WO2023242025A1 - Bearbeitungssystem und verfahren zur laserbearbeitung eines werkstücks - Google Patents

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WO2023242025A1
WO2023242025A1 PCT/EP2023/065257 EP2023065257W WO2023242025A1 WO 2023242025 A1 WO2023242025 A1 WO 2023242025A1 EP 2023065257 W EP2023065257 W EP 2023065257W WO 2023242025 A1 WO2023242025 A1 WO 2023242025A1
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laser beam
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laser beams
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PCT/EP2023/065257
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Daniel Grossmann
Malte Kumkar
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Trumpf Laser Gmbh
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Definitions

  • the invention relates to a processing system and a method for laser processing a workpiece.
  • a device for combining a plurality of coherent laser beams comprising a dividing device for dividing an input laser beam between the plurality of coherent laser beams, a plurality of phase adjustment devices for adjusting a respective phase of one of the coherent ones Laser beams, and a beam combining device for combining the coherent laser beams, which emanate from a plurality of grid positions of a grid arrangement, into at least one combined laser beam, the beam combining device having a microlens arrangement with exactly one microlens array to form the at least one combined laser beam.
  • phase control system for controlling the relative phase of two laser beams of a laser system to be coherently combined, which is intended to provide a phase-controlled sum laser beam, is known.
  • an irradiation device being provided which is set up to have at least two to generate coherently stimulated energy beams, wherein the irradiation device comprises a modulation unit which is set up to combine the at least two energy beams into a combined energy beam and to adjust at least one combined beam property of the combined energy beam.
  • a laser system comprising a seed laser, a subsystem for dividing and combining laser beams that receives an output from the seed laser and provides a combined laser output with noise, and a noise suppression subsystem , which serves to provide a noise cancellation phase correction output based on taking into account noise at a noise sampling rate, wherein the laser beam dividing and combining subsystem changes a phase of the combined laser output at a phase variation rate that exceeds the noise sampling rate.
  • the invention is based on the object of providing a processing system mentioned above for laser processing of a workpiece, which enables versatile and flexible laser processing of the workpiece with dynamically adjustable beam parameters.
  • a processing system mentioned at the outset comprising at least one laser beam source for providing a plurality of coherent laser beams, a phase adjusting device for adjusting a respective phase difference between the coherent laser beams, an amplification device for amplifying the coherent laser beams, wherein by amplifying the respective coherent laser beams amplified coherent laser beams are formed, a processing optics for combining the amplified coherent laser beams to form at least one processing laser beam and for applying the at least one processing laser beam to the workpiece, a feed device for controlling a position and / or an orientation and / or a state of movement of the workpiece relative to the at least one processing laser beam, a detection device for determining a state of the feed device, and a control device for Control of the phase setting device, wherein the control device is set up to control the phase setting device depending on the state of the feed device determined by the detection device.
  • the processing system enables the control of the phase adjustment device and thus the control of the phase differences between the coherent laser beams and amplified coherent laser beams depending on the state of the feed device, for example depending on a position or speed of the at least one processing laser beam relative to the workpiece.
  • properties and/or beam parameters of the at least one processing laser beam can be adjusted. This allows the properties and/or beam parameters of the at least one processing laser beam to be adjusted depending on the state of the feed device.
  • different beam parameters and/or properties of the at least one processing laser beam can be set. This allows, for example, the beam parameters and/or properties of the at least one processing laser beam to be dynamically adjusted depending on its position or speed with respect to the workpiece. For example, the phase differences can be varied by means of the control device so that the processing laser beam has different beam parameters and/or properties in different spatial areas of the workpiece.
  • the following beam parameters and/or properties of the existing processing laser beam or the existing processing laser beams can be set: a number of the existing processing laser beams - An intensity and/or polarization of the processing laser beam or the respective processing laser beams
  • the processing optics are suitable for focusing the at least one processing laser beam onto and/or into the workpiece.
  • the feed device is particularly suitable for acting on the workpiece at predetermined positions by means of the processing laser beam as a function of time, and/or for applying predetermined orientations and/or movement states of the processing laser beam.
  • a trajectory can be specified along which the at least one processing laser beam is moved relative to the workpiece.
  • the feed device can, for example, be programmed to apply the processing laser beam to the workpiece as part of a specific laser processing process.
  • the amplification device can include, for example, a fiber amplifier, slab amplifier, rod amplifier or disk amplifier.
  • the amplification device has a frequency conversion stage or that the amplification device is assigned a frequency conversion stage of the processing system.
  • a respective phase difference between the coherent laser beams and/or between the amplified coherent laser beams can be adjusted by means of the phase adjustment device.
  • a change in the phase difference between the coherent laser beams carried out by means of the phase adjustment device causes a change in the phase difference between the corresponding amplified coherent laser beams.
  • the smallest time interval at which the state of the feed device can be determined by means of the detection device or is determined during operation of the processing system is in the range from 1 ns to 1
  • the phase adjustment device can be activated, in particular by means of the control device, and the resulting adjustment of the respective phase difference between the coherent laser beams can take place.
  • the amplification device is arranged after the phase adjustment device.
  • the respective phase differences between the coherent laser beams are then adjusted by means of the phase adjustment device before they are coupled into the amplification device.
  • the phase adjustment device it is also fundamentally possible for the phase adjustment device to be arranged after the amplification device.
  • the workpiece can, for example, be transparent, partially transparent or opaque for a wavelength of the at least one processing laser beam.
  • the workpiece may include or consist of a ceramic material and/or metal material and/or organic material and/or polymer material and/or glass material and/or crystal material and/or semiconductor material.
  • the state of the feed device is or includes a position of the workpiece relative to the at least one processing laser beam.
  • the state of the feed device is or includes an alignment of the workpiece relative to the at least one processing laser beam.
  • the state of the feed device is or includes an angle of attack of the at least one processing laser beam to a reference plane of the workpiece.
  • the state of the feed device is or includes a movement state of the workpiece relative to the at least one processing laser beam, for example a speed and/or Acceleration of the workpiece relative to the at least one processing laser beam.
  • the state of the feed device can in particular include the speed and/or acceleration with regard to translation and/or rotation of the workpiece.
  • control device is set up to adjust the respective phase difference between the coherent laser beams and/or the amplified coherent laser beams depending on the state of the feed device by controlling the phase adjustment device.
  • the respective phase difference can be set to a predetermined setpoint value by means of the control device depending on the state of the feed device. This makes it possible to set different properties of the at least one processing laser beam depending on the state of the feed device.
  • the state of the feed device that can be determined or determined by means of the detection device is an actual state and/or a desired state of the feed device.
  • the control of the phase setting device or the setting of the respective phase difference between the coherent laser beams can then take place depending on the determined actual state and/or target state of the feed device.
  • the target state is to be understood in particular as meaning a state of the feed device to be achieved based on current settings of the feed device, for example a position or speed to be achieved of the at least one processing laser beam relative to the workpiece.
  • the actual state is to be understood in particular as meaning a measured and/or actual state of the feed device, preferably by means of a sensor device, for example a measured position or speed of the at least one processing laser beam relative to the workpiece. It can be advantageous if the feed device has a scanner device, the scanner device in particular comprising an acousto-optical deflector and/or a scanner mirror and/or a galvanometer scanner. This allows the at least one output laser beam to be positioned and/or moved relative to the workpiece by means of the feed device.
  • the processing system includes a holder for arranging and/or fixing the workpiece.
  • the feed device is then assigned to the holder and is set up to move and/or align the workpiece arranged on the holder relative to the at least one processing laser beam.
  • the feed device is assigned to the holder and is set up to move and/or align the workpiece arranged on the holder relative to the at least one processing laser beam does not necessarily mean that (viewed in the laboratory system) the holder actually moves spatially and /or is postponed. It is also possible for other components of the processing system (viewed in the laboratory system) to be spatially moved and/or displaced in order to move the at least one processing laser beam relative to the workpiece.
  • a gantry system can be provided for this purpose.
  • the said relative movement between the holder and the workpiece arranged thereon on the one hand and the at least one processing laser beam on the other hand can be achieved by means of the feed device (viewed in the laboratory system), for example by moving the holder and/or by moving beam guiding components of the at least one processing laser beam and/or by moving the processing optics will be realized.
  • the workpiece can be moved translationally and/or rotationally relative to the processing laser beam by means of the holder.
  • the translational movement takes place, for example, along two and preferably along three spatial axes.
  • the rotational movement takes place, for example, around at least two spatial axes.
  • the detection device has a sensor device for determining an actual state of the feed device, the sensor device being assigned in particular to one or more components of the processing system, which are set up to move the at least one processing laser beam relative to the workpiece and / or align.
  • these components are assigned to the feed device and/or part of the feed device and by means of these components the position and/or orientation and/or the state of movement of the workpiece can be adjusted relative to the at least one processing laser beam.
  • these components can be a scanner device of the feed device and/or an acousto-optical deflector of the feed device and/or a holder assigned to the feed device for arranging the workpiece and/or a beam guide of the at least one processing laser beam and/or the processing optics.
  • the sensor device comprises one or more sensor elements in order to determine the actual state of the feed device. This allows the actual state of the feed device to be determined in a technically simple and reliable manner.
  • the sensor device can comprise one or more sensor elements, which are designed as a position sensor and/or speed sensor. This allows, for example, positions or speeds to be recorded in a technically simple manner on a scanner mirror and/or on a galvanometer scanner and/or on a holder in order to determine the actual state of the feed device.
  • the sensor device can, for example, have one or more sensor elements designed as a temperature sensor. This allows temperature-dependent, for example, in the case of an acousto-optical deflector Determine deviations in positions or speeds of the at least one processing laser beam relative to the workpiece.
  • the detection device is set up to read out and/or process data from the feed device in order to determine the target state of the feed device.
  • the data read out and/or processed by the recognition device is relevant data for setting the target state of the feed device.
  • the read and/or processed data contain the target state of the feed device at a specific point in time.
  • the phase adjustment device is activated by means of the control device on the basis of a predetermined assignment rule. It can then be advantageous if the assignment rule has at least two different predefined parameter sets, which are selected depending on the state of the feed device determined by the detection device.
  • the assignment rule contains in particular an assignment of states of the feed device to phase differences to be set between the coherent laser beams.
  • a predefined parameter set is or contains a specification for the phase differences to be set between the respective coherent laser beams depending on the determined state of the feed device, i.e. a specification for which phase differences are set depending on a determined state of the feed device by means of the control device by controlling the phase setting device.
  • the parameter sets are selected in particular on a very short time scale in the range from 1 ns to 1 ps. In one variant, it can be provided that the assignment rule and/or the predefined parameter sets are not changed during operation of the processing system.
  • assignment rule and/or the predefined parameter sets can be adapted and/or optimized during operation of the processing system, whereby this can be done in particular on a smallest time scale of 1 ps to 1 ps.
