radiation with the one polarization and lets the sensor radiation through with the other polarization.
  • the permeable scanning mirror it is advantageous for the permeable scanning mirror to be semitransparent.
  • the senor is designed in such a way that a planar analysis region can be detected with it.
  • the sensor comprises a detector and / or an optical system for the planar imaging of the analysis area, in particular of an object located therein, on the detector.
  • the sensor is preferably a camera, which in particular comprises a photosensor and / or a camera lens.
  • the senor is designed such that a punctiform analysis region can be detected with it.
  • the sensor is preferably a point distance sensor, in particular an OCT sensor (optical coherence tomography) or an optical coherence tomograph.
  • the analysis area is essentially punctiform.
  • the analysis area is, as explained above, flat, in particular rectangular, formed.
  • a laser measurement beam of the OCT sensor can be deflected by a movable deflection means, in particular by at least one sensor mirror , As a result, the punctiform analysis region of the OCT sensor can be moved within a two-dimensional detection range.
  • the sensor unit comprises a sensor scanner arranged in the sensor beam path between the sensor and the relay optics, in particular with at least one movable sensor mirror.
  • the sensor scanner can have a single sensor mirror, which is movably mounted around several axes of rotation.
  • the sensor scanner may also comprise at least two separate sensor mirrors which are each only rotatable about an axis of rotation.
  • the axes of rotation of the two sensor mirrors are rotated relative to one another by an angle or offset.
  • the at least one sensor mirror can be operated, for example, with one or more galvanomoter drives.
  • the sensor-side first imaging plane of the relay optics is arranged in the sensor beam path in or near the sensor, in particular if the sensor unit does not comprise a sensor scanner.
  • the sensor-side first imaging plane of the relay optics is arranged in the sensor beam path in or near the sensor mirror, in particular if the sensor scanner comprises only a single sensor mirror. As a result, the detection field or the maximum deflectability of the analysis area can be maximized.
  • the sensor-side first imaging plane of the relay optics is arranged in the sensor beam path, in particular centrally, between a first and a second sensor mirror.
  • the scan mirror-side second imaging plane of the relay optics is arranged in the sensor beam path in or near the transmissive scan mirror. is net. As a result, the field of view of the sensor can be maximized and / or the puncture area can be minimized.
  • the relay optics is an optical telescope, in particular a Kepler telescope, and / or comprises the optics of a plurality of Kepler telescopes lined up one behind the other.
  • the relay optics comprises a sensor-side first optics and a second optics which are on the scan mirror side and which preferably each comprise at least one convergent lens and / or a lens system.
  • the distance between the two optics corresponds to the sum of their two focal lengths.
  • the two inner foci of the two optics are at least very close together, whereby they lie substantially one above the other in particular in a common focal point of the relay optics.
  • an axis of rotation of the sensor mirror is arranged in or near the focal point of the first optical system and / or an axis of rotation of the transmissive scanning mirror in or near the focal point of the second optical system. This is particularly advantageous if the passage through the permeable scanning mirror in one direction has to be particularly narrow.
  • the processing scanner for guiding the laser focus in the processing beam path comprises at least at least one movable scanning mirror located upstream of the transmissive scanning mirror in the propagation direction of the processing laser beam. Additionally or alternatively, the processing scanner comprises a plurality of scanning mirrors. Furthermore, it is advantageous if the transmissive scanning mirror in the propagation direction of the processing laser beam forms the last of these scanning mirrors of the processing scanner.
  • the processing scanner has means for sweeping the laser focus, in particular a control unit, with which the at least one scan mirror can be controlled in addition to a low-frequency path control signal with a superimposed thereon and in comparison to this high-frequency sweep signal.
  • the device has a control unit which is designed such that it drives the at least one sensor mirror at least taking into account the mirror position of the transmissive scanning mirror, in particular as a function of its low-frequency path control signal and / or high-frequency wobble signal ,
  • a control unit which is designed such that it drives the at least one sensor mirror at least taking into account the mirror position of the transmissive scanning mirror, in particular as a function of its low-frequency path control signal and / or high-frequency wobble signal
  • the sensor unit and the processing scanner are integrated in a common housing.
  • the processing scanner and the sensor unit separate Are components that are preferably releasably connected together.
  • the processing scanner and / or the sensor unit are individually interchangeable.
  • a method for operating a device for laser material processing of at least one workpiece in particular for welding, cutting, drilling, engraving, structuring, heat treatment, coating, 3D printing (eg additive manufacturing and / or generative manufacturing) and / or volume construction (eg Rapid Prototyping and / or selective sintering).
  • the device is preferably one, in particular industrial, machine tool and / or laser processing machine.
  • the device is not intended for medical, in particular chirurgical, applications.
  • the device is not suitable for medical, in particular surgical, applications.
  • the device is preferably designed according to the preceding description, wherein said features may be present individually or in any combination.
  • a laser focus of a processing laser beam is guided along the path with a processing scanner on the workpiece.
  • the processing laser beam with a movable scanning mirror is deflected before the exit of the processing laser beam from the processing scanner final. Furthermore, in the method with a sensor of a sensor unit, an analysis area is detected on the workpiece.
  • the sensor detects the analysis area on the workpiece indirectly via relay optics through the final deflectable scanning mirror.
  • the relay optics is arranged in a sensor beam path between the sensor and the scanning mirror and forms a sensor-side first imaging plane and a scan mirror-side second imaging plane into one another. Since the sensor unit, in particular the sensor, must have a certain distance from the transmissive scanning mirror of the processing scanner, the maximum field of view of the sensor is limited since the transmissive scanning mirror is comparable to a keyhole. With the relay optics, the puncture position of the Sensor beam path through the scanning mirror. Flier barn the field of view of the sensor can be increased.
  • the analysis area in particular of a control unit, which is preferably designed according to the preceding description, via a arranged in the sensor beam path between the sensor and the relay optics sensor scanner, in particular for process monitoring in the laser focus, for quality control in a trajectory and / or to improve the accuracy in a web advance, is moved.
  • This can be done online, i. during the editing process, or offline, i. before or after the machining process.
  • FIG. 1 shows a schematic representation of a relay optics which images two image planes into one another
  • FIG. 2 is a schematic representation of a first exemplary embodiment of a device for laser material processing with a relay optical system shown in FIG. 1 and a sensor beam path passing through the last scanning mirror;
  • FIG. 4 a schematic representation of a second exemplary embodiment of the device for laser material processing with a relay optics shown in FIG. 1 and a sensor unit having a sensor scanner
  • 5 shows a detailed view of the sensor unit of the apparatus for laser material processing shown in FIG. 4 in a schematic representation
  • FIG. 4 a schematic representation of a second exemplary embodiment of the device for laser material processing with a relay optics shown in FIG. 1 and a sensor unit having a sensor scanner
  • 5 shows a detailed view of the sensor unit of the apparatus for laser material processing shown in FIG. 4 in a schematic representation
  • FIG. 4 a schematic representation of a second exemplary embodiment of the device for laser material processing with a relay optics shown in FIG. 1 and a sensor unit having a sensor scanner
  • 5 shows a detailed view of the sensor unit of the apparatus for laser material processing shown in FIG. 4 in a schematic representation
  • FIG. 4 a schematic representation of a second exemplary embodiment of the device for laser material processing with a relay optics shown in FIG. 1 and a
  • FIG. 1 shows a greatly simplified schematic representation of a relay optics 2.
  • a relay optics 2 is used in a device 1 for laser material processing of at least one workpiece 3, as explained in detail below.
  • the device 1 is used in particular for welding, cutting, drilling engraving, structuring, heat treatment, coating, 3D printing (eg additive manufacturing and / or generative manufacturing) and / or volume building (eg rapid prototyping and / or selective sintering).
  • the device 1 is preferably a, in particular industrial, machine tool and / or laser processing machine.
  • the device is not intended for medical, in particular chirurgical, applications.
  • the device is not suitable for medical, in particular surgical, applications. Exemplary embodiments of such a device 1 for laser material processing of at least one workpiece 3 are shown in FIGS. 2 and 4.
  • the relay optics 2 comprises two optics 4, 5.
  • Each of these in the optics 4, 5 may comprise at least one converging lens.
  • at least one of these two optics 4, 5 can be formed by a lens system. This may be advantageous, for example, to compensate for aberrations.
  • the first optic 4 has a first focal length 6 with a first focal point 7.
  • the second optic 5 has a second focal length 8 with a second focal point 9. As shown, the two focal lengths 6, 8 are equal to each other. Alternatively, however, the first focal length 6 may also be greater than the second focal length 8. fertilize conceivable in which the first focal length 6 is smaller than the second focal length. 8
  • the distance between the two optics 4, 5 corresponds to the sum of their two focal lengths 6, 8.
  • the two inner focal points 7, 9 of the two optics 4, 5 are at least very close together these are in particular substantially one above the other in a common focal point 10 of the relay optics 2.
  • the relay optics may, for example, have a magnification of -1 or approximately -1.
  • the relay optics 2 comprises a first imaging plane 11 assigned to the first optics 4 and a second imaging plane 12 assigned to the second optics 5.
  • the first imaging plane 11 is located on the side of the first side facing away from the second optics 5 Optics 4 in the first focal point 7.
  • the second imaging plane 12 is located on the side facing away from the first optics 4 side of the second optics 5 in the second focal point 9.
  • the relay optics 2 is thus designed such that of an object 13, in one of two image planes 11, 12 can be arranged, an image 14 in the other image plane 11, 12 is shown.
  • the relay optics 2 thus transports an image 14 of an object 13 to another location, namely according to the exemplary embodiment shown in FIG. 1, from the first imaging plane 11 to the second imaging plane 12.
  • FIGs 2 and 4 such a device 1 is shown in each case.
  • the devices 1 for laser material processing are used for various purposes, in particular for marking, labeling, for abrasive and / or structuring processing, for cutting, for drilling, for additive manufacturing and / or for welding.
  • the device 1 comprises a laser source 39 with which a machining laser beam 18 can be generated. Furthermore, the device 1 has a processing scanner 16. With the machining scanner 16, a laser focus 17 of the machining laser beam 18 can be guided on the workpiece 3 along a path.
  • the processing scanner 16 comprises at least one movable scanning mirror 19, 20, which is arranged in a processing beam path 21 of the device 1.
  • the processing scanner 16 comprises two scanning mirrors 19, 20. Each of these scanning mirrors 19, 20 is only rotatable about one axis, for example by means of a galvanometer drive. The axes of rotation of the two scanning mirrors 19, 20 have an angle to each other.
  • the laser focus 17 can move with one of the two scanning mirrors 19, 20 along a first axis, in particular an x-axis, and with the other of the two scanning mirrors 19, 20 along a vertical second axis, in particular a y-axis become.
  • the processing scanner 16 may also have only one scanning mirror 19, which is then rotatably mounted about two axes of rotation.
  • the device 1 furthermore has a control unit 22.
  • the control unit is connected to the processing scanner 16 according to FIGS. 2 and 4.
  • the at least one scanning mirror 19, 20 of the processing scanner 16 can be controlled with a low-frequency path guidance signal in order to guide the laser focus 17 along the planned path.
  • the control unit 22 may be configured such that a wobble or a sweeping motion of the laser focus 17 can be superimposed on the low-frequency path guidance signal. When wobbling, the laser focus 17 is guided over the machining path at a small amplitude transversely to the feed.
  • this makes it possible to adapt the local distribution of the energy input, in particular to the respective processing task and / or the materials used, for example to favorably influence the geometry or the tendency of a weld to crack.
