WO2019180142A1 - Method and device for processing a composite material by means of a laser, and composite material - Google Patents

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WO2019180142A1
WO2019180142A1 PCT/EP2019/057089 EP2019057089W WO2019180142A1 WO 2019180142 A1 WO2019180142 A1 WO 2019180142A1 EP 2019057089 W EP2019057089 W EP 2019057089W WO 2019180142 A1 WO2019180142 A1 WO 2019180142A1
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layer
change
composite material
processing
laser beam
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PCT/EP2019/057089
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Inventor
Jan Werschnik
Stefan Franz
Carolin MUENZBERG
Original Assignee
Jenoptik Optical Systems Gmbh
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    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23KSOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K26/00Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/36Removing material
    • B23K26/40Removing material taking account of the properties of the material involved
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23KSOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K2103/00Materials to be soldered, welded or cut
    • B23K2103/16Composite materials, e.g. fibre reinforced
    • B23K2103/166Multilayered materials

Definitions

  • the present invention relates to a method and an apparatus for processing a composite material by means of a laser and to a corresponding one
  • a composite material can be processed for example by means of laser ablation, laser cutting or laser welding.
  • the position of the laser focus can be determined, for example, by trial and error, to ensure that certain layers are not injured.
  • the present invention provides an improved method of processing a composite material by laser, a corresponding apparatus and an improved composite material according to the main claims.
  • the invention relates to a method for processing a composite material comprising a first layer and a second layer by means of a laser beam, wherein material of the composite material is removed when the laser beam strikes a processing region of the composite material.
  • the method comprises the following steps:
  • discriminating illumination radiation for identifying the defined spectrum of the layer or an interface to produce at least a portion of the detection radiation as a portion of the illumination radiation reflected from the processing region;
  • a composite material can be understood as meaning a layer composite composed of several layers of different material.
  • the composite material may be carbon or glass fiber reinforced plastic or a metal-containing composite.
  • the composite material may include anisotropic layers.
  • the composite material may be a plurality
  • the processing region can be understood as meaning a portion of the composite material which, using the laser beam, has material of the
  • Composite material is removed. Also, under the processing area, a space adjacent to such a section can be understood.
  • the detection radiation may be radiation reflected or generated within the processing area.
  • a change may, for example, be understood as a change of the detection radiation which is dependent on time, place and / or wavelength, which may be present for example in the form of an electrical signal or value.
  • the change may, for example, relate to a change in the frequency or the intensity of the detection radiation.
  • the frequency change may correspond to a color change. Accordingly, a predetermined change can be understood as at least one threshold value with respect to a parameter characterizing the change.
  • the predetermined change may be set prior to the start of processing or learned during processing in a learning process.
  • the first and second layers can be directly adjacent.
  • an interface between the first and second layers may be formed by an indicator layer disposed between the two layers.
  • the first and the second layer can each adjoin the indicator layer.
  • the control signal can be output, for example, in order to change a laser pulse parameter, a laser pulse sequence and / or a feed rate of the laser focus so that the second layer is not damaged by the laser.
  • Control signal can be used to prevent further transmission of the laser beam.
  • the approach described here is based on the finding that by observing a change in a detection radiation, the laser processing of a
  • Processing of individual layers can be ensured. For example, this can stop the machining process in time so that certain layers are not damaged.
  • Illuminating radiation to be illuminated As a result, at least a portion of the detection radiation can be generated as a proportion of the illumination radiation reflected from the processing area.
  • the illumination radiation may be light having a spectrum defined depending on the given change.
  • the lighting can be done, for example, using a color selective or
  • the light may be infrared radiation in the region of near, middle or far infrared.
  • a characteristic of the interface signal increase of the sensor signal can be achieved.
  • the layers can be identified particularly reliably.
  • the method may include a step of emitting the laser beam into the
  • the method may comprise a step of detecting the sensor signal.
  • the step of detecting may be performed at the same time as the sending step.
  • a so-called "closed loop” control can be realized, by which a very fast control of the processing of the composite material is made possible.
  • the step of detecting can be carried out offset in time to the step of sending out "Control can be realized by the example of a low-cost sensors for Detection of the detection radiation can be used.
  • Send out the laser beam can be sent to material of the
  • the laser beam may have a suitable intensity and / or focusing.
  • Laser beam can be emitted with an intensity or focus that is not suitable for removing the material or it can be sent out no laser beam and instead of the differs from the laser beam illumination radiation. Also, a so-called afterglow of the laser beam for generating the
  • the sensor signal may represent a spectrally resolved and / or integrated intensity of the detection radiation.
  • a spectrally resolved intensity may, for example, be understood as an intensity resolved depending on a location, a time or a wavelength.
  • An integrated intensity can, for example, be understood as an intensity that is partially integrated over a specific parameter such as time, spatial direction or wavelength.
  • the method may include a step of determining the predetermined change or an adapted change using the sensor signal. In this way, a suitable value for the given change can be learned.
  • the step of determining may take place after the beginning of the processing, for example in a known time interval in which the first layer is processed.
  • a method of machine learning can be used for this purpose.
  • the reliability and accuracy of the process can be continuously increased.
  • the method may include a read-out step in which a value representing the predetermined change is read from a composite database.
  • the composite database may be located in an internal memory of a composite material processing apparatus.
  • Change representing value may be a threshold.
  • control signal in the step of outputting, may be output to stop the processing when the result of the
  • Comparing indicates that a value of the change reaches or exceeds a value of the predetermined change. For example, stopping by a Procedure of the laser focus relative to the composite material, a dimming of the laser beam or a shutdown of the laser source can be effected. This can be safely prevented that the second layer is injured by the laser.
  • At least a portion of the sensor signal may represent infrared radiation.
  • the infrared radiation may, for example, be an infrared radiation that exceeds a region of the near infrared, for example, medium or far infrared.
  • the infrared radiation may, for example, be an infrared radiation that exceeds a region of the near infrared, for example, medium or far infrared.
  • Characteristics at least one first layer to be processed by means of at least one laser beam; at least one second layer which is not to be processed by means of the laser beam; and at least one indicator layer disposed between the first layer and the second layer and configured to contact one upon contact with the laser beam
  • an indicator layer for example, a comparatively thin layer of a low-cost indicator material can be understood.
  • the indicator material may be a fluorescently enriched or highly reflective material.
  • Such a composite material can be provided inexpensively and also offers the advantage of a particularly fast, inexpensive and low-error machinability of the composite material.
  • a device for processing a composite material comprising a first layer and a second layer by means of a laser beam is configured to correspondingly implement the steps of a variant of a method presented here
  • Embodiment of the invention in the form of a device the object underlying the invention can be solved quickly and efficiently.
  • the corresponding devices or units may be integrated in a housing.
  • the device may comprise a beam splitter, a laser source for emitting the laser beam and an optical sensor for detecting the sensor signal.
  • the optical sensor in a transmission channel and the laser source in a
  • Reflection channel of the beam splitter can be arranged. This arrangement is particularly suitable for machining with high laser power.
  • the optical sensor can be arranged in the reflection channel and the laser source in the transmission channel of the beam splitter.
  • the laser beam can be guided from the beam splitter through a lens to the workpiece to be machined.
  • Figure 1 is a schematic representation of a device according to a
  • Figure 2 is a schematic representation of a beam path through a device according to an embodiment
  • Figure 3 is a schematic representation of a composite material according to a
  • FIG. 4 shows a flowchart of a method according to an exemplary embodiment
  • Figure 5 is a schematic representation of a device according to a
  • FIG. 6 shows a schematic representation of an exemplary beam path through a device according to an exemplary embodiment
  • FIG. 7 shows a schematic representation of an exemplary beam path through a device according to an exemplary embodiment
  • Figure 8 is a schematic representation of a target material and a sample of
  • Target material according to an embodiment
  • FIG. 9 is a schematic representation of a composite material according to a
  • FIG. 1 shows a schematic representation of a device 100 according to a
  • the apparatus 100 for processing a composite material 102 by means of laser comprises according to this embodiment, a transmission channel 104 with a laser source 106 for generating a laser beam 108, for example via a beam splitter 1 10, a scanner 1 12, such as a galvanometer scanner, and an objective. 1 14, such as an F-theta objective, is steerable on a workpiece of the composite material 102 to process it in a particular laser processing method such as laser ablation, laser cutting or laser welding.
  • the lens 1 14 is color corrected according to one embodiment, so that processing and observation wavelength are in the same focus. This is especially important for versions with a galvo scanner, otherwise
  • Embodiment however, one for the detection wavelength (s) mitoptimators lens 1 14 is used. Likewise, the mirrors are optimized for both wavelength ranges. Advantageous materials are depending on the wavelength, for example
  • the laser beam 108 is indicated by a thick arrow
  • the composite material 102 according to FIG. 1 is shown only with a first layer 1 18 to be processed and a second layer 120 that is not to be processed.
  • the composite material 102 may include a plurality of such layers 1 18, 120.
  • the two layers 1 18, 120 have a common interface, which is indicated by a dashed line.
  • Reflection channel 124 steered.
  • the detection radiation 122 is marked with several thin arrows.
  • An optical sensor 126 arranged in the reflection channel 124 for example an optionally high-resolution camera or one or more photodiodes, is designed to detect the detection radiation 122 and to provide a corresponding sensor signal 128.
  • the sensor signal 128 represents, for example, a spectrally resolved or (partially) integrated intensity of the detection radiation 122.
  • Bandpass filter 130 is arranged.
  • the device 100 comprises an evaluation device 132, which is designed to use the sensor signal 128 at least one control signal 134, 136, 138, 140th output that is suitable for influencing further processing of the composite material 102.
  • the device 100 comprises a detection device, a comparison device and an output device.
  • the determination device is designed to be a change, in particular a
  • the detection radiation 122 using the sensor signal 128 to determine.
  • the detection radiation 122 using the sensor signal 128 to determine.
  • Detection device is designed to determine a change in the color of the detection radiation 122 as the change.
  • the comparison device is designed to compare the change with a predetermined change.
  • the predetermined change corresponds, for example, to an expected value, which is a change in the
  • Detection radiation 122 indicates, which is expected as soon as the currently hit by the laser beam 108 processing area reaches the interface between the first layer 1 18 and the second layer 120.
  • the output device is designed to output the at least one control signal 134, 136, 138, 140.
  • the output device is formed around the at least one
  • Control signal 134, 136, 138, 140 output to further processing the
  • the evaluation device 132 for example in the form of a controller, is in accordance with a
  • Embodiment is designed to perform a spectral analysis of the detection radiation 122 using the sensor signal 128.
  • the evaluation device 132 determines a change and compares it with a predetermined change, for example with at least one known change, which indicates the presence of the interface between the first layer 1 18 and the second layer 120.
  • the known change has been determined, for example, experimentally or in a method of machine learning.
  • the predetermined change is set prior to starting the processing of the composite material 102 by means of the device 100, for example in the form of one or more threshold values, for example written to a memory of the device 100. Additionally or alternatively, the predetermined change is learned or adjusted during processing of the composite material 102. For this purpose, for example, using a learning method, a threshold value representing the predetermined change that differs sufficiently from changes in the detection radiation 122 that occur during the processing of the first layer 18 can be determined. As a result of the comparison, the evaluation device 132 gives a first example
  • Control signal 134 for controlling a traversing device 136 for the method of
  • the control by means of the control signals 134, 138, 140 is carried out depending on a degree of agreement between the determined and the known change.
  • the evaluation device 132 is designed to control the processing of the workpiece as a function of the change in the detection radiation 122 so that the second layer 120 is not illuminated by the laser beam 108
  • the device 100 comprises a
  • Lighting device 142 which is designed to illuminate the processing region, also referred to as a processing zone, in which the composite material 102 is processed by means of the laser beam 108, with an illumination radiation 144, for example, with light in a spectrum defined for the identification of the interface.