  • the coherent laser beams provided by the laser beam source are pulsed laser beams and in particular ultra-short pulse laser beams, and/or that the at least one processing laser beam is a pulsed laser beam and in particular an ultra-short pulse laser beam.
  • Ultrashort pulse laser beams can be used advantageously for precise and low-damage micro-material processing.
  • the coherent laser beams and/or the at least one processing laser beam prefferably be continuous wave laser beams.
  • a method for laser machining a workpiece in which a plurality of coherent laser beams are provided, a respective phase difference between the coherent laser beams is adjusted, the coherent laser beams are amplified, respective amplified coherent laser beams being formed by amplifying the respective coherent laser beams, the amplified coherent laser beams are combined to form the at least one processing laser beam and the workpiece is acted upon by the at least one processing laser beam, a position and/or an orientation and/or a movement state of the workpiece relative to the at least one processing laser beam is controlled by means of a feed device, a state the feed device is determined by means of a detection device, and the phase adjustment device is controlled by means of a control device, the control device controlling the phase adjustment device depending on the state of the feed device determined by the detection device.
  • the method according to the invention has one or more further features and/or advantages of the processing system according to the invention.
  • Advantageous embodiments of the method according to the invention have already been explained in connection with the processing system according to the invention.
  • the method according to the invention is carried out by means of the processing system according to the invention and/or the processing system according to the invention is suitable for carrying out the method according to the invention.
  • a first device and/or a first element of the processing system is arranged after a second device and/or a second element of the processing system is to be understood as meaning that the laser beams guided in the processing system, such as the input laser beam and/or the coherent laser beams and/or the amplified coherent laser beams first hit the second device and/or the second element and then hit the first device and/or the first element.
  • the second device and/or the second element is then arranged in front of the first device and/or the first element. This information must always refer to the main propagation direction of the laser beams guided through the processing system.
  • FIG. 1 shows a schematic representation of an exemplary embodiment of a processing system
  • Fig. 2 is a top view of a workpiece which is arranged on a holder of the processing system.
  • FIG. 1 An exemplary embodiment of a processing system is shown schematically in FIG. 1 and is designated 100 there.
  • the processing system 100 at least one processing laser beam 102 can be provided, which is intended for laser processing of a workpiece 104.
  • the processing system 100 comprises a laser beam source 106, by means of which an input laser beam 108 is provided, with a plurality of coherent laser beams 110 being formed by splitting the input laser beam 108.
  • laser beam sources 106 it is also possible for several laser beam sources 106 to be provided to provide the coherent laser beams 110. For example, one or more coherent laser beams are then provided by means of a respective laser beam source 106.
  • a splitting device 112 is provided to split the input laser beam 108 into a plurality of coherent laser beams 110.
  • a splitting device 112 is provided to split the input laser beam 108 into a plurality of coherent laser beams 110.
  • three coherent laser beams 110 are shown, which are formed by splitting the input laser beam 108 using the splitting device 110.
  • the input laser beam 108 and/or the coherent laser beams 110 are, for example, pulsed laser beams and in particular ultrashort pulse laser beams.
  • the coherent laser beams 110 in particular have the same properties, such as the same wavelength and/or the same spectrum.
  • a phase adjustment device 114 is provided to adjust a respective phase difference between the individual coherent laser beams 110.
  • the phase adjustment device 114 in particular comprises a plurality of phase adjustment elements 116, wherein a phase of a coherent laser beam 110 assigned to this phase adjustment element 116 can be adjusted by means of a specific phase adjustment element 116.
  • a phase adjustment element 116 is assigned to several or all of the coherent laser beams 110.
  • N coherent laser beams 110 includes
  • Phase adjustment device 114 for example N-1 or N phase adjustment elements 116.
  • a respective phase difference between all existing coherent laser beams 110 can thereby be adjusted.
  • the processing system 100 includes an amplification device 118 to amplify the respective coherent laser beams 110.
  • the amplification device 118 comprises a plurality of amplification elements 120, with, for example, one amplification element 120 being assigned to one of the coherent laser beams 110.
  • the reinforcing device 118 or the reinforcing elements 120 are arranged after the phase adjusting device 114 or the phase adjusting elements 116.
  • coherent laser beams 110 coupled out of the phase adjustment device 114 are coupled into the amplification device 118.
  • the respective phase differences between the coherent laser beams 110 are adjusted by means of the phase adjustment device 114 before they are coupled into the amplification device 118.
  • the coherent laser beams 110, which were amplified by means of the amplification device 118, are hereinafter referred to as amplified coherent laser beams 122.
  • a number of existing coherent laser beams 110 corresponds to a number of existing amplified coherent laser beams 122.
  • the processing system 100 includes processing optics 124.
  • amplified coherent laser beams 122 coupled out of the amplification device 118 are coupled into the processing optics 124.
  • the processing laser beam 102 is then formed by combining these amplified coherent laser beams 122 using the processing optics 124.
  • the processing optics 124 may include a diffractive optical element and/or a grating structure and/or a microlens array and/or a focusing element.
  • the processing optics 124 is in particular designed to introduce and/or focus the trained processing laser beam 102 into the workpiece 102.
  • the workpiece 104 on which the laser processing is to be carried out is, for example, on a holder 126 of the processing system 100 arranged and/or fixed and/or fixed.
  • the workpiece 102 can be positioned and/or moved and/or tilted and/or rotated relative to the processing laser beam 102 by means of the holder 126.
  • the workpiece 104 can be moved by means of the holder 126 in three different spatial directions and/or along three different spatial axes (indicated by arrows in FIG. 1, which correspond to the x, y and z axes, for example).
  • the workpiece 104 can then be rotatable about one or more of these spatial axes by means of the holder 126.
  • one or more holders 126 are arranged and/or formed on a conveyor belt.
  • a large number of workpieces 104 can be arranged one after the other on the conveyor belt in order to process them one after the other using the processing laser beam 102.
  • the processing system 100 has a feed device 128, by means of which a position xo, yo, zo and/or an orientation and/or a movement state of the workpiece 104 relative to the processing laser beam 102 can be controlled.
  • a translation and/or a rotation of the workpiece 104 relative to the processing laser beam 102 can be controlled by means of the feed device 128.
  • the position xo, yo, zo or the state of movement is to be understood in particular as a position or a state of movement of a focus assigned to the processing laser beam 102 or a focus zone assigned to the processing laser beam 102 relative to the workpiece 104. Accordingly, the orientation can be understood to mean an alignment of the focus or the focus zone of the processing laser beam 102 relative to the workpiece 104.
  • the feed device 128 is in particular designed to introduce the at least one processing laser beam 102 into the workpiece 104 at predetermined positions and/or with predetermined orientations and/or with predetermined movement states as a function of time.
  • the state of motion of the workpiece 104 is to be understood, for example, as a speed vo and/or an acceleration ao of the workpiece 104 relative to the processing laser beam 102 in terms of translation or rotation.
  • the alignment of the workpiece 104 is to be understood, for example, as an angle of attack ao of the processing laser beam 102 relative to a reference plane 130 of the workpiece 104, onto which the processing laser beam 102 is incident.
  • the reference plane 130 is an outside of the workpiece 104, onto which the processing laser beam 102 is incident.
  • the feed device 128 is assigned to the holder 126 and / or the holder 126 is part of the feed device 128.
  • the feed device 128 is then set up to move the holder 126 with the workpiece 104 arranged thereon relative to the processing laser beam 102, whereby by means of the feed device 128, the position and/or the orientation and/or the state of movement of the workpiece 104 can be controlled relative to the processing laser beam 102.
  • the feed device 128 is assigned to the processing optics 124 and/or a beam guide of the processing laser beam 102 of the processing system 100 in order to control the position, orientation and/or movement state of the processing laser beam 102 relative to the workpiece 104.
  • the processing optics 124 and/or the beam guide can then be controlled and/or moved by means of the feed device 128 in order to control the stated position, orientation and/or the stated movement state.
  • the processing system 100 has a scanner device 132, by means of which the position, orientation and/or movement state of the processing laser beam 102 relative to the workpiece 104 can be controlled.
  • the processing laser beam 102 can be positioned and/or moved and/or aligned relative to the workpiece 104.
  • the scanner device 132 is arranged, for example, after a combination of the amplified coherent laser beams 122 by means of the processing optics 124 and/or before a focusing of the amplified coherent laser beams 122 by means of the processing optics 124 (indicated in FIG. 1).
  • the scanner device 132 is part of the processing optics 124 or integrated into the processing optics 124.
  • the scanner device 132 has, for example, an acousto-optical deflector and/or a scanner mirror and/or a galvanometer scanner.
  • the processing system 100 further comprises a detection device 134, by means of which a state of the feed device 128 can be determined.
  • the state of the feed device 128 is to be understood in particular as meaning the position xo, yo, zo, orientation ao and/or the state of movement vo, ao of the workpiece 104 relative to the processing laser beam 102.
  • actual values and/or target values of the state of the feed device 128 can be determined by means of the detection device 134, i.e. actual states and/or a target state of the feed device 128 can be determined.
  • the recognition device 134 determines the target state of the feed device 128, for example, data is read out of the feed device 128 by means of the recognition device 134, on the basis of which the workpiece 104 can be controlled by means of the feed device 128 with regard to its position and/or its orientation and/or its state of movement relative to the workpiece Processing laser beam 102 takes place at a specific time.
  • the detection device 134 is connected to the feed device 128 in a signal-effective manner (indicated in FIG. 1).
  • the detection device 134 may be part of the feed device 128 and/or to be integrated into the feed device 128.
  • the recognition device 134 then has, in particular, the data the feed device 128, on the basis of which the workpiece 104 is controlled at a specific time.
  • the recognition device 134 provides the determined or existing data regarding the target state of the feed device 128 for further processing.
  • the detection device 134 can have a sensor device 136.
  • the actual state of the feed device 128 can be measured with regard to the position, orientation and/or movement state of the workpiece 104 relative to the processing laser beam 102.
  • the sensor device 136 is set up, for example, to record measured values relating to the holder 126 and/or the scanner device 132, from which the actual state of the feed device 128 can be determined.
  • the sensor device 136 has one or more sensor elements 138, which are assigned, for example, to the holder 126 and/or the scanner device 132.
  • a specific sensor element 138 can be designed, for example, as a position sensor, orientation sensor, speed sensor, acceleration sensor or temperature sensor.
  • the phase setting device 114 is controlled in order to adjust the respective phase difference between the coherent laser beams 110 and/or the amplified coherent laser beams 122.
  • the phase adjustment device 114 can be used to adjust the respective phase difference between the coherent laser beams 110 coupled into the amplification device 118, which causes a change and/or adjustment of the respective phase difference between the corresponding amplified coherent laser beams 122.
  • the processing system 100 has a control device 140, which is connected to the phase setting device 114 in a signal-effective manner.
