WO2019179603A1 - Method and device for process-oriented beam shape adapting and beam orientation - Google Patents

Method and device for process-oriented beam shape adapting and beam orientation Download PDF

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WO2019179603A1
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laser beam
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beam profile
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Dmitriy Mikhaylov
Alexander Kroschel
Reiner Ramsayer
Damir Shakirov
Alexander Ilin
Thomas Kiedrowski
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Robert Bosch Gmbh
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    • B23K26/38Removing material by boring or cutting

Definitions

  • the invention relates to a method for adjusting the beam shape and beam orientation in a laser processing process, in which a laser beam focuses on the surface of a component by means of deflecting mirrors and lens systems and the laser beam by means of at least one beam shaping module with respect to its intensity distribution to the surface of the component to be machined can be adjusted.
  • the invention further relates to a device, in particular a laser processing system with a process control unit for carrying out the method according to the invention.
  • the intensity or fluence distribution of a laser beam in the working plane plays a major role in the results of a laser processing process. It thus forms an important parameter of laser material processing.
  • the beam shape is not easily varied, which is why Gaussian beam profile laser beams are most commonly used.
  • DOE diffractive optical elements
  • Such DOEs have the advantage that the intensity distribution of the laser beam can be adjusted within certain limits at will.
  • the DOEs are fixed optics, which while working out can be exchanged (eg by means of a DOE changer).
  • the change duration is usually too long compared to the process duration, so that the conversion of the intensity distribution during processing is only suitable for very different geometries and parameter sets.
  • the high costs of the DOEs which amount to several thousand euros per item, must be mentioned, which limit the number of DOEs used per unit (cost / benefit calculation and cost-effectiveness of the unit). If such DOEs are used, then it is usually one or two optics that are only optimized for one process.
  • Another disadvantage of solid beam shaper is when used in combination with a scanner system:
  • a shaped beam profile in the working plane (2D image) may experience image distortion.
  • the flexible, freely programmable beam shaper are called, such as Spatial Light Modulator (SLM), the spatial distribution of the phase or the amplitude of the laser beam or both sizes together vary and can set specifically.
  • SLM Spatial Light Modulator
  • Such modulators function according to different physical principles, e.g. the use of birefringent liquid crystals.
  • pure amplitude modulators the targeted hide areas in the laser beam profile (for example, Digital Micro-Mirror Device) are also to be mentioned.
  • Such systems are known and can be used to optimize the laser processes.
  • US Pat. No. 6,717,104 B2 describes a system for material processing by means of laser radiation, consisting of a laser source which generates a laser beam which is directed to a workpiece, a spatial light modulator SLM, which individually controllable elements for influencing the phase profile of the laser beam in order to generate an associated intensity distribution on the workpiece, a control unit connected to the SLM in order to control its individually controllable elements, so that the phase profile of the laser beam can be adjusted so that a desired intensity profile is achieved on the workpiece suitable for the intended material processing. Furthermore, in front of the SLM and on the workpiece Directed sensors that detect the intensity distribution and send data to the control unit, based on which deviations in the phase distribution are corrected.
  • No. 8,957,349 B2 describes a device for processing materials by means of laser radiation, which consists of a laser source, an SLM and a control unit.
  • the control unit stores a plurality of holograms which, depending on the task, are called up during material processing and forwarded to the SLM.
  • a laser beam can not only be guided on the drilling diameter, but also rotated around its own axis.
  • the asymmetry of the beam profile of a laser beam used can be compensated and transformed into a symmetrical circular profile by averaging. So the roundness of the hole can be achieved.
  • different drilling optics are used.
  • a beam profile rotation can be generated by a so-called Dove prism.
  • the rotation of a cylindrical lens telescope can be used for beam profile rotation. In both cases, the beam profile rotates at twice the angular velocity of the drilling optics. The beam profile rotation is thus coupled to the rotary movement of the helical drilling and can not be independent of the overall system.
  • the laser beam is additionally rotated with respect to its orientation by means of a beam profile rotating optics during processing, the adjustment of the beam shape and the rotation of the beam profile of the laser beam are adjusted depending on the surface to be machined of the component as well as the vector of the feed rate ,
  • This provides a new parameter space for laser process optimization.
  • a dynamically adapted beam shaping can be achieved so that the beamforming can be adapted in real time to the machining speeds that can be achieved today.
  • the beam shape means the spatial distribution of the laser beam intensity or the fluence in a working plane (intensity distribution in the xy plane along the z axis as the beam propagation axis). It also includes the beam splitting.
  • the additional adjustment of the beam orientation enables optimized laser processing, in particular if, for example, components with uneven or spatially differently oriented contours are to be welded.
  • the laser beam can thus be adapted to the feed vector of the processing speed.
  • the beam shape adaptation and beam profile rotation of the laser beam is freely programmed or adapted as a function of a scanner control of a scanner system and / or a positioning axis control of a component positioning, with communication between beam shape adaptation and beam profile rotation taking place with the scanner control and / or the axis control.
  • the beam shape adjustment and beam profile rotation of the laser beam is carried out continuously or at short intervals during the process.
  • Laser processing processes can thus be implemented without pausing the process, which on the one hand shortens the laser processing time and on the other hand also improves the laser processing quality.
  • the beam shape adaptation of the laser beam is performed by means of an SLM unit (Spatial Light Modulator) in the beam-forming module and the beam profile rotation with one or more rotating prisms and / or cylindrical lens telescopes.
  • SLM unit Spatial Light Modulator
  • Both the beam shaping and the beam profile rotation can be done with a dynamic, which is on the order of the dynamics of the feed rate or the change of the processing vector. This can be an optimal, adapted to the laser processing process beam formation and orientation achieved.
  • the beam profile rotation is adjusted by means of cocurrent or counter-rotating Dove prisms and / or cylindrical lens telescopes. This allows precise and highly dynamic beam orientation adjustments to be achieved.
  • a preferred use of the method provides for use in laser processing systems for Laserabtragen, as well as laser drilling, laser marking, laser cleaning, laser soldering or laser welding and laser polishing before.
  • the invention provides the advantage of the process-adapted laser beam guidance with a shaped laser beam and orientation of the laser beam adapted to the feed vector, which brings advantages in particular in the case of the above-mentioned methods.
  • the invention can be integrated both in existing and in new laser systems. By further optimizing the laser processes by means of the invention, the field of application of laser processing is enhanced. The processing quality increases, the process time decreases.
  • the modularity and the flexibility of the system It can be used in various systems and laser processing systems, without heavy dependence on the appli cation of the corresponding system. But even existing laser systems can possibly be retrofitted with the technology. Possibly.
  • the presented ray profile-oriented optics can be integrated into scanner systems, whereby the functionality of modern scanners is increased. Increasing the productivity of laser equipment by the purposeful rotation of shaped beam profiles is in mass production of great interest and importance. Due to the high flexibility, the invention is also of the highest relevance for the production of small batches or individual pieces.
  • the object relating to the device is achieved in that the process control unit devices for performing the method, as previously described with his Vari, and the laser processing system additionally a Strahlpro fil loftende optics for adjusting the laser beam orientation and a beam forming module for adjusting the intensity distribution ,
  • the process control unit devices for performing the method as previously described with his Vari
  • the laser processing system additionally a Strahlpro filfitende optics for adjusting the laser beam orientation and a beam forming module for adjusting the intensity distribution ,
  • This allows a modular laser processing concept to be realized. Even existing laser processing systems can be retrofitted with it.
  • An offline integration of the functionality enables an extension of existing user programs for laser processing.
  • An online integration also enables the process-oriented optimization of laser machining, in which the control of the beam shaping or rotation takes place via corresponding interfaces for laser process control or regulation.
  • the beam-shaping module has at least one SLM unit in the form of a phase and / or amplitude modulation unit.
  • Beam shaping by means of a phase modulation can advantageously be effected by means of an LCoS-SLM unit (liquid crystal on silicon) in which the phase of the incident laser beam can be discretized by means of an array of double-refractive liquid crystals by each pixel having a differently controllable angular orientation of the liquid crystals having.
  • Beam shaping with the aid of amplitude modulation can be carried out by means of a DMD unit (Digital Micromirror Device) in the beam forming module.
  • a DMD unit Digital Micromirror Device
  • an array of individually controllable micromirrors discretizes the incident laser beam by dividing it into many small sub-beams, whereby the intensity distribution of the laser beam in the working plane can be adjusted by the different deflection of the individual beams.
  • the incident light is partially reflected directly back again, which takes place in a horizontal mirror position, or partially cut out of the beam by tilting the micromirrors.
  • An adaptation of the laser beam orientation can suc conditions in a simple and precise manner when the beam profile rotating optics from one or more rotatable about the optical axis prisms in the form of beam profile rotating prisms, preferably Dove Prism and / or cylindrical lens telescopes is formed, wherein the prisms and / or cylindrical lens telescopes are arranged in the same direction or in opposite directions rotatable.
  • the beam orientation can be rotated by the angle 2 * a when the dove prism and / or the cylindrical lens telescope is rotated by the angle a.
  • FIG. 1 shows a schematic block diagram of a laser processing machine
  • FIG. 2 shows a further schematic representation of a laser processing machine
  • 3a to 3c show a schematic representation of a welding of various construction parts
  • FIG. 4 shows a beam profile rotating optic with a rotating prism
  • Figure 5 is a beam profile rotating optics with a cylindrical lens telescope
  • FIG. 6 shows a beam-profile-rotating optical system with several prisms connected in series.
  • FIG. 1 shows, in a schematic block diagram, a laser processing machine 1, which has as its main component a process control unit 20, which receives corresponding specifications for the upcoming laser processing from a user program 10.
  • the process control unit 20 controls via a default laser parameters 31, such as laser power, on / off status and a repetition rate, pulse duration and pulse energy in pulsed lasers, a laser source 30, such as a CO2 laser or Nd: YAG laser on.
  • a laser source 30 such as a CO2 laser or Nd: YAG laser on.
  • a intensity distribution I (x, y, z , t) and for pulsed lasers a fluence distribution ⁇ P (x, y , z , t) are given.
  • the beam shaping can be done for example by means of so-called Liquid Crystal on Silicon Spatial Light Modulators (LCoS-SLM).
  • LLCoS-SLM Liquid Crystal on Silicon Spatial Light Modulators
  • the phase of the incident laser beam 32 can be discretized by different employment of each individual pixel.
  • Another possibility of beam shaping can be achieved by means of a digital micromirror device (DMD), wherein an array of micromirrors of the incident laser beam 32 can be discretized by the division into many small sub-beams, whereby the laser beam 32 by a deflection of the individual beams in the working plane can be formed.
  • DMD digital micromirror device
  • Such a shaped laser beam 42 can be used without further processing for laser processing.
  • a beam profile rotating optics 50 is further provided, which according to a specification of the beam profile rotation 51 (eg, an angle for the beam profile rotation or a rotational speed) of the process control unit 20, a shaped and rotated laser beam 52 he testifies to a scanner system 60 is guided, which is controlled by appropriate inputs of the scan parameters 61 (scan program or scan paths) of the process control unit 20.
  • the relative position between the ge formed and rotated laser beam 52 and the workpiece can be changed in space, whereby a positioned, shaped and rotated laser beam 63 results.
  • this function is realized by the scanner system 60 in conjunction with a component positioning 70 by means of CUZabg axes.
  • the scanner system 60 is thereby used speed due to the smaller moving masses for a much larger movement.