  • the weld seam width can be kept constant.
  • the at least one scanning mirror 19, 20 can be additionally controlled by the control unit 22 in addition to the low-frequency path guidance signal with a superimposed high-frequency sweep signal.
  • the editing scanner 16 could additionally also have at least one wobble mirror in front of the scanning mirrors 19, 20 in the machining beam path 21 in an embodiment not shown here.
  • the one- or two-dimensional wobble motion can be rotated by a single wobble mirror, which is in particular rotatable about a plurality of axes of rotation, or by two wobble mirrors which are each only rotatable about an axis of rotation are to be realized. These, too, can be operated, for example, with one or more galvanometer drives.
  • the device 1 comprises a focusing optics 23.
  • This focuses the processing laser beam 18 in the workpiece-side laser focus 17 or processing location.
  • the focusing optics 23 are located downstream of the processing scanner 16 in the propagation direction of the processing laser beam 18.
  • the focusing optics 23 is thus located in the region of a jet outlet opening 24 of the device 1.
  • the jet outlet opening 24 is formed in a housing 25 of the device 1.
  • the focusing optics 23 may also be disposed in front of the processing scanner 16 in the direction of propagation of the processing laser beam 18.
  • the focusing optics is denoted by the reference numeral 23 'and indicated by dashed lines.
  • the sensor unit 15 may have a separate additional optics 38 designed as a sensor focusing optics (cf., FIG. 5).
  • the device 1 may comprise a focus adjustment unit (not shown) by means of which the workpiece-side laser focus 17 can be displaced along the propagation direction of the processing laser beam 18.
  • the focusing optics 23, 23 ' are axially displaced.
  • a sensor system in this case in particular a camera 27, can be coupled into the processing beam path 21 via an immovable, semitransparent deflecting mirror 26.
  • the analysis area of these sensors is thus always carried along by the processing scanner 16 with the laser focus 17 or processor location.
  • This camera 27 is also connected to the control unit 22, so that recorded data can be transmitted in the area of the laser focus 17.
  • the device 1 shown in FIGS. 2 and 4 comprises a sensor unit 15.
  • the sensor unit 15 comprises a sensor 28 in addition to the relay optics 2
  • an analysis area 29 on the workpiece 3 can be detected indirectly via the relay optics 2. This is done by the scanning mirror 19 of the processing scanner 16, with which the processing laser beam 18 with respect to its direction of propagation before exiting the processing scanner 16, in particular before exiting the jet outlet opening 24, final, i. last to determine the position of the laser focus 17, is deflected. In the embodiment shown in FIGS. 2 and 4, this is the last scanning mirror 19 in the direction of propagation of the machining laser beam 18.
  • the machining scanner 16 in an embodiment not shown here can also have only one scanning mirror 19, which is then rotatably mounted about two axes of rotation for two-dimensional movability of the laser focus 17. In this case, this would be the last scanning mirror 19, which is permeable to a sensor radiation 30 of the sensor 28.
  • a sensor beam path 31 of the sensor unit 15 thus passes through the transmissive scanning mirror 19, which deflects the processing laser beam 18 finally. Because this scanning mirror 19 is permeable to the sensor radiation 30, the propagation direction of the sensor beam path 31 is not or only barely influenced by the mirror movements of the processing scanner 16.
  • the sensor beam path 31 is thus optically decoupled from the machining beam path 21.
  • the laser focus 17 can be scan scanner 16 are moved to different locations on the workpiece 3, without this, the position of the analysis area 29 is changed.
  • the processing radiation of the processing laser beam 18 and the sensor radiation 30 can have different wavelength ranges relative to one another.
  • the transmissive scanning mirror 19 then has a dichroic coating corresponding to the wavelength range of the processing radiation for reflection of the processing radiation. This can be applied to the front side 32 and / or on a rear side 33 of the scanning mirror 19. Additionally or alternatively, the front side 32 and / or the back side 33 of the transmissive scanning mirror 19 for passing the sensor radiation 30 may have an antireflective coating corresponding to the wavelength range of the sensor radiation 30. It is also conceivable that the machining radiation of the machining laser beam 18 and the sensor radiation 30, at least in the region of the transmissive scanning mirror 19, have mutually different polarizations.
  • the transmissive scanning mirror 19 is designed such that it reflects the processing radiation with one polarization and transmits the sensor radiation 30 with the other polarization.
  • the transmissive scanning mirror 19 could also be semitransparent.
  • the front side 32 and the back side 33 of the transmissive scanning mirror 19 are plane-parallel to one another, at least in a passage region 34.
  • the passage region 34 preferably forms a, in particular central, subregion of the scanning mirror 19.
  • the sensor 28 is preferably a point-distance sensor, in particular an OCT sensor (optical coherence tomography) or optical coherence tomography.
  • An OCT sensor comprises a light source, in particular a laser light source whose radiation is split by a beam splitter into a measuring arm and a reference arm.
  • the sensor unit 15 and the sensor beam path 31 in accordance with the imaging are located in this measuring arm of the OCT sensor. Both arms are illuminated by the light source of the OCT sensor.
  • the sensor 28 thus radiates in the case of an OCT sensor sensor radiation 30, in particular a point-shaped sensor laser beam from.
  • the sensor radiation 30 coming from the light source of the OCT sensor is scattered by the workpiece.
  • the analysis area 29 is substantially punctiform.
  • the sensor radiation 30, in particular a laser beam of the OCT sensor by a movable deflection, in particular of at least one sensor mirror 36, 37, can be deflected.
  • the at least one sensor mirror 36, 37 can be operated, for example, with one or more galvanometer drives.
  • the punctiform analysis region 29 of the sensor 28 which is designed in particular as an OCT sensor, can be moved within a two-dimensional detection range.
  • the detection range of the sensor 28 designed in particular as an OCT sensor can be increased with the relay optics 2.
  • the senor 28 may also be designed in such a way that a planar analysis region 29 can be detected therewith.
  • the sensor 28 comprises a detector and / or an optical system for the planar imaging of the analysis area 29 on the detector.
  • This areal analysis area 29 could also be moved with a sensor scanner 35 within a detection area.
  • the sensor 28 is preferably a camera, which in particular comprises a photosensor and / or a camera lens.
  • the senor 28 is preferably a camera.
  • both a camera 27 and an OCT sensor are conceivable, in particular due to the additional sensor scanner 35, which will be described in more detail below, with which the analysis area 29 can be moved two-dimensionally in a maximum detection area ,
  • FIG. 3 shows a detailed partial section of the device 1 shown in FIG. 2 in the region of the sensor unit 15 and the transmissive scanning mirror 19 of the processing scanner 16, with which the processing laser beam 18 can be deflected finally.
  • the relay optics 2 is arranged such that the first imaging plane 11 is arranged on the sensor side and the second imaging plane 12 is arranged on the scan mirror side.
  • the sensor 28 is arranged in or at least near the first imaging plane 11. If the sensor 28 is designed as a camera, for example, it is preferably arranged such that a photosensor or a camera lens of the camera is located in or at least near the first imaging plane 11.
  • the scanning mirror 19 is arranged according to FIG. 3 in or at least near the second imaging plane 12.
  • the relay optics 2 is preferably formed both in the exemplary embodiment illustrated in FIG. 3 and in the exemplary embodiments illustrated in FIGS. 5 and 6, as described with reference to FIG.
  • the exemplary embodiment of the device 1 shown in FIG. 4 differs essentially from the sensor unit 15 in the exemplary embodiment shown in FIG. 2.
  • the same reference numerals for features which are compared with the embodiment shown in FIG 2 embodiment shown in their design and mode of action are identical or at least comparable, the same reference numerals. Unless these are explained again in detail, their design and mode of action corresponds to that of the features already described above.
  • the sensor unit 15 has, in addition to the relay optics 2 and the sensor 28, a sensor scanner 35.
  • the sensor scanner 35 is arranged in the sensor beam path 31 between the sensor 28 and the relay optics 2.
  • the sensor scanner 35 comprises at least one rotatable sensor mirror 36, 37, which can be controlled via the control unit 22.
  • the analysis area 29 of the sensor 28 can be moved on the workpiece 3 in a decoupled manner by the processing scanner 16 as desired. Accordingly, it is conceivable, for example, to move the analysis area 29 for process monitoring into the laser focus 17 or into the processing location during processing, for example by to be able to analyze the interior of the vapor capillary.
  • the analysis area 29 can be moved into a web advance for improving the accuracy of the machining process, in particular during the machining process.
  • the exact position of an edge to be welded can be determined with the analysis region 29 by essentially perpendicular reciprocating movement of the analysis region relative to the web.
  • the analysis area 29 can also be used to be able to determine the position and orientation of the workpiece 3 relative to the device. It goes without saying that the device 1 can be arranged for example on a multi-axis robot whose movements and the associated inaccuracies are detected and corrected.
  • the sensor beam path 31 is thus influenced only by the sensor scanner 35 and / or by the downstream relay optics 2.
  • the scanning mirror 19 does not influence the position of the sensor beam path 30 or the analysis area 29, since the sensor beam path 30 passes through the scanning mirror 19 substantially without deflection.
  • the sensor scanner 35 comprises a plurality of sensor mirrors 36, 37.
  • the scan mirror-side arrangement corresponds to the above exemplary embodiments.
  • the sensor unit 15 encompasses the sensor scanner 35.
  • it comprises two rotatably mounted sensor mirrors 36, 37. Comparable to the machining scanner 16, these are each also rotatable about an axis of rotation. Furthermore, the axes of rotation of these two sensor mirrors 36, 37 are mutually rotated at an angle, in particular of 90 °.
  • the two sensor mirrors 36, 37 allow the analysis se range 29 thus be moved two-dimensionally on the workpiece surface.
  • the sensor scanner 35 as in the exemplary embodiment illustrated in FIGS. 4 and 5, has two sensor mirrors 36, 37, this is arranged relative to the relay optics 2 such that the sensor-side first imaging plane 11 in the sensor beam path 30 is located between the first and second sensor planes the second sensor mirror 36, 37 is located.
  • the first imaging plane 11 is located centrally between the two sensor mirrors 36, 37.
  • the distance between the first imaging plane 11 and the first sensor mirror 36 or the second sensor mirror 37 may be shorter.
  • the sensor unit 15 comprises an additional optical system 38 which is arranged between the sensor 28 and the sensor scanner 35. This could also be present in the embodiment shown in FIG. With this additional optics 38, the analysis area 29 can be focused and / or imaged onto the sensor.
  • the auxiliary optics 38 may optionally be variable for the purpose of variable focus, e.g. displaceable, and be controlled by the control unit 22.
  • the relay optics 2 can also be configured such that they can be used to focus the analysis area 29 or to focus by means of a corresponding activation of the control unit 22 and / or displacement of at least one of the two optics 4, 5.
  • the two inner foci 7, 9, ie the foci 7, 9 arranged between the two optics 4, 5, are not exactly above each other. They thus have no common focus 10. Instead, these have an axial distance to each other, which is preferably variable.
  • the aforementioned means for focusing the analysis area 29 may also be present in the sensor unit 15 shown in FIG. 3 and FIG.
  • the sensor scanner 35 shown in FIGS. 4 and 5 it can have only a single sensor mirror 36, as is the case with the machining scanner 16, as shown in FIG.