  • the control device 140 is set up to control the phase setting device 114 based on an assignment rule with specific control values.
  • the assignment rule contains an assignment of setpoint values of the respective phase difference between the coherent laser beams 110 and/or amplified coherent laser beams 122 to specific control values.
  • the assignment rule is or includes an assignment table.
  • the respective phase difference between the coherent laser beams 110 and/or amplified coherent laser beams 122 can thus be adjusted to predetermined target values. This makes it possible to provide the processing laser beam 102 with predetermined properties for laser processing of the workpiece 104.
  • control device 140 is set up to control the phase setting device 114 during operation of the processing system 100 depending on the state, in particular the target state and/or the actual state, of the feed device 128.
  • control device 140 is set up to adjust the respective phase difference between the coherent laser beams 110 and/or amplified coherent laser beams 122 depending on the state of the feed device 128.
  • the control device 140 is, for example, connected to the detection device 134 in a signal-effective manner in order to obtain information regarding the state, in particular the target state and/or the actual state, of the feed device 128 during operation of the processing system 100. Based on this information, the control device 140 then sets the respective phase difference between the coherent laser beams 110 or amplified coherent laser beams 122 to predetermined target values by appropriately controlling the phase setting device 114.
  • a further assignment rule can be provided, which contains an assignment of the state of the feed device to the desired setpoint values of the respective phase difference.
  • This further assignment rule can, for example, contain several predefined parameter sets for the phase differences to be set, which are selected depending on the state of the feed device 128.
  • a main propagation direction 142 of the coherent laser beams 110 and/or the amplified coherent laser beams 122 and/or the input laser beam 108 and/or the processing laser beam 102 through the processing system 100 is indicated by an arrow in FIG. 1.
  • the editing system 100 works as follows:
  • coherent laser beams 110 are provided by means of the laser beam source 106.
  • an input laser beam 108 is first generated with the laser beam source 106 and this is divided into the coherent laser beams 110 by means of the dividing device 112.
  • the provided coherent laser beams 110 then pass through the phase adjustment device 114 and then the amplification device 118, the amplified coherent laser beams 122 being formed by amplification of the coherent laser beams 110 by means of the amplification device 118.
  • the amplified coherent laser beams 122 are coupled into the processing optics 124 and combined and focused by means of this to form the at least one processing laser beam 102.
  • the processing laser beam 102 is introduced and/or focused into the workpiece 104 for laser processing.
  • phase differences are adjusted by controlling the phase setting device 114 using the control device 140.
  • the at least one processing laser beam 102 and in particular its focus or focus zone is introduced into the workpiece 104 or aligned relative to or moved relative to this.
  • the corresponding control of the processing laser beam 102 relative to the workpiece 104 takes place by means of the feed device 128, which is programmed accordingly, for example, for a specific laser processing process of the workpiece 104.
  • control device 140 is set up to adjust the phase differences depending on the state of the feed device 128.
  • control device 140 receives corresponding information from the recognition device 134.
  • the detection device 134 determines the state of the feed device 128, i.e. its actual state and/or desired state, by reading out information from the feed device 128 itself and/or from the sensor elements 138 of the sensor device 136.
  • the state of the feed device 128 is to be understood in particular as position xo, yo, zo and/or orientation ao and/or movement state vo, ao of the workpiece 104 relative to the processing laser beam 102 acting on the workpiece 104.
  • the workpiece can have four different areas Ai, A2, Bi and B2, which are shown schematically in FIG. 2 and whose spatial boundaries are shown by the dashed lines.
  • the feed device 128 can then be configured, for example, in such a way that the workpiece 104 is used to carry out a laser processing operation Processing laser beam 102 is applied one after the other in the areas Ai, Bi, B2 and A2.
  • the latter can, for example, control the phase setting device 114 in such a way that, depending on the respective area, Ai, A2, Bi, B2 of the workpiece 104 in which the processing laser beam 102 is currently positioned, the respective phase differences between the amplified coherent laser beams 122 are set to different values.
  • a first predefined parameter set is set for the respective phase differences for the areas Ai and A2 and a second predefined parameter set for the areas Bi and B2.
  • properties of the existing processing laser beams 102 can be defined, such as their respective intensity.
  • the predefined parameter sets could, for example, be selected so that the processing laser beam 102 has different intensities in the areas Ai and A2 or Bi and B2.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Bearbeitungssystem zur Laserbearbeitung eines Werkstücks (104), umfassend mindestens eine Laserstrahlquelle (106) zur Bereitstellung einer Mehrzahl von kohärenten Laserstrahlen (110), eine Phaseneinstelleinrichtung (114) zur Einstellung einer jeweiligen Phasendifferenz zwischen den kohärenten Laserstrahlen (110), eine Verstärkungseinrichtung (118) zur Verstärkung der kohärenten Laserstrahlen (110), wobei durch Verstärkung der jeweiligen kohärenten Laserstrahlen (110) jeweilige verstärkte kohärente Laserstrahlen (122) ausgebildet werden, eine Bearbeitungsoptik (124) zur Kombination der verstärkten kohärenten Laserstrahlen (122) zu mindestens einem Bearbeitungslaserstrahl (102) und zur Beaufschlagung des Werkstücks (104) mit dem mindestens einen Bearbeitungslaserstrahl (102), eine Vorschubeinrichtung (128) zur Steuerung einer Position (x0,y0,z0) und/oder einer Ausrichtung (α0) und/oder eines Bewegungszustands (v0, a0) des Werkstücks (104) relativ zu dem mindestens einen Bearbeitungslaserstrahl (102), eine Erkennungseinrichtung (134) zur Ermittlung eines Zustands der Vorschubeinrichtung (128), und eine Steuerungseinrichtung (140) zur Ansteuerung der Phaseneinstelleinrichtung (114), wobei die Steuerungseinrichtung (140) eingerichtet ist, die Phaseneinstelleinrichtung (114) in Abhängigkeit des mittels der Erkennungseinrichtung (134) ermittelten Zustands der Vorschubeinrichtung (128) anzusteuern.

Description

Bearbeitungssystem und Verfahren zur Laserbearbeitung eines Werkstücks
Die Erfindung betrifft ein Bearbeitungssystem und ein Verfahren zur Laserbearbeitung eines Werkstücks.
Aus der DE 10 2020 201 161 Al ist eine Vorrichtung zur Kombination einer Mehrzahl von kohärenten Laserstrahlen bekannt, umfassend eine Aufteilungseinrichtung zur Aufteilung eines Eingangs-Laserstrahls auf die Mehrzahl von kohärenten Laserstrahlen, eine Mehrzahl von Phasen- Einstelleinrichtungen zur Einstellung einer jeweiligen Phase eines der kohärenten Laserstrahlen, sowie eine Strahlkombinationseinrichtung zur Kombination der kohärenten Laserstrahlen, die von einer Mehrzahl von Raster- Positionen einer Rasteranordnung ausgehen, zu mindestens einem kombinierten Laserstrahl, wobei die Strahlkombinationseinrichtung eine Mikrolinsenanordnung mit genau einem Mikrolinsen-Array zur Bildung des mindestens einen kombinierten Laserstrahls aufweist.
Aus der WO 2017/125345 Al ist ein Phasenreglungssystem zur Regelung der Relativphase zweier kohärent zu kombinierender Laserstrahlen eines Lasersystems, das zum Bereitstellen eines phasengeregelten Summenlaserstrahls vorgesehen ist, bekannt.
Aus der WO 2020/016824 Al ist ein Verfahren zum Bestimmen von Phasenverschiebungen mehrerer auf ein Ziel auftreffender Strahlen einer kohärenten Strahlkombinationsvorrichtung bekannt.
Aus der EP 3 597 405 Al ist eine Vorrichtung zum additiven Herstellen von dreidimensionalen Objekten durch sukzessives Bestrahlen und Verfestigen von Schichten eines Baumaterials mittels eines Energiestrahls bekannt, wobei eine Bestrahlungseinrichtung vorgesehen ist, die eingerichtet ist, mindestens zwei kohärent stimulierte Energiestrahlen zu erzeugen, wobei die Bestrahlungseinrichtung eine Modulationseinheit umfasst, die eingerichtet ist, die mindestens zwei Energiestrahlen zu einem kombinierten Energiestrahl zu kombinieren und um mindestens eine kombinierte Strahleigenschaft des kombinierten Energiestrahls einzustellen.
Aus der WO 2019/092702 A2 ist ein Lasersystem bekannt, umfassend einen ein Seed-Laser, ein Teilsystem zum Teilen und Kombinieren von Laserstrahlen, das eine Ausgabe von dem Seed-Laser empfängt und eine kombinierte Laserausgabe mit Rauschen bereitstellt, und ein Rauschunterdrückungs-Teilsystem, das dazu dient, eine Rauschunterdrückungs-Phasenkorrekturausgabe basierend auf der Berücksichtigung des Rauschens mit einer Rauschabtastrate bereitzustellen, wobei das Teilsystem zum Teilen und Kombinieren von Laserstrahlen eine Phase der kombinierten Laserausgabe mit einer Phasenvariationsrate verändert, die die Rauschabtastrate übersteigt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein eingangs genanntes Bearbeitungssystem zur Laserbearbeitung eines Werkstücks bereitzustellen, welches eine vielseitige und flexible Laserbearbeitung des Werkstücks mit dynamisch anpassbaren Strahlparametern ermöglicht.
Diese Aufgabe wird durch ein eingangs genanntes Bearbeitungssystem gelöst, umfassend mindestens eine Laserstrahlquelle zur Bereitstellung einer Mehrzahl von kohärenten Laserstrahlen, eine Phaseneinstelleinrichtung zur Einstellung einer jeweiligen Phasendifferenz zwischen den kohärenten Laserstrahlen, eine Verstärkungseinrichtung zur Verstärkung der kohärenten Laserstrahlen, wobei durch Verstärkung der jeweiligen kohärenten Laserstrahlen jeweilige verstärkte kohärente Laserstrahlen ausgebildet werden, eine Bearbeitungsoptik zur Kombination der verstärkten kohärenten Laserstrahlen zu mindestens einem Bearbeitungslaserstrahl und zur Beaufschlagung des Werkstücks mit dem mindestens einen Bearbeitungslaserstrahl, eine Vorschubeinrichtung zur Steuerung einer Position und/oder einer Ausrichtung und/oder eines Bewegungszustands des Werkstücks relativ zu dem mindestens einen Bearbeitungslaserstrahl, eine Erkennungseinrichtung zur Ermittlung eines Zustands der Vorschubeinrichtung, und eine Steuerungseinrichtung zur Ansteuerung der Phaseneinstelleinrichtung, wobei die Steuerungseinrichtung eingerichtet ist, die Phaseneinstelleinrichtung in Abhängigkeit des mittels der Erkennungseinrichtung ermittelten Zustands der Vorschubeinrichtung anzusteuern.