  • the dynamics of beam profile rotation must match the optics 50 and the beamforming module 40 both the dynamics of the scanner system 60 and the positioning system.
  • the component can also be rotated relative to the beam profile. This can be achieved by using a precise axis system to position the component.
  • a feedback for scanning position or scanning speed 62 may be provided.
  • Fig. 2 shows in a further schematic representation of a Laserbearbeitungsan position 1, in which only a beam shaping for optimal laser processing vorgese hen, but which can be supplemented with beam profile rotating optics 50 (not shown in Figure 2).
  • the laser beam 32 is fed via deflecting mirror 130 to the beam-forming module 40, which directs the laser beam via one or more further deflecting mirrors 45 onto an SLM unit 43, as described above.
  • the laser beam 32 is modified to a shaped laser beam 42 by this phase or amplitude modulator, in which a phase or amplitude mask is modulated, and which is controlled by the beam shaping 41 from a beam profile database 90. It can be provided that the ge-shaped laser beam 42 passes through further lens systems 44 and is deflected by means of further order steering mirror 45.
  • the shaped laser beam 42 can be used in a first processing plane 80 or passes through another lens system 140 as a focusing lens and can with a scanner system and other lens systems 140 are projected onto a further processing level 80.
  • the positioning can take place via the component positioning 70, which is controlled via an axis controller 120.
  • a master program unit 100 controls the presetting of the laser parameters 31 for the laser beam source 30, via the beam profile database 90 the shape of the laser beam 32, as well as the scanner system 60 and the axis controller 120.
  • a central computing unit 110 synchronizes all subsystems, e.g. Time-based or event-based for executing a fixed program or for a process control, in which an additional sensor 150 or measurement technology is integrated into the laser processing system 1.
  • a master code can be executed. It may also be e.g. an FPGA board, a graphics card or other real-time hardware systems can be used as arithmetic unit 110.
  • a master-slave system with laser and scanner control card (RTC card) as the master and other components as slaves for executing a fixed program can be provided.
  • the arithmetic unit 110 can be designed as a host for self-standing systems.
  • FIGS. 3a, 3b and 3c show two welding tasks in a schematic representation.
  • Figure 3a is a straight joint gap 163 share between two construction, component 1 161 and component 2 162, welded. This is done in the example shown using a beam profile distributed in the working plane (here a 3-spot beam). Since the laser beam feed direction 170 does not change during different times 171, 172, 173, 174, the beam profile does not have to be rotated either. However, if the feed direction of the laser beam / components 161 changes,
  • FIG. 3 c shows an optimized welding process in which the beam profile corresponds to the course of the joint gap
  • a simple solution for rotating the beam profile in the working plane is given by the rotation of the beam profiler (eg the DEO) itself around the Strahlaus distribution axis.
  • the rotation of the beamformer in the XY plane also rotates the beam profile.
  • the benefits of such a design include simplicity - in addition to the beam former itself and a mechanism that rotates it around the Z axis, no other optics are added.
  • many beam profile shapers, such as DOEs are small and lightweight, making them ideal for highly dynamic opto-mechanical constructions.
  • the quality of the beam shaping depends strongly on the input beam. If this is not perfectly circularly symmetrical, then the beam profile depicted in the machining plane is not only rotated during the rotation of the beam profile former, but also distorted.
  • FIG. 4 shows a beam-profile-rotating optical system 50 based on a dove prism 53.
  • the already shaped laser beam 42 is coupled into the rotatable dove prism 53 by means of deflecting mirrors 54 in the embodiment shown.
  • the already shaped laser beam 42 is at fürau fen of the Dove prism according to the o.g. Condition by the angle 2 * a Dre Dre the Dove prism rotated by the angle a.
  • the shaped and rotated laser beam 52 leaves the beam profile-rotating optics 50 via a lens system 55.
  • FIG. 5 schematically shows an alternative possibility of beam profile rotation based on the use of a cylindrical lens telescope 56.
  • the already shaped laser beam 42 is coupled into the rotatable cylindrical lens telescope 56 by means of deflection mirrors 54 in the exemplary embodiment shown.
  • the shaped and rotated La serstrahl 52 leaves the jet-rotating optics 50 via a lens system 55th
  • the beam profile of a beam passing through a cylindrical lens telescope 56 is rotated similar to Dove prism 53. If the telescope is rotated by the angle cp, the beam profile rotates by the angle 2 * cp.
  • the Dove-prism construction he explained ways to increase the system dynamics and the Strahlprofilverfit speed can also be on the structure with the cylindrical lens telescope 56 carry over.
  • several telescopes can be arranged one after another to increase the proportionality factor between the rotation of the beam profile and the Zy linderlinsensystems.
  • the intensity distribution of the laser beam 32 emerging from the laser beam source 30 is varied by means of a programmable beam shaping module 40 and is focused or focused onto the component 161, 162 by an optical design.
  • a beam shaper phase amplitude modulators or a series circuit (possibly also Paral lelscrien) can be used from such.
  • the selection of suitable beamformers depends strongly on the application, the framework conditions and on the other system technology.
  • the beam shape is adapted to different requirements resulting, on the one hand, from the laser program / user wishes and, on the other hand, from the compensation of aberrations on the working plane (for example image distortion in the scanner field, aberrations of the optical system, etc.).
  • the intensity distribution of the beam can be adapted to the support or component geometry or to the alignment of a weld seam be, as shown in particular in Figure 3c the example of a weld.
  • the rotation of the beam profile during processing can be controlled both by the presented invention and by an additional module.
  • a surface is to be removed, then its positionally accurate exposure to the laser can also take place with the beam shaping.
  • the area to be exposed is displayed directly as an intensity distribution of the laser beam 32.
  • the area to be exposed can be divided into (at least two) subareas, which are also converted into the intensity distribution. Then, the subareas are to be exposed alternately one after the other, with the beam shaping system dictating which area is exposed and when.
  • Such machining also has the advantage that the alternation of the beam profiles leaves enough time to cool down the surfaces that are not currently being processed.
  • the shape of the jet can be changed or adjusted depending on the geometry of the borehole and the component 161, 162 as well as on the depth. Especially when forming the drill holes, the geometry of the beam profile can play a crucial role. Since the intensity distribution can also be varied along the Z axis, the system can also be used for focus adjustment.
  • the flexible beam shaping can be used to adjust the intensity distribution to the component thickness or different materials to be welded. Furthermore, in contrast to a simple Gaussian profile, the beam shaping can be set to be more flexible for forming the weld seam, to prevent the formation of cracks, etc.
  • the invention is able to react to changes in the sensor and process parameter values with a control intervention in the beam shape and beam alignment.
  • changes in the sensor and process parameter values with a control intervention in the beam shape and beam alignment.
  • parameters such parameters as local and temporal intensity distribution or fluence distribution can be changed indirectly as well as pulse overlap (with pulsed lasers) during the process.
  • the regulation of the beam shape and beam alignment can be done in dependence on different parameters, which involves several different measurement systems because of the overall system.
  • the possible control parameters are:
  • Geometry e.g., laser ablation or drilling

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Abstract

The invention relates to a method and a device, in particular a laser machining system, having at least one process control unit, as well as a user program, a laser beam source, a beam shaping module and a beam profile rotating optic, with which a laser beam can be adapted in real-time in terms of its beam profile and orientation to a forward velocity vector and to the topography of the workpiece to be machined. Rotating dove prisms and/or cylindrical lens telescopes, for example, are used for a beam profile rotation. An adapting of the beam shape can occur by means of liquid crystal on silicon spatial light modulators (LCoS-SLM) or digital micro mirror devices. In this way, a laser machining can be significantly improved in terms of quality and productivity. With this concept, modular laser machining systems can be constructed. Existing systems can be retrofitted.

Description

Beschreibung  description
Titel title
Verfahren und Vorrichtung zur prozessorientierten Strahlformanpassunq undMethod and apparatus for process-oriented beamforming adaptation and
Strahlorientierunq Strahlorientierunq
Stand der Technik State of the art
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Strahlform- und Strahlorientierungsanpassung bei einem Laserbearbeitungsprozess, bei dem in einer Laserbearbeitungsanlage ein Laserstrahl mittels Umlenkspiegeln und Linsensystemen auf die Oberfläche eines Bau- teils fokussiert und der Laserstrahl mittels mindestens eines Strahlformungsmoduls hinsichtlich seiner Intensitätsverteilung an die zu bearbeitende Oberfläche des Bauteils angepasst werden kann. The invention relates to a method for adjusting the beam shape and beam orientation in a laser processing process, in which a laser beam focuses on the surface of a component by means of deflecting mirrors and lens systems and the laser beam by means of at least one beam shaping module with respect to its intensity distribution to the surface of the component to be machined can be adjusted.
Die Erfindung betrifft weiterhin eine Vorrichtung, insbesondere eine Laserbearbeitungs anlage mit einer Prozesssteuereinheit zur Durchführung des erfindungsgemäßen Ver fahrens. The invention further relates to a device, in particular a laser processing system with a process control unit for carrying out the method according to the invention.