  • the sensor mirror 36 is rotatable about two axes of rotation so that it alone can perform the two-dimensional method or movement of the analysis area 29. If the sensor scanner 35 has only one sensor mirror 36, as shown in FIG. 6, the sensor scanner 35 is positioned relative to the relay optical system 2 such that the sensor mirror 36 is located in or at least near the first imaging plane 11.
  • the control unit 22 may be designed such that it controls the at least one sensor mirror 36, 37 taking into account the mirror position of the permeable scan mirror 19, in particular as a function of its low-frequency path control signal and / or high-frequency sweep signal. controls.
  • the low-frequency path control signal preferably has at least five times smaller frequency than the high-frequency sweep signal. Additionally or alternatively, the low-frequency path control signal is less than or equal to 200 Flz, in particular less than or equal to 100 Hz. Additionally or alternatively, the high-frequency sweep signal is greater than or equal to 100 Hz, in particular greater than or equal to 200 Hz.
  • the sensor unit 15 can also only be part of a sensor device not shown here.
  • the remaining components of this sensor device can be arranged inside, such as the camera 27, or outside the present device 1 or processing system.
  • the sensor 28 can also alternatively only have a part of a sensor, for example a light source.
  • the remaining components could be arranged outside the sensor unit 15 and / or outside the device 1.
  • the sensor unit 15 could also be replaced by a second processing unit. In this case, the sensor 28 in the exemplary embodiments illustrated in FIGS. 2 to 6 would be a processing laser source.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung (1) zur Lasermaterialbearbeitung zumindest eines Werkstücks (3), insbesondere Laserbearbeitungsmaschine, mit einem Bearbeitungsscanner (16) zum Führen eines Laserfokus (17) eines Bearbeitungslaserstrahls (18) entlang einer Bahn auf dem Werkstück (3), der einen beweglichen Scanspiegel (19) zum Ablenken des Bearbeitungslaserstrahls (18) umfasst, der in einem Bearbeitungsstrahlengang (21) des Bearbeitungslaserstrahls(18) derart angeordnet ist, dass mit diesem der Bearbeitungslaserstrahl (18) zur Anpassung der Lage des Laserfokus (17) vor dem Austritt des Bearbeitungslaserstrahls (18) aus dem Bearbeitungsscanner (16) final ablenkbar ist, und mit einer Sensoreinheit (15), die einen Sensor (28) zum Erfassen eines Analysebereiches (29) auf dem Werkstück (3) umfasst. Erfindungsgemäß ist der Scanspiegel (19) für eine Sensorstrahlung (30) des Sensors (28) durchlässig ausgebildet und ein Sensorstrahlengang (31) der Sensoreinheit (15) verläuft durch den durchlässigen Scanspiegel (19). Des Weiteren umfasst die Sensoreinheit (15) eine Relayoptik (2), die im Sensorstrahlengang (31) zwischen dem Sensor (28) und dem durchlässigen Scanspiegel (19) angeordnet ist und derart ausgebildet ist, dass diese eine sensorseitige erste Abbildungsebene (11) und eine scanspiegelseitige zweite Abbildungsebene (12) ineinander abbildet. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben dieser Vorrichtung.

Description

Vorrichtung zur Lasermaterialbearbeitung mit einer eine Relavoptik aufweisenden Sensoreinheit
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur, insbesondere indust- riellen, Lasermaterialbearbeitung zumindest eines Werkstücks mit einem Be- arbeitungsscanner zum Führen eines Laserfokus eines Bearbeitungslaser- strahls entlang einer Bahn auf dem Werkstück, der einen beweglichen Scan- spiegel zum ablenken des Bearbeitungslaserstrahls umfasst, der in einem Bearbeitungsstrahlengang des Bearbeitungslasers derart angeordnet ist, das mit diesem der Bearbeitungslaserstrahl zur Anpassung der Lage des Laser- fokus vor dem Austritt des Bearbeitungslaserstrahls aus dem Bearbeitungs- scanner final ablenkbar ist, und mit einer Sensoreinheit, die einen Sensor zum Erfassen eines Analysebereiches auf dem Werkstück umfasst. Des Wei- teren betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben einer Vorrichtung zur Lasermaterialbearbeitung zumindest eines Werkstücks, bei dem ein Laserfo- kus eines Bearbeitungslaserstrahls mit einem Bearbeitungsscanner auf dem Werkstück entlang einer Bahn geführt wird, wobei der Bearbeitungslaser- strahl hierfür mit einem beweglichen Scanspiegel vor dem Austritt des Bear- beitungslaserstrahls aus dem Bearbeitungsscanner final abgelenkt wird, und bei dem mit einem Sensor einer Sensoreinheit ein Analysebereich auf dem Werkstück erfasst wird.
Aus der DE 10 2013 110 523 B4 ist eine Fügevorrichtung zum Fügen von Werkstücken mittels eines Laserstrahls bekannt. Die Fügevorrichtung weist eine Vorschubeinrichtung und eine an diese angebundene Strahlführungs- einrichtung zum Führen des Laserstrahls auf, wobei die Strahlführungsein- richtung mittels der Vorschubeinrichtung entlang einer Vorschubrichtung be- wegbar ist. Die Strahlführungseinrichtung weist mindestens eine Niederfre- quenz-Umlenkeinheit und mindestens eine Flochfrequenz-Umlenkeinheit zum Führen des Laserstrahls auf, die seriell im Strahlengang des Laserstrahls angeordnet sind, wobei die mindestens eine Niederfrequenz-Umlenkeinheit zum oszillierenden Bewegen des Laserstrahls entlang einer Richtung mit ei- ner ersten Oszillationsfrequenz und die mindestens eine Hochfrequenz- Umlenkeinheit zum oszillierenden Bewegen des Laserstrahls entlang dersel- ben Richtung mit einer zweiten Oszillationsfrequenz ausgebildet ist, wobei die zweite Oszillationsfrequenz größer ist als die erste Oszillationsfrequenz. Ein Messlicht einer Nahtführungssensorik ist in den Strahlengang des Bear- beitungsscanner eingekoppelt. Nachteilig hierbei ist, dass die Datenerfas- sung der Nahtführungssensorik zumindest durch die Bewegung der nachge- lagerten Scanspiegel negativ beeinflusst wird. Hierdurch wird die Datener- fassung wiederum ungenau. Darüber hinaus ist auf Grund der koaxialen Strahlführung der Erfassungsbereich der Nahtführungssensorik nah an der Fügeposition des Laserstrahls und nicht unabhängig von dieser frei wählbar.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es somit, eine Vorrichtung zur La- sermaterialbearbeitung zumindest eines Werkstücks sowie ein Verfahren zum Betreiben einer derartigen Vorrichtung zu schaffen, mit der bzw. mit dem die Datenerfassungsgenauigkeit verbessert werden kann.
Die Aufgabe wird gelöst durch eine Vorrichtung zur Lasermaterialbearbeitung sowie durch ein Verfahren zum Betreiben einer derartigen Vorrichtung zur Lasermaterialbearbeitung mit den Merkmalen der unabhängigen Patentan- sprüche.
Vorgeschlagen wird eine Vorrichtung zur Lasermaterialbearbeitung zumin- dest eines Werkstücks, insbesondere zum Schweißen, Schneiden, Bohren Gravieren, Strukturieren, Wärmebehandeln, Beschichten, 3D-Druck (z.B. Additive Manufacturing und/oder Generative Manufacturing) und/oder Volu- menaufbauen (z.B. Rapid Prototyping und/oder selektives Sintern). Bei der Vorrichtung handelt es sich vorzugsweise um eine, insbesondere industrielle, Werkzeugmaschine und/oder Laserbearbeitungsmaschine. Die Vorrichtung ist für medizinische, insbesondere chirurgische, Anwendungszwecke nicht vorgesehen. Vorzugsweise ist die Vorrichtung für medizinische, insbesonde- re chirurgische, Anwendungszwecke nicht geeignet.
Die Vorrichtung umfasst einen Bearbeitungsscanner zum Führen eines La- serfokus eines Bearbeitungslaserstrahls entlang einer Bahn auf dem Werk- stück. Der Bearbeitungsscanner weist einen beweglichen Scanspiegel zum Ablenken des Bearbeitungslaserstrahls auf. Der Scanspiegel ist in einem Bearbeitungsstrahlengang des Bearbeitungslasers derart angeordnet, dass mit diesem der Bearbeitungslaserstrahl zur Anpassung der Lage des Laser- fokus vor dem Austritt des Bearbeitungslaserstrahls aus dem Bearbeitungs- scanner final ablenkbar ist. Wenn der Bearbeitungsscanner demnach mehre- re Scanspiegel aufweist, ist der vorstehend beschriebene Scanspiegel, ins- besondere der letzte Scanspiegel, d.h. derjenige der in Ausbreitungsrichtung des Bearbeitungslaserstrahls zuletzt die Lage des Laserfokus anpassen kann. Wenn der Bearbeitungsscanner nur einen einzigen Scanspiegel auf- weist, ist unter dem vorstehend beschriebenen Scanspiegel eben dieser ge- meint, da auch dieser den Laserfokus vor dem Austritt des Bearbeitungsla- serstrahls final, d.h. als letztes Ablenkmittel, ablenkt.
Neben dem Bearbeitungsscanner umfasst die Vorrichtung des Weiteren eine Sensoreinheit. Die Sensoreinheit weist einen Sensor zum Erfassen eines Analysebereiches auf dem Werkstück auf. Der Scanspiegel ist für eine Sen- sorstrahlung des Sensors durchlässig ausgebildet. Des Weiteren verläuft ein Sensorstrahlengang der Sensoreinheit durch den durchlässigen Scanspiegel hindurch. Vorteilhafterweise können somit vom Sensor im Analysebereich durch den Scanspiegel hindurch Daten erfasst werden, ohne dass die Da- tenerfassung durch die Bewegung irgendeines Scanspiegels negativ beein- flusst wird. Die Datenerfassung ist somit von der Spiegelbewegung zum Ver- fahren des Laserfokus und/oder zum Wobbeln des Laserfokus entkoppelt.
Unter dem Begriff„Wobbeln“ ist eine hochfrequente Bewegung des Laserfo- kus zu verstehen. Hierbei wird der Laserfokus mit kleiner Amplitude vor- zugsweise quer zum Vorschub über die Bearbeitungsbahn geführt. Vorteil- hafterweise kann hierdurch die lokale Verteilung des Energieeintrags, insbe- sondere an die jeweilige Bearbeitungsaufgabe und/oder die verwendeten Materialien, angepasst werden, beispielsweise um die Geometrie oder die Rissneigung einer Schweißnaht günstig zu beeinflussen. Vorteilhafterweise kann durch das Wobbeln beispielsweise auch bei einer sich verändernden Höhenlage die Schweißnahtbreite konstant gehalten werden.