Das erfindungsgemäße Bearbeitungssystem ermöglicht die Ansteuerung der Phaseneinstelleinrichtung und damit die Steuerung der Phasendifferenzen zwischen den kohärenten Laserstrahlen und verstärkten kohärenten Laserstrahlen in Abhängigkeit des Zustand der Vorschubeinrichtung, beispielsweise in Abhängigkeit einer Position oder Geschwindigkeit des mindestens einen Bearbeitungslaserstrahls relativ zu dem Werkstück. Durch Einstellung der Phasendifferenzen zwischen den kohärenten Laserstrahlen und verstärkten kohärenten Laserstrahlen lassen sich Eigenschaften und/oder Strahlparameter des mindestens einen Bearbeitungslaserstrahls anpassen. Es lassen sich dadurch in Abhängigkeit des Zustands der Vorschubeinrichtung die Eigenschaften und/oder Strahl para meter des mindestens einen Bearbeitungslaserstrahls anpassen.
Durch Anpassung der jeweiligen Phasendifferenz zwischen den kohärenten Laserstrahlen können verschiedene Strahl para meter und/oder Eigenschaften des mindestens einen Bearbeitungslaserstrahls eingestellt werden. Es lassen sich dadurch beispielsweise die Strahlparameter und/oder Eigenschaften des mindestens einen Bearbeitungslaserstrahls in Abhängigkeit seiner Position oder Geschwindigkeit bezüglich des Werkstücks dynamisch anpassen. Beispielsweise können die Phasendifferenzen mittels der Steuerungseinrichtung so variiert werden, dass der Bearbeitungslaserstrahl in unterschiedlichen räumlichen Bereichen des Werkstücks unterschiedliche Strahlparameter und/oder Eigenschaften aufweist.
Beispielsweise lassen sich durch Anpassung der jeweiligen Phasendifferenz zwischen den kohärenten Laserstrahlen folgende Strahl para meter und/oder Eigenschaften des vorhandenen Bearbeitungslaserstrahls oder der vorhandenen Bearbeitungslaserstrahlen einstellen : eine Anzahl der vorhandenen Bearbeitungslaserstrahlen - Eine Intensität und/oder Polarisation des Bearbeitungslaserstrahls bzw. der jeweiligen Bearbeitungslaserstrahlen
- eine räumliche Strahlform und/oder ein räumliches Strahlprofil des Bearbeitungslaserstrahls bzw. der jeweiligen Bearbeitungslaserstrahlen
- eine zeitliche Abfolge und/oder eine zeitliche Pulsform von Pulsen, welche dem Bearbeitungslaserstrahl bzw. den jeweiligen Bearbeitungslaserstrahlen zugeordnet sind
Insbesondere ist die Bearbeitungsoptik zur Fokussierung des mindestens einen Bearbeitungslaserstrahls auf und/oder in das Werkstück geeignet.
Die Vorschubeinrichtung ist insbesondere dazu geeignet, das Werkstück mittels des Bearbeitungslaserstrahls in Abhängigkeit der Zeit an vorgegebenen Positionen zu beaufschlagen, und/oder mit vorgegebenen Ausrichtungen und/oder Bewegungszuständen des Bearbeitungslaserstrahls zu beaufschlagen. Beispielsweise kann eine Trajektorie vorgegeben sein, entlang welcher der mindestens eine Bearbeitungslaserstrahl relativ zu dem Werkstück bewegt wird. Die Vorschubeinrichtung kann beispielsweise programmiert sein, um im Rahmen eines bestimmten Laserbearbeitungsvorgangs eine entsprechende Beaufschlagung des Werkstücks mit dem Bearbeitungslaserstrahl durchzuführen.
Die Verstärkungseinrichtung kann beispielsweise einen Faserverstärker, Slabverstärker, Stabverstärker oder Scheibenverstärker umfassen.
Es kann vorgesehen sein, dass die Verstärkungseinrichtung eine Frequenzkonversionsstufe aufweist oder der Verstärkungseinrichtung eine Frequenzkonversionsstufe des Bearbeitungssystems zugeordnet ist.
Insbesondere ist mittels der Phaseneinstelleinrichtung eine jeweilige Phasendifferenz zwischen den kohärenten Laserstrahlen und/oder zwischen den verstärkten kohärenten Laserstrahlen einstellbar. Insbesondere bewirkt eine mittels der Phaseneinstelleinrichtung durchgeführte Änderung der Phasendifferenz zwischen den kohärenten Laserstrahlen eine Änderung der Phasendifferenz zwischen den entsprechenden verstärkten kohärenten Laserstrahlen. Insbesondere liegt ein kleinster zeitlicher Abstand, mit welchem der Zustand der Vorschubeinrichtung mittels der Erkennungseinrichtung ermittelbar ist oder im Betrieb des Bearbeitungssystems ermittelt wird, im Bereich von 1 ns bis 1 |JS. Auf dieser Zeitskala kann insbesondere mittels der Steuerungseinrichtung eine Ansteuerung der Phaseneinstelleinrichtung und eine hieraus resultierende Einstellung der jeweiligen Phasendifferenz zwischen den kohärenten Laserstrahlen erfolgen.
Beispielsweise ist die Verstärkungseinrichtung nach der Phaseneinstelleinrichtung angeordnet. Insbesondere werden dann mittels der Phaseneinstelleinrichtung die jeweiligen Phasendifferenzen zwischen den kohärenten Laserstrahlen vor deren Einkopplung in die Verstärkungseinrichtung eingestellt. Es ist allerdings alternativ hierzu grundsätzlich auch möglich, dass die Phaseneinstelleinrichtung nach der Verstärkungseinrichtung angeordnet ist.
Das Werkstück kann beispielsweise transparent, teilweise transparent oder opak für eine Wellenlänge des mindestens einen Bearbeitungslaserstrahls sein. Beispielsweise kann das Werkstück ein Keramikmaterial und/oder Metallmaterial und/oder organisches Material und/oder Polymermaterial und/oder Glasmaterial und/oder Kristallmaterial und/oder Halbleitermaterial umfassen oder aus solchen bestehen.
Insbesondere ist oder umfasst der Zustand der Vorschubeinrichtung eine Position des Werkstücks relativ zu dem mindestens einen Bearbeitungslaserstrahl.
Insbesondere ist oder umfasst der Zustand der Vorschubeinrichtung eine Ausrichtung des Werkstücks relativ zu dem mindestens einen Bearbeitungslaserstrahl. Beispielsweise ist oder umfasst der Zustand der Vorschubeinrichtung einen Anstellwinkel des mindestens einen Bearbeitungslaserstrahls zu einer Referenzebene des Werkstücks.
Insbesondere ist oder umfasst der Zustand der Vorschubeinrichtung einen Bewegungszustand des Werkstücks relativ zu dem mindestens einen Bearbeitungslaserstrahl, beispielsweise eine Geschwindigkeit und/oder Beschleunigung des Werkstücks relativ zu dem mindestens einen Bearbeitungslaserstrahl. Der Zustand der Vorschubeinrichtung kann hierbei insbesondere die Geschwindigkeit und/oder Beschleunigung hinsichtlich einer Translation und/oder Rotation des Werkstücks umfassen.
Insbesondere kann es vorgesehen sein, dass die Steuerungseinrichtung eingerichtet ist, durch Ansteuerung der Phaseneinstelleinrichtung die jeweilige Phasendifferenz zwischen den kohärenten Laserstrahlen und/oder den verstärkten kohärenten Laserstrahlen in Abhängigkeit des Zustands der Vorschubeinrichtung einzustellen. Insbesondere ist die jeweilige Phasendifferenz mittels der Steuerungseinrichtung in Abhängigkeit des Zustands der Vorschubeinrichtung auf einen vorgegebenen Sollwert einstellbar. Dies ermöglicht eine Einstellung von unterschiedlichen Eigenschaften des mindestens einen Bearbeitungslaserstrahls in Abhängigkeit des Zustands der Vorschubeinrichtung.
Insbesondere kann es vorgesehen sein, dass der mittels der Erkennungseinrichtung ermittelbare oder ermittelte Zustand der Vorschubeinrichtung ein Ist-Zustand und/oder ein Soll-Zustand der Vorschubeinrichtung ist. Die Ansteuerung der Phaseneinstelleinrichtung bzw. die Einstellung der jeweiligen Phasendifferenz zwischen den kohärenten Laserstrahlen kann dann in Abhängigkeit des ermittelten Ist-Zustands und/oder Soll-Zustands der Vorschubeinrichtung erfolgen.
Unter dem Soll-Zustand ist insbesondere ein basierend auf momentanen Einstellungen der Vorschubeinrichtung zu erreichender Zustand der Vorschubeinrichtung zu verstehen, beispielsweise eine zu erreichende Position oder Geschwindigkeit des mindestens einen Bearbeitungslaserstrahls relativ zu dem Werkstück. Unter dem Ist-Zustand ist insbesondere ein, vorzugsweise mittels einer Sensoreinrichtung, gemessener und/oder tatsächlicher Zustand der Vorschubeinrichtung zu verstehen, beispielsweise eine gemessene Position oder Geschwindigkeit des mindestens einen Bearbeitungslaserstrahls relativ zu dem Werkstück. Vorteilhaft kann es sein, wenn die Vorschubeinrichtung eine Scannereinrichtung aufweist, wobei die Scannereinrichtung insbesondere einen akustooptischen Deflektor und/oder einen Scannerspiegel und/oder einen Galvanometer-Scanner umfasst. Es lässt sich dadurch der mindestens eine Ausgangslaserstrahl mittels der Vorschubeinrichtung relativ zu dem Werkstück Positionieren und/oder Bewegen.
Vorteilhaft kann es sein, wenn das Bearbeitungssystem eine Halterung zur Anordnung und/oder Fixierung des Werkstücks umfasst. Insbesondere ist dann die Vorschubeinrichtung der Halterung zugeordnet und dazu eingerichtet, das an der Halterung angeordnete Werkstück relativ zu dem mindestens einen Bearbeitungslaserstrahl zu bewegen und/oder auszurichten.
Darunter, dass die Vorschubeinrichtung der Halterung zugeordnet ist und dazu eingerichtet, das an der Halterung angeordnete Werkstück relativ zu dem mindestens einen Bearbeitungslaserstrahl zu bewegen und/oder auszurichten, ist nicht zwingend zu verstehen, dass (im Laborsystem betrachtet) die Halterung tatsächlich räumlich bewegt und/oder verschoben wird. Es ist auch möglich, dass andere Komponenten des Bearbeitungssystems (im Laborsystem betrachtet) räumlich bewegt und/oder verschoben werden, um den mindestens einen Bearbeitungslaserstrahl relativ zu dem Werkstück zu bewegen. Beispielsweise kann hierzu ein Gantry-System vorgesehen sein.
