WO2024061719A1 - Verfahren zur zeitoptimierung einer laserbearbeitung eines objekts - Google Patents

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Gerald Schmid
Christian Sonner
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Definitions

  • the present invention relates to a method, in particular a computer-implemented method, for optimizing the time of laser processing of an object, in which a laser is directed along a predetermined processing path on the object by a galvo -Scan system can be operated, in which a location-dependent energy input curve E(s) is defined along the predetermined processing path into the object by the laser.
  • a location-dependent first power curve L 1 (s) of the laser is determined along the processing path and in which a location-dependent one is determined based on the location-dependent first power curve L 1 (s) and the location-dependent energy input curve E (s).
  • idealized velocity curve vmax(s) is calculated. Furthermore, a time-dependent path progress s(t) is calculated in such a way that a realizable speed curve v(s) of the laser along the processing path is limited by the location-dependent idealized speed curve vmax(s) and at least a dynamic limit of the galvo scanning system is maintained along the processing path.
  • a time-dependent second power curve L 2 (s(t)) is calculated, whereby the location-dependent first power curve L1(s) is reduced in such a way that at locations (s) on the machining path where the realizable speed curve v(s) is lower than the location-dependent idealized velocity curve v max (s), the location-dependent energy input curve E(s) is achieved.
  • the aim is generally to achieve the highest possible processing throughput or the shortest possible treatment time.
  • the path speed can be selected as high as possible depending on the available power of the laser and the properties of the laser process and set as the laser speed for the laser process. 2 BLA-10603a-22 September 14, 2023 Likewise, a higher speed can be provided for jumps (with the laser switched off) between different sections of the machining plan (jump speed) in order to shorten the overall machining time.
  • a real-time control of the galvanometer scanning system provides typical automatic functions for these processes, which carry out adjustment corrections based on control data or sensor values at the time of execution of the laser material processing (e.g. SCANLAB RTC6 automatic laser control / Spot Distance Control function) .
  • the generated gray value of a laser-marked pixel of an image can be related to the laser power to be used via a non-linear function (e.g. gamma correction).
  • the laser power can also be corrected depending on the scanning position and/or defocusing of the laser.
  • the required laser power can also be related non-linearly to the path speed of the scanner.
  • the position-controlled galvanometer scanners do not follow the specified path exactly, but - due to the properties of the position controller - with a lag.
  • the drag delay is typically compensated for by a time delay in the laser control (“laser delays”), whereby the path deviations (drag errors) can be largely corrected, at least along straight paths with a constant path speed.
  • laser delays a time delay in the laser control
  • the object of the present invention is to carry out the laser processing or laser treatment more quickly.
  • the task is solved by a method, the computer program, the computer-readable storage medium and by a laser processing device with the features of the independent patent claims.
  • What is proposed is a method, in particular a computer-implemented method, for optimizing the time of laser processing of an object, in which a laser can be guided along a predetermined processing path on the object by a galvo scanning system.
  • a laser beam is guided over the object and moved, thereby processing the object.
  • the object can be a workpiece that is, for example, cut, welded and/or engraved.
  • the workpiece can also be processed in such a way that areas on the surface are removed.
  • the object can also be a body part if laser processing is used in the medical field.
  • the object can also be a piece of textile that needs to be labeled.
  • the laser can be used to dissolve a dye on the piece of textile so that the corresponding area is bleached.
  • a location-dependent energy input curve E(s) is determined by the laser along the specified processing path into the object.
  • the location-dependent energy input curve E(s) indicates at which locations along the processing path the energy input is how high. For example, if material is to be removed from the workpiece, the amount of material removed depends at least on the energy input.
  • the location-dependent energy input curve E(s) is therefore a default value curve or becomes 4 BLA-10603a-22 September 14, 2023 calculated from a default value curve.
  • the default value curve can indicate how the processed object should be designed after processing.
  • a location-dependent first power curve L1(s) of the laser is determined along the processing path and based on the location-dependent first power curve L1(s) and the location-dependent energy input curve E(s), a location-dependent idealized speed curve v max (see ) calculated.
  • the location-dependent first power curve L 1 (s) can be set as high as possible in order to obtain a high energy input in a short time.
  • the location-dependent first power curve L 1 (s) can be the maximum laser power or at least come close to it.
  • the location-dependent idealized speed curve vmax(s) indicates the maximum speed of the laser along the processing path at which the location-dependent first power curve L1(s) just reaches the location-dependent energy input curve E(s).
  • a time-dependent path progress s(t) is calculated in such a way that a realizable speed curve v(s) of the laser along the processing path is limited by the location-dependent idealized speed curve vmax(s) and at least a dynamic limit of the galvo scanning system is maintained along the processing path (4).
  • the location-dependent idealized velocity curve vmax(s) represents the optimum, this optimum cannot be achieved due to the dynamic limit of the galvo scanning system.
  • the time-dependent path progress s(t) is calculated in such a way that the achievable speed curve v(s) complies with the dynamic limits.
  • the machining path on the object can also be calculated, whereby the machining path can be represented as p(s(t)).
  • the p(s(t)) can, for example, include two components, i.e. be two-dimensional. Alternatively, the p(s(t)) can also include three components, i.e. be three-dimensional.
  • the p(s(t)) gives the coordinates of the laser on the object.
  • the p(s(t)) can be defined in a Cartesian coordinate system that describes the coordinates of the laser on the object.
  • the p(s(t)) can also be represented as a vector depending on the time-dependent path progress s(t).
  • a time-dependent second power curve L2(s(t)) is calculated, whereby the location-dependent first power curve L1(s) is art is reduced so that the location-dependent energy input curve E(s) is achieved at locations (s) of the machining path where the realizable speed curve v(s) is lower than the location-dependent idealized speed curve vmax(s).
  • the location-dependent energy input curve E(s) or simply the target energy input or energy input describes the effect that the user wants to achieve on the workpiece in the process.
  • the distance energy required for this can be constant (energy per distance), for which the average power of the laser can be selected proportionally depending on the feed speed (scan speed).
  • a color can be adjusted through the interaction of the laser with certain combinations of process parameters such as feed, focusing and/or laser power, between which there is a non-linear relationship 6 BLA-10603a-22 September 14, 2023 must be taken into account in order to ensure the required energy input.
  • the laser power can be adjusted, in particular by pulse energy, pulse duration and/or pulse frequency. It is advantageous if the time-dependent path progress s(t) is calculated in such a way that the processing time of the processing path is minimized. This achieves time optimization for laser processing.
  • the time-dependent path progress s(t) is calculated in such a way that the realizable speed curve v(s) of the laser becomes maximum, at least in sections.
  • the maximum achievable speed curve v(s) reduces the processing time of the processing path.
  • the time-dependent path progress s(t) is calculated using an optimization method and/or an optimization algorithm. Various optimization methods are known for this. For example, in the optimization process, several different time-dependent path progress s(t) can be determined, and from this the time-dependent path progress s(t) can be selected, which provides the shortest processing time of the processing path.
  • the time-dependent path progress s(t) can be calculated using a system of differential equations in which the dynamic limits, the location-dependent energy input curve E(s), the location-dependent first power curve L 1 (s) and/or the location-dependent idealized speed curve v max (s). It is advantageous if the time-dependent path progress s(t) is calculated in such a way that a dynamic limit of the laser, in particular the laser power, is maintained.
  • a dynamic limit of the laser is, for example, 7 BLA-10603a-22 September 14, 2023 that the laser power cannot be changed indefinitely quickly. For example, a temporal rate of change dL(t)/dt or the local rate of change dL(s)/ds is limited.
  • the time-dependent path progress s(t) is calculated in such a way that an acceleration and/or a jerk limit is maintained as the dynamic limit of the galvo scanning system.
  • the acceleration and/or a jerk limit is due in particular to the inertia of deflection mirrors of the galvo scanning system, the physical limits of the galvanometer drives and their power supply as well as properties of the position control method used for controlling the angular position of the deflection mirrors.
  • Speed, acceleration and/or jerk are generally vector quantities.
  • the mentioned dynamic limits for the acceleration and/or the jerk can also be maintained for at least one vector component.
  • an amount of the acceleration and/or jerk vector can also be taken into account.
  • the dynamic limits are in particular restrictions on the permissible value ranges of the first, second and third time derivatives of p(s(t)).
  • the dynamic limits can in particular be restrictions on the value ranges for the second and third time derivatives of vector components of p(s(t)).
  • the dynamic limits correspond to the upper limit for jerk and/or acceleration of the galvanometer drives in the galvo scanner.
  • This procedure is particularly advantageous if a scanning system is used with a lag-free controller, in which the dynamic limits can be described with good approximation using acceleration and/or jerk limits of the galvoscanner and the temporal behavior of the system 8 BLA-10603a-22 September 14, 2023 can be predicted with high precision when executing an acceleration and/or jerk-limited trajectory. It is advantageous if the time-dependent path progress s(t) is calculated in such a way that it, the realizable speed curve and/or curves that can be derived from it, in particular by means of a time derivative, are continuously and/or continuously differentiable, in particular smooth.
  • Courses that can be derived from the time-dependent path progress s(t) are, for example, the time derivatives ds(t)/dt as a realizable speed course, d2s(t)/dt2 as an acceleration course, d3s(t)/dt3 as a jerk course and even higher ones Derivations. Additionally or alternatively, other courses can also be derived from the time-dependent path progress s(t) if the path progress s(t) is used to calculate other courses. If the said courses are continuous and/or continuously differentiable, in particular smooth, they have advantageous movement properties.
  • the location-dependent first power curve L1(s), the realizable speed curve v(s) calculated from the time-dependent path progress, curves that can be derived from the time-dependent path progress s(t), in particular by means of the time derivative, and/or the time-dependent second power curve L2(s(t)) are calculated and/or determined in such a way that they are step-shaped and/or constant in at least some path sections along the processing path. This can simplify the calculation and/or the control of the laser and/or the galvo scanning system.
  • the location-dependent energy input curve E(s), the location-dependent first power curve L 1 (s) and/or the location-dependent idealized speed curve vmax(s) can be calculated and/or determined in a step-like and/or constant manner in order to respond to special processing tasks or .if the restrictions are sufficient for the processing tasks. This allows the optimization to be carried out more easily.
  • the staircase-shaped and/or sectionally constant representation of the said courses or 9 BLA-10603a-22 September 14, 2023 Function the associated values must be and/or be stored in value tables. Optimization using discrete values allows for simpler calculations and customized calculations. If the step-shaped or section-wise constant sections are chosen to be small, the corresponding courses and functions can be determined more precisely.
  • the step-shaped or section-wise constant sections are chosen to be larger, less time is required for the calculation.
  • the size of the sections of the said curves and functions, which are constant in sections can be selected so that their time processing or processing is in the range of one cycle of the control.
  • the location-dependent energy input curve E(s) is stepped and/or constant in at least some path sections along the processing path.
  • Such a location-dependent energy input curve E(s) can be available as input data or default value, for example in a table. This can be the case if there are special customer requests, and time optimization can also be carried out in a simpler manner with the discrete, location-dependent energy input curve E(s).
  • an orientation and/or positioning of the galvo scanning system relative to the processing path is taken into account when calculating the time-dependent second power curve L2(s(t)) and/or the location-dependent idealized speed curve v max (s). .
  • the laser falls obliquely onto the object and onto the processing path.
  • the full power is no longer applied to the processing path.
  • the processing path can no longer be traveled at the highest possible speed, so that the location-dependent idealized speed curve v max (s) can also be taken into account in the calculation.
  • the time-dependent coordinates p(s(t)) for the processing path for the galvo scanning system for moving the laser along the Processing path (4) can be determined.
  • the coordinates p(s(t)) are a two-dimensional vector with the components px(s(t)) and py(s(t)).
  • the p(s(t)) can also be a three-dimensional vector so that the position of the laser in space can be described. These indicate the coordinates of the machining path on the object. These are then converted by the galvo scanning system into time-dependent angular positions for deflection mirrors of the galvo scanning system, so that the laser is moved along the processing path.
  • the method for optimizing the time of laser processing of an object is carried out by a computing unit. It is advantageous if the coordinates p(s(t)) are transmitted to a galvo control unit of the galvo scanning system and the time-dependent second power curve L(s(t)) is transmitted to a laser control.
  • the laser controller controls the power of the laser so that the time-dependent second power curve L(s(t)) is formed. It is advantageous if the object is processed after transmission.
  • the object is preferably processed after the time optimization of the processing path. The time optimization of further machining paths of the entire machining task or sections of the path can optionally also take place simultaneously with the processing of the already calculated paths or path sections.
  • the entire processing task can be broken down into path sections, which represent processing paths in the sense of the method according to the invention.
  • This approach places high demands on the time efficiency of the time optimization process.
  • the laser processing is simulated with computer assistance before the actual laser processing of the object.
  • the operating behavior of laser processing can be simulated.
  • it can be simulated and determined whether laser processing can be carried out with the feasible speed curve v(s) and/or the time-dependent second power curve L 2 (s(t)). Additionally or alternatively, it can be simulated and/or determined whether the machining path is processed correctly or within tolerance specifications using the determined courses.
  • the time required to process the machining path can be simulated and/or determined.
  • the simulation has the advantage that corrections can be made if the simulation reveals that the laser processing is incorrect or not as desired.
  • the laser processing or the time optimization process can then be adjusted or changed. It is advantageous if the real laser processing of the object takes place after the time optimization of the laser processing. Additionally or alternatively, the real laser processing of the object can take place after simulating the laser processing. This has the advantage that the laser processing process is then known, so that errors during processing are avoided.
  • a method for optimizing the time of laser processing of an object with a laser processing device having a galvo scanning system and a laser, in which a respective energy input is provided for several path sections of a given processing path by a Laser is fixed or specified, the respective energy input being dependent on a laser power and a laser speed of the laser in the respective path section.
  • a first laser power of the laser in particular a constant and/or maximum one, is determined across the path sections.
  • a respective idealized laser speed is then determined for the path sections, taking into account the first laser power, with which the respective energy input is achieved in the path section.
  • the respective idealized laser speed is then determined taking into account at least one dynamic limit 12 BLA-10603a-22 September 14, 2023 Galvo scanning system and/or the laser is adapted to a respective feasible laser speed, in particular reduced.
  • the first laser power is adapted to a second laser power, in particular reduced, in such a way that the respective energy input is achieved. It is advantageous if the energy input, the laser power, in particular the first and/or second laser power, the laser speed, in particular the idealized and/or realizable laser speed, are preferably time- and/or location-dependent mathematical functions present.
  • the energy input, the laser power, in particular the first and/or second laser power, the laser speed, in particular the idealized and/or realizable laser speed, in at least one of the path sections is either constant or time and/or or varies depending on location.