Die Intensitäts- bzw. Fluenzverteilung eines Laserstrahls in der Bearbeitungsebene spielt eine große Rolle für die Ergebnisse eines Laserbearbeitungsprozesses. Sie bil det somit einen wichtigen Parameter der Lasermaterialbearbeitung. Allerdings ist die Strahlform nicht einfach zu variieren, weswegen Laserstrahlen mit gaußförmigem Strahlprofil am häufigsten verwendet werden. Zur Strahlformung können feste Optiken, die diffraktive optische Elemente (DOE) genannt werden, im Strahlengang verbaut wer den, die einen typischen gaußförmigen Strahl in unterschiedliche aber nicht veränder bare Strahlformen modifizieren. Solche DOEs haben den Vorteil, dass die Intensitäts verteilung des Laserstrahls in gewissen Grenzen nach Belieben eingestellt werden kann. Allerdings sind die DOEs feste Optiken, die während der Bearbeitung zwar aus- getauscht werden können (z.B. mittels eines DOE-Wechslers). Jedoch ist die Wechsel dauer im Vergleich zur Prozessdauer meist zu lang, so dass die Umstellung der Inten sitätsverteilung während der Bearbeitung nur für sehr unterschiedliche Geometrien und Parametersätze geeignet ist. Ferner sind die hohen Kosten der DOEs, die bis zu meh reren Tausend Euro/Stück reichen, zu nennen, die die Anzahl der eingesetzten DOEs pro Anlage begrenzen (Kosten/Nutzen- Rechnung und Wirtschaftlichkeit der Anlage). Kommen solche DOEs zum Einsatz, so sind es dann meist ein bis zwei Optiken, die nur für einen Prozess optimiert sind. Ein weiterer Nachteil der festen Strahlformer tritt dann auf, wenn diese in Kombination mit einem Scanner-System verwendet werden:The intensity or fluence distribution of a laser beam in the working plane plays a major role in the results of a laser processing process. It thus forms an important parameter of laser material processing. However, the beam shape is not easily varied, which is why Gaussian beam profile laser beams are most commonly used. For beam shaping, fixed optics called diffractive optical elements (DOE) can be installed in the beam path, who can modify a typical Gaussian beam into different but not variable beam forms. Such DOEs have the advantage that the intensity distribution of the laser beam can be adjusted within certain limits at will. However, the DOEs are fixed optics, which while working out can be exchanged (eg by means of a DOE changer). However, the change duration is usually too long compared to the process duration, so that the conversion of the intensity distribution during processing is only suitable for very different geometries and parameter sets. Furthermore, the high costs of the DOEs, which amount to several thousand euros per item, must be mentioned, which limit the number of DOEs used per unit (cost / benefit calculation and cost-effectiveness of the unit). If such DOEs are used, then it is usually one or two optics that are only optimized for one process. Another disadvantage of solid beam shaper is when used in combination with a scanner system:
Da ein Scanner-System darauf optimiert ist, einen einzelnen schmalen Laserstrahl auf der Bearbeitungsebene richtig zu positionieren (1D-Punkt) und alle systemtechnischen Verzerrungen auszugleichen, kann ein geformtes Strahlprofil in der Bearbeitungsebene (2D-Bild) eine Bildverzerrung erfahren. Vor allem bei Strahlteilung aber auch bei Strahl formung kann dies zur Minderung der Bearbeitungsqualität führen (Positioniergenauig keit, Einhaltung der Toleranzen, Konstanz der Intensitätsverteilung usw.). Ferner sollen die flexiblen, frei programmierbaren Strahlformer genannt werden, wie Spatial Light Modulator (SLM), der räumliche Verteilung der Phase oder der Amplitude des Laser strahls oder auch beide Größen zusammen variieren und gezielt einstellen kann. Sol che Modulatoren funktionieren nach unterschiedlichen physikalischen Prinzipien, wie z.B. der Verwendung der doppelbrechenden Flüssigkristalle. Auch reine Amplituden modulatoren, die gezielt Bereiche im Laserstrahlprofil ausblenden (z.B. Digital Micro- Mirror Device) sind ebenfalls zu erwähnen. Solche Systeme sind bekannt und können zur Optimierung der Laserprozesse eingesetzt werden. Since a scanner system is optimized to correctly position a single narrow laser beam on the working plane (1D point) and to compensate for all systemic distortions, a shaped beam profile in the working plane (2D image) may experience image distortion. Especially with beam splitting but also with beam shaping, this can lead to a reduction of the processing quality (positioning accuracy, compliance with tolerances, constancy of the intensity distribution, etc.). Furthermore, the flexible, freely programmable beam shaper are called, such as Spatial Light Modulator (SLM), the spatial distribution of the phase or the amplitude of the laser beam or both sizes together vary and can set specifically. Such modulators function according to different physical principles, e.g. the use of birefringent liquid crystals. Also pure amplitude modulators, the targeted hide areas in the laser beam profile (for example, Digital Micro-Mirror Device) are also to be mentioned. Such systems are known and can be used to optimize the laser processes.
Die US 6,717,104 B2 beschreibt ein System zur Materialbearbeitung mittels Laser- strahlung bestehend aus einer Laserquelle, die einen Laserstrahl erzeugt, der zu ei- nem Werkstück geleitet wird, einem Spatial Light Modulator SLM, der einzeln ansteuer- bare Elemente zur Beeinflussung des Phasenprofils des Laserstrahls aufweist, um auf dem Werkstück eine zugehörige Intensitätsverteilung zu erzeugen, eine mit dem SLM verbundene Steuereinheit, um deren einzeln ansteuerbare Elemente anzusteuern, so dass das Phasenprofil des Laserstrahls derart eingestellt werden kann, dass ein ge- wünschtes Intensitätsprofil auf dem Werkstück erzielt wird, das für die beabsichtigte Materialbearbeitung geeignet ist. Weiterhin sind vor dem SLM und auf das Werkstück Sensoren gerichtet, die die Intensitätsverteilung erfassen und Daten an die Steuerein- heit senden, auf deren Basis Abweichungen in der Phasenverteilung korrigiert werden. US Pat. No. 6,717,104 B2 describes a system for material processing by means of laser radiation, consisting of a laser source which generates a laser beam which is directed to a workpiece, a spatial light modulator SLM, which individually controllable elements for influencing the phase profile of the laser beam in order to generate an associated intensity distribution on the workpiece, a control unit connected to the SLM in order to control its individually controllable elements, so that the phase profile of the laser beam can be adjusted so that a desired intensity profile is achieved on the workpiece suitable for the intended material processing. Furthermore, in front of the SLM and on the workpiece Directed sensors that detect the intensity distribution and send data to the control unit, based on which deviations in the phase distribution are corrected.
Die US 8,957,349 B2 beschreibt eine Vorrichtung zur Materialbearbeitung mittels La- serstrahlung, die aus einer Laserquelle, einem SLM und einer Steuereinheit besteht. In der Steuereinheit ist eine Mehrzahl von Hologrammen gespeichert, die je nach Auf- gabe bei der Materialbearbeitung aufgerufen und an den SLM weitergegeben werden. No. 8,957,349 B2 describes a device for processing materials by means of laser radiation, which consists of a laser source, an SLM and a control unit. The control unit stores a plurality of holograms which, depending on the task, are called up during material processing and forwarded to the SLM.
Beim Laserbohren ist bekannt, dass ein Laserstrahl nicht nur auf dem Bohrdurchmes- ser geführt, sondern auch um seine eigene Achse gedreht werden kann. Dies führt dazu, dass die Asymmetrie des Strahlprofils eines verwendeten Laserstrahls ausgegli- chen und zu einem symmetrischen Kreisprofil durch Mittelung werden kann. So kann die Rundheit der Bohrung erreicht werden. Um die Drehung des Strahlprofils beim Bohren zu gewährleisten, werden unterschiedliche Bohroptiken eingesetzt. Eine Strahl- profildrehung kann durch ein sogenanntes Dove-Prisma erzeugt werden. Weiterhin kann die Rotation eines Zylinderlinsenteleskops für eine Strahlprofildrehung genutzt werden. In beiden Fällen dreht das Strahlprofil mit der doppelten Winkelgeschwindig- keit der Bohroptik. Die Strahlprofilrotation ist somit an die drehende Bewegung des Wendelbohrens gekoppelt und kann nicht unabhängig vom Gesamtsystem erfolgen. In laser drilling, it is known that a laser beam can not only be guided on the drilling diameter, but also rotated around its own axis. As a result, the asymmetry of the beam profile of a laser beam used can be compensated and transformed into a symmetrical circular profile by averaging. So the roundness of the hole can be achieved. To ensure the rotation of the beam profile during drilling, different drilling optics are used. A beam profile rotation can be generated by a so-called Dove prism. Furthermore, the rotation of a cylindrical lens telescope can be used for beam profile rotation. In both cases, the beam profile rotates at twice the angular velocity of the drilling optics. The beam profile rotation is thus coupled to the rotary movement of the helical drilling and can not be independent of the overall system.
Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren bereitzustellen, welches eine prozessori entierte Strahlformanpassung sowie eine optimale Anpassung der Orientierung des Bearbeitungsstrahls während der Laserbearbeitung, z.B. beim Laserschweißen, er möglicht. It is an object of the invention to provide a method which has a process-oriented beam shape adaptation as well as an optimal adjustment of the orientation of the processing beam during the laser processing, e.g. in laser welding, he allows.
Es ist weiterhin Aufgabe der Erfindung, eine entsprechende Vorrichtung, insbesondere eine Steuereinheit sowie ein Strahlformungsmodul und eine strahlprofildrehende Optik zur Durchführung des Verfahrens bereitzustellen. It is a further object of the invention to provide a corresponding device, in particular a control unit and a beam shaping module and a beam profile rotating optics for performing the method.
Offenbarung der Erfindung Disclosure of the invention
Die das Verfahren betreffende Aufgabe wird durch die Merkmale der Ansprüche 1 bis 6 gelöst. Erfindungsgemäß ist dabei vorgesehen, dass der Laserstrahl zusätzlich hinsichtlich seiner Orientierung mittels einer strahlprofildrehenden Optik während der Bearbeitung gedreht wird, wobei die Anpassung der Strahlform sowie die Drehung des Strahlprofils des Laserstrahls abhängig von der zu bearbeitenden Fläche des Bauteils als auch vom Vektor der Vorschubgeschwindigkeit angepasst werden. Hiermit wird ein neuer Para- meterraum für eine Laserprozessoptimierung bereitgestellt. Gegenüber bestehenden Systemen, insbesondere gegenüber statisch aufgebauten Strahlformern kann eine dy- namisch angepasste Strahlformung erzielt werden, so dass die Strahlformung in Echt- zeit an die heute erreichbaren Bearbeitungsgeschwindigkeiten angepasst werden kann. Mit der Strahlform ist die räumliche Verteilung der Laserstrahlintensität bzw. der Fluenz in einer Bearbeitungsebene (Intensitätsverteilung in der xy-Ebene entlang der z-Achse als Strahlausbreitungsachse) gemeint. Sie beinhaltet auch die Strahlteilung. Die zusätzliche Anpassung der Strahlorientierung ermöglicht eine optimierte Laserbe- arbeitung insbesondere, wenn beispielsweise Bauteile mit ungleichmäßigen oder räumlich unterschiedlich orientierten Konturen verschweißt werden sollen. Der Laser- strahl kann damit dem Vorschubvektor der Bearbeitungsgeschwindigkeit angepasst werden. The object of the method is solved by the features of claims 1 to 6. According to the invention it is provided that the laser beam is additionally rotated with respect to its orientation by means of a beam profile rotating optics during processing, the adjustment of the beam shape and the rotation of the beam profile of the laser beam are adjusted depending on the surface to be machined of the component as well as the vector of the feed rate , This provides a new parameter space for laser process optimization. Compared with existing systems, in particular with respect to statically constructed beam shapers, a dynamically adapted beam shaping can be achieved so that the beamforming can be adapted in real time to the machining speeds that can be achieved today. The beam shape means the spatial distribution of the laser beam intensity or the fluence in a working plane (intensity distribution in the xy plane along the z axis as the beam propagation axis). It also includes the beam splitting. The additional adjustment of the beam orientation enables optimized laser processing, in particular if, for example, components with uneven or spatially differently oriented contours are to be welded. The laser beam can thus be adapted to the feed vector of the processing speed.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Strahlformanpassung und Strahlprofildrehung des Laserstrahls frei programmiert oder in Abhängigkeit einer Scannersteuerung eines Scannersystems und/ oder einer Positionierachsensteuerung einer Bauteilpositionie rung adaptiert wird, wobei eine Kommunikation zwischen Strahlformanpassung und Strahlprofildrehung mit der Scannersteuerung und/ oder der Achsensteuerung erfolgt. It is particularly advantageous if the beam shape adaptation and beam profile rotation of the laser beam is freely programmed or adapted as a function of a scanner control of a scanner system and / or a positioning axis control of a component positioning, with communication between beam shape adaptation and beam profile rotation taking place with the scanner control and / or the axis control.
Da viele Laserbearbeitungsprogramme meist vor der eigentlichen Bearbeitung entwi ckelt werden, ist es von Vorteil, wenn die Prozessparameter für die Strahlformanpas sung und Strahlprofildrehung des Laserstrahls offline in Laserbearbeitungsprogramme integriert werden. Aber auch eine Online-Adaption an den Laserbearbeitungsprozess kann vorteilhaft sein, falls der Prozess, z.B. über eine entsprechende Sensorik, beo bachtet bzw. überwacht, gesteuert oder geregelt wird. Since many laser processing programs are usually developed before the actual processing, it is advantageous if the process parameters for the beam shape adaptation and beam profile rotation of the laser beam are integrated offline into laser processing programs. But even an online adaptation to the laser processing process may be advantageous if the process, e.g. via a corresponding sensor, beo observed or monitored, controlled or regulated.