Die genannte Relativbewegung zwischen der Halterung und dem daran angeordneten Werkstück einerseits und dem mindestens einen Bearbeitungslaserstrahl andererseits kann mittels der Vorschubeinrichtung (im Laborsystem betrachtet) beispielsweise durch Bewegung der Halterung und/oder durch Bewegung von Strahlführungskomponenten des mindestens einen Bearbeitungslaserstrahls und/oder durch Bewegung der Bearbeitungsoptik realisiert werden.
Beispielsweise kann das Werkstück mittels der Halterung relativ zu dem Bearbeitungslaserstrahl translatorisch und/oder rotatorisch bewegt werden. Die translatorische Bewegung erfolgt beispielsweise entlang zwei und bevorzugt entlang drei Raumachsen. Die rotatorische Bewegung erfolgt beispielsweise um mindestens zwei Raumachsen.
Vorteilhaft kann es sein, wenn die Erkennungseinrichtung eine Sensoreinrichtung zur Ermittlung eines Ist-Zustands der Vorschubeinrichtung aufweist, wobei die Sensoreinrichtung insbesondere einer oder mehreren Komponenten des Bearbeitungssystems zugeordnet ist, welche dazu eingerichtet sind, den mindestens einen Bearbeitungslaserstrahl relativ zu dem Werkstück zu bewegen und/oder auszurichten. Diese Komponenten sind der Vorschubeinrichtung zugeordnet und/oder Teil der Vorschubeinrichtung und mittels diesen Komponenten lassen sich die Position und/oder Ausrichtung und/oder der Bewegungszustand des Werkstücks relativ zu dem mindestens einen Bearbeitungslaserstrahl einstellen.
Beispielsweise können diese Komponenten eine Scannereinrichtung der Vorschubeinrichtung und/oder ein akustooptischer Deflektor der Vorschubeinrichtung und/oder eine der Vorschubeinrichtung zugeordnete Halterung zur Anordnung des Werkstücks und/oder eine Strahlführung des mindestens einen Bearbeitungslaserstrahls und/oder die Bearbeitungsoptik sein.
Beispielsweise umfasst die Sensoreinrichtung ein oder mehrere Sensorelemente, um den Ist-Zustand der Vorschubeinrichtung zu ermitteln. Es lässt sich dadurch der Ist-Zustand der Vorschubeinrichtung technisch einfach und zuverlässig ermitteln.
Insbesondere kann die Sensoreinrichtung ein oder mehrere Sensorelemente umfassen, welche als Positionssensor und/oder Geschwindigkeitssensor ausgebildet sind. Dadurch lassen sich beispielsweise an einem Scannerspiegel und/oder an einem Galvanometer-Scanner und/oder an einer Halterung Positionen bzw. Geschwindigkeiten auf technisch einfache Weise erfassen, um den Ist-Zustand der Vorschubeinrichtung zu ermitteln.
Ferner kann die Sensoreinrichtung beispielsweise ein oder mehrere als Temperatursensor ausgebildete Sensorelemente aufweisen. Dadurch lassen sich beispielsweise im Fall eines akustooptischen Deflektors temperaturabhängige Abweichungen auf Positionen bzw. Geschwindigkeiten des mindestens einen Bearbeitungslaserstrahls relativ zu dem Werkstück ermitteln.
Günstig kann es sein, wenn die Erkennungseinrichtung zum Auslesen und/oder Aufbereiten von Daten aus der Vorschubeinrichtung eingerichtet ist, um den Soll- Zustand der Vorschubeinrichtung zu ermitteln. Insbesondere sind die mittels der Erkennungseinrichtung ausgelesenen und/oder aufbereiteten Daten für die Einstellung des Soll-Zustands der Vorschubeinrichtung relevante Daten.
Insbesondere enthalten die ausgelesenen und/oder aufbereiteten Daten den Soll- Zustand der Vorschubeinrichtung zu einem bestimmten Zeitpunkt.
Insbesondere kann es vorgesehen sein, dass die Ansteuerung der Phaseneinstelleinrichtung mittels der Steuerungseinrichtung auf Grundlage einer vorgegebenen Zuordnungsvorschrift erfolgt. Dann kann es günstig sein, wenn die Zuordnungsvorschrift mindestens zwei unterschiedliche vordefinierte Parametersätze aufweist, welche in Abhängigkeit des mittels der Erkennungseinrichtung ermittelten Zustands der Vorschubeinrichtung ausgewählt werden.
Die Zuordnungsvorschrift enthält insbesondere eine Zuordnung von Zuständen der Vorschubeinrichtung zu einzustellenden Phasendifferenzen zwischen den kohärenten Laserstrahlen.
Ein vordefinierter Parametersatz ist oder enthält eine Vorgabe für die einzustellenden Phasendifferenzen zwischen den jeweiligen kohärenten Laserstrahlen in Abhängigkeit des ermittelten Zustands der Vorschubeinrichtung, d.h. eine Vorgabe dafür, welche Phasendifferenzen in Abhängigkeit eines ermittelten Zustands der Vorschubeinrichtung mittels der Steuerungseinrichtung durch Ansteuerung der Phaseneinstelleinrichtung eingestellt werden.
Im Betrieb des Bearbeitungssystems erfolgt eine Auswahl der Parametersätze insbesondere auf einer kleinsten Zeitskala im Bereich von 1 ns bis 1 ps. Bei einer Variante kann es vorgesehen sein, dass die Zuordnungsvorschrift und/oder die vordefinierten Parametersätze im Betrieb des Bearbeitungssystems nicht verändert werden.
Alternativ hierzu ist es auch möglich, dass die Zuordnungsvorschrift und/oder die vordefinierten Parametersätze im Betrieb des Bearbeitungssystems angepasst und/oder optimiert werden, wobei dies insbesondere auf einer kleinsten Zeitskala von 1 ps bis 1 ps erfolgen kann.
Insbesondere kann es vorgesehen sein, dass die mittels der Laserstrahlquelle bereitgestellten kohärenten Laserstrahlen gepulste Laserstrahlen und insbesondere Ultrakurzpulslaserstrahlen sind, und/oder dass der mindestens eine Bearbeitungslaserstrahl ein gepulster Laserstrahl und insbesondere ein Ultrakurzpulslaserstrahl ist. Ultrakurzpulslaserstrahlen lassen sich auf vorteilhafte Weise zur präzisen und schädigungsarmen Mikro-Materialbearbeitung einsetzen.
Es ist grundsätzlich auch möglich, dass die kohärenten Laserstrahlen und/oder der mindestens eine Bearbeitungslaserstrahl Dauerstrichlaserstrahlen sind.
Erfindungsgemäß wird ein Verfahren zur Laserbearbeitung eines Werkstücks bereitgestellt, bei dem eine Mehrzahl von kohärenten Laserstrahlen bereitgestellt wird, eine jeweilige Phasendifferenz zwischen den kohärenten Laserstrahlen eingestellt wird, die kohärenten Laserstrahlen verstärkt werden, wobei durch Verstärkung der jeweiligen kohärenten Laserstrahlen jeweilige verstärkte kohärente Laserstrahlen ausgebildet werden, die verstärkten kohärenten Laserstrahlen zu dem mindestens einen Bearbeitungslaserstrahl kombiniert werden und das Werkstück mit dem mindestens einen Bearbeitungslaserstrahl beaufschlagt wird, eine Position und/oder eine Ausrichtung und/oder ein Bewegungszustand des Werkstücks relativ zu dem mindestens einen Bearbeitungslaserstrahl mittels einer Vorschubeinrichtung gesteuert wird, ein Zustand der Vorschubeinrichtung mittels einer Erkennungseinrichtung ermittelt wird, und die Phaseneinstelleinrichtung mittels einer Steuerungseinrichtung angesteuert wird, wobei die Steuerungseinrichtung die Phaseneinstelleinrichtung in Abhängigkeit des mittels der Erkennungseinrichtung ermittelten Zustands der Vorschubeinrichtung ansteuert. Insbesondere weist das erfindungsgemäße Verfahren ein oder mehrere weitere Merkmale und/oder Vorteile des erfindungsgemäßen Bearbeitungssystems auf. Vorteilhafte Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens wurden bereits im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Bearbeitungssystem erläutert. Insbesondere wird das erfindungsgemäße Verfahren mittels des erfindungsgemäßen Bearbeitungssystems durchgeführt und/oder das erfindungsgemäße Bearbeitungssystem ist zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens geeignet.
Darunter, dass eine erste Einrichtung und/oder ein erstes Element des Bearbeitungssystems nach einer zweiten Einrichtung und/oder einem zweiten Element des Bearbeitungssystems angeordnet ist, ist vorliegend zu verstehen, dass die in dem Bearbeitungssystem geführten Laserstrahlen, wie z.B. der Eingangslaserstrahl und/oder die kohärenten Laserstrahlen und/oder die verstärkten kohärenten Laserstrahlen, zeitlich zuerst auf die zweite Einrichtung und/oder das zweite Element treffen und anschließend auf die erste Einrichtung und/oder das erste Element. Die zweite Einrichtung und/oder das zweite Element ist dann vor der ersten Einrichtung und/oder dem ersten Element angeordnet. Diese Angaben sind stets auf die Haupt-Propagationsrichtung der durch das Bearbeitungssystem geführten Laserstrahlen zu beziehen.
Die nachfolgende Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen dient im Zusammenhang mit den Zeichnungen der näheren Erläuterung der Erfindung. Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels eines Bearbeitungssystems; und
Fig. 2 eine Aufsicht auf ein Werkstück, welches an einer Halterung des Bearbeitungssystems angeordnet ist.
Gleiche oder funktional äquivalente Elemente sind in allen Figuren mit denselben Bezugszeichen versehen. Ein Ausführungsbeispiel eines Bearbeitungssystems ist in Fig. 1 schematisch gezeigt und dort mit 100 bezeichnet. Mittels des Bearbeitungssystems 100 lässt sich mindestens ein Bearbeitungslaserstrahl 102 bereitstellen, welcher zur Laserbearbeitung eines Werkstücks 104 vorgesehen ist.
Bei dem in Fig. 1 gezeigten Ausführungsbeispiel umfasst das Bearbeitungssystem 100 eine Laserstrahlquelle 106, mittels weicher ein Eingangslaserstrahl 108 bereitgestellt wird, wobei durch Aufteilung des Eingangslaserstrahls 108 mehrere kohärente Laserstrahlen 110 ausgebildet werden.
Es ist grundsätzlich auch möglich, dass zur Bereitstellung der kohärenten Laserstrahlen 110 mehrere Laserstrahlquellen 106 vorgesehen sind. Beispielsweise werden dann mittels einer jeweiligen Laserstrahlquelle 106 ein oder mehrere kohärente Laserstrahlen bereitgestellt.