  • the invention is additionally or alternatively designed in accordance with the preceding and/or subsequent description, whereby the features mentioned can be present individually or in any combination.
  • a laser can be guided along a path over a workpiece using a galvanometer scanner.
  • the position of the focus along the laser beam can be adjusted synchronously using a dynamically variably adjustable focusing device in order to guide the laser focus along a path in three spatial dimensions.
  • the processing result can be, for example, a laser marking, a laser ablation, a laser weld seam or a laser cut.
  • both the path of the laser focus relative to the workpiece and the properties of the laser beam must be controlled synchronously, 13 BLA-10603a-22 September 14, 2023 to set the local energy input.
  • a variation in the energy input can be set, for example, by changing the average power or the energy, duration or frequency of pulses or a duty cycle during modulation.
  • the laser can be switched off in areas that are not to be processed and switched on on the processing paths. Due to the high demands on synchrony, the laser, galvanometer scanner, focusing device and/or, if necessary, other movement axes are controlled by a specially designed real-time control system (e.g. SCANLAB RTC6).
  • the processing goal can be, for example, a homogeneous energy input along the path or a targeted local variation, such as the laser marking of an image line of a rasterized image with grayscale information (bitmap), depending on the application Image point - i.e. spatially resolved - is available.
  • bitmap grayscale information
  • the starting point is a predetermined geometry of the processing path p(s) and values of a target energy input E(s) at least for support points at points along the path.
  • path parameters i.e. distance along the path
  • a target energy input E(s) at least for support points at points along the path.
  • path parameters i.e. distance along the path
  • a galvanometer scanning system with a “trajectory controller” i.e. with a position control method without drag delay
  • a laser that allows a variable setting of at least one parameter to influence the average laser power within a setting range and the limits of laser dynamics.
  • the necessary laser power parameters L to realize a 14 BLA-10603a-22 September 14, 2023 Energy input E are described by a functional relationship L(E); and/or - Use of a computing unit to optimize the processing plan; and/or - optimization of the execution time of the path (trajectory) p(s(t)) by maximizing the course of the path progress speed ds/dt with an optimization algorithm, - preferably the control limits and dynamic limits of the galvanometer scanning system (axis-wise positions, Speeds, acceleration and possibly also jerk) are not exceeded (necessary for the algorithm: conversion into limits for ds/dt and d2s/dt2, d3s/dt3); and/or - the minimum necessary processing time determined from the target energy input E(s), the maximum available laser power L(E) and/or the dynamic limits of the laser power change (dL/dt,...) and thus maximum possible path speed depending on s is not exceeded (i.e.
  • the time course of the scanner control p(s(t)) and/or the time course of the laser power specification L(E(s(t))) from the predetermined route energy input E(s) is calculated; and/or - transferring the previously planned trajectory p(s(t)) and the time course of the laser power L(E(s(t))) to a real-time control system; and/or - Synchronous output of control data for the galvanometer scanning system and the laser based on the precalculated trajectory and the time course of the laser power (whereby signal processing/conversion/time gridding of the respective signals for laser and galvanometer) scanners can be done independently of each other).
  • the function L(E) can contain a correction (compensation of the optical image) that is dependent on the positioning of the laser focus by the scanning system.
  • the function E(s) can be constant or linear in sections and/or defined with equidistant support points. E.g. marking a line of a bitmap (grayscale image) or at the start and end of welding processes.
  • the specified geometric path can be a line of a rasterized grayscale image and/or the specified target energy inputs can be constant and equidistant in sections in order to achieve the grayscale values of the Pixels of the grayscale image.
  • the pre-calculated trajectories are preferably at least limited in speed and acceleration.
  • An improvement in path stability can be achieved through additional jerk limitation. 16 BLA-10603a-22 September 14, 2023 It is advantageous if, during advance planning, based on the geometric course of the path, a course of the maximum possible speed is determined at which all dynamic limits of the galvanometer scanning system can be adhered to. For curved paths, a locally maximum speed can be determined at which the acceleration and jerk limits of the galvanometer scanning system are not exceeded in any axial direction. The complexity of calculating a time-optimal jerk-limited trajectory is high. In order to save computing time, a smoothing method can be used when calculating an acceleration and/or jerk-limited trajectory, in particular for calculating a jerk-limited trajectory from an acceleration-limited trajectory.
  • the galvanometer scanning system can include two galvanometer axes and the path can be a 2D path that lies in a processing plane in a focal plane.
  • the galvanometer scanning system may include a dynamic focusing system and the path may be a 3D path, particularly a path disposed on a non-planar surface of a workpiece.
  • the galvanometer scanning system can be combined with additional slower redundant axes, whereby the planning can include a division of the movement between the axes of the galvanometer scanner and the redundant axes.
  • the other axes can move the workpiece relative to the galvanometer scanning system or the galvanometer scanning system relative to the workpiece.
  • the galvanometer scanning system can include four galvanometer axes to dynamically scan both beam position and beam direction in two axes 17 BLA-10603a-22 September 14, 2023.
  • the process parameters then also include, in particular, the angle of attack of the laser beam.
  • This 4-axis system can be expanded to include a focusing unit, so that the processing distance is also variable.
  • defocusing of the beam which can occur due to the limited dynamics of the focusing device, can be compensated for by adjusting (increasing) the laser power.
  • a buffer adjustment range of the laser power can be provided, which is reserved in advance planning in order to be able to make real-time compensation while the machining is being carried out.
  • Deterministic advance planning and control is advantageous instead of real-time compensation or instead of iterative optimization of the control by trial and error.
  • processing is carried out at a higher scanning speed along the path at locations with lower target energy input.
  • the limit of the available laser power is taken into account by calculating the course of a local maximum speed depending on the local target energy input (in an intermediate step).
  • the temporal execution is optimized taking into account the dynamic limits of the scanning system and/or the laser. It is advantageous if a drag-free controller of the galvanometer scanning system is used, when using which a pre-calculation of the setpoint curve (trajectory planning) is preferably required in order to limit acceleration and/or jerk along the path.
  • bitmaps a rasterized image with grayscale information
  • a laser for example in particular for creating patterns on textiles or for generating a photo representation on a chip card ID card, which is described below .
  • the invention is additionally or alternatively designed in accordance with the following description, whereby the features mentioned can be present individually or in any combination.
  • Bitmaps consist of a large number of pixels and are marked line by line unidirectionally or bidirectionally using laser scanners, especially galvo scanning systems. Typically, the line speed is kept constant and the laser energy per pixel is varied according to the desired gray value. The dynamics of the scanning system are irrelevant to the image quality because the acceleration phases lie outside the bitmap area.
  • Drag delays can be compensated for by offsetting the lines. In this way, high-resolution bitmaps can be lasered precisely.
  • the scanning speed within a line can be adjusted to the gray value curve.
  • the required laser energy is determined from the gray value of the pixel; from this value, the maximum possible pixel speed at the location of the pixel can be calculated using the maximum available laser power.
  • a time-optimal trajectory can be created for each pixel line, 19 BLA-10603a-22 September 14, 2023 a time-dependent position progression can be determined. Acceleration and jerk limits of the system must be taken into account.
  • the speed of the trajectory at each pixel position must be smaller than the maximum possible pixel speed, which is calculated from the gray values, otherwise the gray value cannot be realized.
  • the laser power is optimally used when the maximum laser power is always used and the gray values are only achieved via the scanning speed. Gray values can vary arbitrarily from pixel to pixel, which would require very high acceleration of the scanning system.
  • the task now is to determine a time-optimal trajectory under the given boundary conditions. The possible time savings depend heavily on the gray value distribution of the bitmaps; the conditions are usually favorable for textile structuring. In order to be able to follow the calculated trajectory exactly, pre-control of the scanner control is required. This can be done with a scanning system such as the SCANLAB excelliSCAN or offline.
  • the laser control for the pixels must be precise at each pixel position. Due to the on-time of the laser and the pixel speed, the pixel expands over a certain length that is smaller than the pixel spacing. The laser should be controlled so that the pixels are centered on the desired pixel grid.
  • the gray value of pixel i within a line is denoted by the value ⁇ ⁇ .
  • the value range of ⁇ is between 0 and 1.
  • Bitmap files normally use 8-bit gray values, ie the gray values must first be normalized to 1. A gray value of 0 corresponds to "white" and therefore the maximum laser energy. Depending on the process, an inverse connection is also possible.
  • the actual speed is usually lower and the gray value must be achieved by reducing the laser power or briefly switching it off.
  • DutyCycleMax ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ (1 ⁇ G ⁇ ) ⁇
  • the trajectory can be calculated with acceleration and/or jerk limitations so that it can also be carried out by the scanning system. Since 3rd order trajectory planning is relatively complex and time-consuming, a simpler approach can be chosen for some applications. First, a second-order trajectory is calculated, then the jerk limitation is implemented using a moving average. This procedure is much simpler and faster, but does not provide the optimal solution. Speed planning can take place in the local area, i.e. depending on the position. ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ The maximum possible change in speed between two neighboring pixels with a distance D can be determined by integration.
  • ⁇ ⁇ ⁇ + 2 ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ 22 BLA-10603a-22 09/14/2023
  • Acceleration-limited velocity planning can be done very quickly with one-time forward and backward planning along the pixel line.
  • ⁇ ⁇ is determined and compared with the maximum possible pixel speed. If the speed is allowed, it will be used for these pixels, otherwise the maximum possible speed will be used.
  • the trajectory x(t) can now easily be calculated from the optimized position-dependent speed curve over a pixel line.
  • the maximum possible acceleration of the scanning system for trajectory planning within a line does not necessarily have to be used. A reduced value may be sufficient to achieve the desired increase in performance.
  • a moving average can be applied to the trajectory if jerk limitation is needed.
  • the averaging takes place over 2 ⁇ ⁇ + 1 time steps, the index j indicates the position in 10 ⁇ s time steps. Acceleration jumps are thus distributed over 2 ⁇ ⁇ + 1 time steps and the jerk is limited.
  • ⁇ 1 Averaging acts like a low-pass filter on the pixel speed, which can increase the speed in some positions and slightly exceed the maximum possible speed. This can also be avoided by appropriately refining the planning process. 23 BLA-10603a-22 September 14, 2023 In addition, crossing paths must be added at the beginning and end of the line. The length results from multiplying the pixel speed at the first and last pixel by the travel time of ⁇ ⁇ 10 ⁇ .
  • the laser control signals for the pixels can now be determined from the trajectory; signal transit times must be taken into account.
  • Jumps from the end of a line to the beginning of the next line should also take place in optimal time.
  • the calculation can be done with 3rd order or 2nd order and averaging filter.
  • the start and end speeds of the pixel lines must be taken into account individually.
  • the starting and ending positions of the lines can vary.
  • the lines are marked bidirectionally.
  • Fast algorithms are available in commercially or freely available libraries for planning the jumps.
  • the speed may also need to be explicitly limited and not just implicitly via the gray values of the pixel line.
  • an optimal planning of the paths adapted to the image content can optionally also be carried out.
  • a computer program which, when executed by a computing unit, causes it to carry out at least some of the method steps of the time optimization method in accordance with one or more of the method steps described in the preceding and/or subsequent description.
  • the computer program can, for example, be stored in a memory in the computing unit and/or can be executed by the computing unit.
  • the computing unit can also be designed using a computer.
  • a computer-readable storage medium comprising a computer program, wherein the computer program, when executed by means of a computer, causes the computer to carry out the time optimization method according to one or more of the method steps described in the preceding and/or subsequent description.
  • the computer-readable storage medium may be the above-mentioned memory.
  • the computer program can be designed according to a feature of the previous and/or subsequent description.
  • a laser processing device for laser processing an object with a laser for laser processing is also proposed.
  • the laser can be generated by a laser unit.
  • the laser processing device includes a galvo scanning system for guiding a laser over the object. 25 BLA-10603a-22 September 14, 2023
  • the laser processing device includes the computing unit, wherein the computing unit is designed to carry out the method according to at least one method step described in the preceding and/or subsequent description. Below is a possible calculation for the time-optimized running or processing of the machining path on the object.
  • the geometric path ⁇ is defined by, ⁇ ( ⁇ ) where ⁇ ( ⁇ ) , ⁇ ( ⁇ ) , ⁇ ( ⁇ ) are the path coordinates in relation to the previous arc length ⁇ ⁇ [0, ⁇ ].
  • the derivatives ⁇ ⁇ , ⁇ ⁇ can be viewed as linear over the support points [ ⁇ ⁇ , ⁇ ⁇ ... ⁇ ⁇ ] of the spline, ⁇ ⁇ where ⁇ ⁇ , ⁇ ( ⁇ ) are the basis functions of the spline. These are determined using the De Boor algorithm.
  • the support points [ ⁇ ⁇ , ⁇ ⁇ ... ⁇ ⁇ ] are now the optimization parameters. In order to completely linearize the optimization task, an approximation for ⁇ ⁇ must be found. To do this, you solve the optimization problem without 27 BLA-10603a-22 September 14, 2023 Jerk limitation.
  • the ⁇ * determined in this way represents an upper limit of all feasible jerk-limited trajectories.
  • the solution space of the task can only be smaller or equal to the ⁇ * already determined due to an additional condition (jerk).
  • the condition can be introduced as a pseudo-jerk in the second optimization step.
  • Step 1 ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ Step 2: ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇
  • FIG. 3 shows an alternative example of a location-dependent energy input curve E(s) as well as a location-dependent idealized and a realizable speed curve v(s).
  • E(s) a location-dependent energy input curve
  • v(s) a location-dependent idealized and a realizable speed curve
  • 1 shows laser processing of an object 1 by a laser 2 along a processing path 4 using a laser processing device 19.
  • the laser source 20 generates a laser beam (hereinafter referred to as “laser” for short).
  • the laser 2 is guided over the object 1 and along the processing path 4 with the aid of a galvo scanning system 3.
  • the laser 2 is moved over the object 1.
  • a beam of the laser 2 or a laser beam or a laser focus of the laser 2 is moved over the object 1 and along the processing path 4.
  • the processing path 4 has a path start 5 and a path end 6.
  • the laser 2 thus sweeps over the processing path 4, or simply the path 4, from the beginning of the path 5 to the end of the path 6.
  • the laser 2 begins the processing of the object 1 at the beginning of the path 5 and ends the processing of the object 1 at the end of the path 6.
  • Galvo scanning system 3 means here that the galvo scanning system 3 has at least one, in particular at least two, galvanometer drive(s) 9, 10, which are explained in more detail below. Galvo is the abbreviation for galvanometer drive here and below.
  • the galvo scanning system 3 in this exemplary embodiment comprises two deflection mirrors 7, 8. With the help of the two deflection mirrors 7, 8, the laser 2 can be moved over a flat area the object 1 can be moved. For example, the laser 2 can be moved in one direction by means of a first deflection mirror 7, whereas a second deflection mirror 8 can move the laser 2 in a transverse direction oriented thereto.