Bevorzugt wird die Strahlformanpassung und Strahlprofildrehung des Laserstrahls kon tinuierlich oder in kurzen Zeitabständen während des Prozesses durchgeführt. Damit lassen sich Laserbearbeitungsprozesse ohne Pausieren des Prozesses realisieren, was einerseits die Laserbearbeitungszeit verkürzt und andererseits auch die Laserbe arbeitungsqualität verbessert. Preferably, the beam shape adjustment and beam profile rotation of the laser beam is carried out continuously or at short intervals during the process. Laser processing processes can thus be implemented without pausing the process, which on the one hand shortens the laser processing time and on the other hand also improves the laser processing quality.
In einer besonders bevorzugten Verfahrensvariante wird die Strahlformanpassung des Laserstrahls mittels einer SLM-Einheit (Spatial Light Modulator) im Strahlformungsmo dul und die Strahlprofildrehung mit ein oder mehreren sich drehenden Prismen und/ oder Zylinderlinsenteleskopen durchgeführt. Sowohl die Strahlformung als auch die Strahlprofildrehung kann mit einer Dynamik erfolgen, die in der Größenordnung der Dy namik der Vorschubgeschwindigkeit bzw. der Änderung des Bearbeitungsvektors liegt. Damit lässt sich eine optimale, an den Laserbearbeitungsprozess angepasste Strahl formung und -Orientierung erzielen. In a particularly preferred variant of the method, the beam shape adaptation of the laser beam is performed by means of an SLM unit (Spatial Light Modulator) in the beam-forming module and the beam profile rotation with one or more rotating prisms and / or cylindrical lens telescopes. Both the beam shaping and the beam profile rotation can be done with a dynamic, which is on the order of the dynamics of the feed rate or the change of the processing vector. This can be an optimal, adapted to the laser processing process beam formation and orientation achieved.
Dabei kann vorgesehen sein, dass die Strahlprofildrehung mittels sich gleichläufig oder gegenläufig drehender Dove-Prismen und/ oder Zylinderlinsenteleskope eingestellt wird. Hiermit lassen sich präzise und hochdynamische Strahltorientierungsanpassun- gen erzielen. It can be provided that the beam profile rotation is adjusted by means of cocurrent or counter-rotating Dove prisms and / or cylindrical lens telescopes. This allows precise and highly dynamic beam orientation adjustments to be achieved.
Eine bevorzugte Verwendung des Verfahrens, wie es zuvor mit seinen Varianten be schrieben wurde, sieht den Einsatz in Laserbearbeitungsanlagen zum Laserabtragen, sowie Laserbohren, Lasermarkieren, Laserreinigen, Laserlöten bzw. Laserschweißen und zum Laserpolieren vor. Durch die Erfindung ergibt sich hierbei der Vorteil der pro- zessangepassten Laserstrahlführung mit geformtem Laserstrahl und an den Vorschub vektor angepasster Orientierung des Laserstrahls, was insbesondere bei den o.g. bei spielhaften Verfahren Vorteile mit sich bringt. Die Erfindung kann sowohl in bestehende als auch in neue Laseranlagen integriert werden. Durch die weitere Optimierung der Laserprozesse mithilfe der Erfindung wird das Einsatzfeld von Laserbearbeitung erwei tert. Die Bearbeitungsqualität steigt, die Prozessdauer sinkt. Vorteilhaft ist die Modulari tät und die Flexibilität des Systems: Es kann in unterschiedlichen Anlagen und Laser bearbeitungssystemen eingesetzt werden, ohne starke Abhängigkeit von der Anwen dung der entsprechenden Anlage. Aber auch schon bestehende Laseranlagen können u.U. mit der Technik nachgerüstet werden. Ggf. kann die vorgestellte strahlprofildre hende Optik in Scannersysteme integriert werden, wodurch die Funktionalität von mo dernen Scannern erhöht wird. Die Erhöhung der Produktivität von Laseranlagen durch die zielgerichtete Rotation von geformten Strahlprofilen ist bei Großserienproduktionen von großem Interesse und Wichtigkeit. Durch die hohe Flexibilität ist die Erfindung aber auch für die Produktion von Kleinserien oder Einzelstücken von höchster Relevanz. A preferred use of the method, as it was previously described with its variants, provides for use in laser processing systems for Laserabtragen, as well as laser drilling, laser marking, laser cleaning, laser soldering or laser welding and laser polishing before. The invention provides the advantage of the process-adapted laser beam guidance with a shaped laser beam and orientation of the laser beam adapted to the feed vector, which brings advantages in particular in the case of the above-mentioned methods. The invention can be integrated both in existing and in new laser systems. By further optimizing the laser processes by means of the invention, the field of application of laser processing is enhanced. The processing quality increases, the process time decreases. Advantageous is the modularity and the flexibility of the system: It can be used in various systems and laser processing systems, without heavy dependence on the appli cation of the corresponding system. But even existing laser systems can possibly be retrofitted with the technology. Possibly. For example, the presented ray profile-oriented optics can be integrated into scanner systems, whereby the functionality of modern scanners is increased. Increasing the productivity of laser equipment by the purposeful rotation of shaped beam profiles is in mass production of great interest and importance. Due to the high flexibility, the invention is also of the highest relevance for the production of small batches or individual pieces.
Die die Vorrichtung betreffende Aufgabe wird dadurch gelöst, dass die Prozesssteuer einheit Einrichtungen zur Durchführung des Verfahrens, wie es zuvor mit seinen Vari anten beschrieben wurde, und die Laserbearbeitungsanlage zusätzlich eine strahlpro fildrehende Optik zur Anpassung der Laserstrahlorientierung sowie ein Strahlformungs modul zur Anpassung der Intensitätsverteilung aufweist. Damit lässt sich ein modulares Laserbearbeitungskonzept realisieren. Auch bestehende Laserbearbeitungsanlagen lassen sich damit nachrüsten. Eine Offline- Integration der Funktionalität ermöglicht eine Erweiterung von bestehenden Anwenderprogrammen zur Laserbearbeitung. Eine Online-Integration ermöglicht zudem die prozessorientierte Optimierung der Laserbear beitung, bei der über entsprechende Schnittstellen zur Laserprozesssteuerung oder - regelung die Ansteuerung der Strahlformung bzw. -drehung erfolgt. The object relating to the device is achieved in that the process control unit devices for performing the method, as previously described with his Vari, and the laser processing system additionally a Strahlpro fildrehende optics for adjusting the laser beam orientation and a beam forming module for adjusting the intensity distribution , This allows a modular laser processing concept to be realized. Even existing laser processing systems can be retrofitted with it. An offline integration of the functionality enables an extension of existing user programs for laser processing. An online integration also enables the process-oriented optimization of laser machining, in which the control of the beam shaping or rotation takes place via corresponding interfaces for laser process control or regulation.
In bevorzugter Ausführungsform weist das Strahlformungsmodul mindestens eine SLM-Einheit in Form einer Phasen- und/ oder Amplitudenmodulationseinheit auf. Eine Strahlformung mittels einer Phasenmodulation kann vorteilhaft mittels einer LCoS- SLM-Einheit (Liquid Crystal on Silicon) erfolgen, bei dem mittels eines Arrays von dop- pelbrechenden Flüssigkristallen die Phase des einfallenden Laserstrahls diskretisiert werden kann, indem jedes Pixel eine unterschiedlich ansteuerbare Winkelausrichtung der Flüssigkristalle aufweist. Hiermit kann eine hochauflösende, schnelle und flexible Änderung der Phase im Rohstrahl ermöglicht und die Änderung der Laserleistungs- dichteverteilung in einer Bearbeitungsebene nach einer Fouriertransformation mittels eines Linsensystems angepasst werden. Eine Strahlformung mit Hilfe einer Amplitu- denmodulation kann mittels einer DMD-Einheit (Digital Micromirror Device) im Strahl- formungsmodul erfolgen. Dabei diskretisiert ein Array von einzeln ansteuerbaren Mik- rospiegeln den einfallenden Laserstrahl durch die Aufteilung in viele kleine Teilstrahlen, womit durch die unterschiedliche Ablenkung der Einzelstrahlen die Intensitätsverteilung des Laserstrahls in der Bearbeitungsebene angepasst werden kann. Hierbei wird das einfallende Licht teilweise wieder direkt zurück reflektiert, was bei einer horizontalen Spiegelstellung erfolgt, oder teilweise durch Kippung der Mikrospiegel aus dem Strah- lenbündel ausgeschnitten. Eine Anpassung der Laserstrahlorientierung kann in einfacher und präziser Art erfol gen, wenn die strahlprofildrehende Optik aus ein oder mehreren um die optische Achse drehbaren Prismen in Form von strahlprofildrehenden Prismen, bevorzugt Dove-Pris- men und/ oder Zylinderlinsenteleskopen ausgebildet ist, wobei die Prismen und/ oder Zylinderlinsenteleskope gleichläufig oder gegenläufig drehbar angeordnet sind. Mit Dove-Prismen und/ oder Zylinderlinsenteleskopen kann die Strahlorientierung um den Winkel 2*a gedreht werden, wenn das Dove-Prisma und/ oder das Zylinderlinsentele- skop um den Winkel a gedreht wird. Durch Hintereinanderschaltung von N Dove-Pris- men und/ oder Zylinderlinsenteleskopen kann bei gleichläufigem Drehsinn um den Winkel a eine Strahlprofildrehung um einen Winkel von N*2*a erreicht werden. Damit lassen sich sehr schnelle Winkelanpassungen mit hoher Dynamik erreichen. Bei sich gegenläufig drehenden Dove-Prismen und/ oder Zylinderlinsenteleskopen erfolgt eine Drehung des Laserstrahls um das 2-fache der Differenzwinkelgeschwindigkeit. Vorteil- haft ist hierbei, dass die Dove-Prismen und/ oder Zylinderlinsenteleskopen sich mehr oder minder konstant drehen und für eine Strahlprofildrehung lediglich geringfügig die Winkelgeschwindigkeit eines der sich drehenden Dove-Prismen und/ oder Zylinderlin- senteleskope abgebremst oder beschleunigt werden muss. Dadurch kann einerseits eine große Dynamik und anderseits auch eine hohe Präzision der Anpassung der La- serstrahlorientierung erreicht werden. In a preferred embodiment, the beam-shaping module has at least one SLM unit in the form of a phase and / or amplitude modulation unit. Beam shaping by means of a phase modulation can advantageously be effected by means of an LCoS-SLM unit (liquid crystal on silicon) in which the phase of the incident laser beam can be discretized by means of an array of double-refractive liquid crystals by each pixel having a differently controllable angular orientation of the liquid crystals having. With this, a high-resolution, fast and flexible change of the phase in the raw beam can be made possible and the change of the laser power density distribution in a working plane after a Fourier transformation can be adjusted by means of a lens system. Beam shaping with the aid of amplitude modulation can be carried out by means of a DMD unit (Digital Micromirror Device) in the beam forming module. In this case, an array of individually controllable micromirrors discretizes the incident laser beam by dividing it into many small sub-beams, whereby the intensity distribution of the laser beam in the working plane can be adjusted by the different deflection of the individual beams. In this case, the incident light is partially reflected directly back again, which takes place in a horizontal mirror position, or partially cut out of the beam by tilting the micromirrors. An adaptation of the laser beam orientation can suc conditions in a simple and precise manner when the beam profile rotating optics from one or more rotatable about the optical axis prisms in the form of beam profile rotating prisms, preferably Dove Prism and / or cylindrical lens telescopes is formed, wherein the prisms and / or cylindrical lens telescopes are arranged in the same direction or in opposite directions rotatable. With dove prisms and / or cylindrical lens telescopes, the beam orientation can be rotated by the angle 2 * a when the dove prism and / or the cylindrical lens telescope is rotated by the angle a. By connecting N Dove prisms and / or cylindrical lens telescopes in series, it is possible to achieve beam profile rotation by an angle of N * 2 * a in the same direction of rotation by the angle a. This makes it possible to achieve very fast angle adjustments with high dynamics. In counter rotating dove prisms and / or cylindrical lens telescopes, the laser beam is rotated 2 times the differential angular velocity. In this case, it is advantageous that the dove prisms and / or cylindrical lens telescopes rotate more or less constantly and only slightly slows or accelerates the angular velocity of one of the rotating dove prisms and / or cylindrical lens telescopes for a beam profile rotation. As a result, on the one hand, a high degree of dynamics and, on the other hand, a high degree of precision in the adaptation of the laser beam orientation can be achieved.