Zur Aufteilung des Eingangslaserstrahls 108 in mehrere kohärente Laserstrahlen 110 ist beispielsweise eine Aufteilungseinrichtung 112 vorgesehen. In Fig. 1 sind beispielsweise drei kohärente Laserstrahlen 110 gezeigt, welche durch Aufteilung des Eingangslaserstrahls 108 mittels der Aufteilungseinrichtung 110 ausgebildet werden.
Der Eingangslaserstrahl 108 und/oder die kohärenten Laserstrahlen 110 sind beispielsweise gepulste Laserstrahlen und insbesondere Ultrakurzpulslaserstrahlen.
Die kohärenten Laserstrahlen 110 weisen insbesondere gleiche Eigenschaften auf, wie z.B. die gleiche Wellenlänge und/oder das gleiche Spektrum.
Zur Einstellung einer jeweiligen Phasendifferenz zwischen den einzelnen kohärenten Laserstrahlen 110 ist eine Phaseneinstelleinrichtung 114 vorgesehen. Die Phaseneinstelleinrichtung 114 umfasst insbesondere mehrere Phaseneinstellelemente 116, wobei mittels eines bestimmten Phaseneinstellelements 116 eine Phase eines diesem Phaseneinstellelement 116 zugeordneten kohärenten Laserstrahls 110 einstellbar ist. Beispielsweise ist mehreren oder allen der kohärenten Laserstrahlen 110 jeweils ein Phaseneinstellelement 116 zugeordnet.
Im Fall von N kohärenten Laserstrahlen 110 umfasst die
Phaseneinstelleinrichtung 114 beispielsweise N-l oder N Phaseneinstellelemente 116. Es lässt sich dadurch insbesondere eine jeweilige Phasendifferenz zwischen allen vorhandenen kohärenten Laserstrahlen 110 einstellen.
Hinsichtlich der technischen Details zur Kombination kohärenter Laserstrahlen wird auf die wissenschaftlichen Veröffentlichungen "Coherent combination of ultrafast fiber amplifiers", Hanna, et al, Journal of Physics B: Atomic, Molecular and Optical Physics 49(6) (2016), 062004; "Performance scaling of laser amplifiers via coherent combination of ultrashort pulses", Klenke, Mensch und Buch Verlag; "Coherent beam combining with an ultrafast multicore Yb-doped fiber amplifier", Ramirez, et al., Optics Express 23(5), (2015), 5406-5416; und "Highly scalable femtosecond coherent beam combining demonstrated with 19 fibers", Le Dortz, et al., Optics Letters 42(10), (2017), 1887-1890, verwiesen.
Zur Verstärkung der kohärenten Laserstrahlen 110 umfasst das Bearbeitungssystem 100 eine Verstärkungseinrichtung 118, um die jeweiligen kohärenten Laserstrahlen 110 zu verstärken. Insbesondere umfasst die Verstärkungseinrichtung 118 mehrere Verstärkungselemente 120, wobei beispielsweise ein Verstärkungselement 120 jeweils einem der kohärenten Laserstrahlen 110 zugeordnet ist.
Bei dem in Fig. 1 gezeigten Beispiel sind die Verstärkungseinrichtung 118 bzw. die Verstärkungselemente 120 nach der Phaseneinstelleinrichtung 114 bzw. den Phaseneinstellelementen 116 angeordnet. Beispielsweise werden aus der Phaseneinstelleinrichtung 114 ausgekoppelte kohärente Laserstrahlen 110 in die Verstärkungseinrichtung 118 eingekoppelt. Insbesondere werden mittels der Phaseneinstelleinrichtung 114 die jeweiligen Phasendifferenzen zwischen den kohärenten Laserstrahlen 110 vor deren Einkopplung in die Verstärkungseinrichtung 118 eingestellt. Die kohärenten Laserstrahlen 110, welche mittels der Verstärkungseinrichtung 118 verstärkt wurden, werden nachfolgend als verstärkte kohärente Laserstrahlen 122 bezeichnet. Eine Anzahl vorhandener kohärenter Laserstrahlen 110 entspricht bei dem gezeigten Beispiel einer Anzahl vorhandener verstärkter kohärenter Laserstrahlen 122.
Zur Kombination der verstärkten kohärenten Laserstrahlen 122 zu dem Bearbeitungslaserstrahl 102 umfasst das Bearbeitungssystem 100 eine Bearbeitungsoptik 124.
Beispielsweise werden aus der Verstärkungseinrichtung 118 ausgekoppelte verstärkte kohärente Laserstrahlen 122 in die Bearbeitungsoptik 124 eingekoppelt. Der Bearbeitungslaserstrahl 102 wird dann durch Kombination dieser verstärkten kohärenten Laserstrahlen 122 mittels der Bearbeitungsoptik 124 ausgebildet.
Beispielsweise kann die Bearbeitungsoptik 124 ein diffraktives optisches Element und/oder eine Gitterstruktur und/oder ein Mikrolinsen-Array und/oder ein Fokussierelement umfassen.
Hinsichtlich der technischen Details zur Kombination von kohärenten Laserstrahlen mittels diffraktiven optischen Elementen wird auf die wissenschaftlichen Veröffentlichungen "Coherent combination of ultrashort pulse beams using two diffractive optics", Zhou et al., Opt. Lett. 42, 4422-4425 (2017) und "Diffractive-optics-based beam combination of a phase-locked fiber laser array", Cheung et al., Opt. Lett. 33, 354-356 (2008) verwiesen und zur Kombination von kohärenten Laserstrahlen mittels einem oder mehreren Mikrolinsen-Arrays auf die WO 2020/016336 Al und DE 10 2020 201 161 Al.
Die Bearbeitungsoptik 124 ist insbesondere dazu eingerichtet, den ausgebildeten Bearbeitungslaserstrahl 102 in das Werkstück 102 einzubringen und/oder zu fokussieren.
Das Werkstück 104, an welchem die Laserbearbeitung durchgeführt werden soll, ist beispielsweise an einer Halterung 126 des Bearbeitungssystems 100 angeordnet und/oder festgelegt und/oder fixiert. Insbesondere ist das Werkstück 102 mittels der Halterung 126 relativ zu dem Bearbeitungslaserstrahl 102 positionierbar und/oder bewegbar und/oder kippbar und/oder rotierbar.
Beispielsweise kann das Werkstück 104 mittels der Halterung 126 in drei unterschiedliche Raumrichtungen und/oder entlang drei unterschiedlicher Raumachsen bewegt werden (angedeutet durch Pfeile in Fig. 1, welche dort beispielsweise der x-, y- und z-Achse entsprechen). Beispielsweise kann das Werkstück 104 dann mittels der Halterung 126 um ein oder mehrere dieser Raumachsen rotierbar sein.
Beispielsweise kann es vorgesehen sein, dass eine oder mehrere Halterungen 126 an einem Förderband angeordnet und/oder ausgebildet sind. Beispielsweise können auf dem Förderband eine Vielzahl von Werkstücken 104 nacheinander angeordnet werden, um diese mittels des Bearbeitungslaserstrahls 102 nacheinander zu bearbeiten.
Das Bearbeitungssystem 100 weist eine Vorschubeinrichtung 128 auf, mittels welcher eine Position xo,yo,zo und/oder eine Ausrichtung und/oder ein Bewegungszustand des Werkstücks 104 relativ zu dem Bearbeitungslaserstrahl 102 steuerbar sind. Insbesondere sind mittels der Vorschubeinrichtung 128 eine Translation und/oder eine Rotation des Werkstücks 104 relativ zu dem Bearbeitungslaserstrahl 102 steuerbar.
Unter der Position xo,yo,zo bzw. dem Bewegungszustand ist insbesondere eine Position bzw. ein Bewegungszustand eines dem Bearbeitungslaserstrahl 102 zugeordneten Fokus oder einer dem Bearbeitungslaserstrahl 102 zugeordneten Fokuszone relativ zu dem Werkstück 104 zu verstehen. Entsprechend kann unter der Ausrichtung eine Ausrichtung des Fokus oder der Fokuszone des Bearbeitungslaserstrahls 102 relativ zu dem Werkstück 104 zu verstehen sein.
Die Vorschubeinrichtung 128 ist insbesondere dazu eingerichtet, den mindestens einen Bearbeitungslaserstrahl 102 in Abhängigkeit der Zeit an vorgegebenen Positionen und/oder mit vorgegebenen Ausrichtungen und/oder mit vorgegebenen Bewegungszuständen in das Werkstück 104 einzubringen. Unter dem Bewegungszustand des Werkstücks 104 ist beispielsweise eine Geschwindigkeit vo und/oder eine Beschleunigung ao des Werkstücks 104 relativ zu dem Bearbeitungslaserstrahl 102 hinsichtlich Translation oder Rotation zu verstehen.
Unter der Ausrichtung des Werkstücks 104 ist beispielsweise ein Anstellwinkel ao des Bearbeitungslaserstrahls 102 relativ zu einer Referenzebene 130 des Werkstücks 104 zu verstehen, auf welche der Bearbeitungslaserstrahl 102 einfällt. Bei dem gezeigten Beispiel ist die Referenzebene 130 eine Außenseite des Werkstücks 104, auf welche der Bearbeitungslaserstrahl 102 einfällt.
Bei einer Ausführungsform ist die Vorschubeinrichtung 128 der Halterung 126 zugeordnet und/oder die Halterung 126 ist Teil der Vorschubeinrichtung 128. Die Vorschubeinrichtung 128 ist dann eingerichtet, um die Halterung 126 mit dem daran angeordneten Werkstück 104 relativ zu dem Bearbeitungslaserstrahl 102 zu bewegen, wodurch sich mittels der Vorschubeinrichtung 128 die Position und/oder die Ausrichtung und/oder der Bewegungszustand des Werkstücks 104 relativ zu dem Bearbeitungslaserstrahl 102 steuern lässt.
Alternativ oder zusätzlich kann es vorgesehen sein, dass die Vorschubeinrichtung 128 der Bearbeitungsoptik 124 und/oder einer Strahlführung des Bearbeitungslaserstrahls 102 des Bearbeitungssystems 100 zugeordnet ist, um Position, Ausrichtung und/oder Bewegungszustand des Bearbeitungslaserstrahls 102 relativ zu dem Werkstück 104 zu steuern. Insbesondere sind dann die Bearbeitungsoptik 124 und/oder die Strahlführung mittels der Vorschubeinrichtung 128 ansteuerbar und/oder bewegbar, um die genannte Position, Ausrichtung und/oder den genannten Bewegungszustand zu steuern.
Es kann vorgesehen sein, dass das Bearbeitungssystem 100 eine Scannereinrichtung 132 aufweist, mittels welcher Position, Ausrichtung und/oder Bewegungszustand des Bearbeitungslaserstrahls 102 relativ zu dem Werkstück 104 steuerbar ist. Mittels der Scannereinrichtung 132 ist der Bearbeitungslaserstrahl 102 relativ zu dem Werkstück 104 positionierbar und/oder bewegbar und/oder ausrichtbar. Die Scannereinrichtung 132 ist beispielsweise nach einer mittels der Bearbeitungsoptik 124 erfolgenden Kombination der verstärkten kohärenten Laserstrahlen 122 und/oder vor einer mittels der Bearbeitungsoptik 124 erfolgenden Fokussierung der verstärkten kohärenten Laserstrahlen 122 angeordnet (angedeutet in Fig. 1). Beispielsweise ist die Scannereinrichtung 132 Teil der Bearbeitungsoptik 124 oder in die Bearbeitungsoptik 124 integriert.