  • Control of the illumination device 142 takes place for example by means of
  • Evaluation device 132 in response to the predetermined change profiles.
  • the optical sensor 126 or another sensor is designed to be as
  • Detection radiation 122 to detect a reflected portion of the illumination radiation 144.
  • a laser-induced plasma spectroscopy or Raman spectroscopy can be used, which are compared simultaneously with the data stored in the evaluation unit 132, identified and the process is controlled.
  • the measurements can be used for fast data acquisition for real-time applications. Also suitable is the
  • the optical sensor 126 or another sensor is designed to additionally or alternatively detect long-wave infrared light in the middle or far infrared range and thus to allow an even more accurate identification of the layers 1 18, 120 by means of thermography.
  • the change is observed via broadband optics and spectral analysis. As soon as a specific change is known, processing is stopped.
  • the device 100 thus has the function to provide information about when the processing of the layer 1 18 is completed.
  • the focus of the laser beam 108 is automatically determined by the device 100 in this sense.
  • the spectral changes of the detection radiation 122 are determined according to a
  • Embodiment classified in a method of machine learning Embodiment classified in a method of machine learning.
  • Evaluation device 132 and the reflection channel 124 which may also be referred to as a camera channel, integrated in a compact device.
  • the device has a housing into which the scanner 1 12, the lens 1 14, the evaluation device 132 and the reflection channel 124 are integrated. The observation via the reflection channel 124 takes place, for example, coaxially.
  • Reflection channel 124 can be replaced or supplemented, for example, by a spectrometer or an imaging spectrometer.
  • the observation of the processing zone takes place simultaneously with the processing.
  • very fast image sensors or photodiodes are suitable as an optical sensor 126, since the scanning of the laser in the kHz range, ie. H. with residence times in the ps range, takes place. If, for example, the sensor signal 128 exceeds a specific threshold value, then the evaluation device 132 switches the laser immediately, that is to say the threshold value. H. in less than 1 ps, off.
  • the repetition rates of the short-pulse lasers are also in the three-digit kHz range. Such a procedure can also be referred to as a closed loop.
  • the observation takes place after processing. Depending on the result of the observation, further processing is triggered. Such a procedure can also be referred to as open loop.
  • the evaluation of the change is generally by combination, ie by mathematical linkage, at least one sensor response of the optical sensor 126, such as a spectrally resolved intensity over (x, y, z, t, l) or a (partially) integrated intensity such as l (t), l (z) or I (l).
  • Thresholds For example, to evaluate the change are definable by an operator of the device 100. For example, if the functional f [l (t)] is greater than the threshold s 0 , the laser is automatically shut off.
  • the So threshold is optionally trained via a suitable algorithm.
  • Composite database 150 is provided. From the composite database 150, threshold values stored in the composite database 150 may be stored.
  • Machining recipes are retrieved.
  • Demands for example from unanswered queries, are stored in composite material database 150 according to one embodiment.
  • External service providers can generate recipes or thresholds in the composite database 150.
  • the evaluation device 132 is coupled to the composite material database 150 via an interface.
  • a threshold value can be understood as meaning an intensity value of the detection radiation 122. If such a threshold value is reached, for example, the processing of the composite material 102 can be terminated.
  • FIG. 2 shows a schematic representation of an exemplary beam path through a device 100 according to one exemplary embodiment. Shown is a beam of several laser beams 108 different wavelength ranges, which are focused on the lens 1 14 on the processed layer 1 18. As can be seen, the lens 1 14 is realized as a lens system. The lens system is inserted after a scan head of the scanner in the beam path of the device 100 and has the function to focus the laser beams 108 to a focal point and the
  • the position of the focal point in the working plane approximately follows the F-theta condition, where a scan length or height is approximately proportional to a set scan angle. Deviations from this proportionality can be compensated by a corresponding control of mirrors of the scanner.
  • FIG. 3 shows a schematic representation of a composite material 102 according to one exemplary embodiment.
  • the composite material 102 essentially corresponds to the Previously described with reference to Figure 1 composite material, with the difference that according to this embodiment, between the two layers 1 18, 120, a thin, possibly inexpensive indicator layer 300 is introduced.
  • the composite material 102 essentially corresponds to the Previously described with reference to Figure 1 composite material, with the difference that according to this embodiment, between the two layers 1 18, 120, a thin, possibly inexpensive indicator layer 300 is introduced.
  • Indicator layer 300 is made, for example, of a material which is enriched or highly reflective with specially fluorescents and by means of which, upon contact with the laser beam generated by the device, a characteristic detection radiation is produced which indicates the reaching of the interface between the two layers 1, 18, 120.
  • the indicator layer 300 thus makes it possible to generate a particularly strong signal for identifying the interface.
  • the composite material 102 includes a plurality of such indicator layers 300 each disposed between a layer to be processed and a layer of composite material 102 that is not to be processed.
  • FIG. 4 shows a flowchart of a method 400 according to FIG.
  • the method 400 for processing a composite material by means of a laser can be carried out, for example, using the apparatus described above with reference to FIGS. 1 and 2.
  • the change in the detection radiation is determined using the sensor signal.
  • the determined change is compared with at least one predetermined change, which represents a characteristic spectral change of the detection radiation which occurs when the interface between the layer to be processed and the layer not to be processed is reached.
  • at least one control signal is output, by means of which the laser processing can be controlled in such a way that the layer not to be processed is not damaged.
  • steps 410, 420, 430 are performed continuously to ensure continuous monitoring of the machining process.
  • FIG. 5 shows a schematic representation of a device 100 according to a
  • the device 100 for processing a composite material by means of a laser corresponds to the device described with reference to FIG. 1, with the difference that the arrangement of the laser source 106 and the optical sensor 126 with respect to the beam splitter 110 is interchanged.
  • This exemplary embodiment is therefore particularly suitable for realizing a high power variant of the device 100, for example for a device 100 having a laser source 106 with a laser power of more than 100W.
  • the transmission channel 104 leads from the
  • Beam splitter 1 10 via the optional filter 130 to the optical sensor 126.
  • the reflection channel 124 leads from the beam splitter 1 10 to the laser source 106th
  • the workpiece to be processed using the laser beam 108 emitted from the laser source 106 comprises layers with high reflectivity. Such layers in reflection are realized, for example, precisely at wavelengths of 1030 nm-1080 nm with very high reflectivity.
  • the resulting losses in the camera channel, here in the transmission channel 104, ie in transmission, are not critical. In the laser channel, however, such losses would lead to high heat losses and thus instabilities in the system.
  • FIG. 6 shows a schematic representation of an exemplary beam path through a device 100 according to one exemplary embodiment. This may be the device described with reference to FIG.
  • the image channel to the optical sensor 126 is shown, which according to this exemplary embodiment comprises the transmission channel 104 through the beam splitter 110.
  • An objective 650 is arranged in the transmission channel 104 and images an object 652 into an intermediate image 654.
  • This embodiment has the advantage that it can be done vignettierunsgke, which is e.g. important for radiometric measures.
  • the objective 656 is realized by two plano-convex lenses 658, 660. According to an alternative embodiment, the
  • the lens 656 complicated, for example, using 3 to 4 lenses, whereby the lens 656 becomes shorter.
  • the implementation is also color-corrected. This is advantageous, for example, if the
  • the beam splitter 1 10 allows further coupling and uncoupling.
  • a possible coupling of a laser beam over the reflection channel 124 is shown.
  • FIG. 7 shows a schematic representation of an exemplary beam path through a device 100 according to one exemplary embodiment. This may be the device described with reference to FIG.
  • the laser beam 108 is shown running along the reflection channel 124 to the beam splitter 1 10 and from the beam splitter 1 10, for example via the lens 1 14 to the workpiece.
  • the target material 802 is, for example, a material of a layer of the composite material to be processed.
  • FIG. 9 shows a schematic representation of an exemplary composite material 102 with three layers arranged one above the other. Laser beams 108 are in
  • parameters are run through and measured for the analysis of the composite material 102, for example systematically.
  • Parameter tests so-called recipes, for example, are retrieved from a server, applied and evaluated by an algorithm. Threshold values resulting therefrom and / or processing recipes are, for example, shown in FIG.
  • Composite database stored and can be retrieved later in the processing of a composite material 102 having workpiece.
  • S (z (t), lambda) is first recorded.
  • An algorithm determines an optimal stop.
  • an additional sensor is placed under the material sample, which is not possible in later use, but which can be used during the parameter test and can provide feedback, a so-called feedback, that can be used to create the recipe.
  • the additional sensor can provide an indication of the remaining material thickness. If an exemplary embodiment comprises a "and / or" link between a first feature and a second feature, this can be read so that the embodiment according to one embodiment, both the first feature and the second feature and according to another embodiment, either only the first Feature or only the second feature.

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Abstract

The invention relates to a method for processing a composite material (102) having a first layer (118) and a second layer (120) by means of a laser beam (108), wherein material of the composite material (102) is removed when the laser beam (108) impinges on a processing region of the composite material (102). The method comprises a step of determining a change, in particular a frequency change and/or an intensity change, using a sensor signal (128) which represents a detection radiation emitted from the processing region (122), a step of illuminating the processing region with illumination radiation differing from the laser beam in order to identify the defined spectrum of the layer or a boundary surface, a step of comparing the change with a predetermined change which is expected during a transition of the processing region from the first layer (118) into a further layer (120), and a step of outputting at least one control signal (134, 138, 140) for controlling the processing as a function of a result of the comparison of the change with the predetermined change.

Description

Verfahren und Vorrichtung zur Bearbeitung eines Verbundmaterials mittels Laser sowie Verbundmaterial  Method and device for processing a composite material by means of laser and composite material
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Bearbeitung eines Verbundmaterials mittels Laser sowie auf ein entsprechendes  The present invention relates to a method and an apparatus for processing a composite material by means of a laser and to a corresponding one
Verbundmaterial. Composite material.
Ein Verbundmaterial kann beispielsweise mittels Laserablation, Laserschneiden oder Laserschweißen bearbeitet werden. Die Lage des Laserfokus kann dabei beispielsweise durch Versuch und Irrtum bestimmt werden, um zu gewährleisten, dass bestimmte Schichten nicht verletzt werden. A composite material can be processed for example by means of laser ablation, laser cutting or laser welding. The position of the laser focus can be determined, for example, by trial and error, to ensure that certain layers are not injured.
Vor diesem Hintergrund schafft die vorliegende Erfindung ein verbessertes Verfahren zur Bearbeitung eines Verbundmaterials mittels Laser, eine entsprechende Vorrichtung sowie ein verbessertes Verbundmaterial gemäß den Hauptansprüchen. Vorteilhafte Against this background, the present invention provides an improved method of processing a composite material by laser, a corresponding apparatus and an improved composite material according to the main claims. advantageous
Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung. Embodiments emerge from the subclaims and the following description.