  • the laser beam can optionally be focused onto the plane of the workpiece using scanning optics 11 in the beam path after the deflection mirrors 7, 8.
  • an f-theta lens can be used for this, in which the position of the focus in the plane depends essentially linearly on the deflection angles of the two deflection mirrors.
  • the first deflection mirror 7 can be moved with the aid of a first galvanometer drive 9 and the second deflection mirror 8 can be moved with the aid of a second galvanometer drive 10.
  • the galvo scanning system 3 receives position data p(t) from a controller 22, which represent the coordinates of the processing path 4 on the object 1.
  • the processing path 4 is determined by means of the position data p(t).
  • To control the galvanometer drives 9, 10, these position data p(t) are used to specify a target position of the deflection mirrors 7, 8 at times t.
  • the respective position of the deflection mirrors 7, 8 depends on the orientation and/or position of the galvo scanning system 3 relative to the object 1.
  • the calculation of the time-dependent path progress s(t) is described in the following description and/or is explained in the previous description.
  • the laser processing system (NR) includes a focusing unit 21, with the help of which the divergence of the laser beam 2 can be varied. This makes it possible not only to edit the object 1 in width and length, but also in depth.
  • the laser 2 can be expanded with the aid of the focusing unit 21, so that the laser 2 processes the object 1 not only at one point or in a relatively small area, but also in a correspondingly larger area due to the expansion. The laser 2 can thus be defocused.
  • the focusing unit 21 is arranged downstream of the laser source 20 and/or spaced from the galvo scanning system 3. As can be seen here, the focusing unit 21 is located in front of a laser coupling 12 explained below. Optionally, the focusing unit 21 can also be an integral part of the galvo scanning system 3 31 BLA-10603a-22 September 14, 2023 Furthermore, the galvo scanning system 3 has a laser coupling 12. The laser 2 can be generated at a remote location and coupled into the galvo scanning system 3 for guidance over the object 1. Alternatively, it is possible for the laser 2 to be generated directly in or on the galvo scanning system 3. The laser source 20 shown here can therefore also be part of the galvo scanning system 3.
  • the laser processing device 19 includes the controller 22, which in this example is arranged outside the galvo scanning system 3, but which can optionally also be integrated into the galvo scanning system 3 and in particular into the galvo control unit 13.
  • the controller 22 can also be integrated into the computer unit 14.
  • a controller 22 for example, a SCANLAB RTC6 PCI plug-in card can be used in the computer unit 14 or a SCANLAB RTC6 Ethernet box, which is connected to the computer unit 14 via an Ethernet connection.
  • the controller 22 can advantageously control the laser source 22 in such a way that the laser power can be adjusted.
  • the controller 22 can be connected to a means for modulating the laser power, which in this example can be arranged in the laser source 22.
  • the controller 22 is also connected to the galvo scanning system 3 to transmit the position data p(t) to the galvo control unit 13.
  • the controller 22 can also be connected to the focusing unit 21 in order to vary the focus of the laser 2.
  • the galvo scanning system 3 according to the present exemplary embodiment includes the galvo control unit 13, which controls the galvo scanning system 3 and thus the movement of the laser 2.
  • the galvo control unit 13 can regulate the angular position of the two galvos 9, 10 or the two galvanometer drives 9, 10, so that the two deflection mirrors 7, 8 32 BLA-10603a-22 09/14/2023 can be moved according to the target position profile and guide the laser 2 along the processing path 4.
  • a control method is preferably implemented in the galvo control unit 13 that does not Has drag delay, in particular a so-called state controller or a so-called trajectory controller.
  • the control method can presuppose that the target position curve adheres to dynamic limits, in particular for speed and/or acceleration and/or jerk, which correspond to the physical limits of the galvanometer drives 7, 8 and/or the limits of their power supply.
  • the processing path 4 has a changing thickness.
  • the thickness here is intended to represent an energy input E into the object 1 along the processing path 4. Thicker points on the processing path 4 should represent a high energy input E, whereas thinner points represent a correspondingly low energy input E.
  • the energy input E is also the energy that the laser 2 introduces into the object 1 along the processing path 4.
  • the energy input E depends on the laser power L of the laser 2. A high laser power L leads to a high energy input E and a low laser power L leads to a low energy input E. Furthermore, the energy input E depends on time.
  • the object 1 can, for example, be engraved, removed, marked, cut and/or welded.
  • the object is 33 BLA-10603a-22 September 14, 2023 project 1 also edited accordingly.
  • the object can be processed in such a way that the properties of the object 1 change only slightly at this point.
  • the processing of the object 1 along the processing path 4 therefore depends on the energy input E along the processing path 4.
  • the processing of object 1 depends on other factors such as material etc., which are not yet taken into account here. Nonetheless, such factors may be taken into account in the method described in the following description and/or in the method described in the preceding description.
  • the object 1 can be a textile material into which a pattern is to be applied. With the help of the laser 2, a piece of textile, in particular a dyed piece of textile, can be bleached along the processing path 4. The energy input E from the laser 2 can destroy dyes, so that the textile piece becomes lighter in these areas.
  • a method for optimizing the time of the laser processing of the object 1, in which the laser 2 can be guided along the predetermined processing path 4 on the object 1 by a galvo scanning system 3, is proposed.
  • the object 1 can be a piece of textile or generally a workpiece. Additionally or alternatively, the object 1 can also be a body part, so that laser processing is used for medical purposes.
  • the computing unit 14 is shown here, with which the method explained in the previous description and/or the method explained in the following description can be carried out.
  • the control data determined using the method can be transmitted from the computing unit 14 to the controller 22.
  • the controller 22 controls at least the modulation of the laser power and the position of the laser 2 synchronously.
  • a laser processing device 19 is at least partially shown.
  • the laser processing device 19 includes the laser 2 or the laser source 20 with which the laser 2 is generated, the focusing unit 21, the galvo scanning system 3, the computing unit 14 and preferably the controller 22.
  • Figure 2 shows examples of a location-dependent energy input curve E(s) 15, a location-dependent idealized speed curve v(s) 16 and power curves 23, 24.
  • Figure 2 shows three diagrams or coordinate systems. In both coordinate systems, the abscissa axis indicates a location s or a location along the processing path 4. In the first upper diagram or coordinate system, the energy or the energy input E is plotted on the ordinate axis.
  • the location-dependent energy input curve E(s) 15 indicates how high the energy input must be at a location s on the processing path 4. It should be noted here that the location-dependent energy input curve E(s) 15 of FIG. 2 is modeled on the processing path 4 of FIG. 1.
  • the location-dependent energy input curve E(s) 15, as well as the location-dependent idealized velocity curve v(s) 16, also begins at the beginning of the path 5 and ends at the end of the path 6. The location s in the diagram or coordinate system therefore becomes from the beginning of the path 5 to the end of the path 6, the processing path 4 is also traversed from the beginning of the path 5 to the end of the path 6.
  • the location-dependent energy input curve E(s) 15 of FIG. 2 is modeled on the processing path 4 of FIG. 1, the location-dependent energy input curve E(s) 15 increases from the start of the path 5 to a middle area. In Figure 1, this is shown by the processing path 4 becoming thicker. The location-dependent energy input curve E(s) 15 then drops again, which is shown in FIG. 1 by the thinning processing path 4.
  • the location-dependent energy input curve E(s) 15 is advantageously predetermined. This means that the location-dependent energy input curve E(s) 15 36 BLA-10603a-22 September 14, 2023 is available as input data.
  • the location-dependent energy input curve E(s) 15 can advantageously also be determined from a default value or from a location-dependent default value curve.
  • a customer specifies a removal course along the processing path 4 as a default value course, the removal course specifying how much material should be removed along the processing path 4.
  • a bleaching curve can also be specified as a default value curve, which indicates how strongly the textile piece should be bleached along the processing path 4.
  • the location-dependent energy input curve E(s) 15 can be determined from this default value curve, with at least material properties preferably being taken into account for this purpose. It is clear that different energy inputs are required for plastic and metal, such as iron or steel, in order to achieve comparable material removal.
  • the energy input E into the object 1 in an area along the processing path 4 is determined from the location-dependent energy input curve E(s) 15 by integrating the location-dependent energy input curve E(s) 15 in the corresponding area in the diagram.
  • the laser 2 is moved through the processing path 4 as quickly as possible.
  • the greatest possible speed of the laser 2 along the processing path 4 is limited, on the one hand, by the fact that the location-dependent energy input curve E(s) 15 must be achieved.
  • the laser 2 only has a limited laser power.
  • a location-dependent first power curve L1(s) 23 of the laser 2 is determined along the processing path 4.
  • the location-dependent first power curve L1 (s) 23 is always less than or equal to the maximum possible power of the laser 2.
  • the location-dependent first power curve L1 (s) 23 is set as high as possible, so that the processing time of the processing path 4 is shortened, especially constant 37 BLA-10603a-22 September 14, 2023 and equal to the available maximum power that the laser source 20 can generate. It is advantageous if the location-dependent first power curve L 1 (s) 23 is set constant at least in sections, as shown here. Based on the location-dependent first power curve L1(s) 23 and the location-dependent energy input curve E(s) 15, the location-dependent idealized speed curve v max (s) 16 is calculated.
  • a possible relationship between the location-dependent idealized speed curve vmax(s) 16, the location-dependent first power curve L1(s) 23 and the location-dependent energy input curve E(s) 15 can be, for example, as follows: ⁇ ( ⁇ ) ⁇ ( ⁇ ) ⁇ ⁇
  • the idealized speed at location s can in particular be proportional to the ratio of the location-dependent power curve L1 and the desired energy input E at location s.
  • another, in particular a non-linear relationship between power L, energy E and speed v can also apply to the laser process.
  • the only important thing for the method according to the invention is that there is a range of values in which a speed v can be assigned to an energy input E and a power L via a known relationship.
  • a focus size or an angle of incidence of the laser 2 can also be included.
  • This relationship can be determined, for example, from experimental parameter studies in which the laser processing is carried out with at least several different values of the parameters power and speed and the energy input (e.g. the material removal or the color change) is evaluated.
  • the values determined experimentally in this way can be recorded in a table of values and interpolation can be made between the values in this table.
  • the table of values or a suitable representation of the interpolation is included in the calculation 38 BLA-10603a-22 September 14, 2023 section 14 and allows the calculation of one of the three variables speed v, power L and/or energy input E if the other two variables are given.
  • the location-dependent idealized velocity curve vmax(s) 16 is shown in the middle diagram or coordinate system in FIG. As can be seen, the location-dependent idealized velocity curve vmax(s) 16 is comparatively low in the middle area.
  • the location-dependent idealized velocity curve vmax(s) 16 is low in the middle range for the following reason.
  • the location-dependent energy input curve E(s) 15 is large in the middle area, which corresponds, for example, to the thick, middle area of the processing path 4 in FIG.
  • a comparatively high energy input E should take place in the processing path 4.
  • the location-dependent idealized speed curve vmax (s) 16 must be lower in this area, so that the high energy input E can be achieved.
  • the laser 2 must move accordingly slowly along the processing path 4.
  • the location-dependent idealized speed curve vmax(s) 16 is larger, since the location-dependent energy input curve E(s) 15 is lower here.
  • the processing path 4 can be traversed more quickly by the laser 2, while the specified energy input E can still be achieved.
  • This “idealizes” the location-dependent idealized velocity curve v max (s) 16 39 BLA-10603a-22 September 14, 2023 means here that this is the maximum speed vmax that the laser 2 can have along the processing path 4 depending on the location s, so that in the location-dependent first power curve L 1 (s) 23 of the location - dependent energy input curve E(s) 15 is just reached.
  • a time-dependent path progress s(t) is also calculated in such a way that a realizable speed curve v(s) 17 of the laser 2 along the processing path 4 is limited by the location-dependent idealized speed curve v max (s) 16 and at least one Dynamic limit of the galvo scanning system 3 along the processing path 4 is maintained.
  • the at least one dynamic limit results from the fact that the deflection mirrors 7, 8 cannot be moved as quickly as desired and/or their orientation cannot be changed as quickly as desired.
  • the galvanometer drives 9, 10 also have an inertia, so that the laser 2, for example, cannot be accelerated at any desired speed in order to achieve the idealized speed curve v max (s) 16.
  • the at least one dynamic limit can therefore be an acceleration limit and/or a jerk limit of the galvo scanning system 3, in particular the deflection mirrors 7, 8 and/or the galvanometer drives 9, 10.
  • the idealized speed curve vmax(s) 16 can therefore at most be achieved by the realizable speed curve v(s) 17.
  • the realizable speed curve v(s) 17 is therefore limited by the idealized speed curve vmax(s) 16.
  • the time-dependent path progress s(t) is calculated during the process.
  • the time-dependent path progress s(t) indicates at what point in time the laser 2 has progressed and how far along the processing path 4.
  • the time-dependent path progress s(t) thus indicates at which location s the laser 2 is located at which time t. 40 BLA-10603a-22 September 14, 2023
  • the time-dependent path progress s(t) is advantageously calculated using an optimization method, so that a throughput time of the laser 2 through the processing path 4 or a processing time of the processing path 4 becomes minimal. Additionally or alternatively, the time-dependent path progress s(t) can be calculated using the optimization method in such a way that the realizable speed curve v(s) 17 becomes maximum at least in sections, in particular everywhere. In the middle diagram of Figure 2, an exemplary realizable speed curve v(s) 17 is also shown as a dashed line.
  • the realizable speed curve v(s) 17 is limited by the location-dependent idealized speed curve v max (s) 16. At least in the area of the beginning of the path 5 shown here, the two courses 16, 17 can be at least approximately the same, for example since the laser 2 has already been accelerated in a forward run. However, it should be noted that the realizable speed curve v(s) 17 can very well approximate the location-dependent idealized speed curve vmax(s) 16 if, for example, a straight processing path 4 has a constant energy input E, so that there are no changes in the laser power L and/or or the speed v are necessary. In this exemplary case, the realizable speed curve v(s) 17 can approach the location-dependent idealized speed curve v max (s) 16.
  • a time-dependent second power curve L 2 (s(t)) 24 is also calculated, the location-dependent first power curve L 1 (s) 23 being reduced in such a way that at points or locations s of the processing path (4) where the Realizable speed curve v(s) 17 is less than the idealized location-dependent speed curve vmax(s) 16, the location-dependent energy input curve E(s)15 is achieved. Since the realizable speed curve v(s) 17 is lower than the location-dependent idealized speed curve vmax(s) 16, the laser 2 also stays longer 41 BLA-10603a-22 September 14, 2023 an area of the processing path 4, so that while maintaining the location-dependent first power curve L 1 (s) 23, the energy input E becomes too large, in particular exceeds the specification.