Des Weiteren umfasst die Sensoreinheit eine Relayoptik. Die Relayoptik ist im Sensorstrahlengang zwischen dem Sensor und dem durchlässigen Scan- spiegel angeordnet. Des Weiteren ist diese derart ausgebildet, dass sie eine sensorseitige erste Abbildungsebene und eine scanspiegelseitige zweite Ab- bildungsebene ineinander abbildet. Die sensorseitige erste Abbildungsebene und die scanspiegelseitige zweite Abbildungsebene sind somit über die Re- layoptik konjugiert. Die Relayoptik bildet infolgedessen eine Ebene als ein Objekt auf eine zweite Ebene, also ein Bild, ab. Die Relayoptik transportiert somit ein Bild an einen anderen Ort. Infolgedessen bildet die Relayoptik zwei voneinander beabstandete Ebenen aufeinander ab. Hierdurch kann mit freien Worten ein Bild durch lange und dünne Strecken transportiert werden. Da der durchlässige Scanspiegel des Bearbeitungsscanners relativ klein ist und der Sensor der Sensoreinheit einen gewissen Abstand von diesem Scanspiegel aufweisen muss, ist das maximal mögliche Blickfeld des Sensors einge- schränkt, da der durchlässige Scanspiegel vergleichbar zu einem Schlüssel- loch wirkt. Die Relayoptik ist vorzugsweise derart ausgebildet, dass sich die Durchstoßposition des Sensorstrahlengangs durch den Scanspiegel nicht ändert, auch wenn der Sensorstrahl ausgelenkt wird. Mit der Relayoptik kann somit das Blickfeld des vom Scanspiegel beabstandeten Sensors vergrößert werden.
Vorteilhaft ist es, wenn der durchlässige Scanspiegel derart ausgebildet ist, dass dieser eine Bearbeitungsstrahlung des Bearbeitungslaserstrahls zumin- dest teilweise reflektiert und/oder vom Sensor emittierte und/oder vom Ana- lysebereich kommende, insbesondere reflektierte und/oder gestreute, Sen- sorstrahlung durchlässt. Vorteilhafterweise kann somit der Sensorstrahlen- gang mit dem Bearbeitungsstrahlengang zumindest in einem Teil überlagert werden. Zugleich ist jedoch der Sensorstrahlengang von der Bewegung des durchlässigen Scanspiegels, im Wesentlichen bzw. weitestgehend, entkop- pelt, so dass eine Bewegung des Scanspiegels keine oder nur eine sehr ge- ringe Auswirkung auf die Position und/oder Orientierung des Sensorstrahlen- gangs und infolgedessen auf die vom Sensor erfassten Daten, insbesondere auf die Genauigkeit der Position der Datenerfassung bzw. des Analysebe- reichs, hat.
In diesem Zusammenhang ist es vorteilhaft, wenn die Bearbeitungsstrahlung und die Sensorstrahlung zueinander unterschiedliche Wellenlängen oder Wellenlängenbereiche aufweisen. Zusätzlich oder alternativ ist es vorteilhaft, wenn der durchlässige Scanspiegel zur Reflexion der Bearbeitungsstrahlung, insbesondere auf seiner Vorderseite und/oder seiner Rückseite, eine mit dem Wellenlängenbereich der Bearbeitungsstrahlung korrespondierende dichroiti sche Beschichtung aufweist.
Um die Verluste beim Durchdringen des Scanspiegels möglichst gering zu halten, ist es vorteilhaft, wenn die Vorderseite und/oder die Rückseite des durchlässigen Scanspiegels zum Durchlässen der Sensorstrahlung eine mit dem Wellenlängenbereich der Sensorstrahlung korrespondierende antireflek- tierende Beschichtung aufweist.
Zur Reduktion von Störeinflüssen ist es ferner vorteilhaft, wenn die Vorder- seite und die Rückseite des durchlässigen Scanspiegels in einem Durch- trittsbereich der Sensorstrahlung zueinander planparallel ausgebildet sind. Vorzugsweise bildet der Durchtrittsbereich nur einen Teilbereich der gesam- ten Scanspiegelfläche. Der Durchtrittsbereich ist ferner insbesondere zentral auf dem Scanspiegel angeordnet. Um die Durchlässigkeit des Scanspiegels sicherstellen zu können, ist es auch vorteilhaft, wenn die Bearbeitungsstrahlung und die Sensorstrahlung, zumindest im Bereich des Scanspiegels, zueinander unterschiedliche Polari- sationen aufweisen und der durchlässige Scanspiegel derart ausgebildet ist, dass dieser die Bearbeitungsstrahlung mit der einen Polarisation reflektiert und die Sensorstrahlung mit der anderen Polarisation durchlässt.
Alternativ ist es vorteilhaft, wenn der durchlässige Scanspiegel Halbtranspa- rent ausgebildet ist.
In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist der Sensor derart aus- gebildet, dass mit diesem ein flächiger Analysebereich erfassbar ist. Hierfür umfasst der Sensor einen Detektor und/oder eine Optik zur flächigen Abbil- dung des Analysebereiches, insbesondere eines darin befindlichen Objekts, auf den Detektor. Der Sensor ist in diesem Fall vorzugsweise eine Kamera, die insbesondere einen Fotosensor und/oder ein Kameraobjektiv umfasst.
Zusätzlich oder alternativ ist der Sensor derart ausgebildet, dass mit diesem ein punktförmiger Analysebereich erfassbar ist. Vorzugsweise ist der Sensor in diesem Fall ein Punktabstandssensor, insbesondere ein OCT-Sensor (englisch:„optical coherence tomography“) bzw. ein optischer Kohärenzto- mograph.
Im Falle eines OCT-Sensors ist der Analysebereich im Wesentlichen punkt- förmig ausgebildet. Im Falle einer Kamera ist der Analysebereich, wie vor- stehend erläutert, flächig, insbesondere rechteckig, ausgebildet. Um mit dem punktförmigen Analysebereich des OCT-Sensors einen vergleichbar zur Ka- mera flächigen Bereich erfassen zu können, ist es vorteilhaft, wenn ein La- sermessstrahl des OCT-Sensors von einem beweglichen Ablenkmittel, ins- besondere von zumindest einem Sensorspiegel, abgelenkt werden kann. Hierdurch kann der punktförmige Analysebereich des OCT-Sensors inner- halb eines flächigen Erfassungsbereichs bewegt werden. Um den Analysebereich verfahren zu können, ist es vorteilhaft, wenn die Sensoreinheit einen im Sensorstrahlengang zwischen dem Sensor und der Relayoptik angeordneten Sensorscanner, insbesondere mit zumindest einem beweglichen Sensorspiegel, umfasst. Der Sensorscanner kann einen einzi- gen Sensorspiegel aufweisen, der um mehrere Drehachsen beweglich gela- gert ist. Alternativ kann der Sensorscanner auch zumindest zwei separate Sensorspiegel umfassen, die jeweils nur um eine Drehachse drehbar sind. Vorzugsweise sind in diesem Fall die Drehachsen der beiden Sensorspiegel zueinander um einen Winkel verdreht bzw. versetzt. Der zumindest eine Sensorspiegel kann beispielsweise mit einem oder mehreren Galvanome- terantrieben betrieben sein.
Vorteilhaft ist es, wenn die sensorseitige erste Abbildungsebene der Re- layoptik im Sensorstrahlengang in oder nahe dem Sensor angeordnet ist, insbesondere wenn die Sensoreinheit keinen Sensorscanner umfasst. Alter- nativ ist es vorteilhaft, wenn die sensorseitige erste Abbildungsebene der Re- layoptik im Sensorstrahlengang in oder nahe dem Sensorspiegel angeordnet ist, insbesondere wenn der Sensorscanner nur einen einzigen Sensorspiegel umfasst. Hierdurch kann das Erfassungsfeld bzw. die maximale Auslenkbar- keit des Analysebereiches maximiert werden.
In einer vorteilhaften Weiterbildung ist die sensorseitige erste Abbildungs- ebene der Relayoptik im Sensorstrahlengang, insbesondere mittig, zwischen einem ersten und einem zweiten Sensorspiegel angeordnet. Hierdurch kann ein Kompromiss der maximalen Auslenkbarkeit des Analysebereiches in ei- ner x-Achse und in einer y-Achse erzielt werden.
Um den Blickwinkel des Sensors maximieren zu können, ist es ferner vorteil haft, wenn die scanspiegelseitige zweite Abbildungsebene der Relayoptik im Sensorstrahlengang in oder nahe dem durchlässigen Scanspiegel angeord- net ist. Hierdurch kann das Sichtfeld des Sensors maximiert und/oder die Durchstoßfläche minimiert werden.
Vorteilhaft ist es, wenn die Relayoptik ein optisches Teleskop, insbesondere ein Kepler-Teleskop, ist und/oder die Optiken mehrerer aneinandergereihter Kepler-Teleskope umfasst.
Auch ist es vorteilhaft, wenn die Relayoptik eine sensorseitige erste Optik und eine scanspiegelseitige zweite Optik umfasst, die vorzugsweise jeweils zumindest eine Sammellinse und/oder ein Linsensystem umfassen.
In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung weist die erste Optik im Vergleich zur zweiten Optik eine kleinere, größere oder gleich große Brenn- weite auf.
Zusätzlich oder alternativ ist es vorteilhaft, wenn der Abstand zwischen den beiden Optiken der Summe ihrer beiden Brennweiten entspricht. Hierfür lie- gen die beiden inneren Brennpunkte der beiden Optiken zumindest sehr na- he zusammen, wobei diese insbesondere in einem gemeinsamen Brenn- punkt der Relayoptik im Wesentlichen übereinander liegen.
Des Weiteren ist es vorteilhaft, wenn eine Drehachse des Sensorspiegels in oder nahe dem Brennpunkt der ersten Optik und/oder eine Drehachse des durchlässigen Scanspiegels in oder nahe dem Brennpunkt der zweiten Optik angeordnet ist. Dies ist insbesondere vorteilhaft, wenn der Durchtritt durch den durchlässigen Scanspiegel in einer Richtung besonders eng sein muss.
Vorteilhaft ist es, wenn mehrere Relayoptiken hintereinander angeordnet sind.
In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung umfasst der Bearbeitungs- scanner zum Führen des Laserfokus im Bearbeitungsstrahlengang zumin- dest einen dem durchlässigen Scanspiegel in Ausbreitungsrichtung des Be- arbeitungslaserstrahls vorgelagerten beweglichen Scanspiegel. Zusätzlich oder alternativ umfasst der Bearbeitungsscanner mehrere Scanspiegel. Des Weiteren ist es vorteilhaft, wenn der durchlässige Scanspiegel in Ausbrei- tungsrichtung des Bearbeitungslaserstrahls den letzten dieser Scanspiegel des Bearbeitungsscanner bildet.
Vorteilhaft ist es, wenn der Bearbeitungsscanner Mittel zum Wobbeln des Laserfokus aufweist, insbesondere eine Steuereinheit, mit der der zumindest eine Scanspiegel zusätzlich zu einem niederfrequenten Bahnführungssignal mit einem diesem überlagerten und im Vergleich zu diesem hochfrequenten Wobbelsignal ansteuerbar ist.
Alternativ ist es vorteilhaft, wenn der Bearbeitungsscanner zum Wobbeln zumindest einen dem zumindest einen Scanspiegel in Ausbreitungsrichtung des Bearbeitungslaserstrahls vorgelagerten Wobbelspiegel aufweist. Dieser Wobbelspiegel ist ebenfalls drehbar gelagert und kann mit einer im Vergleich zu den Scanspiegeln höheren Frequenz bewegt werden.
In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung weist die Vorrichtung eine Steuereinheit auf, die derart ausgebildet ist, dass diese den zumindest einen Sensorspiegel zumindest unter Berücksichtigung der Spiegelstellung des durchlässigen Scanspiegels, insbesondere in Abhängigkeit seines niederfre- quenten Bahnführungssignals und/oder hochfrequenten Wobbelsignals, an- steuert. Vorteilhafterweise können somit auch noch die geringen Störeinflüs- se, die beim Durchdringen des Scanspiegels auftreten können, durch eine entsprechende Berücksichtigung der Spiegelstellung des Scanspiegels kom- pensiert werden.