Es wird ein Verfahren zur Bearbeitung eines eine erste Schicht und eine zweite Schicht aufweisenden Verbundmaterials mittels eines Laserstrahls vorgestellt, wobei bei einem Auftreffen des Laserstrahls auf einen Bearbeitungsbereich des Verbundmaterials Material des Verbundmaterials entfernt wird. Das Verfahren umfasst folgende Schritte: The invention relates to a method for processing a composite material comprising a first layer and a second layer by means of a laser beam, wherein material of the composite material is removed when the laser beam strikes a processing region of the composite material. The method comprises the following steps:
Ermitteln einer Änderung unter Verwendung eines Sensorsignals, das eine aus dem Bearbeitungsbereich ausgesandte Detektionsstrahlung repräsentiert; Determining a change using a sensor signal representing a detection radiation emitted from the processing area;
Beleuchten des Bearbeitungsbereichs mit einer sich von dem Laserstrahl Illuminating the machining area with one of the laser beam
unterscheidenden Beleuchtungsstrahlung zur Identifizierung des definierten Spektrums der Schicht oder einer Grenzfläche, um zumindest einen Anteil der Detektionsstrahlung als aus dem Bearbeitungsbereich heraus reflektiertem Anteil der Beleuchtungsstrahlung zu erzeugen; discriminating illumination radiation for identifying the defined spectrum of the layer or an interface to produce at least a portion of the detection radiation as a portion of the illumination radiation reflected from the processing region;
Vergleichen der Änderung mit einer vorgegebenen Änderung, die bei einem Übergang des Bearbeitungsbereichs aus der ersten Schicht in eine weitere Schicht erwartet wird; und Comparing the change with a predetermined change expected in a transition of the processing area from the first layer to another layer; and
Ausgeben zumindest eines Steuersignals zum Steuern der Bearbeitung abhängig von einem Ergebnis des Vergleichens der Änderung mit der vorgegebenen Änderung. Unter einem Verbundmaterial kann ein aus mehreren Schichten unterschiedlichen Materials zusammengesetzter Schichtverbund verstanden werden. Beispielsweise kann es sich bei dem Verbundmaterial um kohle- oder glasfaserverstärkten Kunststoff oder einen metallhaltigen Verbundwerkstoff handeln. Auch kann das Verbundmaterial anisotrope Schichten aufweisen. Das Verbundmaterial kann dabei eine Mehrzahl Outputting at least one control signal for controlling the processing depending on a result of comparing the change with the predetermined change. A composite material can be understood as meaning a layer composite composed of several layers of different material. For example, the composite material may be carbon or glass fiber reinforced plastic or a metal-containing composite. Also, the composite material may include anisotropic layers. The composite material may be a plurality
aneinandergrenzender zu bearbeitender und nicht zu bearbeitender Schichten aufweisen. Unter dem Bearbeitungsbereich kann ein Abschnitt des Verbundmaterials verstanden werden, an dem unter Verwendung des Laserstrahls Material des have contiguous to be processed and not to be processed layers. The processing region can be understood as meaning a portion of the composite material which, using the laser beam, has material of the
Verbundmaterials abgetragen wird. Auch kann unter dem Bearbeitungsbereich ein an einen solchen Abschnitt angrenzender Raum verstanden werden. In dem Composite material is removed. Also, under the processing area, a space adjacent to such a section can be understood. By doing
Bearbeitungsbereich wird zumindest ein Anteil des Laserstrahls reflektiert, beispielsweise an dem Verbundmaterial oder an aus dem Verbundmaterial herausgelösten Material oder Plasma. Aufgrund der bei der Bearbeitung entstehenden Materialerhitzung wird ferner Infrarotstrahlung aus dem Bearbeitungsbereich ausgesendet. Somit kann es sich bei der Detektionsstrahlung um eine innerhalb des Bearbeitungsbereichs reflektierte oder erzeugte Strahlung handeln. Unter einer Änderung kann beispielsweise eine zeit-, ort- und/oder wellenlängenabhängige Änderung der Detektionsstrahlung verstanden werden, die beispielsweise in Form eines elektrischen Signals oder Wertes vorliegen kann. Die Änderung kann beispielsweise eine Änderung der Frequenz oder der Intensität der Detektionsstrahlung betreffen. Die Frequenzänderung kann einer Farbänderung entsprechen. Dementsprechend kann unter einer vorgegebenen Änderung zumindest ein Schwellenwert bezüglich eines die Änderung charakterisierenden Parameters verstanden werden. Beispielsweise kann die vorgegebene Änderung vor Beginn der Bearbeitung festgelegt oder während der Bearbeitung in einem Lernverfahren erlernt werden. Die erste und die zweite Schicht können direkt aneinandergrenzen. Alternativ kann eine Grenzfläche zwischen der ersten und zweiten Schicht durch eine zwischen den beiden Schichten angeordnete Indikatorschicht gebildet sein. In diesem Fall können die erste und die zweite Schicht je an die Indikatorschicht angrenzen. Das Steuersignal kann im Schritt des Ausgebens beispielsweise ausgegeben werden, um einen Laserpulsparameter, eine Laserpulsfolge und/oder eine Vorschubgeschwindigkeit des Laserfokus so zu ändern, so dass die zweite Schicht vom Laser nicht verletzt wird. Insbesondere kann das Processing region, at least a portion of the laser beam is reflected, for example, on the composite material or dissolved out of the composite material or plasma. Due to the material heating generated during processing, infrared radiation is also emitted from the processing area. Thus, the detection radiation may be radiation reflected or generated within the processing area. A change may, for example, be understood as a change of the detection radiation which is dependent on time, place and / or wavelength, which may be present for example in the form of an electrical signal or value. The change may, for example, relate to a change in the frequency or the intensity of the detection radiation. The frequency change may correspond to a color change. Accordingly, a predetermined change can be understood as at least one threshold value with respect to a parameter characterizing the change. For example, the predetermined change may be set prior to the start of processing or learned during processing in a learning process. The first and second layers can be directly adjacent. Alternatively, an interface between the first and second layers may be formed by an indicator layer disposed between the two layers. In this case, the first and the second layer can each adjoin the indicator layer. In the step of outputting, the control signal can be output, for example, in order to change a laser pulse parameter, a laser pulse sequence and / or a feed rate of the laser focus so that the second layer is not damaged by the laser. In particular, that can
Steuersignal verwendet werden, um eine weitere Aussendung des Laserstrahls zu unterbinden. Control signal can be used to prevent further transmission of the laser beam.
Der hier beschriebene Ansatz beruht auf der Erkenntnis, dass durch Beobachten einer Änderung in einer Detektionsstrahlung, die bei der Laserbearbeitung eines The approach described here is based on the finding that by observing a change in a detection radiation, the laser processing of a
Verbundmaterials freigesetzt wird, und einen entsprechenden Vergleich der Composite material is released, and a corresponding comparison of the
beobachteten Änderung mit einem oder mehreren bekannten Änderungsprofilen ein Schichtübergang zu einer nicht zu bearbeitenden Schicht im Verbundmaterial zuverlässig und präzise erkannt werden kann. Dadurch kann eine schnelle und zielsichere observe change with one or more known change profiles Layer transition to a layer not to be processed in the composite material can be detected reliably and precisely. This can be a quick and accurate
Bearbeitung einzelner Schichten gewährleistet werden. Beispielsweise kann dadurch der Bearbeitungsprozess rechtzeitig gestoppt werden, sodass bestimmte Schichten nicht verletzt werden. Somit können die hohen Anforderungen an die Prozesskontrolle, die bei der Laserbearbeitung von Verbundmaterialien durch die unterschiedlichen Processing of individual layers can be ensured. For example, this can stop the machining process in time so that certain layers are not damaged. Thus, the high demands on the process control, which in the laser processing of composite materials by the different
Absorptionseigenschaften der Einzelschichten entstehen, bereits mit verhältnismäßig geringem Aufwand erfüllt werden, etwa bei der Vorbereitung von Oberflächen für Klebungen oder Reparaturen, beim Schneiden und Bohren von Konstruktions- und Hochleistungskunststoffen, insbesondere CFK und GFK, beim Fügen thermoplastischer Kunststoffe und faserverstärkter Verbundwerkstoffe oder beim Schneiden und Bohren von Kunststoffen und Faserverbundwerkstoffen. Darüber hinaus kann eine solche Prozesskontrolle hoch automatisiert erfolgen und beispielsweise durch maschinelles Lernen kontinuierlich verbessert werden. Absorption properties of the individual layers arise to be met already with relatively little effort, such as in the preparation of surfaces for bonding or repairs, cutting and drilling of structural and high performance plastics, especially CFRP and GRP, when joining thermoplastics and fiber reinforced composites or cutting and Drilling of plastics and fiber composites. In addition, such process control can be highly automated and continuously improved, for example, through machine learning.
Gemäß einer Ausführungsform kann in einem Schritt des Beleuchtens der According to one embodiment, in a step of lighting up the
Bearbeitungsbereich mit einer sich von dem Laserstrahl unterscheidenden Processing area with a different from the laser beam
Beleuchtungsstrahlung beleuchtet werden. Dadurch kann zumindest ein Anteil der Detektionsstrahlung als aus dem Bearbeitungsbereich heraus reflektierter Anteil der Beleuchtungsstrahlung erzeugt werden. Somit kann sich die Detektionsstrahlung aus reflektierter Laserstrahlung und zusätzlich oder alternativ aus reflektierter Illuminating radiation to be illuminated. As a result, at least a portion of the detection radiation can be generated as a proportion of the illumination radiation reflected from the processing area. Thus, the detection radiation of reflected laser radiation and additionally or alternatively from reflected
Beleuchtungsstrahlung zusammensetzten. Die Beleuchtungsstrahlung kann Licht mit einem abhängig von der vorgegebenen Änderung definierten Spektrum sein. Das Beleuchten kann beispielsweise unter Verwendung einer farbselektiven oder Composed lighting radiation. The illumination radiation may be light having a spectrum defined depending on the given change. The lighting can be done, for example, using a color selective or
wellenlängenselektiven, aktiven Beleuchtung erfolgen. Beispielsweise kann es sich bei dem Licht um Infrarotstrahlung im Bereich nahen, mittleren oder fernen Infrarots handeln. Durch diese Ausführungsform kann eine für die Grenzfläche charakteristische Signalerhöhung des Sensorsignals erreicht werden. Dadurch können die Schichten besonders zuverlässig identifiziert werden. wavelength-selective, active illumination. By way of example, the light may be infrared radiation in the region of near, middle or far infrared. By this embodiment, a characteristic of the interface signal increase of the sensor signal can be achieved. As a result, the layers can be identified particularly reliably.
Das Verfahren kann einen Schritt des Aussendens des Laserstrahls in den The method may include a step of emitting the laser beam into the
Bearbeitungsbereich umfassen. Dadurch kann das Verbundmaterial verarbeitet werden. Ferner kann das Verfahren einen Schritt des Erfassens des Sensorsignals umfassen. Dabei kann der Schritt des Erfassens zeitgleich zu dem Schritt des Aussendens ausgeführt werden. Dadurch kann eine sogenannte„Closed Loop" Regelung realisiert werden, durch die eine sehr schnelle Steuerung der Bearbeitung des Verbundmaterials ermöglicht wird. Zusätzlich oder alternativ kann der Schritt des Erfassens zeitlich versetzt zu dem Schritt des Aussendens ausgeführt werden. Dadurch kann eine sogenannte„Open Loop" Regelung realisiert werden, durch die beispielsweise auf eine kostengünstige Sensorik zur Erfassung der Detektionsstrahlung zurückgegriffen werden kann. Im Schritt des Include editing area. This allows the composite material to be processed. Furthermore, the method may comprise a step of detecting the sensor signal. At this time, the step of detecting may be performed at the same time as the sending step. Thereby, a so-called "closed loop" control can be realized, by which a very fast control of the processing of the composite material is made possible.Additionally or alternatively, the step of detecting can be carried out offset in time to the step of sending out "Control can be realized by the example of a low-cost sensors for Detection of the detection radiation can be used. In the step of
Aussendens kann der Laserstrahl ausgesendet werden, um Material des Send out the laser beam can be sent to material of the
Verbundmaterials zu entfernen. Dazu kann der Laserstrahl eine geeignete Intensität und/oder Fokussierung aufweisen. Während des Schritts des Erfassens kann der Remove composite material. For this purpose, the laser beam may have a suitable intensity and / or focusing. During the step of detecting the
Laserstrahl mit einer Intensität oder Fokussierung ausgesendet werden, die sich nicht zum Entfernen des Materials eignet oder es kann kein Laserstrahl und stattdessen die sich von dem Laserstrahl unterscheidende Beleuchtungsstrahlung ausgesendet werden. Auch kann ein sogenanntes Nachleuchten des Laserstrahls zur Generierung des Laser beam can be emitted with an intensity or focus that is not suitable for removing the material or it can be sent out no laser beam and instead of the differs from the laser beam illumination radiation. Also, a so-called afterglow of the laser beam for generating the
Sensorsignals verwendet werden. Sensor signal can be used.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann das Sensorsignal eine spektral aufgelöste und/oder integrierte Intensität der Detektionsstrahlung repräsentieren. Unter einer spektral aufgelösten Intensität kann beispielsweise eine abhängig von einem Ort, einer Zeit oder einer Wellenlänge aufgelöste Intensität verstanden werden. Unter einer integrierten Intensität kann beispielsweise eine über einem bestimmten Parameter wie Zeit, Raumrichtung oder Wellenlänge teilintegrierte Intensität verstanden werden. Durch diese Ausführungsform kann der Vergleich der Änderung besonders schnell und effizient erfolgen. According to a further embodiment, the sensor signal may represent a spectrally resolved and / or integrated intensity of the detection radiation. A spectrally resolved intensity may, for example, be understood as an intensity resolved depending on a location, a time or a wavelength. An integrated intensity can, for example, be understood as an intensity that is partially integrated over a specific parameter such as time, spatial direction or wavelength. By this embodiment, the comparison of the change can be made particularly quickly and efficiently.