  • the location-dependent first power curve L 1 (s) 23 is reduced to the time-dependent second power curve L2 (s (t)) 24 .
  • a connection between the realizable speed curve v(s) 17, the location-dependent energy input curve E(s) 15 to be achieved and the time-dependent second power curve L 2 (s(t)) 24 can be, for example, as follows: ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ( ⁇ ) ⁇ ⁇ ( ⁇ ) ⁇ ⁇ ( ⁇ )
  • the time-dependent path progress s(t) can be defined as a standardized path progress, ie s(t) represents the length of the distance covered on the path up to time t.
  • the time-dependent path progress s(t) is therefore clearly reversible into a t(s).
  • ⁇ ( ⁇ ) ⁇ ( ⁇ ) ⁇
  • v(s) v(t(s)).
  • the two power curves 23, 24 are shown here in the diagram below. As can be seen, the location-dependent first power curve L 1 (s) 23 is greater than or equal to the time-dependent second power curve L 2 (s (t)) 24. It can also be seen that the second power curve L2 (s (t)) 24 compared to the power curve L 1 (s) 23 is reduced to a greater extent at the locations where the realizable speed curve 17 deviates further downwards from the idealized speed curve 16.
  • FIG. 3 shows an example of a processing path 4 which has a discrete, location-dependent energy input curve E(s) 15.
  • E(s) 15 a discrete, location-dependent energy input curve
  • FIG. 3 shows six boxes, which are exemplary path sections 18 along the processing path 4.
  • the fact that the processing path 4 only has six path sections 18 is merely a simplification for the explanation.
  • a processing path 4 can comprise significantly more path sections 18, for example up to a few 10,000, since a path section 18 can have a size of a few ⁇ m.
  • the discrete, location-dependent energy input curve E(s) 15 shown here becomes an approximately continuous, location-dependent energy input curve E(s) 15, so that continuous functions can also be used.
  • the location-dependent energy input curve E(s) 15 can come, for example, from a default value curve to gray values.
  • Each web section 18 can be assigned a gray value that reflects a color tone, for example on a piece of textile. With the help of the default value curve or the gray value for each web section, the location-dependent energy input curve E(s) 15 can be determined so that the corresponding color tone is achieved on the textile piece.
  • each path section 18 is assigned an energy input E, which can be determined based on the location-dependent energy input curve E(s) 15.
  • This location-dependent energy input curve E(s) 15 is therefore approximately similar to that of FIGS. 1 and 2.
  • This location-dependent energy input curve E(s) 15 shown here is specified or determined from a default value curve.
  • the location-dependent idealized speed curve vmax(s) 16 is determined. Since the location-dependent energy input curve E(s) 15 is discrete, i.e. is constant along the respective path sections 18, the location-dependent idealized speed curve v max (s) 16 is also constant in sections, namely in the respective path sections 18.
  • the location-dependent idealized speed curve vmax(s) 16, as well as the location-dependent energy input curve E(s) 15, are stepped here or are a step function.
  • the realizable speed curve v(s) 17 is shown with the dash-dot line. This is calculated here so that it is linear in the respective path sections 18, with the temporal change in the speed v being limited here by a dynamic limit of the galvo scanning system 3 - in particular an acceleration limit in the example. In addition, this is calculated in such a way that it is limited by the location-dependent idealized velocity curve vmax(s) 16.
  • the realizable speed curve v(s) 17 does not follow the idealized speed curve vmax(s) 16 in the first path section 18a, since otherwise the amount of acceleration required in the area of the second path section 18b would exceed the acceleration limit of the galvo scanning system 3 or the idealized speed curve vmax(s) 16 would be exceeded in the third path section 18c, even if the maximum available acceleration were used in the second path section 18b.
  • a variable speed v is already selected in the first path section 18a in order to distribute the total speed change ⁇ v required up to the beginning of the third path section 18c over the first two path sections 18a, 18b.
  • the speed v at the beginning of the first path section 18a would have to be selected to be lower than the idealized speed vmax(s) 16 in order to achieve a feasible speed. to be able to determine the speed curve v(s) 17. Since the realizable speed curve v(s) 17 is at least partially lower than the location-dependent idealized speed curve v max (s) 16, the location-dependent first power curve L 1 (s) 23 is reduced, with the time-dependent second power curve L2(s(t )) 24 is calculated so that the energy input curve E(s) is achieved or so that the energy inputs E in the respective path sections 18 are reached and in particular are not exceeded.
  • a constant energy input E can also be calculated for the path sections 18 from an average speed v of the path section 18, which corresponds to the energy input E of the path section 18 on average over time.
  • the third diagram shows the realizable speed curve v(s) 17 again, but smoothed here. This has the advantage that the realizable speed curve v(s) 17 is free of kinks, so that the speed v does not change abruptly. This smoothing also limits the jerk, which corresponds to the time derivative of the acceleration, to a finite value.
  • the same relationship between the process variables energy input E, speed v and power L can be used, which was used above in the context of calculating the idealized speed vmax (s) 16 has already been described.
  • this data can optionally be interpolated or scaled by the controller 22 or the computing unit 14 in order to match the timing of the controller 22 and/or the internal coordinate system of the galvo Scan system 3.
  • the control 22 can transmit to the galvo scanning system 3 every 10 ⁇ s two digital values with a resolution of 20 bits, which describe the target angular position of the galvanometer drives 7, 8 and synchronously the power of the laser 2 with a higher Modulate a clock rate of, for example, 8 MHz or 64 MHz.
  • the laser modulation can also be controlled by the controller 22, for example, with an analog signal that is obtained from a digital signal that the controller 22 generates from the time-dependent second power curve L2 (t).
  • the control 22 can also digitally modulate the laser source 20 between two powers, in particular also switching it on and off.
  • the controller 22 can control the laser source 20, for example, with a pulse width modulated signal, with which the time-dependent second power curve L2 (t) 24 is formed.
  • the duty cycle can be used to set an average laser power, which corresponds to the time-dependent second power curve L 2 (t).
  • the two power curves L 1 (s) 23, L 2 (s (t)) 24 are shown again in the lower diagram.
  • the second power curve L2(s(t)) 24 is stronger than the location-dependent first power curve L1(s) 23 is reduced.
  • the time-dependent second power curve L2(s(t)) 24 and the location-dependent first power curve L1 (s) 23 are the same, since the realizable speed curve v(s) 17 and the idealized speed curve vmax(s ) 16 are the same.
  • the time-dependent second power curve L2 (s(t)) 24 deviates relatively strongly from the location-dependent first power curve L1(s) 23, since the realizable speed curve v(s) 17 is also stronger deviates from the idealized speed curve vmax(s) 16.
  • the deviation is smaller compared to the fifth and sixth track sections 18e, 18f.
  • the reduction of the second power curve L2(s(t)) 24 compared to the location-dependent first power curve L 1 (s) 23 can depend on the location-dependent difference between the realizable speed curve v(s) 17 and the idealized speed curve vmax (s) 16 be dependent.
  • the present invention is not limited to the exemplary embodiments shown and described. Modifications within the scope of the patent claims are possible, as is a combination of the features 47 BLA-10603a-22 September 14, 2023 if these are shown and described in different exemplary embodiments.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren, insbesondere computerimplementiertes Verfahren, zur Zeitoptimierung einer Laserbearbeitung eines Objekts (1), bei der ein Laser (2) entlang einer vorgegebenen Bearbeitungsbahn (4) auf dem Objekt (1) durch ein Galvo-Scansystem (3) führbar ist, bei dem ein ortsabhängiger Energieeintragsverlauf E(s) (15) entlang der vorgegebenen Bearbeitungsbahn (4) in das Objekt durch den Laser festgelegt ist; bei dem ein ortsabhängiger erster Leistungsverlauf L1(s) (23) des Lasers (2) entlang der Bearbeitungsbahn (4) festgelegt wird und bei dem anhand des ortsabhängigen ersten Leistungsverlaufs L1(s) (23) und des ortsabhängigen Energieeintragsverlaufs E(s) (15) ein ortsabhängiger idealisierter Geschwindigkeitsverlauf vmax(s) (16) berechnet wird; bei dem ein zeitabhängiger Bahnfortschritt s(t) derart berechnet wird, dass ein realisierbarer Geschwindigkeitsverlauf v(s) (17) des Lasers (2) entlang der Bearbeitungsbahn (4) durch den ortsabhängigen idealisierten Geschwindigkeitsverlauf vmax(s) (16) beschränkt ist und zumindest eine Dynamikgrenze des Galvo-Scansystems (3) entlang der Bearbeitungsbahn (4) eingehalten wird; und bei dem ein zeitabhängiger zweiter Leistungsverlauf L2(s(t)) (24) berechnet wird, wobei der ortsabhängige erste Leistungsverlauf L1(s) (23) derart reduziert wird, dass an Orten (s) der Bearbeitungsbahn (4), an denen der realisierbare Geschwindigkeitsverlauf v(s) (17) geringer ist als der ortsabhängige idealisierte Geschwindigkeitsverlauf vmax(s) (16), der ortsabhängige Energieeintragsverlauf E(s) (15) erzielt wird.

Description

1 BLA-10603a-22 14.09.2023 Verfahren zur Zeitoptimierung einer Laserbearbeitung eines Objekts Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren, insbesondere computerim- plementiertes Verfahren, zur Zeitoptimierung einer Laserbearbeitung eines Objekts, bei der ein Laser entlang einer vorgegebenen Bearbeitungsbahn auf dem Objekt durch ein Galvo-Scansystem führbar ist, bei dem ein ortsabhän- giger Energieeintragsverlauf E(s) entlang der vorgegebenen Bearbeitungs- bahn in das Objekt durch den Laser festgelegt ist. Außerdem wird beim Ver- fahren bei dem ein ortsabhängiger erster Leistungsverlauf L1(s) des Lasers entlang der Bearbeitungsbahn festgelegt und bei dem anhand des ortsab- hängigen ersten Leistungsverlaufs L1(s) und des ortsabhängigen Energieein- tragsverlaufs E(s) ein ortsabhängiger idealisierter Geschwindigkeitsverlauf vmax(s) berechnet. Weiterhin wird ein zeitabhängiger Bahnfortschritt s(t) der- art berechnet, dass ein realisierbarer Geschwindigkeitsverlauf v(s) des La- sers entlang der Bearbeitungsbahn durch den ortsabhängigen idealisierten Geschwindigkeitsverlauf vmax(s) beschränkt ist und zumindest eine Dynamik- grenze des Galvo-Scansystems entlang der Bearbeitungsbahn eingehalten wird. Ein zeitabhängiger zweiter Leistungsverlauf L2(s(t)) wird berechnet, wo- bei der ortsabhängige erste Leistungsverlauf L1(s) derart reduziert wird, dass an Orten (s) der Bearbeitungsbahn, an denen der realisierbare Geschwindig- keitsverlauf v(s) geringer ist als der ortsabhängige idealisierte Geschwindig- keitsverlauf vmax(s), der ortsabhängige Energieeintragsverlauf E(s) erzielt wird. Bei einer Laserbearbeitung oder auch bei einer Laserbehandlung wird im All- gemeinen ein möglichst hoher Bearbeitungsdurchsatz bzw. eine möglichst kurze Behandlungszeit angestrebt. Dazu kann die Bahngeschwindigkeit in Abhängigkeit der verfügbaren Leistung des Lasers und der Eigenschaften des Laserprozesses möglichst hoch gewählt werden und als Lasergeschwin- digkeit für den Laserprozess festgelegt werden. 