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand eines in den Figuren dargestellten Ausfüh rungsbeispiels näher erläutert. Es zeigt: The invention will be explained in more detail below with reference to an exemplary embodiment shown in the figures Ausfüh. It shows:
Figur 1 in einer schematischen Blockdarstellung eine Laserbearbeitungsmaschine, Figur 2 in einer weiteren schematischen Darstellung eine Laserbearbeitungsma schine, FIG. 1 shows a schematic block diagram of a laser processing machine, FIG. 2 shows a further schematic representation of a laser processing machine,
Figur 3a bis 3c in schematischer Darstellung eine Schweißung verschiedener Bau teile,  3a to 3c show a schematic representation of a welding of various construction parts,
Figur 4 eine strahlprofildrehende Optik mit einem rotierenden Prisma,  FIG. 4 shows a beam profile rotating optic with a rotating prism,
Figur 5 eine strahlprofildrehende Optik mit einem Zylinderlinsenteleskop und  Figure 5 is a beam profile rotating optics with a cylindrical lens telescope and
Figur 6 eine strahlprofildrehende Optik mit mehreren hintereinandergeschalteter Pris- men. Figur 1 zeigt in einer schematischen Blockdarstellung eine Laserbearbeitungsmaschine 1, welche als Hauptkomponente eine Prozesssteuereinheit 20 aufweist, welche von ei nem Anwenderprogramm 10 entsprechende Vorgaben zur anstehenden Laserbearbei tung erhält. Die Prozesssteuereinheit 20 steuert über eine Vorgabe von Laserparame tern 31, wie beispielsweise Laserleistung, On/Off- Status sowie eine Repetitionsrate, Pulsdauer und Pulsenergie bei gepulsten Lasern, eine Laserquelle 30, z.B. einen CO2- Laser oder Nd:YAG-Laser, an. Der Laserstrahl 32 der Laserquelle 30, welcher übli cherweise ein symmetrisches Gaußprofil emittiert, wird in einem Strahlformungsmodul 40 entsprechend der zu bearbeitenden Oberfläche des zu bearbeitenden Werkstückes hinsichtlich seiner Intensitätsverteilung modifiziert, wobei von der Prozesssteuereinheit 20 eine Vorgabe der Strahlformung 41 erfolgt. Hier werden beispielsweise eine Intensi tätsverteilung I (x,y,z,t) und bei gepulsten Lasern eine Fluenzverteilung <P(x,y,z,t) vorgege ben. FIG. 6 shows a beam-profile-rotating optical system with several prisms connected in series. FIG. 1 shows, in a schematic block diagram, a laser processing machine 1, which has as its main component a process control unit 20, which receives corresponding specifications for the upcoming laser processing from a user program 10. The process control unit 20 controls via a default laser parameters 31, such as laser power, on / off status and a repetition rate, pulse duration and pulse energy in pulsed lasers, a laser source 30, such as a CO2 laser or Nd: YAG laser on. The laser beam 32 of the laser source 30, which normally emits a symmetrical Gaussian profile, is modified in a beam shaping module 40 in accordance with the surface to be machined of the workpiece to be machined with respect to its intensity distribution, wherein the process control unit 20 sets the beam shaping 41. Here, for example, a intensity distribution I (x, y, z , t) and for pulsed lasers a fluence distribution <P (x, y , z , t) are given.
Die Strahlformung kann beispielsweise mittels sogenannter Liquid Crystal on Silicon Spatial Light Modulatoren (LCoS-SLM) geschehen. Hierbei kann durch ein Array von doppelbrechenden Flüssigkeitskristallen die Phase des einfallenden Laserstrahls 32 durch unterschiedliche Anstellung jedes einzelnen Pixels diskretisiert werden. Eine an dere Möglichkeit der Strahlformung kann mittels eines Digital Micromirror Device (DMD) erreicht werden, wobei ein Array von Mikrospiegeln der einfallende Laserstrahl 32 durch die Aufteilung in viele kleine Teil-Strahlen diskretisiert werden kann, womit der Laserstrahl 32 durch eine Ablenkung der Einzelstrahlen in der Bearbeitungsebene geformt werden kann. Ein derart geformter Laserstrahl 42 kann ohne weiteres Prozes sieren zur Laserbearbeitung genutzt werden. The beam shaping can be done for example by means of so-called Liquid Crystal on Silicon Spatial Light Modulators (LCoS-SLM). Here, by an array of birefringent liquid crystals, the phase of the incident laser beam 32 can be discretized by different employment of each individual pixel. Another possibility of beam shaping can be achieved by means of a digital micromirror device (DMD), wherein an array of micromirrors of the incident laser beam 32 can be discretized by the division into many small sub-beams, whereby the laser beam 32 by a deflection of the individual beams in the working plane can be formed. Such a shaped laser beam 42 can be used without further processing for laser processing.
Zur Erzielung einer optimalen Laserbearbeitung ist weiterhin eine strahlprofildrehende Optik 50 vorgesehen, welche entsprechend einer Vorgabe der Strahlprofildrehung 51 (z.B. eine Winkelvorgabe für die Strahlprofildrehung bzw. einer Drehgeschwindigkeit) von der Prozesssteuereinheit 20 einen geformten und gedrehten Laserstrahl 52 er zeugt, der einem Scannersystem 60 zu geführt wird, welches über entsprechende Vor gaben der Scanparameter 61 (Scanprogramm bzw. Scanbahnen) von der Prozess steuereinheit 20 angesteuert wird. Damit kann die relative Position zwischen dem ge formten und gedrehten Laserstrahl 52 und dem Werkstück im Raum verändert werden, womit ein positionierter, geformter und gedrehter Laserstrahl 63 resultiert. Üblicher weise wird diese Funktion durch das Scannersystem 60 im Zusammenspiel mit einer Bauteilpositionierung 70 mittels CUZabg- Achsen realisiert. Das Scannersystem 60 wird dabei aufgrund der kleineren bewegten Massen für eine wesentlich größere Bewe gungsgeschwindigkeit genutzt. In jedem Fall muss die Dynamik der strahlprofildrehen den Optik 50 und die des Strahlformungsmoduls 40 sowohl der Dynamik des Scanner systems 60 als auch des Positioniersystems entsprechen. Soll das Strahlprofil relativ zum Bauteil verdreht werden, so kann auch das Bauteil relativ zum Strahlprofil gedreht werden. Dies kann mithilfe eines präzisen Achssystems zur Positionierung des Bauteils erreicht werden. Somit entfällt die Notwendigkeit einer speziellen strahlprofildrehenden Optik 50. Allerdings kann es Vorkommen, dass ein Achssystem je nach Anwendung und Bauteilgröße nicht die gewünschte bzw. notwendige Dynamik erreichen kann. Wei terhin kann vorgesehen sein, dass ggf. eine Fokussierung mithilfe der Bauteilpositio nierung 72 erfolgt. Zudem kann eine Rückmeldung für Scanposition bzw. Scange schwindigkeit 62 vorgesehen sein. In order to achieve optimum laser processing, a beam profile rotating optics 50 is further provided, which according to a specification of the beam profile rotation 51 (eg, an angle for the beam profile rotation or a rotational speed) of the process control unit 20, a shaped and rotated laser beam 52 he testifies to a scanner system 60 is guided, which is controlled by appropriate inputs of the scan parameters 61 (scan program or scan paths) of the process control unit 20. Thus, the relative position between the ge formed and rotated laser beam 52 and the workpiece can be changed in space, whereby a positioned, shaped and rotated laser beam 63 results. Conventionally, this function is realized by the scanner system 60 in conjunction with a component positioning 70 by means of CUZabg axes. The scanner system 60 is thereby used speed due to the smaller moving masses for a much larger movement. In any case, the dynamics of beam profile rotation must match the optics 50 and the beamforming module 40 both the dynamics of the scanner system 60 and the positioning system. If the beam profile is to be rotated relative to the component, the component can also be rotated relative to the beam profile. This can be achieved by using a precise axis system to position the component. Thus, eliminating the need for a special beam profile rotating optics 50. However, it may occur that an axis system depending on the application and component size can not achieve the desired or necessary dynamics. Wei terhin it can be provided that, if necessary, focusing by means of the component positioning 72 tion takes place. In addition, a feedback for scanning position or scanning speed 62 may be provided.
Fig. 2 zeigt in einer weiteren schematischen Darstellung eine Laserbearbeitungsan lage 1, bei der lediglich eine Strahlformung zur optimalen Laserbearbeitung vorgese hen ist, welche aber auch mit strahlprofildrehenden Optiken 50 ergänzt werden kann (in Figur 2 nicht dargestellt). Fig. 2 shows in a further schematic representation of a Laserbearbeitungsan position 1, in which only a beam shaping for optimal laser processing vorgese hen, but which can be supplemented with beam profile rotating optics 50 (not shown in Figure 2).
Von der Laserstrahlquelle 30 wird der Laserstrahl 32 über Umlenkspiegel 130 dem Strahlformungsmodul 40 zugeführt, welches den Laserstrahl über einen oder mehrere weitere Umlenkspiegel 45 auf eine SLM- Einheit 43, wie sie eingangs beschrieben wurde, lenkt. Der Laserstrahl 32 wird durch diesen Phasen- oder Amplitudenmodulator, bei dem eine Phasen- oder Amplitudenmaske moduliert wird, und welcher durch Vor gabe der Strahlformung 41 aus einer Strahlprofil- Datenbank 90 angesteuert wird, zu einem geformten Laserstrahl 42 modifiziert. Dabei kann vorgesehen sein, dass der ge formte Laserstrahl 42 weitere Linsensysteme 44 durchläuft bzw. mittels weiterer Um lenkspiegel 45 umgelenkt wird. From the laser beam source 30, the laser beam 32 is fed via deflecting mirror 130 to the beam-forming module 40, which directs the laser beam via one or more further deflecting mirrors 45 onto an SLM unit 43, as described above. The laser beam 32 is modified to a shaped laser beam 42 by this phase or amplitude modulator, in which a phase or amplitude mask is modulated, and which is controlled by the beam shaping 41 from a beam profile database 90. It can be provided that the ge-shaped laser beam 42 passes through further lens systems 44 and is deflected by means of further order steering mirror 45.