Das Verfahren kann einen Schritt des Bestimmens der vorgegebenen Änderung oder einer angepassten Änderung unter Verwendung des Sensorsignals umfassen. Auf diese Weise kann ein geeigneter Wert für die vorgegebene Änderung erlernt werden. The method may include a step of determining the predetermined change or an adapted change using the sensor signal. In this way, a suitable value for the given change can be learned.
Insbesondere kann der Schritt des Bestimmens nach Beginn der Bearbeitung erfolgen, beispielsweise in einem bekannten Zeitintervall, in dem die erste Schicht bearbeitet wird. Somit kann ein für die vorgegebene Änderung während der Bearbeitung der ersten Schicht erlernt werden. Beispielsweise kann dazu ein Verfahren des maschinellen Lernens eingesetzt werden. Dadurch können Zuverlässigkeit und Genauigkeit des Verfahrens kontinuierlich gesteigert werden. In particular, the step of determining may take place after the beginning of the processing, for example in a known time interval in which the first layer is processed. Thus, one can be learned for the given change during the processing of the first layer. For example, a method of machine learning can be used for this purpose. As a result, the reliability and accuracy of the process can be continuously increased.
Das Verfahren kann einen Schritt des Auslesens umfassen, in dem ein die vorgegebene Änderung repräsentierender Wert aus einer Verbundmaterialdatenbank ausgelesen wird. Die Verbundmaterialdatenbank kann in einem internen Speicher einer Vorrichtung zur Bearbeitung eines Verbundmaterials angeordnet sein. Bei dem die vorgegebene The method may include a read-out step in which a value representing the predetermined change is read from a composite database. The composite database may be located in an internal memory of a composite material processing apparatus. Where the given
Änderung repräsentierenden Wert kann es sich um einen Schwellwert handeln. Change representing value may be a threshold.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann im Schritt des Ausgebens das Steuersignal ausgegeben werden, um die Bearbeitung zu stoppen, wenn das Ergebnis des According to another embodiment, in the step of outputting, the control signal may be output to stop the processing when the result of the
Vergleichens anzeigt, dass ein Wert der Änderung einen Wert der vorgegebenen Änderung erreicht oder überschreitet. Beispielsweise kann das Stoppen durch ein Verfahren des Laserfokus relativ zum Verbundmaterial, ein Abblenden des Laserstrahls oder ein Abschalten der Laserquelle bewirkt werden. Dadurch kann sicher verhindert werden, dass die zweite Schicht durch den Laser verletzt wird. Comparing indicates that a value of the change reaches or exceeds a value of the predetermined change. For example, stopping by a Procedure of the laser focus relative to the composite material, a dimming of the laser beam or a shutdown of the laser source can be effected. This can be safely prevented that the second layer is injured by the laser.
Zumindest ein Anteil des Sensorsignals kann eine Infrarotstrahlung repräsentieren. At least a portion of the sensor signal may represent infrared radiation.
Dadurch kann zumindest ein Anteil der Detektionsstrahlung als aus dem As a result, at least a portion of the detection radiation than from the
Bearbeitungsbereich heraus reflektierter Anteil der Beleuchtungsstrahlung erzeugt werden. Bei der Infrarotstrahlung kann es sich beispielsweise um eine über einen Bereich des nahen Infrarots hinausgehende Infrarotstrahlung, beispielsweise um mittleres oder fernes Infrarot, handeln. Dadurch können einzelne Schichten des Verbundmaterials mittels Thermografie identifiziert werden. Auf diese Weise kann die Identifikation der einzelnen Schichten weiter verbessert werden. Processing area out reflected portion of the illumination radiation are generated. The infrared radiation may, for example, be an infrared radiation that exceeds a region of the near infrared, for example, medium or far infrared. As a result, individual layers of the composite material can be identified by means of thermography. In this way, the identification of the individual layers can be further improved.
Der hier vorgestellte Ansatz schafft zudem ein Verbundmaterial mit folgenden The approach presented here also creates a composite material with the following
Merkmalen: zumindest einer ersten Schicht, die mittels zumindest eines Laserstrahls zu bearbeiten ist; zumindest einer zweiten Schicht, die nicht mittels des Laserstrahls zu bearbeiten ist; und zumindest einer zwischen der ersten Schicht und der zweiten Schicht angeordneten Indikatorschicht, die ausgebildet ist, um bei Kontakt mit dem Laserstrahl eine Characteristics: at least one first layer to be processed by means of at least one laser beam; at least one second layer which is not to be processed by means of the laser beam; and at least one indicator layer disposed between the first layer and the second layer and configured to contact one upon contact with the laser beam
Detektionsstrahlung in einem Spektrum auszusenden, das für eine Grenzfläche zwischen der ersten Schicht und der zweiten Schicht charakteristisch ist. To emit detection radiation in a spectrum characteristic of an interface between the first layer and the second layer.
Unter einer Indikatorschicht kann beispielsweise eine vergleichsweise dünne Schicht aus einem preiswerten Indikatormaterial verstanden werden. Beispielsweise kann es sich bei dem Indikatormaterial um ein mit Fluoreszenzstoffen angereichertes oder stark reflektierendes Material handeln. Ein solches Verbundmaterial kann kostengünstig bereitgestellt werden und bietet zudem den Vorteil einer besonders schnellen, kostengünstigen und fehlerarmen Bearbeitbarkeit des Verbundmaterials. By an indicator layer, for example, a comparatively thin layer of a low-cost indicator material can be understood. For example, the indicator material may be a fluorescently enriched or highly reflective material. Such a composite material can be provided inexpensively and also offers the advantage of a particularly fast, inexpensive and low-error machinability of the composite material.
Eine Vorrichtung zur Bearbeitung eines eine erste Schicht und eine zweite Schicht aufweisenden Verbundmaterials mittels eines Laserstrahls ist ausgebildet ist, um die Schritte einer Variante eines hier vorgestellten Verfahrens in entsprechenden A device for processing a composite material comprising a first layer and a second layer by means of a laser beam is configured to correspondingly implement the steps of a variant of a method presented here
Einrichtungen durchzuführen, anzusteuern bzw. umzusetzen. Auch durch diese To implement, control or implement facilities. Also through this
Ausführungsvariante der Erfindung in Form einer Vorrichtung kann die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe schnell und effizient gelöst werden. Vorteilhafterweise können die entsprechenden Einrichtungen oder Einheiten in einem Gehäuse integriert angeordnet sein. Embodiment of the invention in the form of a device, the object underlying the invention can be solved quickly and efficiently. advantageously, For example, the corresponding devices or units may be integrated in a housing.
Die Vorrichtung kann einen Strahlteiler, eine Laserquelle zum Aussenden des Laserstrahls und einen optischen Sensor zum Erfassen des Sensorsignals umfassen. Dabei kann der optische Sensor in einem Transmissionskanal und die Laserquelle in einem The device may comprise a beam splitter, a laser source for emitting the laser beam and an optical sensor for detecting the sensor signal. In this case, the optical sensor in a transmission channel and the laser source in a
Reflexionskanal des Strahlteilers angeordnet sein. Diese Anordnung eignet sich insbesondere für Bearbeitungen mit großer Laserleistung. Alternativ kann der optische Sensor in dem Reflexionskanal und die Laserquelle in dem Transmissionskanal des Strahlteilers angeordnet sein. Der Laserstrahl kann ausgehend von dem Strahlteiler durch ein Objektiv zu dem zu bearbeiteten Werkstück geführt werden. Reflection channel of the beam splitter can be arranged. This arrangement is particularly suitable for machining with high laser power. Alternatively, the optical sensor can be arranged in the reflection channel and the laser source in the transmission channel of the beam splitter. The laser beam can be guided from the beam splitter through a lens to the workpiece to be machined.
Die Erfindung wird anhand der beigefügten Zeichnungen beispielhaft näher erläutert. Es zeigen: The invention will be described by way of example with reference to the accompanying drawings. Show it:
Figur 1 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung gemäß einem Figure 1 is a schematic representation of a device according to a
Ausführungsbeispiel;  Embodiment;
Figur 2 eine schematische Darstellung eines Strahlengangs durch eine Vorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel;  Figure 2 is a schematic representation of a beam path through a device according to an embodiment;
Figur 3 eine schematische Darstellung eines Verbundmaterials gemäß einem  Figure 3 is a schematic representation of a composite material according to a
Ausführungsbeispiel;  Embodiment;
Figur 4 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens gemäß einem Ausführungsbeispiel; FIG. 4 shows a flowchart of a method according to an exemplary embodiment;
Figur 5 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung gemäß einem Figure 5 is a schematic representation of a device according to a
Ausführungsbeispiel;  Embodiment;
Figur 6 eine schematische Darstellung eines beispielhaften Strahlengangs durch eine Vorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel;  FIG. 6 shows a schematic representation of an exemplary beam path through a device according to an exemplary embodiment;
Figur 7 eine schematische Darstellung eines beispielhaften Strahlengangs durch eine Vorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel; FIG. 7 shows a schematic representation of an exemplary beam path through a device according to an exemplary embodiment;
Figur 8 eine schematische Darstellung eines Zielmaterials sowie einer Probe des  Figure 8 is a schematic representation of a target material and a sample of
Zielmaterials gemäß einem Ausführungsbeispiel; und  Target material according to an embodiment; and
Figur 9 eine schematische Darstellung eines Verbundmaterials gemäß einem 9 is a schematic representation of a composite material according to a
Ausführungsbeispiel.  Embodiment.