2 BLA-10603a-22 14.09.2023 Ebenso kann für Sprünge (mit abgeschaltetem Laser) zwischen verschiede- nen Abschnitten des Bearbeitungsplans eine höhere Geschwindigkeit vorge- sehen werden (Sprunggeschwindigkeit), um die gesamte Bearbeitungszeit zu verkürzen. Eine Echtzeitsteuerung des Galvanometer-Scansystems stellt für diese Ver- fahren typisch automatische Funktionen bereit, die zur Ausführungszeit der Lasermaterialbearbeitung Anpassungs-Korrekturen auf Basis von Steue- rungsdaten oder Sensor-Werten ausführen (z.B. SCANLAB RTC6 automati- sche Lasersteuerung / Funktion Spot Distance Control). Diese Funktionen können in der Regel vom Anwender konfiguriert werden. Hierbei können bekannte Abhängigkeiten des Prozesses von einem oder mehreren Prozessparametern in einer Kennlinie oder Parametertabelle hin- terlegt sein, auf deren Basis die Laserleistung in Abhängigkeit eines oder mehrerer Prozessparameter richtig eingestellt wird. Beispielsweise kann der erzeugte Grauwert eines lasermarkierten Pixels eines Bildes über eine nicht- lineare Funktion (z.B. Gamma-Korrektur) mit der einzusetzenden Laserleis- tung zusammenhängen. Beispielsweise kann die Laserleistung auch in Ab- hängigkeit der Scanposition und/oder einer Defokussierung des Lasers korri- giert werden. Insbesondere kann die benötigte Laserleistung auch nichtlinear mit der Bahngeschwindigkeit des Scanners zusammenhängen. Typisch folgen die positionsgeregelten Galvanometer-Scanner der vorgege- benen Bahn nicht exakt, sondern – bedingt durch die Eigenschaften des Po- sitionsreglers – mit einem zeitlichen Schleppverzug. Der Schleppverzug wird typisch durch eine zeitliche Verzögerung der Laseransteuerung („Laser- Delays“) ausgeglichen, wodurch die Bahnabweichungen (Schleppfehler) zu- mindest entlang gerader Bahnen mit konstanter Bahngeschwindigkeit weitge- hend korrigiert werden kann. 3 BLA-10603a-22 14.09.2023 Aus der WO 2020/025771 A1 ist ein Verfahren zur Laserbearbeitung eines Objekts bekannt. Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die Laserbearbeitung bzw. die La- serbehandlung schneller durchzuführen. Die Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren, das Computerprogramm, das computerlesbare Speichermedium und durch eine Laserbearbeitungsvorrich- tung mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche. Vorgeschlagen wird ein Verfahren, insbesondere computerimplementiertes Verfahren, zur Zeitoptimierung einer Laserbearbeitung eines Objekts, bei der ein Laser entlang einer vorgegebenen Bearbeitungsbahn auf dem Objekt durch ein Galvo-Scansystem führbar ist. Bei der Führung des Lasers wird ein Strahl des Lasers über das Objekt geführt und bewegt, womit das Objekt be- arbeitet wird. Beim Objekt kann es sich um ein Werkstück handeln, das bei- spielsweise geschnitten, geschweißt und/oder graviert wird. Weiterhin kann das Werkstück auch derart bearbeitet werden, dass Bereiche an der Oberflä- che abgetragen werden. Zusätzlich oder alternativ kann das Objekt auch ein Körperteil sein, wenn die Laserbearbeitung Anwendung im medizinischen Bereich findet. Weiterhin kann das Objekt auch ein Textilstück sein, welches beschriftet werden soll. Hierbei kann mittels des Lasers ein Farbstoff am Tex- tilstück aufgelöst werden, so dass die entsprechende Stelle ausgebleicht wird. Beim Verfahren ist ein ortsabhängiger Energieeintragsverlauf E(s) entlang der vorgegebenen Bearbeitungsbahn in das Objekt durch den Laser festge- legt. Der ortsabhängige Energieeintragsverlauf E(s) gibt an, an welchen Or- ten entlang der Bearbeitungsbahn der Energieeintrag wie hoch ist. Soll bei- spielsweise am Werkstück Material abgetragen werden, hängt die abgetra- gene Materialmenge zumindest von dem Energieeintrag ab. Der ortsabhän- gige Energieeintragsverlauf E(s) ist somit ein Vorgabewertverlauf oder wird 4 BLA-10603a-22 14.09.2023 aus einem Vorgabewertverlauf berechnet. Der Vorgabewertverlauf kann an- geben, wie das bearbeitete Objekt nach der Bearbeitung ausgebildet sein soll. Beim Verfahren wird ein ortsabhängiger erster Leistungsverlauf L1(s) des La- sers entlang der Bearbeitungsbahn festgelegt und anhand des ortsabhängi- gen ersten Leistungsverlaufs L1(s) und des ortsabhängigen Energieeintrags- verlaufs E(s) wird ein ortsabhängiger idealisierter Geschwindigkeitsverlauf vmax(s) berechnet. Der ortsabhängige erste Leistungsverlauf L1(s) kann so hoch wie möglich festgelegt werden, um in kurzer Zeit einen hohen Energie- eintrag zu erhalten. Beispielsweise kann der ortsabhängige erste Leistungs- verlauf L1(s) die maximale Laserleistung sein oder zumindest knapp an diese heranreichen. Der ortsabhängige idealisierte Geschwindigkeitsverlauf vmax(s) gibt die maximale Geschwindigkeit des Lasers entlang der Bearbeitungsbahn an, bei der beim ortsabhängigen ersten Leistungsverlauf L1(s) gerade der ortsabhängige Energieeintragsverlauf E(s) erreicht wird. Weiterhin wird beim Verfahren ein zeitabhängiger Bahnfortschritt s(t) derart berechnet, dass ein realisierbarer Geschwindigkeitsverlauf v(s) des Lasers entlang der Bearbeitungsbahn durch den ortsabhängigen idealisierten Ge- schwindigkeitsverlauf vmax(s) beschränkt ist und zumindest eine Dynamik- grenze des Galvo-Scansystems entlang der Bearbeitungsbahn (4) eingehal- ten wird. Zwar stellt der ortsabhängige idealisierte Geschwindigkeitsverlauf vmax(s) das Optimum dar, jedoch kann dieses Optimum aufgrund der Dyna- mikgrenze des Galvo-Scansystems nicht erreicht werden. Hierfür wird der zeitabhängige Bahnfortschritt s(t) derart berechnet, dass der realisierbare Geschwindigkeitsverlauf v(s) die Dynamikgrenzen einhält. Dieser Verlauf ist dann durch den ortsabhängigen idealisierten Geschwindigkeitsverlauf vmax(s) beschränkt, d.h. der ortsabhängige realisierbare Geschwindigkeitsverlauf v(s) überschreitet den ortsabhängigen idealisierten Geschwindigkeitsverlauf vmax(s) an keinem Ort. 5 BLA-10603a-22 14.09.2023 Aus dem zeitabhängigen Bahnfortschritt s(t) kann des Weiteren die Bearbei- tungsbahn auf dem Objekt berechnet werden, wobei die Bearbeitungsbahn als p(s(t)) dargestellt werden kann. Das p(s(t)) kann hierbei beispielsweise zwei Komponenten umfassen, also zweidimensional sein. Alternativ kann das p(s(t)) auch drei Komponenten umfassen, also dreidimensional sein. Das p(s(t)) gibt die Koordinaten des Lasers auf dem Objekt an. Beispielsweise kann das p(s(t)) in einem kartesischen Koordinatensystem definiert sein, das die Koordinaten des Lasers auf dem Objekt beschreibt. Das p(s(t)) kann auch als Vektor in Abhängigkeit des zeitabhängigen Bahnfortschritts s(t) dar- gestellt sein. Um den gegenüber dem ortsabhängigen idealisierten Geschwindigkeitsver- lauf vmax(s) beschränkten ortsabhängigen realisierbaren Geschwindigkeits- verlauf v(s) auszugleichen, wird ein zeitabhängiger zweiter Leistungsverlauf L2(s(t)) berechnet, wobei der ortsabhängige erste Leistungsverlauf L1(s) der- art reduziert wird, dass an Orten (s) der Bearbeitungsbahn, an denen der re- alisierbare Geschwindigkeitsverlauf v(s) geringer ist als der ortsabhängige idealisierte Geschwindigkeitsverlauf vmax(s), der ortsabhängige Energieein- tragsverlauf E(s) erzielt wird. Der ortsabhängige Energieeintragsverlauf E(s) oder auch lediglich Soll-Ener- gieeintrag oder Energieeintrag beschreibt die Wirkung, die der Anwender im Prozess auf dem Werkstück erzielen will. Hierbei kann die Streckenenergie, die hierzu notwendig ist, konstant sein (Energie pro Strecke), wozu die mitt- lere Leistung des Lasers in Abhängigkeit der Vorschubgeschwindigkeit (Scangeschwindigkeit) proportional gewählt werden kann. Es kann aber auch um komplexere Situationen gehen, bei denen z.B. eine Färbung durch die Wechselwirkung des Lasers mit bestimmten Kombinationen von Prozesspa- rametern wie Vorschub, Fokussierung und/oder Laserleistung eingestellt werden kann, zwischen denen ein nichtlinearer Zusammenhang besteht, der 6 BLA-10603a-22 14.09.2023 berücksichtigt werden muss, um den geforderten Energieeintrag zu gewähr- leisten. Die Laserleistung kann, insbesondere durch Pulsenergie, Pulsdauer und/oder Pulsfrequenz, eingestellt werden. Von Vorteil ist es, wenn der zeitabhängige Bahnfortschritt s(t) derart berech- net wird, dass eine Bearbeitungszeit der Bearbeitungsbahn minimiert wird. Hierdurch wird die Zeitoptimierung der Laserbearbeitung erreicht. Vorteilhaft ist es, wenn der zeitabhängige Bahnfortschritt s(t) derart berech- net wird, dass der realisierbare Geschwindigkeitsverlauf v(s) des Lasers zu- mindest abschnittsweise maximal wird. Durch den maximal realisierbaren Geschwindigkeitsverlauf v(s) wird die Bearbeitungszeit der Bearbeitungs- bahn verringert. Von Vorteil ist es, wenn der zeitabhängige Bahnfortschritt s(t) mittels eines Optimierungsverfahrens und/oder eines Optimierungsalgorithmus berechnet wird. Hierzu sind verschiedene Optimierungsverfahren bekannt. Beispiels- weise können beim Optimierungsverfahren mehrere unterschiedliche zeitab- hängige Bahnfortschritt s(t) ermittelt werden, und hieraus der zeitabhängige Bahnfortschritt s(t) ausgewählt werden, der die kürzeste Bearbeitungszeit der Bearbeitungsbahn liefert. Zusätzlich oder alternativ kann der zeitabhängige Bahnfortschritt s(t) mit einem System aus Differentialgleichungen berechnet werden, in das als Randbedingungen die Dynamikgrenzen, der ortsabhän- gige Energieeintragsverlauf E(s), der ortsabhängige erste Leistungsverlauf L1(s) und/oder der ortsabhängige idealisierte Geschwindigkeitsverlauf vmax(s) einfließen. Vorteilhaft ist es, wenn der zeitabhängige Bahnfortschritt s(t) derart berech- net wird, dass eine Dynamikgrenze des Lasers, insbesondere der Laserleis- tung, eingehalten wird. Eine Dynamikgrenze des Lasers ist beispielsweise, 7 BLA-10603a-22 14.09.2023 dass die Laserleistung nicht unbegrenzt schnell verändert werden kann. Bei- spielsweise ist eine zeitliche Änderungsrate dL(t)/dt oder die örtliche Ände- rungsrate dL(s)/ds begrenzt. Von Vorteil ist es, wenn der zeitabhängige Bahnfortschritt s(t) derart berech- net wird, dass als Dynamikgrenze des Galvo-Scansystems eine Beschleuni- gungs- und/oder eine Ruckgrenze eingehalten wird. Die Beschleunigungs- und/oder eine Ruckgrenze liegt insbesondere in der Trägheit von Ablenkspie- geln des Galvo-Scansystems, den physikalischen Grenzen der Galvanome- terantriebe und ihrer Stromversorgung sowie Eigenschaften des eigesetzten Positionsregelungsverfahrens für die Regelung der Winkelposition der Ab- lenkspiegel begründet. Bei der Geschwindigkeit, bei der Beschleunigung und/oder beim Ruck handelt es sich im Allgemeinen um vektorielle Größen. Die genannten Dynamikgrenzen für die Beschleunigung und/oder den Ruck können dabei auch für zumindest eine Vektorkomponente eingehalten wer- den. Zusätzlich oder alternativ kann beim Einhalten der Dynamikgrenzen auch ein Betrag des Beschleunigungs- und/oder des Ruckvektors berück- sichtigt werden. Dies bedeutet, dass zumindest eine, insbesondere alle, Vek- torkomponente(n) und/oder der Betrag des entsprechenden Vektors die Dy- namikgrenzen einhält. Die Dynamikgrenzen sind insbesondere Einschränkungen der zulässigen Wertebereiche der ersten, zweiten und dritten Zeitableitungen von p(s(t)). Die Dynamikgrenzen können insbesondere Einschränkungen der Wertebereiche für die zweiten und dritten Zeitableitungen von Vektorkomponenten von p(s(t)) sein. Die Dynamikgrenzen entsprechen der Obergrenze für Ruck und/oder Beschleunigung der Galvanometerantriebe im Galvo-Scanner. Dieses Vorgehen ist besonders vorteilhaft, wenn ein Scan-System mit einem schleppverzugsfreien Regler eingesetzt wird, bei dem die Dynamikgrenzen mit Beschleunigungs- und/oder Ruckgrenzen der Galvoscanner in guter Nä- herung beschrieben werden können und das zeitliche Verhalten des Systems 8 BLA-10603a-22 14.09.2023 bei der Ausführung einer beschleunigungs- und/oder ruckbegrenzten Trajek- torie mit hoher Präzision vorhergesagt werden kann. Vorteilhaft ist es, wenn der zeitabhängige Bahnfortschritt s(t) derart berech- net wird, dass dieser, der realisierbare Geschwindigkeitsverlauf und/oder da- raus ableitbare Verläufe, insbesondere mittels einer Zeitableitung, stetig und/oder stetig differenzierbar, insbesondere glatt, sind. Aus dem zeitabhän- gigen Bahnfortschritt s(t) ableitbare Verläufe sind beispielsweise die Zeitab- leitungen ds(t)/dt als realisierbarer Geschwindigkeitsverlauf, d²s(t)/dt² als Be- schleunigungsverlauf, d³s(t)/dt³ als Ruckverlauf und noch höhere Ableitun- gen. Zusätzlich oder alternativ können aus dem zeitabhängigen Bahnfort- schritt s(t) auch andere Verläufe hergeleitet werden, wenn der Bahnfortschritt s(t) zur Berechnung anderer Verläufe herangezogen wird. Wenn die besag- ten Verläufe stetig und/oder stetig differenzierbar, insbesondere glatt, sind, weisen diese vorteilhafte Bewegungseigenschaften auf. Von Vorteil ist es, wenn der ortsabhängige erste Leistungsverlauf L1(s), der aus dem zeitabhängigen Bahnfortschnitt berechnete realisierbare Geschwin- digkeitsverlauf v(s), aus dem zeitabhängigen Bahnfortschnitt s(t) ableitbare Verläufe, insbesondere mittels der Zeitableitung, und/oder der zeitabhängige zweite Leistungsverlauf L2(s(t)) derart berechnet und/oder festgelegt werden, dass diese treppenförmig und/oder in zumindest einigen Bahnabschnitten entlang der Bearbeitungsbahn konstant sind. Hierdurch kann die Berechnung und/oder die Ansteuerung des Lasers und/oder