Der geformte Laserstrahl 42 kann dabei in einer ersten Bearbeitungsebene 80 genutzt werden oder durchläuft ein weiteres Linsensystem 140 als Fokussierlinse und kann mit einem Scannersystem und weiteren Linsensystemen 140 auf eine weitere Bearbei tungsebene 80 projiziert werden. Die Positionierung kann dabei über die Bauteilpositio nierung 70 erfolgen, die über eine Achsensteuerung 120 angesteuert wird. The shaped laser beam 42 can be used in a first processing plane 80 or passes through another lens system 140 as a focusing lens and can with a scanner system and other lens systems 140 are projected onto a further processing level 80. The positioning can take place via the component positioning 70, which is controlled via an axis controller 120.
Eine Master-Programmeinheit 100 steuert die Vorgabe der Laserparameter 31 für die Laserstrahlquelle 30, über die Strahlprofil- Datenbank 90 die Form das Laserstrahls 32, sowie das Scannersystem 60 und die Achsensteuerung 120. Eine zentrale Rechenein heit 110 synchronisiert dabei alle Subsysteme z.B. zeitbasiert oder ereignisbasiert zum Abarbeiten eines festen Programms oder für eine Prozessregelung, bei der eine zu sätzliche Sensorik 150 bzw. Messtechnik in die Laserbearbeitungsanlage 1 integriert ist. Auf dieser zentralen Recheneinheit 110 kann ein Master-Code ausgeführt werden. Es können auch z.B. ein FPGA-Board, eine Grafikkarte oder sonstige echtzeitfähige Hardware-Systeme als Recheneinheit 110 verwendet werden. In einer alternativen Konfiguration kann auch ein Master-Slave-System mit Laser- und Scannersteuerkarte (RTC-Karte) als Master und weitere Komponenten als Slaves zum Abarbeiten eines festen Programms vorgesehen sein. Die Recheneinheit 110 kann als Host für eigen ständige Systeme ausgeführt sein. A master program unit 100 controls the presetting of the laser parameters 31 for the laser beam source 30, via the beam profile database 90 the shape of the laser beam 32, as well as the scanner system 60 and the axis controller 120. A central computing unit 110 synchronizes all subsystems, e.g. Time-based or event-based for executing a fixed program or for a process control, in which an additional sensor 150 or measurement technology is integrated into the laser processing system 1. On this central processing unit 110, a master code can be executed. It may also be e.g. an FPGA board, a graphics card or other real-time hardware systems can be used as arithmetic unit 110. In an alternative configuration, a master-slave system with laser and scanner control card (RTC card) as the master and other components as slaves for executing a fixed program can be provided. The arithmetic unit 110 can be designed as a host for self-standing systems.
In Figur 3a, 3b und 3c sind in einer schematischen Darstellung zwei Schweißaufgaben vorgestellt. In Figur 3a soll ein gerade verlaufender Fügespalt 163 zwischen zwei Bau teilen, Bauteil 1 161 und Bauteil 2 162, zugeschweißt werden. Dies geschieht im ge zeigten Bespiel mithilfe eines in der Bearbeitungsebene verteilten Strahlprofils (hier ein 3-Spot- Strahl). Da sich die Laserstrahl-Vorschubrichtung 170 während verschiedener Zeitpunkte 171, 172, 173, 174 nicht ändert, muss auch das Strahlprofil nicht gedreht werden. Ändert sich jedoch die Vorschubrichtung des Laserstrahls/ der Bauteile 161,FIGS. 3a, 3b and 3c show two welding tasks in a schematic representation. In Figure 3a is a straight joint gap 163 share between two construction, component 1 161 and component 2 162, welded. This is done in the example shown using a beam profile distributed in the working plane (here a 3-spot beam). Since the laser beam feed direction 170 does not change during different times 171, 172, 173, 174, the beam profile does not have to be rotated either. However, if the feed direction of the laser beam / components 161 changes,
162 während verschiedener Zeitpunkte 171, 172, 173, 174, wie dies in Figur 3b und 3c dargestellt ist, um dem ungeraden Fügespalt 163 zu folgen, so ist es von Vorteil, wenn auch das Strahlprofil mitgedreht werden kann. Der Unterschied zwischen der Nicht- Drehung und der Drehung des Strahlprofils ist in den Figuren 3b und 3c dargestellt. Fi gur 3b zeigt die Situation ohne Strahlprofildrehung. Figur 3c zeigt einen optimierten Schweißprozess, bei dem das Strahlprofil entsprechend dem Verlauf des Fügespaltes162 at various times 171, 172, 173, 174, as shown in Figures 3b and 3c to follow the odd joint gap 163, it is advantageous if the beam profile can be rotated as well. The difference between the non-rotation and the rotation of the beam profile is shown in Figures 3b and 3c. Fi gur 3b shows the situation without beam profile rotation. FIG. 3 c shows an optimized welding process in which the beam profile corresponds to the course of the joint gap
163 gedreht wird. Eine einfache Lösung zur Drehung des Strahlprofils in der Bearbeitungsebene, ist durch die Drehung des Strahlprofilformers (z.B. des DEOs) selbst um die Strahlaus breitungsachse gegeben. Vorausgesetzt, der einfallende Strahl ist perfekt kreissym metrischer Natur, so wird durch die Drehung des Strahlformers in der XY- Ebene auch das Strahlprofil rotiert. Zu den Vorteilen eines solchen Aufbaus zählt die Einfachheit - zusätzlich zum Strahlformer an sich und eines Mechanismus, der ihn um die Z-Achse dreht, kommen keine weiteren Optiken hinzu. Außerdem sind viele Strahlprofilformer, wie DOEs, klein und leicht und eignen sich somit sehr gut für hochdynamische optome- chanische Aufbauten. Allerdings hängt die Qualität der Strahlformung stark von dem Eingangsstrahl ab. Ist dieser nicht perfekt kreissymmetrisch, so wird das in der Bear beitungsebene abgebildete Strahlprofil bei der Drehung des Strahlprofilformers nicht nur mitgedreht, sondern auch verzerrt. 163 is turned. A simple solution for rotating the beam profile in the working plane is given by the rotation of the beam profiler (eg the DEO) itself around the Strahlaus distribution axis. Provided that the incident beam is perfectly circular in nature, the rotation of the beamformer in the XY plane also rotates the beam profile. The benefits of such a design include simplicity - in addition to the beam former itself and a mechanism that rotates it around the Z axis, no other optics are added. In addition, many beam profile shapers, such as DOEs, are small and lightweight, making them ideal for highly dynamic opto-mechanical constructions. However, the quality of the beam shaping depends strongly on the input beam. If this is not perfectly circularly symmetrical, then the beam profile depicted in the machining plane is not only rotated during the rotation of the beam profile former, but also distorted.
Ist ein Strahlprofil bereits geformt, so kann seine Abbildung in der Bearbeitungsebene z.B. mit einer Optik auf Basis eines Dove-Prismas 53 gedreht werden. Beim Durchlau fen eines Dove-Prismas erfährt ein Strahlprofil eine Drehung um 180° um die Z-Achse = Strahlachse). Wird das Dove-Prisma um einen Winkel a gedreht, so dreht sich das Strahlprofil am Ausgang um einen Winkel 2*a. Figur 4 zeigt eine strahlprofildrehende Optik 50 auf Basis eines Dove-Prismas 53. Der bereits geformte Laserstrahl 42 wird bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel mittels Umlenkspiegel 54 in das drehbare Dove-Prisma 53 eingekoppelt. Der bereits geformte Laserstrahl 42 wird bei Durchlau fen des Dove-Prismas entsprechend der o.g. Bedingung um den Winkel 2*a bei Dre hung des Dove-Prismas um den Winkel a gedreht. Der geformte und gedrehte Laser strahl 52 verlässt die strahlprofil-drehende Optik 50 über ein Linsensystem 55. If a beam profile is already formed, its imaging in the working plane can be e.g. be rotated with an optic based on a dove prism 53. When running through a Dove prism a beam profile undergoes a rotation through 180 ° about the Z axis = beam axis). If the dove prism is rotated by an angle a, then the beam profile at the output rotates by an angle 2 * a. FIG. 4 shows a beam-profile-rotating optical system 50 based on a dove prism 53. The already shaped laser beam 42 is coupled into the rotatable dove prism 53 by means of deflecting mirrors 54 in the embodiment shown. The already shaped laser beam 42 is at Durchlau fen of the Dove prism according to the o.g. Condition by the angle 2 * a Dre Dre the Dove prism rotated by the angle a. The shaped and rotated laser beam 52 leaves the beam profile-rotating optics 50 via a lens system 55.
Figur 5 zeigt schematisch eine alternative Möglichkeit einer Strahlprofildrehung basie rend auf der Verwendung eines Zylinderlinsenteleskops 56. Der bereits geformte La serstrahl 42 wird bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel mittels Umlenkspiegel 54 in das drehbare Zylinderlinsenteleskop 56 eingekoppelt. Der geformte und gedrehte La serstrahl 52 verlässt die strahldrehende Optik 50 über ein Linsensystem 55. FIG. 5 schematically shows an alternative possibility of beam profile rotation based on the use of a cylindrical lens telescope 56. The already shaped laser beam 42 is coupled into the rotatable cylindrical lens telescope 56 by means of deflection mirrors 54 in the exemplary embodiment shown. The shaped and rotated La serstrahl 52 leaves the jet-rotating optics 50 via a lens system 55th
Hierbei sei angemerkt, dass die in Figur 4 und 5 gezeigten Anordnungen nur jeweils eine mögliche Anordnung zeigen. Beim Bohren beispielsweise werden der Umlenk spiegel 54 für den Wendeldurchmesser und den Anstellwinkel verdreht. Da hier nur die Strahlprofildrehung benötigt wird, kann der Strahl auch ohne Auslenkung und Verkip pung, also einfach gerade in das Dove-Prisma 53 oder in das Zylinderlinsenteleskop 56 eingekoppelt werden. Dann kommt der Strahl auch gerade wieder heraus. Das Lin sensystem 55 ist dann ebenfalls für diese Anwendung nicht notwendig, da noch wei tere optische Elemente bis zur Bearbeitungsebene folgen. It should be noted that the arrangements shown in Figures 4 and 5 show only one possible arrangement. When drilling, for example, the deflection mirror 54 are rotated for the helical diameter and the angle of attack. Since here only the Beam profile rotation is required, the beam can also be coupled without deflection and Verkip pung, so just straight into the Dove prism 53 or in the cylindrical lens telescope 56. Then the beam comes straight out again. The Lin sensystem 55 is then also not necessary for this application, since even wei tere optical elements follow up to the processing level.