Die Scannereinrichtung 132 weist beispielsweise einen akustooptischen Deflektor und/oder einen Scannerspiegel und/oder einen Galvanometer-Scanner auf.
Das Bearbeitungssystem 100 umfasst weiter eine Erkennungseinrichtung 134, mittels welcher ein Zustand der Vorschubeinrichtung 128 ermittelbar ist. Unter dem Zustand der Vorschubeinrichtung 128 sind insbesondere die Position xo,yo,zo, Ausrichtung ao und/oder der Bewegungszustand vo, ao des Werkstücks 104 relativ zu dem Bearbeitungslaserstrahl 102 zu verstehen.
Insbesondere sind mittels der Erkennungseinrichtung 134 Ist-Werte und/oder Soll-Werte des Zustands der Vorschubeinrichtung 128 ermittelbar, d.h. es können Ist-Zustände und/oder ein Soll-Zustände der Vorschubeinrichtung 128 ermittelt werden.
Zur Ermittlung des Soll-Zustands der Vorschubeinrichtung 128 werden mittels der Erkennungseinrichtung 134 beispielsweise Daten aus der Vorschubeinrichtung 128 ausgelesen, auf deren Grundlage mittels der Vorschubeinrichtung 128 eine Steuerung des Werkstücks 104 hinsichtlich seiner Position und/oder seiner Ausrichtung und/oder seines Bewegungszustands relativ zu dem Bearbeitungslaserstrahl 102 zu einem bestimmten Zeitpunkt erfolgt. Die Erkennungseinrichtung 134 ist hierzu signalwirksam mit der Vorschubeinrichtung 128 verbunden (angedeutet in Fig. 1).
Es ist grundsätzlich auch möglich, dass die Erkennungseinrichtung 134 Teil der Vorschubeinrichtung 128 ist und/oder in die Vorschubeinrichtung 128 integriert ist. Die Erkennungseinrichtung 134 verfügt dann insbesondere über die Daten der Vorschubeinrichtung 128, auf deren Grundlage die Steuerung des Werkstücks 104 zu einem bestimmten Zeitpunkt erfolgt.
In jedem Fall stellt die Erkennungseinrichtung 134 die ermittelten oder vorhandenen Daten betreffend den Soll-Zustand der Vorschubeinrichtung 128 zur Weiterverarbeitung bereit.
Zur Ermittlung des Ist-Zustands der Vorschubeinrichtung 128 kann die Erkennungseinrichtung 134 eine Sensoreinrichtung 136 aufweisen. Mittels dieser Sensoreinrichtung 136 ist der Ist-Zustand der Vorschubeinrichtung 128 hinsichtlich Position, Ausrichtung und/oder Bewegungszustand des Werkstücks 104 relativ zu dem Bearbeitungslaserstrahl 102 messbar.
Die Sensoreinrichtung 136 ist beispielsweise eingerichtet, um Messwerte bezüglich der Halterung 126 und/oder der Scannereinrichtung 132 zu erfassen, aus welchen der Ist-Zustand der Vorschubeinrichtung 128 ermittelbar ist. Insbesondere weist die Sensoreinrichtung 136 ein oder mehrere Sensorelemente 138 auf, welche beispielsweise der Halterung 126 und/oder der Scannereinrichtung 132 zugeordnet sind.
Ein bestimmtes Sensorelement 138 kann beispielsweise als Positionssensor, Ausrichtungssensor, Geschwindigkeitssensor, Beschleunigungssensor oder Temperatursensor ausgebildet sein.
Im Betrieb des Bearbeitungssystems 100 ist es vorgesehen, dass die Phaseneinstelleinrichtung 114 angesteuert wird, um die jeweilige Phasendifferenz zwischen den kohärenten Laserstrahlen 110 und/oder den verstärkten kohärenten Laserstrahlen 122 einzustellen. Mittels der Phaseneinstelleinrichtung 114 lässt sich bei dem gezeigten Beispiel die jeweilige Phasendifferenz zwischen den in die Verstärkungseinrichtung 118 eingekoppelten kohärenten Laserstrahlen 110 einstellen, was eine Änderung und/oder Einstellung der jeweiligen Phasendifferenz zwischen den entsprechenden verstärkten kohärenten Laserstrahlen 122 bewirkt. Zur Ansteuerung der Phaseneinstelleinrichtung 114 weist das Bearbeitungssystem 100 eine Steuerungseinrichtung 140 auf, welche mit der Phaseneinstelleinrichtung 114 signalwirksam verbunden ist. Die Steuerungseinrichtung 140 ist eingerichtet, um die Phaseneinstelleinrichtung 114 auf Grundlage einer Zuordnungsvorschrift mit bestimmten Ansteuerwerten anzusteuern. Die Zuordnungsvorschrift enthält eine Zuordnung von Sollwerten der jeweiligen Phasendifferenz zwischen den kohärenten Laserstrahlen 110 und/oder verstärkten kohärenten Laserstrahlen 122 zu bestimmten Ansteuerwerten. Beispielsweise ist oder umfasst die Zuordnungsvorschrift eine Zuordnungstabelle.
Mittels der Steuerungseinrichtung 140 lässt sich somit die jeweilige Phasendifferenz zwischen den kohärenten Laserstrahlen 110 und/oder verstärkten kohärenten Laserstrahlen 122 auf vorgegebene Sollwerte einstellen. Es lässt sich dadurch der Bearbeitungslaserstrahl 102 mit vorgegebenen Eigenschaften zur Laserbearbeitung des Werkstücks 104 bereitstellen.
Weiter ist die Steuerungseinrichtung 140 eingerichtet, um die Phaseneinstelleinrichtung 114 im Betrieb des Bearbeitungssystems 100 in Abhängigkeit des Zustands, insbesondere des Soll-Zustands und/oder des Ist- Zustands, der Vorschubeinrichtung 128 anzusteuern. Insbesondere ist die Steuerungseinrichtung 140 eingerichtet, um die jeweilige Phasendifferenz zwischen den kohärenten Laserstrahlen 110 und/oder verstärkten kohärenten Laserstrahlen 122 in Abhängigkeit des Zustands der Vorschubeinrichtung 128 einzustellen.
Die Steuerungseinrichtung 140 ist beispielsweise signalwirksam mit der Erkennungseinrichtung 134 verbunden, um Informationen hinsichtlich des Zustands, insbesondere des Soll-Zustands und/oder des Ist-Zustands, der Vorschubeinrichtung 128 im Betrieb des Bearbeitungssystems 100 zu erhalten. Basierend auf diesen Informationen stellt die Steuerungseinrichtung 140 dann durch entsprechende Ansteuerung der Phaseneinstelleinrichtung 114 die jeweilige Phasendifferenz zwischen den kohärenten Laserstrahlen 110 bzw. verstärkten kohärenten Laserstrahlen 122 auf vorgegebene Sollwerte ein. Hierzu kann beispielsweise eine weitere Zuordnungsvorschrift vorgesehen sein, welche eine Zuordnung des Zustands der Vorschubeinrichtung zu den gewünschten Sollwerten der jeweiligen Phasendifferenz enthält. Diese weitere Zuordnungsvorschrift kann beispielsweise mehrere vordefinierte Parametersätze für die einzustellenden Phasendifferenzen enthalten, welche in Abhängigkeit des Zustands der Vorschubeinrichtung 128 ausgewählt werden.
Eine Haupt-Propagationsrichtung 142 der kohärenten Laserstrahlen 110 und/oder der verstärkten kohärenten Laserstrahlen 122 und/oder des Eingangslaserstrahls 108 und/oder des Bearbeitungslaserstrahls 102 durch das Bearbeitungssystem 100 ist in Fig. 1 durch einen Pfeil angedeutet.
Das Bearbeitungssystem 100 funktioniert wie folgt:
Im Betrieb des Bearbeitungssystems 100 werden mittels der Laserstrahlquelle 106 mehrere kohärente Laserstrahlen 110 bereitgestellt. Bei dem in Fig. 1 gezeigten Beispiel wird hierzu mit der Laserstrahlquelle 106 zunächst ein Eingangslaserstrahl 108 erzeugt und dieser mittels der Aufteilungseinrichtung 112 in die kohärenten Laserstrahlen 110 aufgeteilt.
Die bereitgestellten kohärenten Laserstrahlen 110 durchlaufen dann bei dem gezeigten Beispiel die Phaseneinstelleinrichtung 114 und anschließend die Verstärkungseinrichtung 118, wobei durch Verstärkung der kohärenten Laserstrahlen 110 mittels der Verstärkungseinrichtung 118 die verstärkten kohärenten Laserstrahlen 122 ausgebildet werden.
Die verstärkten kohärenten Laserstrahlen 122 werden in die Bearbeitungsoptik 124 eingekoppelt und mittels dieser kombiniert und fokussiert, um den mindestens einen Bearbeitungslaserstrahl 102 auszubilden. Der Bearbeitungslaserstrahl 102 wird zur Laserbearbeitung des Werkstücks 104 in dieses eingebracht und/oder fokussiert.
Zur Ausbildung des Bearbeitungslaserstrahls 102 bzw. der Bearbeitungslaserstrahlen 102 mit den gewünschten Eigenschaften ist es erforderlich, die jeweiligen Phasendifferenzen zwischen den verstärkten kohärenten Laserstrahlen 124 vor deren Kombination aufeinander abzustimmen. Hierzu werden diese Phasendifferenzen durch Ansteuerung der Phaseneinstelleinrichtung 114 mittels der Steuerungseinrichtung 140 eingestellt.
Zur Laserbearbeitung des Werkstücks 104 wird der mindestens eine Bearbeitungslaserstrahl 102 und insbesondere dessen Fokus oder Fokuszone in Abhängigkeit der Zeit an vorgegebenen Positionen xo,yo,zo und/oder mit vorgegebenen Ausrichtungen ao und/oder Bewegungszuständen vo, ao in das Werkstück 104 eingebracht bzw. relativ zu ausgerichtet bzw. relativ zu diesem bewegt. Die entsprechende Steuerung des Bearbeitungslaserstrahls 102 relativ zu dem Werkstück 104 erfolgt mittels der Vorschubeinrichtung 128, welche beispielsweise für einen bestimmten Laserbearbeitungsvorgang des Werkstücks 104 entsprechend programmiert ist.