des Galvo-Scansystems ver- einfacht werden. Beispielsweise können der ortsabhängige Energieeintrags- verlauf E(s), der ortsabhängige erste Leistungsverlauf L1(s) und/oder der ortsabhängige idealisierte Geschwindigkeitsverlauf vmax(s) treppenförmig und/oder konstant berechnet und/oder festgelegt werden, um auf spezielle Bearbeitungsaufgaben einzugehen bzw. wenn die Einschränkungen für die Bearbeitungsaufgaben ausreichend sind. Hierdurch kann die Optimierung einfacher durchgeführt werden. Des Weiteren kann durch die treppenförmige und/oder abschnittsweise konstante Darstellung der besagten Verläufe bzw. 9 BLA-10603a-22 14.09.2023 Funktion die dazugehörigen Werte in Wertetabellen hinterlegt sein und/oder hinterlegt werden. Die Optimierung mittels den diskreten Werten erlaubt eine einfachere Berechnung sowie eine angepasste Berechnung. Werden die treppenförmigen bzw. die abschnittsweise konstanten Abschnitte klein ge- wählt, können die entsprechenden Verläufe und Funktionen genauer ermittelt werden. Werden die treppenförmigen bzw. die abschnittsweise konstanten Abschnitte größer gewählt, wird weniger Zeit für die Berechnung benötigt. Außerdem kann die Größe der abschnittsweise konstanten Abschnitte der besagten Verläufe und Funktionen so gewählt werden, dass deren zeitliche Bearbeitung oder Abarbeitung im Bereich eines Takts der Steuerung liegt. Insbesondere ist es von Vorteil, wenn der ortsabhängige Energieeintragsver- lauf E(s) treppenförmig und/oder in zumindest einigen Bahnabschnitten ent- lang der Bearbeitungsbahn konstant ist. Ein derartiger ortsabhängige Ener- gieeintragsverlauf E(s) kann als Eingangsdaten bzw. Vorgabewert, beispiels- weise in einer Tabelle, vorliegen. Dies kann bei speziellen Kundenwünschen vorliegen, wobei mit dem diskreten ortsabhängigen Energieeintragsverlauf E(s) auch die Zeitoptimierung auf einfachere Weise durchgeführt werden kann. Vorteilhaft ist es, wenn bei der Berechnung des zeitabhängigen zweiten Leis- tungsverlaufs L2(s(t)) und/oder des ortsabhängigen idealisierten Geschwin- digkeitsverlauf vmax(s) eine Orientierung und/oder eine Positionierung des Galvo-Scansystems zur Bearbeitungsbahn miteinberechnet wird. Ist das Ob- jekt beispielsweise schräg zum Galvo-Scansystem und somit schräg zum La- ser orientiert, fällt der Laser schräg auf das Objekt und auf die Bearbeitungs- bahn. Hierdurch wirkt nicht mehr die volle Leistung in die Bearbeitungsbahn. Des Weiteren kann die Bearbeitungsbahn nicht mehr mit der höchst mögli- chen Geschwindigkeit durchfahren werden, so dass auch der ortsabhängige idealisierte Geschwindigkeitsverlauf vmax(s) bei der Berechnung berücksich- tigt werden kann. 10 BLA-10603a-22 14.09.2023 Von Vorteil ist es, wenn aus dem zeitabhängigen Bahnfortschritt s(t) die zeit- abhängigen Koordinaten p(s(t)) zur Bearbeitungsbahn für den Galvo-Scan- system zum Bewegen des Lasers entlang der Bearbeitungsbahn (4) ermittelt werden. Die Koordinaten p(s(t)) sind beispielsweise ein zweidimensionaler Vektor mit den Komponenten px(s(t)) und py(s(t)). Alternativ kann das p(s(t)) auch ein dreidimensionaler Vektor sein, so dass die Position des Lasers im Raum beschrieben werden kann. Diese geben die Koordinaten der Bearbei- tungsbahn auf dem Objekt an. Diese werden dann vom Galvo-Scansystem in zeitabhängige Winkelstellungen für Ablenkspiegel des Galvo-Scansystems umgesetzt, so dass der Laser entlang der Bearbeitungsbahn bewegt wird. Vorteilhaft ist es, wenn das Verfahren zur Zeitoptimierung einer Laserbear- beitung eines Objekts von einer Recheneinheit durchgeführt wird. Von Vorteil ist es, wenn die Koordinaten p(s(t)) an eine Galvo-Steuereinheit des Galvo-Scansystems und der zeitabhängige zweite Leistungsverlauf L(s(t)) an eine Lasersteuerung übermittelt werden. Die Lasersteuerung steu- ert die Leistung des Lasers, so dass der zeitabhängige zweite Leistungsver- lauf L(s(t)) ausgebildet wird. Vorteilhaft ist es, wenn nach der Übermittlung das Objekt bearbeitet wird. Vorzugsweise wird das Objekt nach der Zeitopti- mierung der Bearbeitungsbahn bearbeitet. Die Zeitoptimierung weiterer Bear- beitungsbahnen der gesamten Bearbeitungsaufgabe oder von Abschnitte der Bahn kann dabei optional auch gleichzeitig mit der Bearbeitung der bereits berechneten Bahnen oder Bahnabschnitte erfolgen. Die gesamte Bearbei- tungsaufgabe kann hierzu in Bahnabschnitte zerlegt werden, die Bearbei- tungsbahnen im Sinn des erfindungsgemäßen Verfahrens darstellen. Bei die- sem Vorgehen bestehen hohe Anforderungen an die Zeiteffizienz des Ver- fahrens zur Zeitoptimierung. Vorteilhaft ist es, wenn im Vorfeld der realen Laserbearbeitung des Objekts die Laserbearbeitung rechnergestützt simuliert wird. Hierbei kann beispiels- weise ein Betriebsverhalten der Laserbearbeitung simuliert werden. Hiermit 11 BLA-10603a-22 14.09.2023 kann beispielsweise simuliert und ermittelt werden, ob die Laserbearbeitung mit dem realisierbaren Geschwindigkeitsverlauf v(s) und/oder dem zeitab- hängigen zweiten Leistungsverlauf L2(s(t)) ausgeführt werden kann. Zusätz- lich oder alternativ kann simuliert und/oder ermittelt werden, ob mit den ermit- telten Verläufen die Bearbeitungsbahn korrekt bzw. innerhalb von Toleranz- vorgaben bearbeitet wird. Zusätzlich oder alternativ kann die Zeit, die zum Bearbeiten der Bearbeitungsbahn benötigt wird, simuliert und/oder ermittelt werden. Die Simulation hat den Vorteil, dass nachkorrigiert werden kann, wenn bei der Simulation auffällt, dass die Laserbearbeitung fehlerhaft oder nicht wie gewünscht abläuft. Daraufhin kann die Laserbearbeitung bzw. das Verfahren der Zeitoptimierung angepasst bzw. geändert werden. Von Vorteil ist es, wenn nach der Zeitoptimierung der Laserbearbeitung die reale Laserbearbeitung des Objekts erfolgt. Zusätzlich oder alternativ kann die reale Laserbearbeitung des Objekts nach dem Simulieren der Laserbear- beitung erfolgen. Dies hat den Vorteil, dass dann der Ablauf der Laserbear- beitung bekannt ist, so dass Fehler bei der Bearbeitung vermieden werden. Vorgeschlagen wird ferner ein Verfahren, insbesondere ein computerimple- mentiertes Verfahren, zur Zeitoptimierung einer Laserbearbeitung eines Ob- jekts mit einer ein Galvo-Scansystems und einen Lasers aufweisenden La- serbearbeitungsvorrichtung, bei dem für mehrere Bahnabschnitte einer vor- gegebenen Bearbeitungsbahn ein jeweiliger Energieeintrag durch einen La- ser festgelegt wird oder vorgegeben ist, wobei der jeweilige Energieeintrag von einer Laserleistung und einer Lasergeschwindigkeit des Lasers in dem jeweiligen Bahnabschnitt abhängig ist. Bei dem Verfahren wird eine, insbe- sondere konstante und/oder maximale, erste Laserleistung des Lasers über die Bahnabschnitte hinweg festgelegt. Anschließend wird für die Bahnab- schnitte unter Berücksichtigung der ersten Laserleistung eine jeweilige ideali- sierte Lasergeschwindigkeit ermittelt, mit der der jeweilige Energieeintrag in dem Bahnabschnitt erzielt wird. Danach wird die jeweilige idealisierte Laser- geschwindigkeit unter Berücksichtigung zumindest einer Dynamikgrenze des 12 BLA-10603a-22 14.09.2023 Galvo-Scansystems und/oder des Lasers auf eine jeweilige realisierbare La- sergeschwindigkeit angepasst, insbesondere reduziert. Anschließend wird in denjenigen Bahnabschnitten, in denen eine Anpassung auf die jeweilige rea- lisierbare Lasergeschwindigkeit stattgefunden hat, die erste Laserleistung derart auf eine zweite Laserleistung angepasst, insbesondere reduziert, dass der jeweilige Energieeintrag erzielt wird. Vorteilhaft ist es, wenn der Energie- eintrag, die Laserleistung, insbesondere die erste und/oder zweite Laserleis- tung, die Lasergeschwindigkeit, insbesondere die idealisierte und/oder reali- sierbare Lasergeschwindigkeit, als vorzugsweise zeit- und/oder ortsabhän- gige mathematische Funktionen vorliegen. Zusätzlich oder alternativ ist es vorteilhaft, wenn der Energieeintrag, die Laserleistung, insbesondere die erste und/oder zweite Laserleistung, die Lasergeschwindigkeit, insbesondere die idealisierte und/oder realisierbare Lasergeschwindigkeit, in zumindest ei- nem der Bahnabschnitte entweder konstant ist oder zeit- und/oder ortsab- hängig variiert. Vorzugsweise ist die Erfindung zusätzlich oder alternativ gemäß der voran- gegangenen und/oder nachfolgenden Beschreibung ausgebildet, wobei die genannten Merkmale einzeln oder in beliebiger Kombination vorhanden sein können. Zur Bearbeitung eines Werkstücks kann ein Laser mit einem Galvanometer- scanner entlang einer Bahn über ein Werkstück geführt werden. Dabei kann optional synchron die Lage des Fokus entlang des Laserstrahls mit einer dy- namisch variabel einstellbaren Fokussiereinrichtung eingestellt werden, um den Laserfokus in drei Raumdimensionen entlang einer Bahn zu führen. In diesem Fall wird die Bahn p(s(t)) mit drei Vektorkomponenten von p be- schrieben, z.B. p=(px,py,pz). Das Bearbeitungsergebnis kann beispielsweise eine Laser-Markierung, ein Laser-Abtrag, eine Laser-Schweißnaht oder ein Laser-Schnitt sein. Zur Erzielung des gewünschten Bearbeitungsergebnisses mit hoher Genauigkeit ist sowohl die Bahn des Laserfokus relativ zum Werk- stück als auch die Eigenschaften des Laserstrahls synchron zu kontrollieren, 13 BLA-10603a-22 14.09.2023 um den örtlichen Energieeintrag einzustellen. Je nach Bauart des Lasers kann zum Beispiel eine Variation des Energieeintrags durch eine Änderung der mittleren Leistung oder der Energie, Dauer oder Frequenz von Pulsen oder einem Tastverhältnis bei der Modulation eingestellt werden. Der Laser kann in Bereichen, die nicht bearbeitet werden sollen, abgeschaltet und auf den Bearbeitungsbahnen eingeschaltet werden. Aufgrund der hohen Anforderungen an die Synchronität werden Laser, Gal- vanometer-Scanner, Fokussiereinrichtung und/oder ggf. weitere Bewegungs- achsen von einem speziell dafür ausgelegten Echtzeit-Steuerungs-System angesteuert (z.B. SCANLAB RTC6). Je nach Anwendung kann das Bearbeitungsziel beispielsweise ein homoge- ner Energieeintrag entlang der Bahn sein oder aber auch eine gezielte örtli- che Variation, wie z.B. bei der Laser-Markierung einer Bild-Zeile eines geras- terten Bilds mit Graustufeninformationen (Bitmap), die je Bildpunkt - also ortsaufgelöst - vorliegen. Vorgeschlagen wird daher ein Verfahren mit einem oder mehreren der nach- folgenden Merkmale: - Ausgangspunkt ist eine vorgegebene Geometrie der Bearbeitungs- bahn p(s) und Werte eines Soll-Energieeintrags E(s) zumindest für Stützstellen an Punkten entlang der Bahn. (s: Bahnparameter, also Wegstrecke entlang Bahn); und/oder - Einsatz eines Galvanometer-Scan-Systems mit einem „Trajektorien- Regler“ (also mit einem Positions-Regelungsverfahren ohne Schlepp- verzug); und/oder - Einsatz eines Lasers, der innerhalb eines Einstellbereichs und den Grenzen einer Laser-Dynamik eine variable Einstellung zumindest ei- nes Parameters zur Beeinflussung der mittleren Laserleistung erlaubt. Die notwendigen Laserleistungsparameter L zur Realisierung eines 14 BLA-10603a-22 14.09.2023 Energieeintrags E werden durch einen Funktionszusammenhang L(E) beschrieben; und/oder - Einsatz einer Recheneinheit zur Optimierung des Bearbeitungsplans; und/oder - Optimierung der Ausführungszeit der Bahn (Trajektorie) p(s(t)) durch die Maximierung des Verlaufs der Bahnfortschrittsgeschwindigkeit ds/dt mit einem Optimierungsalgorithmus, - wobei vorzugsweise die Stellgrenzen und Dynamikgrenzen des Galvanometer-Scan-Systems (achsweise Positionen, Ge- schwindigkeiten, Beschleunigung und ggf. auch Ruck) nicht überschritten werden (Für den Algorithmus notwendig: Umrech- nung in Grenzen für ds/dt und d²s/dt², d³s/dt³ ); und/oder - die aus dem Soll-Energieeintrag E(s), der maximal verfügbaren Laserleistung L(E) und/oder den Dynamikgrenzen der Laser- leistungsänderung (dL/dt,...) ermittelte minimal notwendige Be- arbeitungszeit und damit maximal mögliche Bahngeschwindig- keit in Abhängigkeit von s nicht überschritten wird (also eine zu- sätzliche obere Schranke für ds/dt); und/oder - Mit der so ermittelten Funktion s(t) wird der zeitliche Verlauf der Scan- neransteuerung p(s(t)) und/oder der zeitliche Verlauf der Laserleis- tungsvorgabe L(E(s(t))) aus dem vorgegebenen Strecken-Energieein- trag E(s) berechnet; und/oder - Übergabe der so vorausgeplanten Trajektorie p(s(t)) und des zeitli- chen Verlaufs der Laserleistung L(E(s(t))) an ein Echtzeit-Steuerungs- system; und/oder - Synchrone Ausgabe von Ansteuerungsdaten für das Galvanometer- Scansystem und den Laser auf Basis der vorausberechneten Trajek- torie und des zeitlichen Verlaufs der Laserleistung (wobei hier eine Signalaufbereitung/-konversion/zeitliche Rasterung der jeweiligen Sig- nale für Laser und Galvanometer-Scanner unabhängig voneinander erfolgen kann). 