Das Strahlprofil eines Strahls, der durch ein Zylinderlinsenteleskop 56 verläuft, wird ähnlich wie bei Dove-Prisma 53 gedreht. Wird das Teleskop um den Winkel cp gedreht, so dreht sich das Strahlprofil um den Winkel 2*cp. Die bei dem Dove-Prisma- Auf bau er läuterten Möglichkeiten zur Erhöhung der Systemdynamik und der Strahlprofilverdreh geschwindigkeit können auch auf den Aufbau mit dem Zylinderlinsenteleskop 56 über tragen werden. Somit können mehrere Teleskope nacheinander angeordnet werden, um den Proportionalitätsfaktor zwischen der Verdrehung des Strahlprofils und des Zy linderlinsensystems zu vergrößern. Es können zudem auch z.B. zwei Teleskope ge genläufig rotiert werden, um die Strahlprofildrehung mit dem Prinzip des Differenzen winkels zu erzielen. The beam profile of a beam passing through a cylindrical lens telescope 56 is rotated similar to Dove prism 53. If the telescope is rotated by the angle cp, the beam profile rotates by the angle 2 * cp. The Dove-prism construction he explained ways to increase the system dynamics and the Strahlprofilverdreh speed can also be on the structure with the cylindrical lens telescope 56 carry over. Thus, several telescopes can be arranged one after another to increase the proportionality factor between the rotation of the beam profile and the Zy linderlinsensystems. In addition, it is also possible to use e.g. two telescopes are ge rotated in rotation to achieve the beam profile rotation with the principle of the difference angle.
Durch die Reihenschaltung eines Strahlformers und eines um seine Z-Achse rotieren den Dove-Prismas 53 kann somit das geformte Strahlprofil gedreht werden. Dadurch, dass die Strahlprofildrehung mit der doppelten Winkelgeschwindigkeit der Drehung des Prismas erfolgt, können höhere Strahlprofildrehgeschwindigkeiten erreicht werden. Zur weiteren Steigerung der Strahlprofildrehgeschwindigkeiten ist ein Aufbau denkbar, bei dem N hintereinander geschaltete Dove-Prismen 53 verbaut sind, wie diese Figur 6 zeigt. Wird der gesamte Aufbau um den Winkel a gedreht, so dreht das Strahlprofil um den Winkel 2*N*a. Zu beachten bei solch einem Aufbau ist jedoch, dass mit jedem hin zugeschalteten Prisma das Gesamtgewicht des Systems steigt und die Dynamik sinkt. By the series connection of a beam former and a Dove prism 53 rotating about its Z axis, the shaped beam profile can thus be rotated. By making the beam profile rotation twice the angular velocity of the rotation of the prism, higher beam profile rotation speeds can be achieved. To further increase the beam profile rotation speeds, a construction is conceivable in which N Dove prisms 53 connected in series are installed, as FIG. 6 shows. If the entire structure is rotated by the angle a, then the beam profile rotates by the angle 2 * N * a. However, it should be noted in such a design that with each prism connected, the overall weight of the system increases and dynamics decrease.
Da eine wichtige Anforderung an die strahlprofildrehende Optik die schnelle Umkeh rung der Verdrehrichtung des Strahlprofils ist, muss das System über eine hohe Dyna mik verfügen. Für das schnelle Umkehren des Drehsinns des Strahlprofils ist ein Auf bau vorstellbar, der auf dem Differenzenprinzip basiert: Wenn zwei Prismen oder zwei aus mehreren Prismen bestehende Systeme mit derselben Geschwindigkeit rotiert werden, jedoch ihre Rotationen in umgekehrte Richtungen zeigen, so wird das Strahl profil nur um den doppelten Differenzwinkel zwischen den beiden konstant drehenden Prismenschaltungen eingestellt. Soll dieser Anstellwinkel verändert werden, so müssen die rotierenden Systeme nicht bis zum Stillstand abgebremst werden. Ausschließlich ihr Differenzwinkel muss durch eine leichte Abbremsung des einen oder Beschleuni gung des anderen Systems eingestellt werden. Durch die Verwendung dieses Prinzips sind auch hohe Dynamiken des Gesamtsystems möglich, obwohl mehrere Prismen und somit mehr Gewicht eingesetzt werden. Anzumerken ist, dass außer Dove-Pris- men auch weitere Typen von Prismen verwendet werden können, wie z.B. das Porro- Prisma. Die beiden beschriebenen Varianten der Hintereinanderschaltung von rotieren den optischen Elementen zur Strahlprofildrehung mit gleichem oder entgegengesetz tem Drehsinn sind auch auf den Aufbau mit dem Zylinderlinsenteleskop 56 übertrag bar. Since an important requirement for beam profile rotating optics is the fast reversal of the direction of rotation of the beam profile, the system must have a high dynamic range. For rapid reversal of the direction of rotation of the beam profile, a construction based on the principle of difference is conceivable: if two prisms or two systems consisting of several prisms are rotated at the same speed, but their rotations are pointing in opposite directions, the beam profile becomes only by twice the difference angle between the two constantly rotating Prism circuits set. If this angle of attack is to be changed, the rotating systems do not have to be braked to a standstill. Only their differential angle must be adjusted by slightly slowing one or accelerating the other. By using this principle, high dynamics of the overall system are possible, although more prisms and thus more weight are used. It should be noted that in addition to Dove prisms, other types of prisms can be used, such as the Porro Prism. The two described variants of the series connection of rotate the optical elements for beam profile rotation with the same or opposite tem rotation are on the structure with the cylindrical lens telescope 56 transfer bar.
Die Intensitätsverteilung des aus der Laserstrahlquelle 30 austretenden Laserstrahls 32 wird mit einem programmierbaren Strahlformungsmodul 40 variiert und durch einen optischen Aufbau auf das Bauteil 161, 162 abgebildet bzw. fokussiert. Als Strahlformer können Phasen-, Amplitudenmodulatoren oder eine Reihenschaltung (ggf. auch Paral lelschaltung) aus solchen verwendet werden. Die Auswahl der geeigneten Strahlformer hängt stark von der Anwendung, den Rahmenbedingungen und von der sonstigen Sys temtechnik ab. Die Strahlform wird an unterschiedliche Anforderungen angepasst, die sich zum einen aus dem Laserprogramm / Anwenderwünschen und zum anderen aus dem Ausgleich von Abbildungsfehlern auf der Bearbeitungsebene (z.B. Bildverzug im Scannerfeld, Abbildungsfehler des optischen Systems usw.) ergeben. The intensity distribution of the laser beam 32 emerging from the laser beam source 30 is varied by means of a programmable beam shaping module 40 and is focused or focused onto the component 161, 162 by an optical design. As a beam shaper phase, amplitude modulators or a series circuit (possibly also Paral lelschaltung) can be used from such. The selection of suitable beamformers depends strongly on the application, the framework conditions and on the other system technology. The beam shape is adapted to different requirements resulting, on the one hand, from the laser program / user wishes and, on the other hand, from the compensation of aberrations on the working plane (for example image distortion in the scanner field, aberrations of the optical system, etc.).
Da die Berechnung der Strahlformen meist viele Rechenoperationen erfordert, kann vor dem Start des Bearbeitungsvorgangs eine Datenbank an zu den Strahlformen pas senden Masken abgelegt werden, auf die während des Prozesses zugegriffen werden kann. Der in Figur 1 vorgestellte schematische Aufbau der Ansteuerung der Strahlform basiert auf solch einer Offline-Berechnung der Strahlformen. Obwohl die Prozesstech nik bei unterschiedlichen Lasermaterialbearbeitungsprozessen oft sehr verschieden ist, kann die vorgestellte Erfindung bei vielen Prozessen zum Einsatz kommen und zur Prozessoptimierung verwendet werden. Since the calculation of the beam forms usually requires many arithmetic operations, before the start of the machining process, a database can be stored on masks which can be accessed during the process. The illustrated in Figure 1 schematic structure of the control of the beam shape based on such an off-line calculation of the beam shapes. Although the process technology is often very different for different laser material processing processes, the presented invention can be used in many processes and used for process optimization.
Beim Lasermaterialabtrag kann z.B. die Intensitätsverteilung des Strahls an die Ab trags- oder Bauteilgeometrie bzw. an die Ausrichtung einer Schweißnaht angepasst werden, wie dies insbesondere in Figur 3c am Beispiel einer Verschweißung gezeigt ist. Die Drehung des Strahlprofils während der Bearbeitung kann dabei sowohl von der vorgestellten Erfindung als auch von einem zusätzlichen Modul gesteuert werden. In the case of laser material removal, for example, the intensity distribution of the beam can be adapted to the support or component geometry or to the alignment of a weld seam be, as shown in particular in Figure 3c the example of a weld. The rotation of the beam profile during processing can be controlled both by the presented invention and by an additional module.
Soll eine Fläche abgetragen werden, so kann ihre positionsgenaue Belichtung mit dem Laser auch mit der Strahlformung erfolgen. Die zu belichtende Fläche wird direkt als Intensitätsverteilung des Laserstrahls 32 dargestellt. Im Falle, wenn die Intensität der Strahlform nicht ausreicht, um das gewünschte Abtragsergebnis zu erhalten, kann die zu belichtende Fläche in (mindestens zwei) Subareale aufgeteilt werden, die ebenfalls in die Intensitätsverteilung konvertiert werden. Dann sollen die Subareale alternierend nacheinander belichtet werden, wobei das Strahlformungssystem vorgibt, welches Areal wann belichtet wird. Solche Bearbeitung hat zudem den Vorteil, dass durch die Alternierung der Strahlprofile genug Zeit zur Abkühlung der Flächen bleibt, die gerade nicht bearbeitet werden. If a surface is to be removed, then its positionally accurate exposure to the laser can also take place with the beam shaping. The area to be exposed is displayed directly as an intensity distribution of the laser beam 32. In the case where the intensity of the beam shape is insufficient to obtain the desired removal result, the area to be exposed can be divided into (at least two) subareas, which are also converted into the intensity distribution. Then, the subareas are to be exposed alternately one after the other, with the beam shaping system dictating which area is exposed and when. Such machining also has the advantage that the alternation of the beam profiles leaves enough time to cool down the surfaces that are not currently being processed.
Beim Bohren kann die Strahlform in Abhängigkeit von der Geometrie des Bohrlochs und des Bauteils 161, 162 wie auch von der Tiefe geändert bzw. an diese angepasst werden. Vor allem beim Ausformen der Bohrlöcher kann die Geometrie des Strahlpro fils eine entscheidende Rolle spielen. Da die Intensitätsverteilung auch entlang der Z- Achse variiert werden kann, kann das System auch zur Fokuseinstellung verwendet werden. During drilling, the shape of the jet can be changed or adjusted depending on the geometry of the borehole and the component 161, 162 as well as on the depth. Especially when forming the drill holes, the geometry of the beam profile can play a crucial role. Since the intensity distribution can also be varied along the Z axis, the system can also be used for focus adjustment.
Beim Schweißen kann die flexible Strahlformung dazu verwendet werden, die Intensi tätsverteilung an die Bauteildicke oder unterschiedliche zu schweißende Materialien anzupassen. Ferner kann die Strahlformung im Gegensatz zu einfachem Gaußprofil flexibler zur Ausformung der Schweißnaht, zur Vermeidung der Rissbildung usw. ein gesetzt werden. When welding, the flexible beam shaping can be used to adjust the intensity distribution to the component thickness or different materials to be welded. Furthermore, in contrast to a simple Gaussian profile, the beam shaping can be set to be more flexible for forming the weld seam, to prevent the formation of cracks, etc.