Vorteilhaft ist es, wenn die Sensoreinheit und der Bearbeitungsscanner in einem gemeinsamen Gehäuse integriert sind. Alternativ ist es ebenso auch vorteilhaft, wenn der Bearbeitungsscanner und die Sensoreinheit separate Bauteile sind, die vorzugsweise lösbar miteinander verbunden sind. Vorteil- hafterweise sind der Bearbeitungsscanner und/oder die Sensoreinheit ein- zeln austauschbar.
Vorgeschlagen wird ferner ein Verfahren zum Betreiben einer Vorrichtung zur Lasermaterialbearbeitung zumindest eines Werkstücks, insbesondere zum Schweißen, Schneiden, Bohren Gravieren, Strukturieren, Wärmebehandeln, Beschichten, 3D-Druck (z.B. Additive Manufacturing und/oder Generative Manufacturing) und/oder Volumenaufbauen (z.B. Rapid Prototyping und/oder selektives Sintern). Bei der Vorrichtung handelt es sich vorzugsweise um ei- ne, insbesondere industrielle, Werkzeugmaschine und/oder Laserbearbei- tungsmaschine. Die Vorrichtung ist für medizinische, insbesondere chirurgi sche, Anwendungszwecke nicht vorgesehen. Vorzugsweise ist die Vorrich- tung für medizinische, insbesondere chirurgische, Anwendungszwecke nicht geeignet. Die Vorrichtung ist vorzugsweise gemäß der vorangegangenen Beschreibung ausgebildet, wobei die genannten Merkmale einzeln oder in beliebiger Kombination vorhanden sein können. Bei dem Verfahren wird ein Laserfokus eines Bearbeitungslaserstrahls mit einem Bearbeitungsscanner auf dem Werkstück entlang einer Bahn geführt. Hierfür wird der Bearbei- tungslaserstrahl mit einem beweglichen Scanspiegel vor dem Austritt des Bearbeitungslaserstrahls aus dem Bearbeitungsscanner final abgelenkt. Des Weiteren wird bei dem Verfahren mit einem Sensor einer Sensoreinheit ein Analysebereich auf dem Werkstück erfasst. Der Sensor erfasst den Analy- sebereich auf dem Werkstück mittelbar über eine Relayoptik durch den final ablenkbaren Scanspiegel hindurch. Die Relayoptik ist in einem Sensorstrah- lengang zwischen dem Sensor und dem Scanspiegel angeordnet und bildet eine sensorseitige erste Abbildungsebene und eine scanspiegelseitige zweite Abbildungsebene ineinander ab. Da die Sensoreinheit, insbesondere der Sensor, einen gewissen Abstand von dem durchlässigen Scanspiegel des Bearbeitungsscanners aufweisen muss, ist das maximale Blickfeld des Sen- sors eingeschränkt, da der durchlässige Scanspiegel vergleichbar zu einem Schlüsselloch wirkt. Mit der Relayoptik ändert sich die Durchstoßposition des Sensorstrahlengangs durch den Scanspiegel. Flierdurch kann das Blickfeld des Sensors vergrößert werden.
Vorteilhaft ist es, wenn der Analysebereich, insbesondere von einer Steuer- einheit, die vorzugsweise gemäß der vorangegangenen Beschreibung aus- gebildet ist, über einen im Sensorstrahlengang zwischen dem Sensor und der Relayoptik angeordneten Sensorscanner, insbesondere zur Prozess- Überwachung in den Laserfokus, zur Qualitätsüberprüfung in einen Bahn- nachlauf und/oder zur Genauigkeitsverbesserung in einen Bahnvorlauf, be- wegt wird. Dies kann online, d.h. während des Bearbeitungsprozesses, oder offline, d.h. vor oder nach dem Bearbeitungsprozess, erfolgen.
Weitere Vorteile der Erfindung sind in den nachfolgenden Ausführungsbei- spielen beschrieben. Es zeigt:
Figur 1 eine schematische Darstellung einer Relayoptik, die zwei Abbil- dungsebenen ineinander abbildet,
Figur 2 ein erstes Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung zur Laserma- terialbearbeitung mit einer in Figur 1 dargestellten Relayoptik und einem durch den letzten Scanspiegel hindurchgehenden Sensorstrahlengang in schematischer Darstellung,
Figur 3 eine Detailansicht einer Sensoreinheit der in Figur 2 dargestell- ten Vorrichtung,
Figur 4 ein zweites Ausführungsbeispiel der Vorrichtung zur Lasermate- rialbearbeitung mit einer in Figur 1 dargestellten Relayoptik und einer einen Sensorscanner aufweisenden Sensoreinheit in schematischer Darstellung, Figur 5 eine Detailansicht der Sensoreinheit der in Figur 4 dargestellten Vorrichtung zur Lasermaterialbearbeitung in schematischer Darstellung, und
Figur 6 eine schematische Detailansicht eines alternativen Sen- sorscanners für die in Figur 4 dargestellte Vorrichtung.
Figur 1 zeigt eine stark vereinfachte schematische Darstellung einer Re- layoptik 2. Eine derartige Relayoptik 2 wird, wie nachfolgend detailliert erläu- tert, in einer Vorrichtung 1 zur Lasermaterialbearbeitung zumindest eines Werkstücks 3 eingesetzt. Die Vorrichtung 1 dient insbesondere zum Schwei- ßen, Schneiden, Bohren Gravieren, Strukturieren, Wärmebehandeln, Be- schichten, 3D-Druck (z.B. Additive Manufacturing und/oder Generative Ma- nufacturing) und/oder Volumenaufbauen (z.B. Rapid Prototyping und/oder selektives Sintern). Bei der Vorrichtung 1 handelt es sich vorzugsweise um eine, insbesondere industrielle, Werkzeugmaschine und/oder Laserbearbei- tungsmaschine. Die Vorrichtung ist für medizinische, insbesondere chirurgi sche, Anwendungszwecke nicht vorgesehen. Vorzugsweise ist die Vorrich- tung für medizinische, insbesondere chirurgische, Anwendungszwecke nicht geeignet. Ausführungsbeispiele einer solchen Vorrichtung 1 zur Lasermateri- albearbeitung zumindest eines Werkstücks 3 sind in den Figuren 2 und 4 dargestellt.
Gemäß Figur 1 umfasst die Relayoptik 2 zwei Optiken 4, 5. Jede dieser bei den Optiken 4, 5 kann zumindest eine Sammellinse aufweisen. Vorzugswei- se kann zumindest eine dieser beiden Optiken 4, 5 durch ein Linsensystem ausgebildet sein. Dies kann beispielsweise vorteilhaft sein, um Aberrationen zu kompensieren. Die erste Optik 4 weist eine erste Brennweite 6 mit einem ersten Brennpunkt 7 auf. Die zweite Optik 5 weist eine zweite Brennweite 8 mit einem zweiten Brennpunkt 9 auf. Abbildungsgemäß sind die beiden Brennweiten 6, 8 zueinander gleich groß. Alternativ kann aber auch die erste Brennweite 6 größer sein als die zweite Brennweite 8. Ebenso sind Anwen- düngen denkbar, bei denen die erste Brennweite 6 kleiner ist als die zweite Brennweite 8.
Wie aus Figur 1 hervorgeht, entspricht der Abstand zwischen den beiden Op- tiken 4, 5 der Summe ihrer beiden Brennweiten 6, 8. Infolgedessen liegen die beiden inneren Brennpunkte 7, 9 der beiden Optiken 4, 5 zumindest sehr na- he zusammen, wobei diese insbesondere in einem gemeinsamen Brenn- punkt 10 der Relayoptik 2 im Wesentlichen übereinander liegen.
Die Relayoptik kann beispielsweise einen Abbildungsmaßstab bzw. eine Vergrößerung von -1 oder ungefähr -1 aufweisen.
Wie in Figur 1 veranschaulicht, umfasst die Relayoptik 2 eine der ersten Op- tik 4 zugeordnete erste Abbildungsebene 11 und eine der zweiten Optik 5 zugeordnete zweite Abbildungsebene 12. Die erste Abbildungsebene 11 be- findet sich auf der der zweiten Optik 5 abgewandten Seite der ersten Optik 4 im ersten Brennpunkt 7. Die zweite Abbildungsebene 12 befindet sich auf der der ersten Optik 4 abgewandten Seite der zweiten Optik 5 im zweiten Brenn- punkt 9. Die Relayoptik 2 ist somit derart ausgebildet, dass von einem Objekt 13, das in einem der beiden Abbildungsebenen 11 , 12 angeordnet werden kann, ein Bild 14 in die jeweils andere Abbildungsebene 11 , 12 abgebildet wird. Bildlich gesprochen transportiert die Relayoptik 2 somit ein Bild 14 ei- nes Objektes 13 an einen anderen Ort, nämlich gemäß dem in Figur 1 dar- gestellten Ausführungsbeispiel von der ersten Abbildungsebene 11 in die zweite Abbildungsebene 12. Invertiert bildet die Relayoptik 2 ebenso ein in der zweiten Abbildungsebene 12 angeordnetes Objekt 13 in die erste Abbil- dungsebene 11 ab. Die Relayoptik 2 bildet somit die beiden Abbildungsebe- nen 11 , 12 in einander ab. Die beiden Abbildungsebenen 11 , 12 sind über die Relayoptik 2 somit miteinander optisch konjugiert. Vorteilhafterweise kann somit ein Bild 14 eines Objektes 13 über lange, dünne Strecken trans- portiert werden. Die Relayoptik 2 ist vorzugsweise ein optisches Teleskop, insbesondere ein Kepler-Teleskop. Wie bereits vorstehend erwähnt, wird die in Figur 1 dargestellte Relayoptik 2 in einer Vorrichtung 1 zur Lasermaterialbearbeitung zumindest eines Werk- stücks 3 eingesetzt. Hierbei findet sie in einer Sensoreinheit 15 der Vorrich- tung 1 Verwendung.
In Figur 2 und 4 ist jeweils eine derartige Vorrichtung 1 dargestellt. Die Vor- richtungen 1 zur Lasermaterialbearbeitung werden zu unterschiedlichen Zwecken, insbesondere zum Markieren, Beschriften, zur abtragenden und/oder strukturierenden Bearbeitung, zum Schneiden, zum Bohren, zum Additive Manufacturing und/oder zum Schweißen, eingesetzt.
Die Vorrichtung 1 umfasst gemäß den in Figur 2 und 4 dargestellten Ausfüh- rungsbeispielen eine Laserquelle 39, mit der ein Bearbeitungslaserstrahl 18 erzeugt werden kann. Ferner weist die Vorrichtung 1 einen Bearbeitungs- scanner 16 auf. Mit dem Bearbeitungsscanner 16 kann ein Laserfokus 17 des Bearbeitungslaserstrahls 18 auf dem Werkstück 3 entlang einer Bahn geführt werden. Hierfür umfasst der Bearbeitungsscanner 16 zumindest ei- nen beweglichen Scanspiegel 19, 20, der in einem Bearbeitungsstrahlen- gang 21 der Vorrichtung 1 angeordnet ist. Gemäß dem in Figur 2 und 4 dar- gestellten Ausführungsbeispiel umfasst der Bearbeitungsscanner 16 zwei Scanspiegel 19, 20. Jeder dieser Scanspiegel 19, 20 ist jeweils nur um eine Achse drehbar, beispielsweise mittels eines Galvanometerantriebs. Die Drehachsen der beiden Scanspiegel 19, 20 weisen zueinander einen Winkel auf. Infolgedessen kann der Laserfokus 17 mit einem der beiden Scanspiegel 19, 20 entlang einer ersten Achse, insbesondere einer x-Achse, und mit dem anderen der beiden Scanspiegel 19, 20 entlang einer dazu lotrechten zwei- ten Achse, insbesondere einer y-Achse, verfahren werden.