15 BLA-10603a-22 14.09.2023 Je nach Prozess und eingesetztem Laser in Kombination mit dem Ablenksys- tem (Scanner) ergeben sich unterschiedliche Zusammenhänge zwischen dem Soll-Energieeintrag E und den einzustellenden Laserparametern L, die durch die Funktion L(E) beschrieben werden müssen. Dieser i.d.R. insbeson- dere nicht-lineare Zusammenhang kann mit Hilfe von Kennlinien approximiert werden. Die Funktion L(E) ist insbesondere abhängig von der Bahngeschwindigkeit des Lasers, kann also eine Funktion L(E,v) beider Parameter sein. In der Re- gel wird bei einer höheren Bahngeschwindigkeit eine höhere Laserleistung L eingestellt, um denselben Energieeintrag zu erreichen. Der Zusammenhang ist Abhängig von der Physik der Laserwechselwirkung mit dem Material des Objekts und kann in etwa linear in der Geschwindigkeit sein oder nichtlinear. In der Funktion L(E) kann eine von der Positionierung des Laserfokus durch das Scan-System abhängige Korrektur (Ausgleich der optischen Abbildung) enthalten sein. Die Funktion E(s) kann abschnittsweise konstant oder linear und/oder mit äquidistanten Stützstellen definiert sein. Z.B. Markieren einer Zeile eines Bit- maps (Graustufenbild) oder bei Beginn und Ende von Schweißprozessen Die vorgegebene geometrische Bahn kann eine Zeile eines gerasterten Graustufenbildes sein und/oder die vorgegebenen Soll-Energieeinträge kön- nen abschnittsweise konstant und äquidistant sein, um die Graustufenwerte der Pixel des Graustufenbilds abzubilden. Für ein Galvanometer-Scan-System mit Trajektorienregler ist die vorberech- neten Trajektorien vorzugsweise zumindest geschwindigkeits- und beschleu- nigungsbegrenzt. Eine Verbesserung der Bahntreue kann durch zusätzliche Ruckbegrenzung erreicht werden. 16 BLA-10603a-22 14.09.2023 Vorteilhaft ist es, wenn bei der Vorausplanung ausgehend von dem geometri- schen Verlauf der Bahn ein Verlauf der maximal möglichen Geschwindigkeit ermittelt wird, bei der alle Dynamikgrenzen des Galvanometer-Scan-Systems eingehalten werden können. Bei gekrümmten Bahnen kann eine lokal maxi- male Geschwindigkeit ermittelt werden, bei der die Beschleunigungs- und Ruckgrenzen des Galvanometer-Scansystems keiner Achsrichtung über- schritten wird. Die Komplexität der Berechnung einer zeitoptimalen ruckbeschränkten Trajektorie ist hoch. Um Rechenzeit zu sparen, kann bei der Berechnung ei- ner beschleunigungs- und/oder ruckbegrenzten Trajektorie ein Glättungsver- fahren eingesetzt werden, insbesondere zur Berechnung einer ruckbegrenz- ten Trajektorie aus einer beschleunigungsbegrenzten Trajektorie. Das Galvanometer-Scan-System kann zwei Galvanometer-Achsen umfassen und die Bahn kann eine 2D-Bahn sein, die in einer Bearbeitungsebene in ei- ner Fokusebene liegt. Das Galvanometer-Scan-System kann ein dynamisches Fokussiersystem umfassen und die Bahn kann eine 3D-Bahn sein, insbesondere eine Bahn, die auf einer nicht-ebenen Fläche eines Werkstücks angeordnet ist. Das Galvanometer-Scan-System kann mit weiteren langsameren redundan- ten Achsen kombiniert sein, wobei die Planung eine Aufteilung der Bewe- gung auf die Achsen der Galvanometer-Scanner und der redundanten Ach- sen umfassen kann. Die weiteren Achsen können das Werkstück relativ zum Galvanometer-Scan-System bewegen oder das Galvanometer-Scan-System relativ zum Werkstück. Das Galvanometerscansystem kann vier Galvanometer-Achsen umfassen, um sowohl Strahlposition als auch Strahlrichtung in zwei Achsen dynamisch 17 BLA-10603a-22 14.09.2023 einzustellen. Die Prozessparameter umfassen dann insbesondere auch den Anstellwinkel des Laserstrahls. Dieses 4-Achs-System kann um eine Fokus- siereinheit erweitert werden, sodass zusätzlich der Bearbeitungsabstand va- riabel ist. Bei der Vorausplanung kann eine Defokussierung des Strahls, die wegen der beschränkten Dynamik der Fokussiereinrichtung auftreten kann, durch eine Anpassung (Erhöhung) der Laserleistung kompensiert werden. Alternativ kann ein Puffer-Einstellbereich der Laserleistung vorgesehen werden, der in der Vorausplanung reserviert wird, um während der Ausführung der Bearbei- tung eine Echtzeitkompensation vornehmen zu können. Vorteilhaft ist eine deterministische Vorausplanung und Steuerung anstatt Echtzeit-Kompensation oder anstatt iterativer Optimierung der Ansteuerung per Versuch & Irrtum. Vorteilhafterweise erfolgt die Bearbeitung mit einer hö- heren Scan-Geschwindigkeit entlang der Bahn an Stellen mit geringerem Soll-Energieeintrag. Des Weiteren ist es vorteilhaft, wenn die Grenze der ver- fügbaren Laserleistung durch Berechnung des Verlaufs einer lokalen maxi- malen Geschwindigkeit in Abhängigkeit des lokalen Soll-Energieeintrags (in einem Zwischenschritt) berücksichtigt wird. Ferner ist es vorteilhaft, wenn die zeitliche Ausführung unter Berücksichtigung der Dynamikgrenzen des Scan- systeme und/oder des Lasers optimiert wird. Vorteilhaft ist es, wenn ein schleppverzugsfreier Regler des Galvanometer- Scan-Systems verwendet wird, bei dessen Verwendung vorzugsweise eine Vorberechnung des Sollwertverlaufs (Trajektorienplanung) benötigt wird, um Beschleunigung und/oder Ruck entlang der Bahn zu begrenzen. Mit Schlepp- verzug wäre es praktisch fast unmöglich den Zeitverlauf der Laserleistung bei variabler Geschwindigkeit des Scansystems richtig vorauszuberechnen, da das Zeitverhalten des Reglers schwer modellierbar ist und damit das genaue bahnbezogene Einbringen des Soll-Energieeintrag nicht sinnvoll vorausbe- rechnet werden kann. Für den Fall eines solchen Systeme kann ein iteratives 18 BLA-10603a-22 14.09.2023 Vorgehen gewählt werden, um eine weitere Optimierung durchzuführen, ins- besondere mit zumindest einem der folgenden Schritte: Geschwindigkeitsva- riation und Aufzeichnung des Verlaufs, Berechnung und Validierung der Pa- rameter L, Prüfen auf Optimalität und/oder wieder Geschwindigkeitsvariation oder Akzeptieren der Lösung. Außerdem wäre die Dynamik des Scansys- tems mit klassischem Regler nur begrenzt nutzbar für eine schnelle Variation der Scangeschwindigkeit. Ein Anwendungsfall für die vorstehende Erfindung ist beispielsweise die Er- stellung von Bitmaps (einem gerasterten Bild mit Graustufeninformationen) mit einem Laser, beispielsweise insbesondere zur Erstellung von Mustern auf Textilien oder für die Erzeugung einer Fotodarstellung auf einem Chipkarten- Ausweis, was im Folgenden beschrieben wird. Vorzugsweise ist die Erfin- dung zusätzlich oder alternativ gemäß der nachfolgenden Beschreibung aus- gebildet, wobei die genannten Merkmale einzeln oder in beliebiger Kombina- tion vorhanden sein können. Bitmaps bestehen aus einer Vielzahl von Pixeln und werden mit Laser-Scannern, insbesondere Galvo-Scansystemen, zeilen- weise unidirektional oder bidirektional markiert. Typischerweise wird die Zei- lengeschwindigkeit konstant gehalten und die Laserenergie pro Pixel ent- sprechend dem gewünschten Grauwert variiert. Die Dynamik des Scan-Sys- tems ist für die Bildqualität irrelevant, da die Beschleunigungsphasen außer- halb des Bitmap Bereichs liegen. Schleppverzüge können durch einen Ver- satz der Zeilen kompensiert werden. Auf diese Weise können hochauflö- sende Bitmaps präzise gelasert werden. Um Prozesszeit zu sparen und die Produktivität bei gegebener Laserleistung zu steigern, kann die Scangeschwindigkeit innerhalb einer Zeile dem Grau- wertverlauf angepasst werden. Aus dem Grauwert des Pixels wird die benö- tigte Laserenergie ermittelt, aus diesem Wert lässt sich mit der maximal ver- fügbaren Laserleistung die maximal mögliche Pixelgeschwindigkeit am Ort des Pixels berechnen. Für jede Pixelzeile kann eine zeitoptimale Trajektorie, 19 BLA-10603a-22 14.09.2023 also ein zeitabhängiger Positionsverlauf, bestimmt werden. Beschleuni- gungs- und Ruckgrenzen des Systems müssen berücksichtigt werden. Die Geschwindigkeit der Trajektorie muss an jeder Pixelposition kleiner sein als die maximal mögliche Pixelgeschwindigkeit, die aus den Grauwerten berech- net wird, andernfalls kann der Grauwert nicht realisiert werden. Die Laserleistung wird optimal genutzt, wenn immer die maximale Laserleis- tung genutzt wird und die Grauwerte nur über die Scangeschwindigkeit reali- siert werden. Grauwerte können von Pixel zu Pixel beliebig variieren, was eine sehr hohe Beschleunigung des Scan-Systems erfordern würde. Die Auf- gabe besteht nun darin, eine zeitoptimale Trajektorie unter den gegebenen Randbedingungen zu bestimmen. Die mögliche Zeitersparnis hängt stark von der Grauwertverteilung der Bitmaps ab, bei Textil-Strukturierungen sind die Bedingungen meist günstig. Um der berechneten Trajektorie exakt folgen zu können, ist eine Vorsteue- rung der Scanner-Regelung erforderlich. Dies kann mit einem Scansystem wie dem SCANLAB excelliSCAN oder offline erfolgen. Die Lasersteuerung für die Pixel muss präzise an jeder Pixelposition erfolgen. Aufgrund der Ein- schaltdauer des Lasers und der Pixelgeschwindigkeit dehnt sich das Pixel über eine bestimmte Länge aus, die kleiner als der Pixelabstand ist. Die La- sersteuerung sollte so erfolgen, dass die Pixel auf dem gewünschten Pixel- raster zentriert werden. Im Folgenden wird der Grauwert des Pixels i innerhalb einer Zeile mit dem Wert ^^ bezeichnet. Der Wertebereich von ^ liegt zwischen 0 und 1. Bitmap- Dateien verwenden normalerweise 8-Bit Grauwerte, d.h. die Grauwerte müs- sen zuerst auf 1 normiert werden. Ein Grauwert von 0 entspricht "weiß" und damit der maximalen Laserenergie. Je nach Verfahren ist aber auch ein in- verser Zusammenhang möglich. 20 BLA-10603a-22 14.09.2023 Bei Verwendung eines Lasers, insbesondere einer CW-Laserdiode, mit einer maximalen Leistung von ^^^^ ergibt sich die maximale Pixelenergie zu ^^ = ^^^^ ∙ ^/^^ , wobei ^ der Pixelabstand und ^^ die Geschwindigkeit am Pixel i ist. Dies ist nur eine Näherung, da die Geschwindigkeit nicht konstant ist. Da jedoch der Pixelabstand und die Variation der Geschwindigkeit von Pixel zu Pixel gering sind, kann diese Näherung verwendet werden. Unter der Annahme eines linearen Zusammenhangs zwischen Grauwert und Pixelenergie kann daraus die maximal mögliche Geschwindigkeit ^^ am Pixel i bestimmt werden. ^^^^ stellt die Pixelenergie dar, die für einen Grauwert von 0 erforderlich ist. Die tatsächliche Geschwindigkeit ist in der Regel gerin- ger und der Grauwert muss durch Reduzierung der Laserleistung oder kurz- zeitiges Abschalten erreicht werden. Ein Grauwert von 1 würde eine unend- lich hohe Geschwindigkeit erlauben, was aber durch Dynamikgrenzen be- grenzt wird, nämlich beispielsweise, dass, vorzugsweise durch eine RTC- Steuerkarte im Mikrovektormodus, nur eine Pixelfrequenz von 100kHz erzeu- gen kann: ^^^^^^ = ^ ∙ 100^^^ ^^ = (1 − ^^) ∙ ^^^^
Figure imgf000022_0001
^ ^ ^^ = ^^^ ∙ ^^^^ 1 − G^ Es können CO2 Laser verwendet werden. Diese werden beispielsweise durch ein PWM-Signal in einem Frequenzbereich von 0-100kHz angesteuert, typisch darf das Tastverhältnis einen Wert von beispielsweise 55% nicht überschreiten. Aufgrund der hohen Zeitkonstante, insbesondere von ca. 60µs, ist von einem nichtlinearen Zusammenhang zwischen Laser-Einschalt- dauer und Pixelenergie auszugehen, aus diesem Grund wird eine Korrektur wie beispielsweise eine Gamma-Korrektur γ verwendet. 21 BLA-10603a-22 14.09.2023 Die Lasereinschaltzeit LaserOni am Pixel i wird aus dem Grauwert und der maximalen Lasereinschaltzeit eines weißen Pixels berechnet. ^^^^^^^^ = (1 − G^ )^ ∙ ^^^^^^^^^^ Mit dem maximal zulässigen Tastverhältnis wird die maximale Pulsfrequenz berechnet und mit dem Pixelabstand wiederum die maximal mögliche Pixel- geschwindigkeit. DutyCycleMax ^ ^^ = ∙ ^^^^^^^^^^ (1 − G^)^
Figure imgf000023_0001
Die Trajektorie kann beschleunigungs- und/oder ruckbegrenzt berechnet werden, damit sie auch vom Scan-System ausgeführt werden kann. Da eine Trajektorienplanung 3. Ordnung relativ komplex und zeitaufwendig ist, kann bei manchen Anwendungsfällen ein einfacherer Ansatz gewählt werden. Zu- erst wird eine Trajektorie 2. Ordnung berechnet, dann wird die Ruckbegren- zung durch eine gleitende Mittelwertbildung realisiert. Dieses Verfahren ist wesentlich einfacher und schneller, liefert jedoch nicht die optimale Lösung. Die Geschwindigkeitsplanung kann im Ortsbereich, also in Abhängigkeit der Position erfolgen. ^^ ^^ ^^ ^^ ^^^^ ∙ ∙ ^
Figure imgf000023_0002
Die maximal mögliche Geschwindigkeitsänderung zwischen zwei benachbar- ten Pixeln mit Abstand D, kann durch Integration bestimmt werden. ^^^^ = ^ + 2 ∙ ^ ∙ ^^^^
Figure imgf000023_0003