In Abgrenzung von offline erstellten Programmen zur Strahlformänderung während der Laserbearbeitung ist es auch denkbar, dass Laserbearbeitungsprozesse in Zukunft au tomatisierter ablaufen werden, wobei eine Vorvermessung und Zwischenvermessun gen von Bauteilen zum Bearbeitungsprozess dazugehören könnten. In diesem Fall können mithilfe von automatisierten Algorithmen auch die optimierten Strahlformen während der Bearbeitung selbst generiert werden. Die unterschiedlichen Strahlformen können aber auch aus einer Datenbank in Echtzeit bezogen werden. Die Erfindung soll also imstande sein, in Echtzeit auf Änderung der System parameter zu reagieren und die Strahlform entsprechend anzupassen. In contrast to programs created offline for beam shape change during laser processing, it is also conceivable that laser processing processes will run au tomatisierter in the future, with a pre-measurement and Zwischenvermessun conditions of components could belong to the machining process. In this case, automated algorithms can also be used to generate the optimized beam shapes during processing. The different beam shapes but can also be obtained from a database in real time. The invention should thus be able to respond in real time to change the system parameters and adjust the beam shape accordingly.
Durch Integration von Subsystemen zur Erfassung und Auswertung von unterschiedli chen Sensorwerten und Prozessparametern wird die Erfindung in die Lage versetzt auf Änderungen der Sensor- und Prozessparameterwerte mit einem Regeleingriff in die Strahlform und Strahlausrichtung zu reagieren. Durch die Änderung der Strahlform und Strahlausrichtung können während des Prozesses solche Parameter wie örtliche und zeitliche Intensitätsverteilung bzw. Fluenzverteilung direkt, wie auch Pulsüberlapp (bei gepulsten Lasern) indirekt geändert werden. Die Regelung der Strahlform und Strahl ausrichtung kann in Abhängigkeit von unterschiedlichen Parametern geschehen, wes wegen das Gesamtsystem mehrere unterschiedliche Messsysteme beinhaltet. Die möglichen Regelparameter sind: By integrating subsystems for the acquisition and evaluation of different sensor values and process parameters, the invention is able to react to changes in the sensor and process parameter values with a control intervention in the beam shape and beam alignment. Through the change of the beam shape and beam alignment, such parameters as local and temporal intensity distribution or fluence distribution can be changed indirectly as well as pulse overlap (with pulsed lasers) during the process. The regulation of the beam shape and beam alignment can be done in dependence on different parameters, which involves several different measurement systems because of the overall system. The possible control parameters are:
- Bauteiltemperatur (lokal am und um Bearbeitungsstelle und global) - component temperature (local at and around processing point and global)
- Geometrie (z.B. beim Laserabtrag oder Bohren)  Geometry (e.g., laser ablation or drilling)
- Absolute Lage vom zu bearbeitenden Bauteil  - Absolute position of the component to be machined
- Relative Lage von mehreren Bauteilen zueinander oder relativ zum  Relative position of several components to each other or relative to
Werkzeug  Tool
- Rauheit des Bauteils.  - roughness of the component.
Die Anwendungsgebiete für die zuvor beschriebenen Konzepte sind vielfältig. Prinzipi ell kann diese Methode zur Variierung eines weiteren Prozessparameters - der Strahl form und der Orientierung - bei allen bekannten Laserbearbeitungsprozessen einge setzt werden: Laserschweißen, Laserpolieren, Laserabtragen, Markieren, Bohren, La sersäubern usw. Vor allem bei der Materialbearbeitung mit Ultrakurzpulslaser kann dies zu einer wesentlichen Steigerung der Produktivität, der Qualität und der Genauig keit führen. Die heutzutage verfügbaren aber nicht ausgenutzten hohen Laserleitungen können mithilfe der Erfindung tatsächlich umgesetzt werden. The fields of application for the concepts described above are manifold. Prinzipi ell, this method for varying a further process parameter - the beam shape and orientation - in all known laser processing processes are sets are: laser welding, laser polishing, Laserabtragen, marking, drilling, La sersäubern etc. Especially in the material processing with ultra-short pulse laser, this can a significant increase in productivity, quality and accuracy. The currently available but unused high laser lines can actually be implemented using the invention.
Bestehende Laserbearbeitungsanlagen 1 können mit den zuvor beschriebenen Sys temkomponenten erweitert bzw. nachgerüstet werden. Man erhält damit ein modulares und insbesondere flexibles System, welches optimal an die Bearbeitungsaufgabe an gepasst werden kann. Existing laser processing systems 1 can be expanded or retrofitted with the system components described above. This gives you a modular and in particular a flexible system, which can be optimally adapted to the machining task.

Claims

Ansprüche claims
1. Verfahren zur Strahlform- und Strahlorientierungsanpassung bei einem Laserbe- arbeitungsprozess, bei dem in einer Laserbearbeitungsanlage (1 ) ein Laserstrahl (32) mittels Umlenkspiegeln (130) und Linsensystemen (140) auf die Oberfläche eines Bauteils (161 , 162) fokussiert und der Laserstrahl (32) mittels mindestens eines Strahlformungsmoduls (40) hinsichtlich seiner Intensitätsverteilung an die zu bearbeitende Oberfläche des Bauteils (161 , 162) angepasst werden kann, da- durch gekennzeichnet, dass der Laserstrahl (32) zusätzlich hinsichtlich seiner Ori entierung mittels einer strahlprofildrehenden Optik (50) während der Bearbeitung gedreht wird, wobei die Anpassung der Strahlform sowie die Drehung des Strahl profils des Laserstrahls (32) abhängig von der zu bearbeitenden Fläche des Bau- teils (161 , 162) als auch vom Vektor der Vorschubgeschwindigkeit angepasst wer- den. 1. A method for beam shape and beam orientation adjustment in a laser processing process, in which in a laser processing system (1) a laser beam (32) by means of deflecting mirrors (130) and lens systems (140) focused on the surface of a component (161, 162) and the Laser beam (32) by means of at least one beam shaping module (40) with respect to its intensity distribution to the surface to be machined of the component (161, 162) can be adjusted, characterized in that the laser beam (32) in addition to its Ori entierung means of a beam profile rotating optics (50) is rotated during processing, wherein the adjustment of the beam shape and the rotation of the beam profile of the laser beam (32) depending on the surface to be machined of the component (161, 162) as well as adapted from the vector of feed speed ,
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlformanpas sung und Strahlprofildrehung des Laserstrahls (32) frei programmiert oder in Ab hängigkeit einer Scannersteuerung eines Scannersystems (60) und/ oder einer Positionierachsensteuerung einer Bauteilpositionierung (70) adaptiert wird. 2. The method according to claim 1, characterized in that the Strahlformanpas solution and beam profile rotation of the laser beam (32) freely programmed or Ab dependence of a scanner control of a scanner system (60) and / or a positioning axis control of a component positioning (70) is adapted.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass Prozesspara meter für die Strahlformanpassung und Strahlprofildrehung des Laserstrahls (32) offline in Laserbearbeitungsprogramme integriert oder online an den Laserbear beitungsprozess adaptiert werden. 3. The method according to claim 1 or 2, characterized in that Prozesspara meters for the beam shape adjustment and beam profile rotation of the laser beam (32) integrated offline in laser processing programs or online beitungsprozess adapted to the Laserbear process.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlformanpassung und Strahlprofildrehung des Laserstrahls (32) kontinuierlich oder in kurzen Zeitabständen während des Prozesses durchgeführt wird. 4. The method according to any one of claims 1 to 3, characterized in that the beam shape adaptation and beam profile rotation of the laser beam (32) is carried out continuously or at short intervals during the process.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlformanpassung des Laserstrahls (32) mittels einer SLM- Einheit (43) im Strahlformungsmodul (40) und die Strahlprofildrehung mit ein oder mehreren sich drehenden Prismen und/ oder Zylinderlinsenteleskopen (56) durchgeführt wird. 5. The method according to any one of claims 1 to 4, characterized in that the beam shape adaptation of the laser beam (32) by means of an SLM unit (43) in the beam forming module (40) and the beam profile rotation with one or more rotating prisms and / or cylindrical lens telescopes ( 56) is performed.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlprofildre hung mittels sich gleichläufig oder gegenläufig drehenden Dove-Prismen (53) und/ oder Zylinderlinsenteleskopen (56) eingestellt wird. 6. The method according to claim 5, characterized in that the Strahlprofildre hung by means of the same or counter-rotating Dove prisms (53) and / or cylindrical lens telescopes (56) is adjusted.
7. Verwendung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 6 in Laserbearbei tungsanlagen (1) zum Laserabtragen, Laserbohren, Lasermarkieren, Laserlöten bzw. Laserschweißen, Laserreinigen und zum Laserpolieren. 7. Use of the method according to one of claims 1 to 6 in Laserbearbei processing equipment (1) for laser ablation, laser drilling, laser marking, laser soldering or laser welding, laser cleaning and laser polishing.
8. Vorrichtung, insbesondere eine Laserbearbeitungsanlage (1), welche mindestens eine Prozesssteuereinheit (20), eine Laserstrahlquelle (30), ein Strahlformungs modul (40) sowie ein Scannersystem (60) und eine Bauteilpositionierung (70) um fasst, wobei ein Laserstrahl (32) aus der Laserstrahlquelle (30) mittels Umlenk spiegel (130) und Linsensystemen (140) auf die Oberfläche eines Bauteils (161, 162) fokussierbar ist und der Laserstrahl (32) mittels des Strahlformungsmoduls (40) hinsichtlich seiner Intensitätsverteilung an die zu bearbeitende Oberfläche des Bauteils (161 , 162) anpassbar ist, wobei von einem Anwenderprogramm (10) Laserbearbeitungsparameter vorgebbar sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Prozesssteuereinheit (20) Einrichtungen zur Durchführung des Verfahrens nach den Ansprüchen 1 bis 6 und die Laserbearbeitungsanlage (1) zusätzlich eine strahlprofildrehende Optik (50) zur Anpassung der Laserstrahlorientierung sowie ein Strahlformungsmodul zur Anpassung der Intensitätsverteilung aufweist. 8. Device, in particular a laser processing system (1), which at least one process control unit (20), a laser beam source (30), a beam forming module (40) and a scanner system (60) and a component positioning (70) to summarizes, wherein a laser beam ( 32) from the laser beam source (30) by means of deflecting mirror (130) and lens systems (140) on the surface of a component (161, 162) can be focused and the laser beam (32) by means of the beam shaping module (40) with respect to its intensity distribution to be processed Surface of the component (161, 162) is adaptable, wherein by a user program (10) laser processing parameters are predetermined, characterized in that the process control unit (20) means for performing the method according to claims 1 to 6 and the laser processing system (1) in addition Beam profile rotating optics (50) for adjusting the laser beam orientation and a beam shaping module for adjusting the intensity distribution of activity.
9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Strahlformungs modul (40) mindestens eine SLM- Einheit (43) in Form einer Phasen- und/ oder Amplitudenmodulationseinheit aufweist. 9. Apparatus according to claim 8, characterized in that the beam-shaping module (40) has at least one SLM unit (43) in the form of a phase and / or amplitude modulation unit.
10. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die strahlprofildre hende Optik (50) aus einem oder mehreren um die optische Achse drehbaren Prismen in Form von Dove-Prismen (53) und/ oder Zylinderlinsenteleskopen (56) ausgebildet ist, wobei die Prismen und/ oder Zylinderlinsenteleskope (56) gleich läufig oder gegenläufig drehbar angeordnet sind. 10. The device according to claim 8, characterized in that the Strahlprofildre rising optics (50) from one or more about the optical axis rotatable prisms in the form of Dove prisms (53) and / or cylindrical lens telescopes (56). is formed, wherein the prisms and / or cylindrical lens telescopes (56) are arranged in the same heat or in opposite directions rotatable.
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