In der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden für die in den verschiedenen Figuren dargestellten und ähnlich wirkenden Elemente gleiche oder ähnliche Bezugszeichen verwendet, wobei auf eine wiederholte Beschreibung dieser Elemente verzichtet wird. Figur 1 zeigt eine schematische Darstellung einer Vorrichtung 100 gemäß einem In the following description of preferred embodiments of the present invention, the same or similar reference numerals are used for the elements shown in the various figures and similarly acting, wherein a repeated description of these elements is omitted. FIG. 1 shows a schematic representation of a device 100 according to a
Ausführungsbeispiel. Die Vorrichtung 100 zur Bearbeitung eines Verbundmaterials 102 mittels Laser umfasst gemäß diesem Ausführungsbeispiel einen Transmissionskanal 104 mit einer Laserquelle 106 zum Erzeugen eines Laserstrahls 108, der beispielsweise über einen Strahlteiler 1 10, einen Scanner 1 12, etwa einen Galvanometer-Scanner, und ein Objektiv 1 14, etwa ein F-Theta-Objektiv, auf ein Werkstück aus dem Verbundmaterial 102 lenkbar ist, um dieses in einem bestimmten Laserbearbeitungsverfahren wie beispielsweise Laserablation, Laserschneiden oder Laserschweißen zu bearbeiten. Das Objektiv 1 14 ist gemäß einem Ausführungsbeispiel entsprechend farbkorrigiert, so dass Bearbeitungs- und Beobachtungswellenlänge im gleichen Brennpunkt liegen. Das ist insbesondere bei Ausführungen mit einem Galvo-Scanner wichtig, da sonst Embodiment. The apparatus 100 for processing a composite material 102 by means of laser comprises according to this embodiment, a transmission channel 104 with a laser source 106 for generating a laser beam 108, for example via a beam splitter 1 10, a scanner 1 12, such as a galvanometer scanner, and an objective. 1 14, such as an F-theta objective, is steerable on a workpiece of the composite material 102 to process it in a particular laser processing method such as laser ablation, laser cutting or laser welding. The lens 1 14 is color corrected according to one embodiment, so that processing and observation wavelength are in the same focus. This is especially important for versions with a galvo scanner, otherwise
unterschiedliche Fokuslagen über das Bildfeld entstehen. Gemäß einem different focus positions arise over the image field. According to one
Ausführungsbeispiel wird jedoch ein für die Detektionswellenlänge(n) mitoptimiertes Objektiv 1 14 verwendet. Ebenso sind die Spiegel für beide Wellenlängenbereiche optimiert. Vorteilhafte Werkstoffe sind dabei je nach Wellenlänge beispielsweise Embodiment, however, one for the detection wavelength (s) mitoptimiertes lens 1 14 is used. Likewise, the mirrors are optimized for both wavelength ranges. Advantageous materials are depending on the wavelength, for example
Aluminium, Silber oder Gold. Der Laserstrahl 108 ist durch einen dicken Pfeil Aluminum, silver or gold. The laser beam 108 is indicated by a thick arrow
gekennzeichnet. Zur besseren Übersichtlichkeit ist das Verbundmaterial 102 gemäß Figur 1 lediglich mit einer zu bearbeitenden ersten Schicht 1 18 und einer nicht zu bearbeitenden zweiten Schicht 120 dargestellt. In der Realität kann das Verbundmaterial 102 eine Vielzahl solcher Schichten 1 18, 120 aufweisen. Die beiden Schichten 1 18, 120 haben eine gemeinsame Grenzfläche, die durch eine gestrichelte Linie angedeutet ist. characterized. For better clarity, the composite material 102 according to FIG. 1 is shown only with a first layer 1 18 to be processed and a second layer 120 that is not to be processed. In reality, the composite material 102 may include a plurality of such layers 1 18, 120. The two layers 1 18, 120 have a common interface, which is indicated by a dashed line.
Eine von dem Werkstück ausgehende Detektionsstrahlung 122, die beispielsweise von dem Verbundmaterial 102 bei Kontakt mit dem Laserstrahl 108 oder von einem durch den Laserstrahl 108 erzeugten Plasma reflektiert wird, gelangt beispielsweise über das Objektiv 1 14 und den Scanner 1 12 auf den Strahlteiler 1 10 und wird von diesem in eine von einer Richtung des Transmissionskanals 104 abweichende Richtung in einen A detection radiation 122 emanating from the workpiece, which is reflected, for example, by the composite material 102 upon contact with the laser beam 108 or by a plasma generated by the laser beam 108, reaches the beam splitter 110 and, for example, via the objective 1 14 and the scanner 1 12 becomes from this in a direction deviating from a direction of the transmission channel 104 in a direction
Reflexionskanal 124 gelenkt. Die Detektionsstrahlung 122 ist mit mehreren dünnen Pfeilen gekennzeichnet. Ein im Reflexionskanal 124 angeordneter optischer Sensor 126, etwa eine optional hoch auflösende Kamera oder eine oder mehrere Fotodioden, ist ausgebildet, um die Detektionsstrahlung 122 zu erfassen und ein entsprechendes Sensorsignal 128 bereitzustellen. Das Sensorsignal 128 repräsentiert beispielsweise eine spektral aufgelöste oder (teil-)integrierte Intensität der Detektionsstrahlung 122. Reflection channel 124 steered. The detection radiation 122 is marked with several thin arrows. An optical sensor 126 arranged in the reflection channel 124, for example an optionally high-resolution camera or one or more photodiodes, is designed to detect the detection radiation 122 and to provide a corresponding sensor signal 128. The sensor signal 128 represents, for example, a spectrally resolved or (partially) integrated intensity of the detection radiation 122.
Zwischen dem optischen Sensor 126 und dem Strahlteiler 1 10 ist optional ein Between the optical sensor 126 and the beam splitter 1 10 is an optional
Bandpassfilter 130 angeordnet. Bandpass filter 130 is arranged.
Die Vorrichtung 100 umfasst eine Auswerteeinrichtung 132, die ausgebildet ist, um unter Verwendung des Sensorsignals 128 zumindest ein Steuersignal 134, 136, 138, 140 auszugeben, das geeignet ist, um eine weitere Bearbeitung des Verbundmaterials 102 zu beeinflussen. Gemäß einem Ausführungsbeispiel umfasst die Vorrichtung 100 eine Ermittlungseinrichtung, eine Vergleichseinrichtung und eine Ausgabeeinrichtung. Die Ermittlungseinrichtung ist ausgebildet, um einer Änderung, insbesondere eine The device 100 comprises an evaluation device 132, which is designed to use the sensor signal 128 at least one control signal 134, 136, 138, 140th output that is suitable for influencing further processing of the composite material 102. According to one embodiment, the device 100 comprises a detection device, a comparison device and an output device. The determination device is designed to be a change, in particular a
Frequenzänderung und/oder eine Intensitätsänderung, der Detektionsstrahlung 122 unter Verwendung des Sensorsignals 128 zu ermitteln. Beispielsweise ist die Frequency change and / or a change in intensity, the detection radiation 122 using the sensor signal 128 to determine. For example, the
Ermittlungseinrichtung ausgebildet, um als die Änderung eine Änderung der Farbe der Detektionsstrahlung 122 zu ermitteln. Die Vergleichseinrichtung ist ausgebildet, um die Änderung mit einer vorgegebenen Änderung zu vergleichen. Die vorgegebene Änderung entspricht beispielsweise einem Erwartungswert, der eine Änderung der Detection device is designed to determine a change in the color of the detection radiation 122 as the change. The comparison device is designed to compare the change with a predetermined change. The predetermined change corresponds, for example, to an expected value, which is a change in the
Detektionsstrahlung 122 kennzeichnet, die erwartet wird, sobald der aktuell von dem Laserstrahl 108 getroffene Bearbeitungsbereich die Grenzfläche zwischen der ersten Schicht 1 18 und der zweiten Schicht 120 erreicht. Die Ausgabeeinrichtung ist ausgebildet, um das zumindest eine Steuersignal 134, 136, 138, 140 auszugeben. Detection radiation 122 indicates, which is expected as soon as the currently hit by the laser beam 108 processing area reaches the interface between the first layer 1 18 and the second layer 120. The output device is designed to output the at least one control signal 134, 136, 138, 140.
Beispielsweise ist die Ausgabeeinrichtung ausgebildet um das zumindest eine For example, the output device is formed around the at least one
Steuersignal 134, 136, 138, 140 auszugeben, um eine weitere Bearbeitung des Control signal 134, 136, 138, 140 output to further processing the
Verbundmaterials 102 zu beenden, insbesondere eine weitere Abtragung von Material in dem gerade bearbeiteten Bearbeitungsbereich zu verhindern, wenn die zuletzt ermittelte Änderung der Detektionsstrahlung 122 die vorgegebene Änderung erreicht oder überschreitet. To terminate composite material 102, in particular to prevent further removal of material in the processing area just processed when the last detected change in the detection radiation 122 reaches or exceeds the predetermined change.
Die Auswerteeinrichtung 132, etwa in Form eines Controllers, ist gemäß einem The evaluation device 132, for example in the form of a controller, is in accordance with a
Ausführungsbeispiel ausgebildet ist, um unter Verwendung des Sensorsignals 128 eine spektrale Analyse der Detektionsstrahlung 122 durchzuführen. Hierbei ermittelt die Auswerteeinrichtung 132 eine Änderung und vergleicht diese mit einer vorgegebenen Änderung, beispielsweise mit zumindest einer bekannten Änderung, die ein Vorliegen der Grenzfläche zwischen der ersten Schicht 1 18 und der zweiten Schicht 120 anzeigt. Die bekannte Änderung ist beispielsweise experimentell oder in einem Verfahren des maschinellen Lernens bestimmt worden. Embodiment is designed to perform a spectral analysis of the detection radiation 122 using the sensor signal 128. In this case, the evaluation device 132 determines a change and compares it with a predetermined change, for example with at least one known change, which indicates the presence of the interface between the first layer 1 18 and the second layer 120. The known change has been determined, for example, experimentally or in a method of machine learning.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel wird die vorgegebene Änderung vor Beginn der Bearbeitung des Verbundmaterials 102 mittels der Vorrichtung 100, beispielsweise in Form eines oder mehrerer Schwellenwerte eingestellt, beispielsweise in einen Speicher der Vorrichtung 100 geschrieben. Zusätzlich oder alternativ wird die vorgegebene Änderung während der Bearbeitung des Verbundmaterials 102 erlernt oder angepasst. Dazu kann beispielsweise unter Verwendung eines Lernverfahrens ein die vorgegebene Änderung repräsentierender Schwellenwert bestimmt werden, der sich ausreichend von Änderungen der Detektionsstrahlung 122 unterscheidet, die während der Bearbeitung der ersten Schicht 1 18 auftreten. Als Ergebnis des Vergleichs gibt die Auswerteeinrichtung 132 beispielhaft ein erstes According to an exemplary embodiment, the predetermined change is set prior to starting the processing of the composite material 102 by means of the device 100, for example in the form of one or more threshold values, for example written to a memory of the device 100. Additionally or alternatively, the predetermined change is learned or adjusted during processing of the composite material 102. For this purpose, for example, using a learning method, a threshold value representing the predetermined change that differs sufficiently from changes in the detection radiation 122 that occur during the processing of the first layer 18 can be determined. As a result of the comparison, the evaluation device 132 gives a first example
Steuersignal 134 zur Ansteuerung einer Verfahreinrichtung 136 zum Verfahren des Control signal 134 for controlling a traversing device 136 for the method of
Werkstücks gegenüber einem Fokus des Laserstrahls 108, ein zweites Steuersignal 138 zur Ansteuerung des Scanners 1 12 und ein drittes Steuersignal 140 zur Ansteuerung der Laserquelle 106 aus. Die Ansteuerung mittels der Steuersignale 134, 138, 140 erfolgt dabei abhängig von einem Grad einer Übereinstimmung zwischen der ermittelten und der bekannten Änderung. Insbesondere ist die Auswerteeinrichtung 132 ausgebildet, um die Bearbeitung des Werkstücks abhängig von der Änderung der Detektionsstrahlung 122 so zu steuern, dass die zweite Schicht 120 durch den Laserstrahl 108 nicht Workpiece with respect to a focus of the laser beam 108, a second control signal 138 for driving the scanner 1 12 and a third control signal 140 for driving the laser source 106 from. The control by means of the control signals 134, 138, 140 is carried out depending on a degree of agreement between the determined and the known change. In particular, the evaluation device 132 is designed to control the processing of the workpiece as a function of the change in the detection radiation 122 so that the second layer 120 is not illuminated by the laser beam 108
beschädigt wird, etwa indem die Bearbeitung bei Erkennen der Grenzfläche gestoppt wird oder in einer von der Grenzfläche wegführenden Richtung fortgesetzt wird. is damaged, for example, by the processing is stopped upon detection of the interface or continued in a direction away from the interface direction.