Die Steuerungseinrichtung 140 ist, wie oben erläutert, eingerichtet, um die Phasendifferenzen in Abhängigkeit des Zustands der Vorschubeinrichtung 128 einzustellen. Hierzu erhält die Steuerungseinrichtung 140 von der Erkennungseinrichtung 134 entsprechende Informationen.
Die Erkennungseinrichtung 134 ermittelt den Zustand der Vorschubeinrichtung 128, d.h. deren Ist-Zustand und/oder Soll-Zustand, durch Auslesen von Informationen aus der Vorschubeinrichtung 128 selbst und/oder aus den Sensorelementen 138 der Sensoreinrichtung 136.
Unter dem Zustand der Vorschubeinrichtung 128 sind insbesondere Position xo,yo,zo und/oder Ausrichtung ao und/oder Bewegungszustand vo, ao des Werkstücks 104 relativ zu dem auf das Werkstück 104 wirkenden Bearbeitungslaserstrahl 102 zu verstehen.
Beispielsweise kann das Werkstück vier unterschiedliche Bereiche Ai, A2, Bi und B2 aufweisen, welche in Fig. 2 schematisch gezeigt und deren räumliche Begrenzungen durch die gestrichelten Linien dargestellt sind. Die Vorschubeinrichtung 128 kann dann beispielsweise so konfiguriert sein, dass das Werkstück 104 zur Durchführung eines Laserbearbeitungsvorgangs mit dem Bearbeitungslaserstrahl 102 in den Bereichen Ai, Bi, B2 und A2 zeitlich nacheinander beaufschlagt wird.
Durch Erkennung der aktuellen Soll-Position und/oder Ist-Position des Bearbeitungslaserstrahls 102 mittels der Erkennungseinrichtung 134 und Weitergabe dieser Information an die Steuerungseinrichtung 140 kann diese die Phaseneinstelleinrichtung 114 beispielsweise so ansteuern, dass in Abhängigkeit des jeweiligen Bereichs Ai, A2, Bi, B2 des Werkstücks 104, in welchem der Bearbeitungslaserstrahl 102 momentan positioniert ist, die jeweiligen Phasendifferenzen zwischen den verstärkten kohärenten Laserstrahlen 122 auf unterschiedliche Werte eingestellt werden. Beispielsweise kann es vorgesehen sein, dass für die Bereiche Ai und A2 ein erster vordefinierter Parametersatz für die jeweiligen Phasendifferenzen eingestellt wird und für die Bereiche Bi und B2 ein zweiter vordefinierter Parametersatz.
Durch Einstellung der jeweiligen Phasendifferenzen lassen sich Eigenschaften der vorhandenen Bearbeitungslaserstrahlen 102 definieren, wie beispielsweise deren jeweilige Intensität. Bei dem ausgeführten Beispiel könnten die vordefinierten Parametersätze beispielsweise so gewählt werden, dass der Bearbeitungslaserstrahl 102 in den Bereichen Ai und A2 bzw. Bi und B2 unterschiedliche Intensitäten aufweist.
Bezugszeichenliste
Ai, A2 Bereiche des Werkstücks
BI, B2 Bereiche des Werkstücks xo,yo,zo Position
VO Geschwindigkeit ao Beschleunigung ao Anstellwinkel
100 Bearbeitungssystem
102 Bearbeitungslaserstrahl
104 Werkstück
106 Laserstrahlquelle
108 Eingangslaserstrahl
110 kohärenter Laserstrahl
112 Aufteilungseinrichtung
114 Phaseneinstelleinrichtung
116 Phaseneinstellelement
118 Verstärkungseinrichtung
120 Verstärkungselement
122 verstärkte kohärente Laserstrahlen
124 Bearbeitungsoptik
126 Halterung
128 Vorschubeinrichtung
130 Referenzebene
132 Scannereinrichtung
134 Erkennungseinrichtung
136 Sensoreinrichtung
138 Sensorelement
140 Steuerungseinrichtung
142 Haupt-Propagationsrichtung

Claims

Patentansprüche Bearbeitungssystem zur Laserbearbeitung eines Werkstücks (104), umfassend
- mindestens eine Laserstrahlquelle (106) zur Bereitstellung einer Mehrzahl von kohärenten Laserstrahlen (110),
- eine Phaseneinstelleinrichtung (114) zur Einstellung einer jeweiligen Phasendifferenz zwischen den kohärenten Laserstrahlen (110),
- eine Verstärkungseinrichtung (118) zur Verstärkung der kohärenten Laserstrahlen (110), wobei durch Verstärkung der jeweiligen kohärenten Laserstrahlen (110) jeweilige verstärkte kohärente Laserstrahlen (122) ausgebildet werden,
- eine Bearbeitungsoptik (124) zur Kombination der verstärkten kohärenten Laserstrahlen (122) zu mindestens einem Bearbeitungslaserstrahl (102) und zur Beaufschlagung des Werkstücks (104) mit dem mindestens einen Bearbeitungslaserstrahl (102),
- eine Vorschubeinrichtung (128) zur Steuerung einer Position (xo,yo,zo) und/oder einer Ausrichtung (oo) und/oder eines Bewegungszustands (vo, ao) des Werkstücks (104) relativ zu dem mindestens einen Bearbeitungslaserstrahl (102),
- eine Erkennungseinrichtung (134) zur Ermittlung eines Zustands der Vorschubeinrichtung (128), und
- eine Steuerungseinrichtung (140) zur Ansteuerung der Phaseneinstelleinrichtung (114), wobei die Steuerungseinrichtung (140) eingerichtet ist, die Phaseneinstelleinrichtung (114) in Abhängigkeit des mittels der Erkennungseinrichtung (134) ermittelten Zustands der Vorschubeinrichtung (128) anzusteuern. Bearbeitungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Zustand der Vorschubeinrichtung (128) zumindest eines der Folgenden umfasst:
- eine Position (xo,yo,zo) des Werkstücks (104) relativ zu dem mindestens einen Bearbeitungslaserstrahl (102);
- eine Ausrichtung des Werkstücks (104) relativ zu dem mindestens einen Bearbeitungslaserstrahl (102), insbesondere einen Anstellwinkel (oo) des mindestens einen Bearbeitungslaserstrahls (102) zu einer Referenzebene (130) des Werkstücks (104);
- einen Bewegungszustand des Werkstücks (104) relativ zu dem mindestens einen Bearbeitungslaserstrahl (102), insbesondere eine Geschwindigkeit (vo) und/oder Beschleunigung (ao) des Werkstücks (104) relativ zu dem mindestens einen Bearbeitungslaserstrahl (102); Bearbeitungssystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerungseinrichtung (140) eingerichtet ist, durch Ansteuerung der Phaseneinstelleinrichtung (114) die jeweilige Phasendifferenz zwischen den kohärenten Laserstrahlen (110) und/oder den verstärkten kohärenten Laserstrahlen (122) in Abhängigkeit des Zustands der Vorschubeinrichtung (128) einzustellen. Bearbeitungssystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der mittels der Erkennungseinrichtung (134) ermittelte Zustand der Vorschubeinrichtung (128) ein Ist-Zustand und/oder ein Soll-Zustand der Vorschubeinrichtung (128) ist. Bearbeitungssystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorschubeinrichtung (128) eine Scannereinrichtung (132) umfasst, welche insbesondere einen akustooptischen Deflektor und/oder einen Scannerspiegel und/oder einen Galvanometer-Scanner aufweist. Bearbeitungssystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Halterung (126) zur Anordnung und/oder Fixierung des Werkstücks (104), wobei die Vorschubeinrichtung (128) dazu eingerichtet ist, das an der Halterung (126) angeordnete Werkstück (104) relativ zu dem mindestens einen Bearbeitungslaserstrahl (102) zu bewegen und/oder auszurichten. Bearbeitungssystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Erkennungseinrichtung (134) eine Sensoreinrichtung (136) zur Ermittlung eines Ist-Zustands der Vorschubeinrichtung (128) aufweist, wobei die Sensoreinrichtung (136) insbesondere einer oder mehreren Komponenten des Bearbeitungssystems zugeordnet ist, welche dazu eingerichtet sind, den mindestens einen Bearbeitungslaserstrahl (102) relativ zu dem Werkstück (104) zu bewegen und/oder auszurichten. Bearbeitungssystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Erkennungseinrichtung (134) zum Auslesen und/oder Aufbereiten von Daten aus der Vorschubeinrichtung (128) eingerichtet ist, um den Soll-Zustand der Vorschubeinrichtung (128) zu ermitteln. Bearbeitungssystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ansteuerung der Phaseneinstelleinrichtung (114) mittels der Steuerungseinrichtung (140) auf Grundlage einer vorgegebenen Zuordnungsvorschrift erfolgt, wobei die Zuordnungsvorschrift insbesondere mindestens zwei unterschiedliche vordefinierte Parametersätze aufweist, welche in Abhängigkeit des mittels der Erkennungseinrichtung (134) ermittelten Zustands der Vorschubeinrichtung (128) ausgewählt werden. Bearbeitungssystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mittels der Laserstrahlquelle (106) bereitgestellten kohärenten Laserstrahlen (110) gepulste Laserstrahlen und insbesondere Ultrakurzpulslaserstrahlen sind und/oder dass der mindestens eine Bearbeitungslaserstrahl (102) ein gepulster Laserstrahl und insbesondere ein Ultrakurzpulslaserstrahl ist. Verfahren zur Laserbearbeitung eines Werkstücks (102), wobei
- eine Mehrzahl von kohärenten Laserstrahlen (110) bereitgestellt wird,
- eine jeweilige Phasendifferenz zwischen den kohärenten Laserstrahlen (110) eingestellt wird,
- die kohärenten Laserstrahlen (110) verstärkt werden, wobei durch Verstärkung der jeweiligen kohärenten Laserstrahlen (110) jeweilige verstärkte kohärente Laserstrahlen (122) ausgebildet werden,
- die verstärkten kohärenten Laserstrahlen (122) zu dem mindestens einen Bearbeitungslaserstrahl (102) kombiniert werden und das Werkstück (104) mit dem mindestens einen Bearbeitungslaserstrahl (102) beaufschlagt wird,
- eine Position (xo,yo,zo) und/oder eine Ausrichtung (oo) und/oder ein Bewegungszustand (vo, ao) des Werkstücks (104) relativ zu dem mindestens einen Bearbeitungslaserstrahl (102) mittels einer Vorschubeinrichtung (128) gesteuert wird,
- ein Zustand der Vorschubeinrichtung (128) mittels einer Erkennungseinrichtung (134) ermittelt wird, und
- die Phaseneinstelleinrichtung (114) mittels einer Steuerungseinrichtung (140) angesteuert wird, wobei die Steuerungseinrichtung (140) die Phaseneinstelleinrichtung (114) in Abhängigkeit des mittels der Erkennungseinrichtung (134) ermittelten Zustands der Vorschubeinrichtung (128) ansteuert.
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