In einem vorliegend nicht dargestellten alternativen Ausführungsbeispiel kann der Bearbeitungsscanner 16 aber auch nur einen einzigen Scanspiegel 19 aufweisen, der dann aber um zwei Drehachsen drehbar gelagert ist. Die Vorrichtung 1 weist des Weiteren eine Steuereinheit 22 auf. Die Steuer- einheit ist gemäß Figur 2 und 4 mit dem Bearbeitungsscanner 16 verbunden. Hierdurch kann der zumindest eine Scanspiegel 19, 20 des Bearbeitungs- scanners 16 mit einem niederfrequenten Bahnführungssignal angesteuert werden, um den Laserfokus 17 entlang der geplanten Bahn zu führen. Des Weiteren kann die Steuereinheit 22 derart ausgebildet sein, dass dem nie- derfrequenten Bahnführungssignal ein Wobbeln bzw. eine Wobbelbewegung des Laserfokus 17 überlagert werden kann. Beim Wobbeln wird der Laserfo- kus 17 mit kleiner Amplitude quer zum Vorschub über die Bearbeitungsbahn geführt. Vorteilhafterweise kann hierdurch die lokale Verteilung des Energie- eintrags, insbesondere an die jeweilige Bearbeitungsaufgabe und/oder die verwendeten Materialien, angepasst werden, beispielsweise um die Geomet- rie oder die Rissneigung einer Schweißnaht günstig zu beeinflussen. Vorteil- hafterweise kann durch das Wobbeln beispielsweise auch bei einer sich ver- ändernden Höhenlage die Schweißnahtbreite konstant gehalten werden.
Zur Realisierung dieser Wobbel-Funktion kann der zumindest eine Scan- spiegel 19, 20 von der Steuereinheit 22 neben dem niederfrequenten Bahn- führungssignal zusätzlich mit einem überlagerten hochfrequenten Wobbel- signal angesteuert werden. Alternativ könnte der Bearbeitungsscanner 16 zusätzlich aber auch in einem vorliegend nicht dargestellten Ausführungsbei- spiel zumindest einen, den Scanspiegeln 19, 20 im Bearbeitungsstrahlen- gang 21 vorgelagerten, Wobbelspiegel aufweisen. Wie auch vorstehend be- reits in Bezug auf die Führung des Laserfokus 17 ausgeführt, kann die ein- oder zweidimensionale Wobbelbewegung mit einem einzigen Wobbelspiegel, der insbesondere um mehrere Drehachsen drehbar ist, oder von zwei Wob- belspiegel, die jeweils nur um eine Drehachse drehbar sind, realisiert wer- den. Auch diese können beispielsweise mit einem oder mehreren Galvano- meterantrieben betrieben sein. Wie aus Figur 2 und 4 hervorgeht, umfasst die Vorrichtung 1 eine Fokussier- optik 23. Diese fokussiert den Bearbeitungslaserstrahl 18 in dem werkstück- seitigen Laserfokus 17 bzw. Prozessort. In dem in Figur 2 und 4 dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Fokussieroptik 23 dem Bearbeitungsscanner 16 in Ausbreitungsrichtung des Bearbeitungslaserstrahls 18 nachgelagert. Die Fokussieroptik 23 befindet sich somit im Bereich einer Strahlaustrittsöffnung 24 der Vorrichtung 1. Die Strahlaustrittsöffnung 24 ist in einem Gehäuse 25 der Vorrichtung 1 ausgebildet.
Wie aus Figur 2 und 4 hervorgeht, kann die Fokussieroptik 23 in einem alter- nativen Ausführungsbeispiel dem Bearbeitungsscanner 16 in Ausbreitungs- richtung des Bearbeitungslaserstrahls 18 aber auch vorgelagert sein. In der alternativen Position ist die Fokussieroptik mit dem Bezugszeichen 23‘ be- zeichnet und mit gestrichelten Linien angedeutet. Vorteilhafterweise können hierdurch Störeinflüsse der Fokussieroptik 23‘ auf die Sensoreinheit 15 ver- mieden werden. Insbesondere in diesem Fall kann die Sensoreinheit 15 eine separate als Sensorfokussieroptik ausgebildete Zusatzoptik 38 aufweisen (vgl. Fig. 5).
Optional kann die Vorrichtung 1 eine nicht dargestellte Fokus-Einstelleinheit aufweisen, mittels der der werkstückseitige Laserfokus 17 entlang der Aus- breitungsrichtung des Bearbeitungslaserstrahls 18 verschoben werden kann. Hierfür kann beispielsweise die Fokussieroptik 23, 23‘ axial verschoben wer- den.
Wie aus dem Stand der Technik hinlänglich bekannt ist, kann in den Bearbei- tungsstrahlengang 21 über einen unbeweglichen, halbtransparenten Um- lenkspiegel 26 eine Sensorik, vorliegend insbesondere eine Kamera 27, ein- gekoppelt sein. Der Analysebereich dieser Sensorik wird über den Bearbei- tungsscanner 16 somit stets mit dem Laserfokus 17 bzw. Prozessort mitge- führt. Diese Kamera 27 ist ebenfalls mit der Steuereinheit 22 verbunden, so dass von dieser aufgenommene Daten im Bereich des Laserfokus 17 über- tragen werden können.
Wie bereits vorstehend erwähnt, umfasst die in Figur 2 und 4 dargestellte Vorrichtung 1 eine Sensoreinheit 15. Sowohl in dem in Figur 2 als auch in dem in Figur 4 dargestellten Ausführungsbeispiel umfasst die Sensoreinheit 15 neben der Relayoptik 2 einen Sensor 28. Mit dem Sensor 28 kann mittel- bar über die Relayoptik 2 ein Analysebereich 29 auf dem Werkstück 3 erfasst werden. Dies erfolgt durch den Scanspiegel 19 des Bearbeitungsscanner 16 hindurch, mit dem der Bearbeitungslaserstrahl 18 in Bezug auf seine Aus- breitungsrichtung vor dem Austritt aus dem Bearbeitungsscanner 16, insbe- sondere vor dem Austritt aus der Strahlaustrittsöffnung 24, final, d.h. zuletzt zur Festlegung der Lage des Laserfokus 17, abgelenkt wird. In dem in Figur 2 und 4 dargestellten Ausführungsbeispiel ist dies in Ausbreitungsrichtung des Bearbeitungslaserstrahls 18 der letzte Scanspiegel 19. Mit diesem kann die Lage des Laserfokus 17 auf dem Werkstück 3 in Ausbreitungsrichtung des Bearbeitungslaserstrahls 18 zuletzt festgelegt werden. Wie vorstehend erläutert, kann der Bearbeitungsscanner 16 in einem vorliegend nicht darge- stellten Ausführungsbeispiel auch nur einen einzigen Scanspiegel 19 aufwei- sen, der zur zweidimensionalen Verfahrbarkeit des Laserfokus 17 dann aber um zwei Drehachsen drehbar gelagert ist. In diesem Fall wäre dies der letzte Scanspiegel 19, der für eine Sensorstrahlung 30 des Sensors 28 durchlässig ausgebildet ist.
Wie aus Figur 2 und 4 hervorgeht, verläuft somit ein Sensorstrahlengang 31 der Sensoreinheit 15 durch den durchlässigen und den Bearbeitungslaser- strahl 18 final ablenkenden Scanspiegel 19 hindurch. Dadurch, dass dieser Scanspiegel 19 für die Sensorstrahlung 30 durchlässig ausgebildet ist, wird die Ausbreitungsrichtung des Sensorstrahlengangs 31 durch die Spiegelbe- wegungen des Bearbeitungsscanners 16 nicht oder nur kaum beeinflusst.
Der Sensorstrahlengang 31 ist somit vom Bearbeitungsstrahlengang 21 op- tisch entkoppelt. Infolgedessen kann der Laserfokus 17 über den Bearbei- tungsscanner 16 an unterschiedliche Orte auf dem Werkstück 3 bewegt wer- den, ohne dass hierbei die Lage des Analysebereiches 29 verändert wird.
Der den Bearbeitungslaserstrahl 18 final ablenkenden Scanspiegel 19 ist somit derart ausgebildet, dass dieser eine auf seine Vorderseite 32 auftref- fende Bearbeitungsstrahlung des Bearbeitungslaserstrahls 18 zumindest teilweise reflektiert und auf die Oberfläche des Werkstücks 3 lenkt. Zusätzlich ist dieser Scanspiegel 19 derart ausgebildet, dass dieser die vom Sensor 28 emittierte und/oder vom Analysebereich 29 kommende Sensorstrahlung 30 durchlässt. Dies kann auf unterschiedliche Art und Weise sichergestellt wer- den.
In einem ersten Ausführungsbeispiel können die Bearbeitungsstrahlung des Bearbeitungslaserstrahls 18 und die Sensorstrahlung 30 zueinander unter- schiedliche Wellenlängenbereiche aufweisen. Der durchlässige Scanspiegel 19 weist dann zur Reflexion der Bearbeitungsstrahlung eine mit dem Wellen- längenbereich der Bearbeitungsstrahlung korrespondierende dichroitische Beschichtung auf. Diese kann auf der Vorderseite 32 und/oder auf einer Rückseite 33 des Scanspiegels 19 aufgebracht sein. Zusätzlich oder alterna- tiv kann die Vorderseite 32 und/oder die Rückseite 33 des durchlässigen Scanspiegels 19 zum Durchlässen der Sensorstrahlung 30 eine mit dem Wellenlängenbereich der Sensorstrahlung 30 korrespondierende antireflek- tierende Beschichtung aufweisen. Auch ist es denkbar, dass die Bearbei- tungsstrahlung des Bearbeitungslaserstrahls 18 und die Sensorstrahlung 30, zumindest im Bereich des durchlässigen Scanspiegels 19, zueinander unter- schiedliche Polarisationen aufweisen. In diesem Fall ist der durchlässige Scanspiegel 19 derart ausgebildet, dass dieser die Bearbeitungsstrahlung mit der einen Polarisation reflektiert und die Sensorstrahlung 30 mit der an- deren Polarisation durchlässt. Alternativ könnte der durchlässige Scanspiegel 19 aber auch halbtransparent ausgebildet sein. Um optische Störeinflüsse beim Durchtritt der Sensorstrahlung 30 durch den Scanspiegel 19 möglichst gering zu halten, ist es vorteilhaft, wenn die Vor- derseite 32 und die Rückseite 33 des durchlässigen Scanspiegels 19, zu- mindest in einem Durchtrittsbereich 34, zueinander planparallel ausgebildet sind. Der Durchtrittsbereich 34 bildet hierbei vorzugsweise einen, insbeson- dere zentralen, Teilbereich des Scanspiegels 19 aus.