Gemäß einem besonderen Ausführungsbeispiel umfasst die Vorrichtung 100 eine According to a particular embodiment, the device 100 comprises a
Beleuchtungseinrichtung 142, die ausgebildet ist, um den Bearbeitungsbereich, auch als Bearbeitungszone bezeichnet, in dem das Verbundmaterial 102 mittels des Laserstrahls 108 bearbeitet wird, mit einer Beleuchtungsstrahlung 144, beispielsweise mit Licht in einem zur Identifizierung der Grenzfläche definiertem Spektrum zu beleuchten. Die Lighting device 142, which is designed to illuminate the processing region, also referred to as a processing zone, in which the composite material 102 is processed by means of the laser beam 108, with an illumination radiation 144, for example, with light in a spectrum defined for the identification of the interface. The
Ansteuerung der Beleuchtungseinrichtung 142 erfolgt beispielsweise mittels der Control of the illumination device 142 takes place for example by means of
Auswerteeinrichtung 132 in Abhängigkeit von den vorgegebenen Änderungsprofilen. Evaluation device 132 in response to the predetermined change profiles.
Durch eine derartige farbselektive oder wellenlängenselektive, aktive Beleuchtung der Bearbeitungszone kann eine Signalerhöhung zur eindeutigen und damit besonders sicheren Identifizierung der Schichten 1 18, 120 oder der Grenzfläche erzielt werden. In diesem Fall ist der optische Sensor 126 oder ein weiterer Sensor ausgebildet, um als  By such a color-selective or wavelength-selective, active illumination of the processing zone, an increase in signal for the unique and thus particularly reliable identification of the layers 1 18, 120 or the interface can be achieved. In this case, the optical sensor 126 or another sensor is designed to be as
Detektionsstrahlung 122 einen reflektierten Anteil der Beleuchtungsstrahlung 144 zu erfassen. Detection radiation 122 to detect a reflected portion of the illumination radiation 144.
Hierzu kann eine laserinduzierte Plasmaspektroskopie oder Raman-Spektroskopie angewendet werden, die simultan mit den in der Auswerteeinheit 132 gespeicherten Daten verglichen, identifiziert und der Prozess gesteuert wird. For this purpose, a laser-induced plasma spectroscopy or Raman spectroscopy can be used, which are compared simultaneously with the data stored in the evaluation unit 132, identified and the process is controlled.
Mithilfe spezieller Echtzeit-Raman-Spektrometer können die Messungen für eine schnelle Datenerfassung für Echtzeit-Anwendungen eingesetzt werden. Geeignet ist auch die  Using special real-time Raman spectrometers, the measurements can be used for fast data acquisition for real-time applications. Also suitable is the
Pump-Probe-Technik als Messmethode der Spektroskopie, bei der mit kurzen Laserpulsen zur Messung ultraschneller Relaxationsprozesse Veränderungen zwischen den Pump-probe technique as a measuring method of spectroscopy, in which short laser pulses for the measurement of ultrafast relaxation processes induce changes between the
Lichtpulsen ermittelt werden. Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist der optische Sensor 126 oder ein weiterer Sensor ausgebildet, um zusätzlich oder alternativ langwelliges Infrarotlicht im mittleren oder fernen Infrarotbereich zu erfassen und somit eine noch genauere Identifizierung der Schichten 1 18, 120 mittels Thermografie zu ermöglichen. Light pulses are determined. According to an exemplary embodiment, the optical sensor 126 or another sensor is designed to additionally or alternatively detect long-wave infrared light in the middle or far infrared range and thus to allow an even more accurate identification of the layers 1 18, 120 by means of thermography.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel wird die Änderung über eine breitbandige Optik und eine spektrale Analyse beobachtet. Sobald eine bestimmte Änderung bekannt ist, wird die Bearbeitung gestoppt. Die Vorrichtung 100 hat somit die Funktion, eine Information darüber bereitzustellen, wann die Bearbeitung der Schicht 1 18 abgeschlossen ist. Der Fokus des Laserstrahls 108 wird durch die Vorrichtung 100 in diesem Sinne automatisch bestimmt. According to one embodiment, the change is observed via broadband optics and spectral analysis. As soon as a specific change is known, processing is stopped. The device 100 thus has the function to provide information about when the processing of the layer 1 18 is completed. The focus of the laser beam 108 is automatically determined by the device 100 in this sense.
Die spektralen Änderungen der Detektionsstrahlung 122 werden gemäß einem The spectral changes of the detection radiation 122 are determined according to a
Ausführungsbeispiel in einem Verfahren des maschinellen Lernens klassifiziert. Embodiment classified in a method of machine learning.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel sind der Scanner 1 12, das Objektiv 1 14, die According to one embodiment, the scanner 1 12, the lens 1 14, the
Auswerteeinrichtung 132 und der Reflexionskanal 124, der auch als Kamerakanal bezeichnet werden kann, in einem kompakten Gerät integriert. Das Gerät weist gemäß einem Ausführungsbeispiel ein Gehäuse auf, in das der Scanner 1 12, das Objektiv 1 14, die Auswerteeinrichtung 132 und der Reflexionskanal 124 integriert angeordnet sind. Die Beobachtung über den Reflexionskanal 124 erfolgt beispielsweise koaxial. Der Evaluation device 132 and the reflection channel 124, which may also be referred to as a camera channel, integrated in a compact device. According to one exemplary embodiment, the device has a housing into which the scanner 1 12, the lens 1 14, the evaluation device 132 and the reflection channel 124 are integrated. The observation via the reflection channel 124 takes place, for example, coaxially. Of the
Reflexionskanal 124 ist beispielsweise durch ein Spektrometer oder ein bildgebendes Spektrometer ersetz- oder ergänzbar. Reflection channel 124 can be replaced or supplemented, for example, by a spectrometer or an imaging spectrometer.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel erfolgt die Beobachtung der Bearbeitungszone zeitgleich mit der Bearbeitung. Hierzu eignen sich sehr schnelle Bildsensoren oder Fotodioden als optischer Sensor 126, da das Scannen des Lasers im kHz-Bereich, d. h. mit Verweilzeiten im ps-Bereich, erfolgt. Überschreitet das Sensorsignal 128 beispielsweise einen bestimmten Schwellenwert, so schaltet die Auswerteeinrichtung 132 den Laser sofort, d. h. in weniger als 1 ps, ab. Die Repetitionsraten der Kurzpulslaser liegen ebenfalls im dreistelligen kHz-Bereich. Ein solcher Verfahrensablauf kann auch als Closed Loop bezeichnet werden. According to one embodiment, the observation of the processing zone takes place simultaneously with the processing. For this purpose, very fast image sensors or photodiodes are suitable as an optical sensor 126, since the scanning of the laser in the kHz range, ie. H. with residence times in the ps range, takes place. If, for example, the sensor signal 128 exceeds a specific threshold value, then the evaluation device 132 switches the laser immediately, that is to say the threshold value. H. in less than 1 ps, off. The repetition rates of the short-pulse lasers are also in the three-digit kHz range. Such a procedure can also be referred to as a closed loop.
Alternativ erfolgt die Beobachtung nach der Bearbeitung. Dabei wird je nach Ergebnis der Beobachtung eine weitere Bearbeitung ausgelöst. Ein solcher Verfahrensablauf kann auch als Open Loop bezeichnet werden. Alternatively, the observation takes place after processing. Depending on the result of the observation, further processing is triggered. Such a procedure can also be referred to as open loop.
Die Auswertung der Änderung erfolgt im Allgemeinen durch Kombination, d. h. durch mathematische Verknüpfung, mindestens einer Sensorantwort des optischen Sensors 126, wie beispielsweise einer spektral aufgelösten Intensität über (x, y, z, t, l) oder einer (teil-)integrierten Intensität wie etwa l(t), l(z) oder I(l). The evaluation of the change is generally by combination, ie by mathematical linkage, at least one sensor response of the optical sensor 126, such as a spectrally resolved intensity over (x, y, z, t, l) or a (partially) integrated intensity such as l (t), l (z) or I (l).
Schwellenwerte So zur Auswertung der Änderung sind beispielsweise durch einen Bediener der Vorrichtung 100 definierbar. Trifft beispielsweise zu, dass das Funktional f[l(t)] größer als der Schwellenwert s0 ist, wird der Laser automatisch abgeschaltet. Thresholds For example, to evaluate the change are definable by an operator of the device 100. For example, if the functional f [l (t)] is greater than the threshold s 0 , the laser is automatically shut off.
Optional ist der Schwellenwert s0 kontextabhängig: s0 = s0[Objekteigenschaft, x, y, z, t]. Als Ergänzung zum Setzen harter Schwellenwerte wird der Schwellenwert So optional über einen geeigneten Algorithmus trainiert. Optionally, the threshold s 0 is context-dependent: s 0 = s 0 [object property, x, y, z, t]. In addition to setting hard thresholds, the So threshold is optionally trained via a suitable algorithm.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist eine externe oder interne According to one embodiment, an external or internal
Verbundmaterialdatenbank 150 vorgesehen. Aus der Verbundmaterialdatenbank 150 können in der Verbundmaterialdatenbank 150 gespeicherte Schwellwerte bzw. Composite database 150 is provided. From the composite database 150, threshold values stored in the composite database 150 may be stored.
Bearbeitungsrezepte abgerufen werden. Bedarfe, beispielsweise aus unbeantworteten Abfragen, werden gemäß einem Ausführungsbeispiel in der Verbundmaterialdatenbank 150 gespeichert. Externe Dienstleister können Rezepte bzw. Schwellwerte in der Verbundmaterialdatenbank 150 generieren. Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist die Auswerteeinrichtung 132 über eine Schnittstelle mit der Verbundmaterialdatenbank 150 gekoppelt. Unter einem Schwellwert kann beispielsweise ein Intensitätswert der Detektionsstrahlung 122 verstanden werden. Wird ein solcher Schwellwert erreicht kann beispielsweise die Bearbeitung des Verbundmaterials 102 beendet werden. Machining recipes are retrieved. Demands, for example from unanswered queries, are stored in composite material database 150 according to one embodiment. External service providers can generate recipes or thresholds in the composite database 150. According to one exemplary embodiment, the evaluation device 132 is coupled to the composite material database 150 via an interface. By way of example, a threshold value can be understood as meaning an intensity value of the detection radiation 122. If such a threshold value is reached, for example, the processing of the composite material 102 can be terminated.
Figur 2 zeigt eine schematische Darstellung eines beispielhaften Strahlengangs durch eine Vorrichtung 100 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Gezeigt ist ein Strahlenbündel aus mehreren Laserstrahlen 108 unterschiedlicher Wellenlängenbereiche, die über das Objektiv 1 14 auf der zu bearbeitenden Schicht 1 18 fokussiert werden. Wie zu erkennen, ist das Objektiv 1 14 als Linsensystem realisiert. Das Linsensystem ist nach einem Scan- Kopf des Scanners in den Strahlengang der Vorrichtung 100 eingebracht und hat die Funktion, die Laserstrahlen 108 auf einen Brennpunkt zu fokussieren und den FIG. 2 shows a schematic representation of an exemplary beam path through a device 100 according to one exemplary embodiment. Shown is a beam of several laser beams 108 different wavelength ranges, which are focused on the lens 1 14 on the processed layer 1 18. As can be seen, the lens 1 14 is realized as a lens system. The lens system is inserted after a scan head of the scanner in the beam path of the device 100 and has the function to focus the laser beams 108 to a focal point and the
Brennpunkt beim Scannen in einer zu einer optischen Achse des Objektivs 1 14 senkrechten Arbeitsebene zu halten. Beispielsweise folgt die Position des Brennpunkts in der Arbeitsebene näherungsweise der F-Theta-Bedingung, wobei eine Scan-Länge oder Bildhöhe etwa proportional zu einem eingestellten Scan-Winkel ist. Abweichungen von dieser Proportionalität sind durch eine entsprechende Ansteuerung von Spiegeln des Scanners kompensierbar. Focus during scanning to keep in a plane perpendicular to an optical axis of the lens 1 14 working plane. For example, the position of the focal point in the working plane approximately follows the F-theta condition, where a scan length or height is approximately proportional to a set scan angle. Deviations from this proportionality can be compensated by a corresponding control of mirrors of the scanner.
Figur 3 zeigt eine schematische Darstellung eines Verbundmaterials 102 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Das Verbundmaterial 102 entspricht im Wesentlichen dem vorangehend anhand von Figur 1 beschriebenen Verbundmaterial, mit dem Unterschied, dass gemäß diesem Ausführungsbeispiel zwischen die beiden Schichten 1 18, 120 eine dünne, gegebenenfalls preiswerte Indikatorschicht 300 eingebracht ist. Die FIG. 3 shows a schematic representation of a composite material 102 according to one exemplary embodiment. The composite material 102 essentially corresponds to the Previously described with reference to Figure 1 composite material, with the difference that according to this embodiment, between the two layers 1 18, 120, a thin, possibly inexpensive indicator layer 300 is introduced. The
Indikatorschicht 300 ist beispielsweise aus einem mit speziell fluoreszierenden Stoffen angereicherten oder stark reflektierenden Material, durch das bei Kontakt mit dem durch die Vorrichtung erzeugten Laserstrahl eine charakteristische Detektionsstrahlung erzeugt wird, die das Erreichen der Grenzfläche zwischen den beiden Schichten 1 18, 120 anzeigt. Durch die Indikatorschicht 300 ist es also möglich, ein besonders starkes Signal zu Identifizierung der Grenzfläche zu erzeugen. Indicator layer 300 is made, for example, of a material which is enriched or highly reflective with specially fluorescents and by means of which, upon contact with the laser beam generated by the device, a characteristic detection radiation is produced which indicates the reaching of the interface between the two layers 1, 18, 120. The indicator layer 300 thus makes it possible to generate a particularly strong signal for identifying the interface.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel umfasst das Verbundmaterial 102 eine Mehrzahl solcher Indikatorschichten 300, die je zwischen einer zu bearbeitenden Schicht und einer nicht zu bearbeitenden Schicht des Verbundmaterials 102 angeordnet sind. According to one embodiment, the composite material 102 includes a plurality of such indicator layers 300 each disposed between a layer to be processed and a layer of composite material 102 that is not to be processed.
Figur 4 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens 400 gemäß einem FIG. 4 shows a flowchart of a method 400 according to FIG
Ausführungsbeispiel. Das Verfahren 400 zur Bearbeitung eines Verbundmaterials mittels Laser ist beispielsweise unter Verwendung der vorangehend anhand der Figuren 1 und 2 beschriebenen Vorrichtung ausführbar. Dabei wird in einem ersten Schritt 410 die Änderung der Detektionsstrahlung unter Verwendung des Sensorsignals ermittelt. In einem weiteren Schritt 420 wird die ermittelte Änderung mit zumindest einer vorgegebenen Änderung verglichen, die eine bei Erreichen der Grenzfläche zwischen der zu bearbeitenden Schicht und der nicht zu bearbeitenden Schicht auftretende charakteristische spektrale Änderung der Detektionsstrahlung repräsentiert. Abhängig vom Ergebnis dieses Vergleichs wird in einem weiteren Schritt 430 zumindest ein Steuersignal ausgegeben, durch das die Laserbearbeitung derart steuerbar ist, dass die nicht zu bearbeitende Schicht nicht verletzt wird. Embodiment. The method 400 for processing a composite material by means of a laser can be carried out, for example, using the apparatus described above with reference to FIGS. 1 and 2. In this case, in a first step 410, the change in the detection radiation is determined using the sensor signal. In a further step 420, the determined change is compared with at least one predetermined change, which represents a characteristic spectral change of the detection radiation which occurs when the interface between the layer to be processed and the layer not to be processed is reached. Depending on the result of this comparison, in a further step 430 at least one control signal is output, by means of which the laser processing can be controlled in such a way that the layer not to be processed is not damaged.
Die Schritte 410, 420, 430 werden beispielsweise fortlaufend ausgeführt, um eine kontinuierliche Überwachung des Bearbeitungsvorganges zu gewährleisten. For example, steps 410, 420, 430 are performed continuously to ensure continuous monitoring of the machining process.
Figur 5 zeigt eine schematische Darstellung einer Vorrichtung 100 gemäß einem FIG. 5 shows a schematic representation of a device 100 according to a
Ausführungsbeispiel. Die Vorrichtung 100 zur Bearbeitung eines Verbundmaterials mittels Laser entspricht der anhand von Figur 1 beschriebenen Vorrichtung, mit dem Unterschied, dass die Anordnung von Laserquelle 106 und optischen Sensor 126 in Bezug auf den Strahlteiler 1 10 vertauscht ist. Dieses Ausführungsbeispiel eignet sich daher insbesondere zur Realisierung einer HighPower-Variante der Vorrichtung 100, beispielsweise für eine Vorrichtung 100 mit einer Laserquelle 106 mit einer Laserleistung von mehr als 100W. Gemäß diesem Ausführungsbeispiel führt der Transmissionskanal 104 von dem Embodiment. The device 100 for processing a composite material by means of a laser corresponds to the device described with reference to FIG. 1, with the difference that the arrangement of the laser source 106 and the optical sensor 126 with respect to the beam splitter 110 is interchanged. This exemplary embodiment is therefore particularly suitable for realizing a high power variant of the device 100, for example for a device 100 having a laser source 106 with a laser power of more than 100W. According to this embodiment, the transmission channel 104 leads from the
Strahlteiler 1 10 über den optionalen Filter 130 zu dem optischen Sensor 126. Der Reflexionskanal 124 führt von dem Strahlteiler 1 10 zu der Laserquelle 106. Beam splitter 1 10 via the optional filter 130 to the optical sensor 126. The reflection channel 124 leads from the beam splitter 1 10 to the laser source 106th
Gemäß einem Ausführungsbeispiel umfasst dass unter Verwendung des von der Laserquelle 106 ausgestrahlten Laserstrahls 108 zu bearbeitende Werkstück Schichten mit hoher Reflexivität auf. Solche Schichten in Reflexion sind beispielsweise gerade bei Wellenlängen von 1030nm - 1080nm mit sehr hoher Reflektivität realisiert. Daraus resultierende Verluste im Kamerakanal, hier in dem Transmissionskanal 104, also in Transmission, sind nicht kritisch. Im Laserkanal würden solche Verluste dagegen zu hohen Wärmeverlusten und damit Instabilitäten im System führen. According to an embodiment, the workpiece to be processed using the laser beam 108 emitted from the laser source 106 comprises layers with high reflectivity. Such layers in reflection are realized, for example, precisely at wavelengths of 1030 nm-1080 nm with very high reflectivity. The resulting losses in the camera channel, here in the transmission channel 104, ie in transmission, are not critical. In the laser channel, however, such losses would lead to high heat losses and thus instabilities in the system.
Figur 6 zeigt eine schematische Darstellung eines beispielhaften Strahlengangs durch eine Vorrichtung 100 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Dabei kann es sich um die anhand von Figur 5 beschriebene Vorrichtung handeln. Insbesondere ist dabei der Bildkanal zu dem optischen Sensor 126 gezeigt, der gemäß diesem Ausführungsbeispiel den Transmissionskanal 104 durch den Strahlteiler 1 10 umfasst. FIG. 6 shows a schematic representation of an exemplary beam path through a device 100 according to one exemplary embodiment. This may be the device described with reference to FIG. In particular, the image channel to the optical sensor 126 is shown, which according to this exemplary embodiment comprises the transmission channel 104 through the beam splitter 110.
Ein Objektiv 650 ist in dem Transmissionskanal 104 angeordnet und bildet ein Objekt 652 in ein Zwischenbild 654 ab. Ein weiteres Objektiv 656, hier beispielhaft eine einfache Ausführung durch zwei Plankonxlinsen 658, 660, bildet das Zwischenbild 654 auf den Sensor 126 ab. An objective 650 is arranged in the transmission channel 104 and images an object 652 into an intermediate image 654. Another objective 656, here by way of example a simple embodiment by means of two plano-lens lenses 658, 660, images the intermediate image 654 onto the sensor 126.
Diese Ausführung hat den Vorteil, dass sie vignettierunsgfrei erfolgen kann, was z.B. für radiometrische Messgrößen wichtig ist. This embodiment has the advantage that it can be done vignettierunsgfrei, which is e.g. important for radiometric measures.
Würde beispielsweise ein sogenannter Leistungssensor als Sensor 126 eingesetzt, so würde ohne die Zwischenabbildung 654 eine Abschattung über das Feld entstehen, was z.B. bei Leistungsmessungen Fehler erzeugt bzw. eine aufwendige Kalibrierung erfordert. For example, if a so-called power sensor were used as the sensor 126, shadowing across the field would occur without the intermediate image 654, e.g. In the case of power measurements, errors are generated or complicated calibration is required.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel wird das Objektiv 656 durch zwei Plankonvex-Linsen 658, 660 realisiert. Gemäß einem alternativen Ausführungsbeispiel ist die In one embodiment, the objective 656 is realized by two plano-convex lenses 658, 660. According to an alternative embodiment, the
Implementierung des Objektivs 656 komplizierter, beispielsweise unter Verwendung von 3 bis 4 Linsen, wodurch das Objektiv 656 kürzer wird. Je nach Ausführung ist die Implementierung auch farbkorrigiert. Dies ist beispielsweise vorteilhaft, falls die Implementation of the lens 656 complicated, for example, using 3 to 4 lenses, whereby the lens 656 becomes shorter. Depending on the version, the implementation is also color-corrected. This is advantageous, for example, if the
Beleuchtung mehrere Wellenlängen benutzt. Der Strahlteiler 1 10 ermöglicht weitere Ein- und Auskopplungen. Beispielhaft ist eine mögliche Einkopplung eines Laserstrahls über den Reflexionskanal 124 gezeigt. Lighting used several wavelengths. The beam splitter 1 10 allows further coupling and uncoupling. By way of example, a possible coupling of a laser beam over the reflection channel 124 is shown.
Figur 7 zeigt eine schematische Darstellung eines beispielhaften Strahlengangs durch eine Vorrichtung 100 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Dabei kann es sich um die anhand von Figur 5 beschriebene Vorrichtung handeln. Insbesondere ist dabei der Laserstrahl 108 gezeigt, der entlang des Reflexionskanals 124 zu dem Strahlteiler 1 10 und von dem Strahlteiler 1 10, beispielsweise über das Objektiv 1 14 zu dem Werkstück verläuft. FIG. 7 shows a schematic representation of an exemplary beam path through a device 100 according to one exemplary embodiment. This may be the device described with reference to FIG. In particular, the laser beam 108 is shown running along the reflection channel 124 to the beam splitter 1 10 and from the beam splitter 1 10, for example via the lens 1 14 to the workpiece.
Figur 8 zeigt eine beispielhafte schematische Darstellung eines Zielmaterials 802 sowie eine Probe 803 des Zielmaterials oder ein Bereich, der„geopfert" werden kann. Das Zielmaterial 802 ist beispielsweise ein Material einer Schicht des zu bearbeitenden Verbundmaterials. 8 shows an exemplary schematic representation of a target material 802 and a sample 803 of the target material or a region that may be "sacrificed." The target material 802 is, for example, a material of a layer of the composite material to be processed.