In dem in Figur 2 und 4 dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Sensor 28 vorzugsweise ein Punkt-Abstandssensor, insbesondere ein OCT-Sensor (englisch:„optical coherence tomography“) bzw. optischer Kohärenztomo- graph. Ein OCT-Sensor umfasst eine Lichtquelle, insbesondere eine Laser- lichtquelle, deren Strahlung von einem Strahlteiler in einen Mess- und einen Referenzarm aufgeteilt wird. Die Sensoreinheit 15 und der abbildungsgemä- ße Sensorstrahlengang 31 befinden sich in diesem Messarm des OCT- Sensors. Beide Arme werden von der Lichtquelle des OCT-Sensors beleuch- tet. Der Sensor 28 strahlt somit im Falle eines OCT-Sensors Sensorstrahlung 30, insbesondere einen punktförmigen Sensorlaserstrahl, ab. Die von der Lichtquelle des OCT-Sensors kommende Sensorstrahlung 30 wird vom Werkstück gestreut. Ein Teil dieser gestreuten Sensorstrahlung 30 wird wie- der vom OCT-Sensor, insbesondere einem Detektor, aufgenommen. Der Re- ferenzarm des OCT Sensors liefert ebenfalls ein Signal zurück, das die vom Messarm wieder aufgenommene Strahlung auf den Detektor überlagert und dort zu einem Signal führt, mit dessen Hilfe die Länge des Messarms be- stimmt werden kann. Gemäß der vorstehenden Beschreibung sind der abbil- dungsgemäße Sensorstrahlengang 31 und der vorliegend nicht dargestellte im Sensor 28 befindliche Strahlengang ein Teil des Messarms des OCT- Sensors.
Im Falle eines OCT-Sensors 28 ist der Analysebereich 29 im Wesentlichen punktförmig ausgebildet. Um mit dem punktförmigen Analysebereich 29 des OCT-Sensors 28 einen flächigen Bereich erfassen zu können, ist es vorteil- haft, wenn die Sensorstrahlung 30, insbesondere ein Lasermesstrahl des OCT-Sensors, von einem beweglichen Ablenkmittel, insbesondere von zu- mindest einem Sensorspiegel 36, 37, abgelenkt werden kann. Der zumindest eine Sensorspiegel 36, 37 kann beispielsweise mit einem oder mehreren Galvanometerantrieben betrieben sein. Mit dem zumindest einen Sensor- spiegel 36, 37 kann der punktförmige Analysebereich 29 des insbesondere als OCT-Sensor ausgebildeten Sensors 28 innerhalb eines flächigen Erfas- sungsbereichs bewegt werden. Der Erfassungsbereich des insbesondere als OCT-Sensor ausgebildeten Sensors 28 kann mit der Relayoptik 2 vergrößert werden.
Alternativ oder zusätzlich kann der Sensor 28 aber auch derart ausgebildet sein, dass mit diesem ein flächiger Analysebereich 29 erfassbar ist. Hierfür umfasst der Sensor 28 einen Detektor und/oder eine Optik zur flächigen Ab- bildung des Analysebereiches 29 auf den Detektor. Auch dieser flächige Analysebereich 29 könnte mit einem Sensorscanner 35 innerhalb eines Er- fassungsbereiches bewegt werden. Der Sensor 28 ist in diesem Fall vor- zugsweise eine Kamera, die insbesondere einen Fotosensor und/oder ein Kameraobjektiv umfasst.
Bei dem in Figur 2 dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Sensor 28 vor- zugsweise eine Kamera. Bei dem in Figur 4 dargestellten Ausführungsbei- spiel ist sowohl eine Kamera 27 als auch ein OCT-Sensor denkbar, insbe- sondere aufgrund des nachfolgend noch detailliert erläuterten zuätzlichen Sensorscanners 35, mit dem der Analysebereich 29 zweidimensional in ei- nem maximalen Erfassungsbereich bewegt werden kann.
Figur 3 zeigt einen detaillierten Teilausschnitt der in Figur 2 dargestellten Vorrichtung 1 im Bereich der Sensoreinheit 15 und dem durchlässigen Scan- spiegel 19 des Bearbeitungsscanners 16, mit dem der Bearbeitungslaser- strahl 18 final abgelenkt werden kann. Gemäß Figur 3 ist die Relayoptik 2 derart angeordnet, dass die erste Abbildungsebene 11 sensorseitig und die zweite Abbildungsebene 12 scanspiegelseitig angeordnet sind. Um den Sen- sor 28 in den Scanspiegel 19 abbilden zu können, ist der Sensor 28 in oder zumindest nahe der ersten Abbildungsebene 11 angeordnet. Wenn der Sen- sor 28 beispielsweise als Kamera ausgebildet ist, ist diese vorzugsweise derart angeordnet, dass sich ein Fotosensor oder ein Kameraobjektiv der Kamera in oder zumindest nahe der ersten Abbildungsebene 11 befindet.
Der Scanspiegel 19 ist gemäß Figur 3 in oder zumindest nahe der zweiten Abbildungsebene 12 angeordnet.
Die Relayoptik 2 ist vorzugsweise sowohl bei dem in Figur 3 als auch bei den nachfolgend beschriebenen in Figur 5 und 6 dargestellten Ausführungsbei- spielen wie in Bezug auf Figur 1 beschrieben ausgebildet.
Das in Figur 4 dargestellte Ausführungsbeispiel der Vorrichtung 1 unter- scheidet sich zu dem in Figur 2 dargestellten Ausführungsbeispiel im We- sentlichen durch die Sensoreinheit 15. Bei der nachfolgenden Beschreibung des in Figur 4 dargestellten Ausführungsbeispiels werden für Merkmale, die im Vergleich zu dem in Figur 2 dargestellten Ausführungsbeispiel in ihrer Ausgestaltung und Wirkweise identisch oder zumindest vergleichbar sind, gleiche Bezugszeichen verwendet. Sofern diese nicht nochmals detailliert erläutert werden, entspricht deren Ausgestaltung und Wirkweise derjenigen der vorstehend bereits beschriebenen Merkmale.
Bei dem in Figur 4 dargestellten Ausführungsbeispiel der Vorrichtung 1 weist die Sensoreinheit 15 zusätzlich zur Relayoptik 2 und zum Sensor 28 einen Sensorscanner 35 auf. Der Sensorscanner 35 ist im Sensorstrahlengang 31 zwischen dem Sensor 28 und der Relayoptik 2 angeordnet. Der Sensorscan- ner 35 umfasst zumindest einen drehbaren Sensorspiegel 36, 37, der über die Steuereinheit 22 angesteuert werden kann. Flierdurch kann der Analy- sebereich 29 des Sensors 28 entkoppelt vom Bearbeitungsscanner 16 belie- big auf dem Werkstück 3 verfahren werden. Demnach ist es beispielsweise denkbar während der Bearbeitung den Analysebereich 29 zur Prozessüber- wachung in den Laserfokus 17 bzw. in den Prozessort zu bewegen, z.B. um das Innere der Dampfkapillare analysieren zu können. Zusätzlich oder alter- nativ kann der Analysebereich 29 zur Genauigkeitsverbesserung des Bear- beitungsprozesses, insbesondere während des Bearbeitungsprozesses, in einen Bahnvorlauf bewegt werden. So kann beispielsweise mit dem Analy- sebereich 29 durch im Wesentlichen lotrechtes Hin- und Herbewegen des Analysebereiches relativ zur Bahn die genaue Position einer zu schweißen- den Kante ermittelt werden. Zusätzlich oder alternativ ist es auch möglich den Analysebereich, insbesondere nach oder während des Bearbeitungspro- zesses, zur Qualitätsüberprüfung in einen Bahnnachlauf zu bewegen. Des Weiteren kann der Analysebereich 29 auch dazu genutzt werden, um die Po- sition und Orientierung des Werkstücks 3 relativ zur Vorrichtung ermitteln zu können. Hierbei versteht es sich von selbst, dass die Vorrichtung 1 bei spielsweise auf einem Mehrachsroboter angeordnet sein kann, dessen Be- wegungen und die damit verbundenen Ungenauigkeiten erfasst und korrigiert werden.
Gemäß Figur 4 wird der Sensorstrahlengang 31 somit nur durch den Sen- sorscanner 35 und/oder durch die nachgelagerte Relayoptik 2 beeinflusst.
Der Scanspiegel 19 beeinflusst die Lage des Sensorstrahlengang 30 bzw. des Analysebereiches 29 nicht, da der Sensorstrahlengang 30 durch den Scanspiegel 19 im Wesentlichen ablenkungsfrei hindurchgeht.
Gemäß dem in Figur 4 dargestellten Ausführungsbeispiel umfasst der Sen- sorscanner 35 mehrere Sensorspiegel 36, 37. Eine Detailansicht dieser Sen- soreinheit 15 ist in Figur 5 dargestellt. Die scanspiegelseitige Anordnung ent- spricht hierbei den vorstehenden Ausführungsbeispielen. Sensorseitig um- fasst die Sensoreinheit 15 jedoch, wie vorstehend erwähnt, den Sensorscan- ner 35. Vorliegend umfasst dieser zwei drehbar gelagerte Sensorspiegel 36, 37. Vergleichbar zum Bearbeitungsscanner 16 sind auch diese jeweils um eine Drehachse drehbar. Des Weiteren sind die Drehachsen dieser beiden Sensorspiegel 36, 37 zueinander in einem Winkel, insbesondere von 90°, verdreht angeordnet. Über die beiden Sensorspiegel 36, 37 kann der Analy- sebereich 29 somit zweidimensional auf der Werkstückoberfläche bewegt werden.
Wenn der Sensorscanner 35, wie in dem in Figur 4 und 5 dargestellten Aus- führungsbeispiel, zwei Sensorspiegel 36, 37 aufweist, ist dieser relativ zur Relayoptik 2 derart angeordnet, dass sich die sensorseitige erste Abbil- dungsebene 11 im Sensorstrahlengang 30 zwischen dem ersten und dem zweiten Sensorspiegel 36, 37 befindet. Gemäß Figur 5 befindet sich die erste Abbildungsebene 11 mittig zwischen den beiden Sensorspiegeln 36, 37. Al ternativ kann jedoch der Abstand der ersten Abbildungsebene 11 zum ersten Sensorspiegel 36 oder zum zweiten Sensorspiegel 37 kürzer sein.
Wie aus dem in Figur 5 dargestellten Ausführungsbeispiel hervorgeht, um- fasst die Sensoreinheit 15 eine Zusatzoptik 38, die zwischen dem Sensor 28 und dem Sensorscanner 35 angeordnet ist. Diese könnte auch in dem in Fi- gur 3 dargestellten Ausführungsbeispiel vorhanden sein. Mit dieser Zusatz- optik 38 kann der Analysebereich 29 scharfgestellt und/oder auf den Sensor abgebildet werden. Die Zusatzoptik 38 kann optional zum Zweck der variab- len Fokussierung variierbar, z.B. verschiebbar, und mittels der Steuereinheit 22 ansteuerbar sein.
Zusätzlich oder alternativ kann auch die Relayoptik 2 derart ausgebildet sein, dass mittels dieser über eine entsprechende Ansteuerung der Steuereinheit 22 und/oder Verschiebung zumindest einer der beiden Optiken 4, 5 eine Scharfstellung des Analysebereiches 29 bzw. Fokussierung erfolgen kann. In diesem Fall liegen die beiden inneren Brennpunkte 7, 9, d.h. die zwischen den beiden Optiken 4, 5 angeordneten Brennpunkte 7, 9, nicht exakt überei- nander. Sie weisen somit keinen gemeinsamen Brennpunkt 10 auf. Stattdes- sen weisen diese zueinander einen axialen Abstand auf, der vorzugsweise veränderbar ist. Die vorstehend genannten Mittel zum Fokussieren des Analysebereiches 29 können ebenso in der in Figur 3 und Figur 6 dargestellten Sensoreinheit 15 vorhanden sein.