Figur 9 zeigt eine schematische Darstellung eines beispielhaften Verbundmaterials 102 mit drei übereinander angeordneten Schichten. Laserstrahlen 108 sind in FIG. 9 shows a schematic representation of an exemplary composite material 102 with three layers arranged one above the other. Laser beams 108 are in
unterschiedliche Tiefen des Verbundmaterials 102 vorgedrungen. different depths of the composite material 102 penetrated.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel werden zur Analyse des Verbundmaterials 102, beispielsweise systematisch, Parameter durchgefahren und vermessen. Diese According to one exemplary embodiment, parameters are run through and measured for the analysis of the composite material 102, for example systematically. These
Parametertests, sogenannte Rezepte, werden beispielsweise von einem Server abgerufen, angewendet und durch einen Algorithmus bewertet. Daraus resultierende Schwellwerte und/oder Bearbeitungsrezepte werden beispielsweise in der in Figur 1 gezeigten Parameter tests, so-called recipes, for example, are retrieved from a server, applied and evaluated by an algorithm. Threshold values resulting therefrom and / or processing recipes are, for example, shown in FIG
Verbundmaterialdatenbank gespeichert und können später bei der Bearbeitung eines das Verbundmaterial 102 aufweisenden Werkstücks abgerufen werden. Composite database stored and can be retrieved later in the processing of a composite material 102 having workpiece.
Bei einem Parametertest wird gemäß einem Ausführungsbeispiel zunächst S(z(t),lambda) aufgenommen. Anschließend ermittelt ein Algorithmus einen optimalen Stopp. Ein Verifikationszyklus - mit und ohne Freigabe - testet die Reproduzierbarkeit. Anschließend wird das Verfahren angewandt und das Rezept hinterlegt, beispielsweise in der In a parameter test, according to one exemplary embodiment, S (z (t), lambda) is first recorded. An algorithm then determines an optimal stop. A verification cycle - with and without release - tests the reproducibility. Then the procedure is applied and the recipe deposited, for example in the
Verbundmaterialdatenbank. Composite materials database.
Optional wird ein zusätzlicher Sensor unter der Materialprobe eingesetzt, der in der späteren Anwendung nicht möglich ist, der jedoch während des Parametertests eingesetzt werden kann und eine Rückmeldung, ein sogenanntes Feedback, geben kann, das zu Erstellung des Rezepts verwendet werden kann. Beispielsweise kann der zusätzliche Sensor einen Hinweis auf die noch bestehende Materialstärke liefern. Umfasst ein Ausführungsbeispiel eine„und/oder" Verknüpfung zwischen einem ersten Merkmal und einem zweit Merkmal, so kann dies so gelesen werden, dass das Ausführungsbeispiel gemäß einer Ausführungsform sowohl das erste Merkmal als auch das zweiten Merkmal und gemäß einer weiteren Ausführungsform entweder nur das erste Merkmal oder nur das zweite Merkmal aufweist. Optionally, an additional sensor is placed under the material sample, which is not possible in later use, but which can be used during the parameter test and can provide feedback, a so-called feedback, that can be used to create the recipe. For example, the additional sensor can provide an indication of the remaining material thickness. If an exemplary embodiment comprises a "and / or" link between a first feature and a second feature, this can be read so that the embodiment according to one embodiment, both the first feature and the second feature and according to another embodiment, either only the first Feature or only the second feature.

Claims

Patentansprüche claims
1 . Verfahren (400) zur Bearbeitung eines eine erste Schicht (1 18) und eine zweite 1 . Method (400) for processing a first layer (1 18) and a second layer
Schicht (120) aufweisenden Verbundmaterials (102) mittels eines Laserstrahls (108), wobei bei einem Auftreffen des Laserstrahls (108) auf einen Bearbeitungsbereich des Verbundmaterials (102) Material des Verbundmaterials (102) entfernt wird, und wobei das Verfahren (400) folgende Schritte umfasst:  Layer (120) comprising composite material (102) by means of a laser beam (108), wherein upon impact of the laser beam (108) on a processing region of the composite material (102) material of the composite material (102) is removed, and wherein the method (400) following Steps includes:
Ermitteln (410) einer Änderung, insbesondere einer Frequenzänderung und/oder einer Intensitätsänderung, unter Verwendung eines Sensorsignals (128), das eine aus dem Bearbeitungsbereich ausgesandte Detektionsstrahlung (122) repräsentiert; Determining (410) a change, in particular a frequency change and / or a change in intensity, using a sensor signal (128) representing a detection radiation (122) emitted from the processing area;
Beleuchten des Bearbeitungsbereichs mit einer sich von dem Laserstrahl (108) unterscheidenden Beleuchtungsstrahlung (144), um zumindest einen Anteil der Detektionsstrahlung (122) als aus dem Bearbeitungsbereich heraus reflektiertem Anteil der Beleuchtungsstrahlung zur Identifizierung des definierten Spektrums der Schicht oder der Grenzfläche zu erzeugen; Illuminating the processing area with illumination radiation (144) different from the laser beam (108) to produce at least a portion of the detection radiation (122) as a portion of the illumination radiation reflected from the processing area to identify the defined spectrum of the layer or interface;
Vergleichen (420) der Änderung mit einer vorgegebenen Änderung, die bei einem Übergang des Bearbeitungsbereichs aus der ersten Schicht (1 18) in eine weitere Schicht (120; 300) erwartet wird; und Comparing (420) the change with a predetermined change expected in a transition of the processing area from the first layer (1 18) to another layer (120; 300); and
Ausgeben (430) zumindest eines Steuersignals (134, 138, 140) zum Steuern der Bearbeitung abhängig von einem Ergebnis des Vergleichens der Änderung mit der vorgegebenen Änderung. Outputting (430) at least one control signal (134, 138, 140) for controlling the processing depending on a result of comparing the change with the predetermined change.
2. Verfahren (400) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, mit einem Schritt des Aussendens des Laserstrahls (108) in den Bearbeitungsbereich und einem Schritt des Erfassens des Sensorsignals (128), wobei der Schritt des Erfassens zeitgleich oder zeitlich versetzt zu dem Schritt des Aussendens ausgeführt wird. The method (400) according to one of the preceding claims, comprising a step of emitting the laser beam (108) into the processing area and a step of detecting the sensor signal (128), wherein the step of detecting coincides with or coincides with the step of transmitting is performed.
3. Verfahren (400) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, bei dem das 3. The method (400) according to one of the preceding claims, wherein the
Sensorsignal (128) eine spektral aufgelöste und/oder integrierte Intensität der Detektionsstrahlung (122) repräsentiert.  Sensor signal (128) represents a spectrally resolved and / or integrated intensity of the detection radiation (122).
4. Verfahren (400) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, mit einem Schritt des Bestimmens der vorgegebenen Änderung unter Verwendung des Sensorsignals (128). A method (400) according to any one of the preceding claims, comprising a step of determining the predetermined change using the sensor signal (128).
5. Verfahren (400) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, mit einem Schritt des Auslesens eines die vorgegebene Änderung repräsentierenden Werts aus einer Verbundmaterialdatenbank (150). The method (400) of any one of the preceding claims, comprising a step of reading out a value representing a predetermined change from a composite database (150).
6. Verfahren (400) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, bei dem im Schritt des Ausgebens (430) das Steuersignal (134, 138, 140) ausgegeben wird, um die Bearbeitung zu stoppen, wenn das Ergebnis des Vergleichens (420) anzeigt, dass ein Wert der Änderung einen Wert der vorgegebenen Änderung erreicht oder überschreitet. The method (400) according to one of the preceding claims, wherein in the step of outputting (430), the control signal (134, 138, 140) is output to stop the processing when the result of the comparing (420) indicates that a value of the change reaches or exceeds a value of the predetermined change.
7. Verfahren (400) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, bei dem zumindest ein Anteil des Sensorsignals (128) eine Infrarotstrahlung repräsentiert. 7. Method (400) according to one of the preceding claims, in which at least a portion of the sensor signal (128) represents an infrared radiation.
8. Verfahren (400) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, bei dem die 8. Method (400) according to one of the preceding claims, in which the
vorgegebene Änderung, eine charakteristische Änderung repräsentiert, die bei einem Übergang des Bearbeitungsbereichs von der ersten Schicht (1 18) in eine zwischen der ersten Schicht (1 18) und der zweiten Schicht (120) angeordnete Indikatorschicht (300) erwartet wird.  predetermined change, represents a characteristic change, which is expected in a transition of the processing area of the first layer (1 18) in an indicator layer (300) arranged between the first layer (1 18) and the second layer (120).
9. Verbundmaterial (102) mit folgenden Merkmalen: zumindest einer ersten Schicht (1 18), die mittels zumindest eines Laserstrahls (108) zu bearbeiten ist; zumindest einer zweiten Schicht (120), die nicht mittels des Laserstrahls (108) zu bearbeiten ist; und zumindest einer zwischen der ersten Schicht (1 18) und der zweiten Schicht (120) angeordneten Indikatorschicht (300), die ausgebildet ist, um bei Kontakt mit dem Laserstrahl (108) eine Detektionsstrahlung (122) in einem Spektrum auszusenden, das für eine Grenzfläche zwischen der ersten Schicht (1 18) und der zweiten 9. composite material (102) having the following features: at least one first layer (1 18) to be processed by means of at least one laser beam (108); at least one second layer (120) that is not to be processed by the laser beam (108); and at least one indicator layer (300) disposed between the first layer (1 18) and the second layer (120) and configured to emit a detection radiation (122) in a spectrum when in contact with the laser beam (108) Interface between the first layer (1 18) and the second
Schicht (120) charakteristisch ist.  Layer (120) is characteristic.
10. Vorrichtung (100) zur Bearbeitung eines eine erste Schicht (1 18) und eine zweite Schicht (120) aufweisenden Verbundmaterials (102) mittels eines Laserstrahls (108), wobei die Vorrichtung Einheiten (106, 1 10, 1 12, 1 14, 126, 130, 132, 136, 142) aufweist, die ausgebildet sind, um das Verfahren (400) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8 auszuführen und/oder anzusteuern. 10. Apparatus (100) for processing a composite material (102) having a first layer (1 18) and a second layer (120) by means of a laser beam (108), wherein the device comprises units (106, 110, 112, 14) , 126, 130, 132, 136, 142) configured to execute and / or drive the method (400) according to one of claims 1 to 8.
1 1 . Vorrichtung (100) gemäß Anspruch 1 1 , mit einem Gehäuse, in dem die 1 1. Device (100) according to claim 1 1, comprising a housing in which the
Einheiten (106, 1 10, 1 12, 1 14, 126, 130, 132, 136, 142) integriert angeordnet sind.  Units (106, 1 10, 1 12, 1 14, 126, 130, 132, 136, 142) are arranged integrated.
12. Vorrichtung (100) gemäß Anspruch 1 1 oder 12, mit einem Strahlteiler (1 10), einer Laserquelle (106) zum Aussenden des Laserstrahls (108) und einem optischen Sensor (126) zum Erfassen des Sensorsignals (128), wobei der optische Sensor (126) in einem Transmissionskanal (104) und die Laserquelle (106) in einem 12. Device (100) according to claim 1 1 or 12, comprising a beam splitter (1 10), a laser source (106) for emitting the laser beam (108) and an optical sensor (126) for detecting the sensor signal (128), wherein the optical sensor (126) in a transmission channel (104) and the laser source (106) in one
Reflexionskanal (124) des Strahlteilers (1 10) angeordnet ist, oder wobei der optische Sensor (126) in dem Reflexionskanal (124) und die Laserquelle (106) in dem  Reflection channel (124) of the beam splitter (1 10) is arranged, or wherein the optical sensor (126) in the reflection channel (124) and the laser source (106) in the
Transmissionskanal (104) des Strahlteilers (1 10) angeordnet ist.  Transmission channel (104) of the beam splitter (1 10) is arranged.
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