Alternativ zu dem in Figur 4 und 5 dargestellten Ausführungsbeispiel des Sensorscanners 35 kann dieser - vergleichbar zum Bearbeitungsscanner 16 - auch nur einen einzigen Sensorspiegel 36 aufweisen, wie dies in Figur 6 dargestellt ist. In diesem Fall ist der Sensorspiegel 36 um zwei Drehachsen drehbar, so dass dieser alleine das zweidimensionale Verfahren bzw. Bewe- gen des Analysebereiches 29 durchführen kann. Wenn der Sensorscanner 35, wie in Figur 6 dargestellt, nur einen Sensorspiegel 36 aufweist, ist der Sensorscanner 35 relativ zur Relayoptik 2 derart positioniert, dass sich der Sensorspiegel 36 in oder zumindest nahe der ersten Abbildungsebene 11 befindet.
In allen der vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispielen kann die Steuereinheit 22 derart ausgebildet sein, dass diese den zumindest einen Sensorspiegel 36, 37 unter Berücksichtigung der Spiegelstellung des durch- lässigen Scanspiegels 19, insbesondere in Abhängigkeit seines niederfre- quenten Bahnführungssignals und/oder hochfrequenten Wobbelsignals, an- steuert. Das niederfrequente Bahnführungssignals weist vorzugsweise eine mindestens fünffach kleinere Frequenz als das hochfrequente Wobbelsignal auf. Zusätzlich oder alternativ ist das niederfrequente Bahnführungssignal kleiner oder gleich 200 Flz, insbesondere kleiner oder gleich 100 Hz. Zusätz- lich oder alternativ ist das hochfrequente Wobbelsignal größer oder gleich 100 Hz, insbesondere größer oder gleich 200 Hz.
Hierdurch können beim Durchdringen des Scanspiegels 19 eventuell auftre- tende Störungen des Sensorstrahlengangs 31 kompensiert werden. Vorteil- hafterweise kann somit eine genauere Positionierung des Analysebereiches 29 und eine genauere Datenerfassung erfolgen. In den vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispielen kann die Sen- soreinheit 15 auch nur einen Teil einer vorliegend nicht weiter dargestellten Sensorvorrichtung sein. Die übrigen Komponenten dieser Sensorvorrichtung können innerhalb, wie z.B. die Kamera 27, oder außerhalb der vorliegenden Vorrichtung 1 bzw. Bearbeitungssystem angeordnet sein. So kann der Sen- sor 28 auch alternativ nur einen Teil eines Sensors, beispielsweise eine Lichtquelle, aufweisen. Die übrigen Komponenten könnten außerhalb der Sensoreinheit 15 und/oder außerhalb der Vorrichtung 1 angeordnet sein. Alternativ könnte die Sensoreinheit 15 auch durch eine zweite Bearbeitungs- einheit ersetzt sein. In diesem Fall wäre der Sensor 28 in den in Figur 2 bis 6 dargestellten Ausführungsbeispielen eine Bearbeitungslaserquelle.
In einem weiteren Ausführungsbeispiel wäre es auch denkbar, eine zweite Bearbeitungseinheit in den Strahlengang der Sensoreinheit 15, insbesondere über einen Strahlteiler, einzukoppeln.
Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die dargestellten und beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt. Abwandlungen im Rahmen der Patentan- sprüche sind ebenso möglich wie eine Kombination der Merkmale, auch wenn diese in unterschiedlichen Ausführungsbeispielen dargestellt und be- schrieben sind.
Bezuqszeichenliste
1 Vorrichtung
2 Relayoptik
3 Werkstück
4 erste Optik
5 zweite Optik
6 erste Brennweite
7 erster Brennpunkt
8 zweite Brennweite
9 zweiter Brennpunkt
10 gemeinsamer Brennpunkt
11 erste Abbildungsebene
12 zweite Abbildungsebene
13 Objekt
14 Bild
15 Sensoreinheit
16 Bearbeitungsscanner
17 Laserfokus
18 Bearbeitungslaserstrahl
19 erster Scanspiegel
20 zweiter Scanspiegel
21 Bearbeitungsstrahlengang
22 Steuereinheit
23 Fokussieroptik
24 Strahlaustrittsöffnung
25 Gehäuse
26 Umlenkspiegel
27 Kamera
28 Sensor
29 Analysebereich 30 Sensorstrahlung
31 Sensorstrahlengang
32 Vorderseite
33 Rückseite
34 Durchtrittsbereich
35 Sensorscanner
36 erster Sensorspiegel
37 zweiter Sensorspiegel
38 Zusatzoptik
39 Laserquelle

Claims

P a t e n t a n s p r ü c h e
1. Vorrichtung (1 ) zur Lasermaterialbearbeitung zumindest eines Werk- stücks (3), insbesondere Laserbearbeitungsmaschine,
mit einem Bearbeitungsscanner (16) zum Führen eines Laserfokus (17) eines Bearbeitungslaserstrahls (18) entlang einer Bahn auf dem Werkstück (3),
der einen beweglichen Scanspiegel (19) zum Ablenken des Bearbei- tungslaserstrahls (18) umfasst,
der in einem Bearbeitungsstrahlengang (21 ) des Bearbeitungslaser- strahls (18) derart angeordnet ist, dass mit diesem der Bearbeitungs- laserstrahl (18) zur Anpassung der Lage des Laserfokus (17) vor dem Austritt des Bearbeitungslaserstrahls (18) aus dem Bearbeitungs- scanner (16) final ablenkbar ist, und
mit einer Sensoreinheit (15),
die einen Sensor (28) zum Erfassen eines Analysebereiches (29) auf dem Werkstück (3) umfasst,
dadurch gekennzeichnet.
dass der Scanspiegel (19) für eine Sensorstrahlung (30) des Sensors (28) durchlässig ausgebildet ist,
dass ein Sensorstrahlengang (31 ) der Sensoreinheit (15) durch den durchlässigen Scanspiegel (19) verläuft und
dass die Sensoreinheit (15) eine Relayoptik (2) umfasst,
die im Sensorstrahlengang (31 ) zwischen dem Sensor (28) und dem durchlässigen Scanspiegel (19) angeordnet ist und
derart ausgebildet ist, dass diese eine sensorseitige erste Abbildungs- ebene (11 ) und eine scanspiegelseitige zweite Abbildungsebene (12) ineinander abbildet.
2. Vorrichtung nach dem vorherigen Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass der durchlässige Scanspiegel (19) derart ausgebildet ist, dass dieser eine Bearbeitungsstrahlung des Bearbeitungslaserstrahls (18) zumindest teilweise reflektiert und/oder vom Sensor (28) emittierte und/oder vom Analysebereich (29) kommende Sensorstrahlung (30) durchlässt.
3. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor (28) ein Punktabstands- sensor, insbesondere ein OCT-Sensor, oder eine Kamera ist.
4. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoreinheit (15) einen im Sen- sorstrahlengang (31 ) zwischen dem Sensor (28) und der Relayoptik (2) angeordneten Sensorscanner (35), insbesondere mit zumindest einem beweglichen Sensorspiegel (36, 37), umfasst.
5. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die sensorseitige erste Abbildungs- ebene (11 ) der Relayoptik (2) im Sensorstrahlengang (31 ) in oder na- he dem Sensor (28) oder dem Sensorspiegel (36, 37) angeordnet ist.
6. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die sensorseitige erste Abbildungs- ebene (11 ) der Relayoptik (2) im Sensorstrahlengang (31 ), insbeson- dere mittig, zwischen einem ersten und einem zweiten Sensorspiegel (36, 37) angeordnet ist.
7. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die scanspiegelseitige zweite Abbil- dungsebene (12) der Relayoptik (2) im Sensorstrahlengang (31 ) in oder nahe dem durchlässigen Scanspiegel (19) angeordnet ist.
8. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Relayoptik (2) ein optisches Tele- skop, insbesondere ein Kepler-Teleskop, ist und/oder
eine sensorseitige erste Optik (4) und eine scanspiegelseitige zweite Optik (5) umfasst.
9. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Optik (4) im Vergleich zur zweiten Optik (5) eine kleinere, größere oder gleich große Brennweite (6, 8) aufweist und/oder
dass der Abstand zwischen den beiden Optiken (4, 5) der Summe ih- rer beiden Brennweiten (6, 8) entspricht.
10. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Drehachse des Sensorspiegels (36, 37) in oder nahe dem Brennpunkt (7) der ersten Optik (4) und/oder eine Drehachse des durchlässigen Scanspiegels (19) in oder nahe dem Brennpunkt (9) der zweiten Optik (5) angeordnet ist.
11. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Bearbeitungsscanner (16) mehrere Scanspiegel (19, 20) umfasst und der durchlässige Scanspiegel (19) in Ausbreitungsrichtung des Bearbeitungslaserstrahls (18) den letzten dieser Scanspiegel (19, 20) bildet.
12. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Bearbeitungsscanner (16) Mittel zum Wobbeln des Laserfokus (17) aufweist, insbesondere eine Steu- ereinheit (22), mit der der zumindest eine Scanspiegel (19) zusätzlich zu einem niederfrequenten Bahnführungssignal mit einem diesem überlagerten und im Vergleich zu diesem hochfrequenten Wobbelsig- nal ansteuerbar ist.
13. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (22) derart ausgebil- det ist, dass diese den zumindest einen Sensorspiegel (36, 37) zu- mindest unter Berücksichtigung der Spiegelstellung des durchlässigen Scanspiegels (19), insbesondere in Abhängigkeit seines niederfre- quenten Bahnführungssignals und/oder hochfrequenten Wobbelsig- nals, ansteuert.
14. Verfahren zum Betreiben einer Vorrichtung (1 ), insbesondere nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche, zur Lasermaterial- bearbeitung zumindest eines Werkstücks (3), insbesondere einer La- serbearbeitungsmaschine,
bei dem ein Laserfokus (17) eines Bearbeitungslaserstrahls (18) mit einem Bearbeitungsscanner (16) auf dem Werkstück (3) entlang einer Bahn geführt wird, wobei der Bearbeitungslaserstrahl (18) hierfür mit einem beweglichen Scanspiegel (19) vor dem Austritt des Bearbei- tungslaserstrahls (18) aus dem Bearbeitungsscanner (16) final abge- lenkt wird, und
bei dem mit einem Sensor (28) einer Sensoreinheit (15) ein Analy- sebereich (29) auf dem Werkstück (3) erfasst wird,
dadurch gekennzeichnet.
dass der Sensor (28) den Analysebereich (29) auf dem Werkstück (3) mittelbar
über eine Relayoptik (2), die in einem Sensorstrahlengang (31 ) zwi- schen dem Sensor (28) und dem Scanspiegel (19) angeordnet ist und eine sensorseitige erste Abbildungsebene (11 ) und eine scanspiegel- seitige zweite Abbildungsebene (12) ineinander abbildet, durch den fi- nal ablenkenden Scanspiegel (19) hindurch erfasst.
15. Verfahren nach dem vorherigen Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass der Analysebereich (29), insbesondere von einer Steuereinheit (22), über einen im Sensorstrahlengang (31 ) zwischen dem Sensor (28) und der Relayoptik (2) angeordneten Sensorscanner (35), insbe- sondere zur Prozessüberwachung in den Laserfokus (17), zur Quali- tätsüberprüfung in einen Bahnnachlauf und/oder zur Genauigkeitsver- besserung in einen Bahnvorlauf, bewegt wird.
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