22 BLA-10603a-22 14.09.2023 Eine beschleunigungsbegrenzte Geschwindigkeitsplanung kann sehr schnell mit einer einmaligen Vorwärts- und Rückwärtsplanung entlang der Pixelzeile erfolgen. Dabei wird ^^^^ ermittelt und mit der maximal möglichen Pixelge- schwindigkeit verglichen. Wenn die Geschwindigkeit erlaubt ist, wird sie für diese Pixel verwendet, andernfalls wird die maximal mögliche Geschwindig- keit verwendet. Aus dem optimierten positionsabhängigem Geschwindigkeitsverlauf über eine Pixelzeile kann nun einfach die Trajektorie x(t) berechnet werden. Die maximal mögliche Beschleunigung des Scan-Systems für die Trajektori- enplanung innerhalb einer Zeile muss nicht zwingend verwendet werden. Ein reduzierter Wert kann ausreichen, um die gewünschte Performancesteige- rung zu erreichen. Ein gleitender Mittelwert kann auf die Trajektorie angewendet werden, wenn eine Ruckbegrenzung nötig ist. Die Mittelung erfolgt über 2∙ ^ + 1 Zeit- schritte, der Index j gibt dabei die Position in 10μs Zeitschritten an. Beschleu- nigungssprünge werden damit über 2∙ ^ + 1 Zeitschritte verteilt und der Ruck begrenzt. ^ 1
Figure imgf000024_0001
Die Mittelwertbildung wirkt wie ein Tiefpassfilter auf die Pixelgeschwindigkeit, wodurch sich die Geschwindigkeit an einigen Positionen erhöhen und die maximal mögliche Geschwindigkeit geringfügig übersteigen kann. Das kann durch eine geeignete Verfeinerung des Planungsverfahrens auch vermieden werden. 23 BLA-10603a-22 14.09.2023 Zusätzlich müssen Überfahrwege am Anfang und Ende der Zeile angefügt werden. Die Länge ergibt sich aus der Multiplikation der Pixelgeschwindigkeit am ersten und letzten Pixel mit der Überfahrzeit von ^ ∙ 10µ^. Aus der Trajektorie können nun die Lasersteuersignale für die Pixel ermittelt werden, Signallaufzeiten sind dabei zu berücksichtigen. Auch Sprünge vom Ende einer Zeile zum Anfang der nächsten Zeile sollten zeitoptimal erfolgen. Die Berechnung kann mit 3. Ordnung oder 2. Ordnung und Mittelungsfilter erfolgen. Die Anfangs- und Endgeschwindigkeiten der Pi- xelzeilen müssen individuell berücksichtigt werden. Außerdem können die Anfangs- und Endpositionen der Zeilen variieren. Aus Zeitgründen werden die Zeilen bidirektional markiert. Für die Planung der Sprünge stehen schnelle Algorithmen in kommerziell oder frei erhältlichen Bibliotheken zur Verfügung. Abhängig von den Dynamikgrenzen des Scansystems und dem verfügbaren Einstellbereich der Leistung des Lasers muss möglicherweise zusätzlich auch die Geschwindigkeit explizit begrenzt werden und nicht nur implizit über die Grauwerte der Pixelzeile. Vorgelagert zu der hier dargestellten Planung der Scanner- und Laseransteu- erung entlang der Zeilen des Bitmaps kann optional auch eine an den Bildin- halt angepasste optimale Planung der Bahnen erfolgen. Dies kann bedeuten, dass Zeilen des Bildes nicht unbedingt gleiche Länge aufweisen und auch nicht unbedingt immer gleiche Richtung/Orientierung aufweisen. Das Bild kann auch aus mehreren Bereichen mit unterschiedlicher Bearbeitungsstra- tegie zusammengesetzt sein. Diese Bereiche können auch überlappen oder miteinander verzahnt sein. Das hier dargestellte Verfahren zur Planung der Scannerbewegung und der Laseransteuerung kann hier aber in gleicher oder analoger Weise angewandt werden. 24 BLA-10603a-22 14.09.2023 Um zu vermeiden, dass bedingt durch die Laserdynamik die ersten Pixel in der ersten Zeile fehlen, sollte die Laser-Ansteuerung geeignet geplant wer- den, um den Laser zum Zeilenbeginn sicher in einem Zustand zu versetzen, der den Beginn der Zeile zeitgerecht ermöglicht. Vorgeschlagen wird weiterhin ein Computerprogramm, das bei Ausführung durch eine Recheneinheit diese veranlasst, zumindest einen Teil der Verfah- rensschritte des Verfahrens zur Zeitoptimierung gemäß einem oder mehre- ren der in der vorangegangenen und/oder nachfolgenden Beschreibung be- schriebenen Verfahrensschritte durchzuführen. Das Computerprogramm kann beispielsweise auf einem Speicher in der Recheneinheit hinterlegt sein und/oder kann von der Recheneinheit ausgeführt werden. Die Recheneinheit kann auch mittels eines Computers ausgebildet sein. Vorgeschlagen wird außerdem ein computerlesbares Speichermedium, um- fassend ein Computerprogramm, wobei das Computerprogramm bei Ausfüh- rung mittels eines Computers diesen veranlasst, das Verfahren zur Zeitopti- mierung gemäß einem oder mehreren der in der vorangegangenen und/oder nachfolgenden Beschreibung beschriebenen Verfahrensschritte auszuführen. Das computerlesbare Speichermedium kann der oben genannte Speicher sein. Das Computerprogramm kann gemäß einem Merkmal der vorangegan- genen und/oder nachfolgenden Beschreibung ausgebildet sein. Vorgeschlagen wird ferner eine Laserbearbeitungsvorrichtung zur Laserbear- beitung eines Objekts mit einem Laser zur Laserbearbeitung. Der Laser kann hierbei von einer Lasereinheit erzeugt werden. Des Weiteren umfasst die Laserbearbeitungsvorrichtung ein Galvo-Scansys- tem zum Führen eines Lasers über das Objekt. 25 BLA-10603a-22 14.09.2023 Außerdem umfasst die Laserbearbeitungsvorrichtung die Recheneinheit, wo- bei die Recheneinheit ausgebildet ist, das Verfahren gemäß zumindest ei- nem der vorangegangenen und/oder nachfolgenden Beschreibung beschrie- benen Verfahrensschritten durchzuführen. Im Folgenden wird eine mögliche Berechnung für das zeitoptimierte Durch- laufen bzw. Bearbeiten der Bearbeitungsbahn auf dem Objekt gegeben. Der geometrische Pfad ^ wird definiert durch, ^( ^ )
Figure imgf000027_0001
wobei ^(^), ^(^), ^(^) die Pfadkoordinaten in Bezug zur bisherigen Bogen- länge ^ ∈ [0, ^] sind. Damit lassen sich die vektorielle Geschwindigkeit, Beschleunigung und Ruck wie folgt ausdrücken. ^ = ^′^̇ ^ = ^^^̈ + ^′′^̇^ ^ = ^^ + ^^^^̇^̈ + ^′′′^̇^ wobei ^^ ^^ ^̇ = ^^, ^′ = ^^ das Optimierungsproblem durch die Maximierung der Geschwindigkeit defi- niert. ^ ^^^^^^^^ ^ ^̇ ^^
Figure imgf000027_0002
26 BLA-10603a-22 14.09.2023 Die Lösung wird durch die maximal realisierbare Geschwindigkeit, Beschleu- nigung und Ruck begrenzt. ^^^^ ≥ |^′^̇| ^^^^ ≥ |^^^̈ + ^′′^̇^| Da ^ unbekannt ist, und
Figure imgf000028_0001
berechnet werden können, wird eine Substitution durchgeführt. Für ^̇ = ^^ ergibt sich, ^^^^ ≥ |^′|^^ 1 ^^^^ ≥ ^ ^^^′ + ^′′^^ 2 1 3 ^^^^ ^ ^^^^^ ^^^^′ ^′′′^^ ^^
Figure imgf000028_0002
Per Definition ist ^̇ und somit auch ^ positiv definit. Definiert man nun ^ als ei- nen B-Spline zweiter Ordnung, können die Ableitungen ^^, ^^^ als linear über die Stützstellen [^^, ^^ … ^^] des Splines betrachtet werden, ^ ^
Figure imgf000028_0003
wobei ^^,^(^) die Basis Funktionen des Splines sind. Diese werden mithilfe des De-Boor-Algorithmus bestimmt. Die Stützstellen [^^, ^^ … ^^] sind jetzt die Optimierungsparameter. Um die Optimierungsaufgabe vollständig zu linearisieren muss eine Approximation für ^^ gefunden werden. Dazu löst man das Optimierungsproblem ohne 27 BLA-10603a-22 14.09.2023 Ruckbegrenzung. Das dadurch ermittelte ^* stellt eine Obergrenze aller reali- sierbarer ruckbegrenzter Trajektorien dar. Der Lösungsraum der Aufgabe kann durch eine zusätzliche Bedingung (Ruck) nur kleiner oder gleich des bereits ermittelten ^* sein. Mithilfe dieser Approximation kann im zweiten Op- timierungsschritt die Bedingung als Pseudo-Ruck eingeführt werden. 1 ^^̃^^ ^ ^^^^^ 3 ^^^^′ ^′′′^^ ^^∗
Figure imgf000029_0001
Da ^∗ ≥ ^ gilt auch ^^^^ ≥ ^^̃^^ Somit ergeben sich zwei notwendige Schritte zur Ermittlung der ruckbegrenz- ten Trajektorie: Schritt 1: ^ ^^^^^^^^ ^ ^̇ ^^
Figure imgf000029_0002
Schritt 2: ^ ^^^^^^^^ ^ ^̇ ^^
Figure imgf000029_0003
Unter der Verwendung der Matrixdarstellung des B-splines, 28 BLA-10603a-22 14.09.2023 ^^ ^^,^(^^) ⋯ ^^,^(^^) ^^ können effektive LP-
Figure imgf000030_0001
Darstellung kann nun ebenfalls für jeden Pfadparameter ^ ein explizites ^^^^,^ vorgegeben werden. ^^^^,^^ ^^,^(^^) ⋯ ^^,^(^^) ^^
Figure imgf000030_0002
Weitere Vorteile der Erfindung sind in den nachfolgenden Ausführungsbei- spielen beschrieben. Es zeigen: Figur 1 eine Bearbeitung eines Objekts 1 durch einen Laser 2 entlang einer Bearbeitungsbahn 4 mit Hilfe eines Galvo-Scansystems 3, Figur 2 Beispiele eines ortsabhängigen Energieeintragsverlaufs E(s) sowie eines ortsabhängigen idealisierten und eines realisierba- ren Geschwindigkeitsverlaufs v(s) und Figur 3 ein alternatives Beispiel eines ortsabhängigen Energieeintrags- verlaufs E(s) sowie eines ortsabhängigen idealisierten und ei- nes realisierbaren Geschwindigkeitsverlaufs v(s). Figur 1 zeigt eine Laserbearbeitung eines Objekts 1 durch einen Laser 2 ent- lang einer Bearbeitungsbahn 4 mittels einer Laserbearbeitungsvorrichtung 19. Die Laserquelle 20 erzeugt einen Laserstrahl (im weiteren kurz „La- ser“ genannt). Der Laser 2 wird mit Hilfe eines Galvo-Scansystems 3 über das Objekt 1 und entlang der Bearbeitungsbahn 4 geführt. Im Folgenden wird 29 BLA-10603a-22 14.09.2023 es so erläutert, dass der Laser 2 über das Objekt 1 bewegt wird. Hierfür wird ein Strahl des Lasers 2 bzw. ein Laserstrahl oder ein Laserfokus des Lasers 2 über das Objekt 1 und entlang der Bearbeitungsbahn 4 bewegt. Die Bearbeitungsbahn 4 weist gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel einen Bahnanfang 5 und ein Bahnende 6 auf. Der Laser 2 überstreicht somit die Bearbeitungsbahn 4, oder auch kurz die Bahn 4, vom Bahnanfang 5 bis zum Bahnende 6. Insbesondere beginnt der Laser 2 die Bearbeitung des Ob- jekts 1 am Bahnanfang 5 und beendet die Bearbeitung des Objekts 1 am Bahnende 6. Galvo-Scansystem 3 bedeutet hier, dass das Galvo-Scansystem 3 zumindest einen, insbesondere zumindest zwei, Galvanometerantrieb(e) 9, 10 aufweist, die im Folgenden näher erläutert werden. Galvo ist hier und im Folgenden die Abkürzung für Galvanometerantrieb. Um den Laser 2 auf das Objekt 1 zu lenken und um den Laser 2 bewegen zu können, umfasst das Galvo-Scansystem 3 in diesem Ausführungsbeispiel zwei Ablenkspiegel 7, 8. Mit Hilfe der beiden Ablenkspiegel 7, 8 kann der La- ser 2 flächig über das Objekt 1 bewegt werden. Beispielsweise kann mittels eines ersten Ablenkspiegels 7 der Laser 2 in einer Richtung bewegt werden, wohingegen ein zweiter Ablenkspiegel 8 den Laser 2 in einer dazu orientier- ten Querrichtung bewegen kann. Insgesamt kann hierdurch der Laser 2 über das Objekt 1 bewegt werden. Der Laserstrahl kann wie in diesem Beispiel dargestellt optional mit einer Scan-Optik 11 im Strahlgang nach den Ablenkspiegeln 7, 8, auf die Ebene des Werkstücks fokussiert werden. Hierfür kann insbesondere ein f-theta-Ob- jektiv eingesetzt werden, bei dem die Position des Fokus in der Ebene im Wesentlichen linear von den Ablenkwinkeln der beiden Ablenkspiegel ab- hängt. 30 BLA-10603a-22 14.09.2023 Um beide Ablenkspiegel 7, 8 bewegen zu können, ist jedem Ablenkspiegel 7, 8 ein Galvanometerantrieb 9, 10, oder auch kurz ein Galvo 9, 10, zugeord- net. Mit Hilfe eines ersten Galvanometerantriebs 9 kann der erste Ablenk- spiegel 7 und mit des eines zweiten Galvanometerantriebs 10 kann der zweite Ablenkspiegel 8 bewegt werden. Das Galvo-Scansystem 3 erhält von einer Steuerung 22 Positionsdaten p(t), die die Koordinaten der Bearbeitungsbahn 4 auf dem Objekt 1 repräsentie- ren. Die Bearbeitungsbahn 4 ist mittels der Positionsdaten p(t) bestimmt. Für die Steuerung der Galvanometerantriebe 9, 10 werden diese Positionsdaten p(t) verwendet um zu den Zeitpunkten t eine Sollposition der Ablenkspiegel 7, 8 vorzugeben. Die jeweilige Stellung der Ablenkspiegel 7, 8 hängt hierbei noch von der Orientierung und/oder Position des Galvo-Scansystems 3 zum Objekt 1 ab. Die Positionsdaten p(t) werden ferner in der Form p(t) = p(s(t)) mit Hilfe eines zeitabhängigen Bahnfortschritts s(t) ermittelt. Die Berechnung des zeitabhängigen Bahnfortschritts s(t) wird in der folgenden Beschreibung beschrieben und/oder ist in der vorangegangenen Beschreibung erläutert. Des Weiteren umfasst das Laserbearbeitungssystem(NR) eine Fokussierein- heit 21, mit deren Hilfe die Divergenz des Laserstrahls 2 variiert werden kann. Hierdurch ist nicht nur einer Bearbeitung des Objekts 1 in der Breite und Länge möglich, sondern auch in der Tiefe. Außerdem kann mit Hilfe der Fokussiereinheit 21 der Laser 2 aufgeweitet werden, so dass der Laser 2 das Objekt 1 nicht nur an einem Punkt bzw. in einem relativ kleinen Bereich bear- beitet, sondern durch die Aufweitung in einem entsprechend größeren Be- reich. Der Laser 2 kann somit defokussiert werden. Wie hier gezeigt ist, ist die Fokussiereinheit 21 der Laserquelle 20 nachgeordnet und/oder vom Galvo-Scansystem 3 beabstandet. Wie hier zu sehen ist, ist die Fokussie- reinheit 21 einer im Folgenden erläuterten Lasereinkopplung 12 vorgelagert. Optional kann die Fokussiereinheit 21 auch integraler Bestandteil des Galvo- Scansystems 3 sein 31 BLA-10603a-22 14.09.2023 Ferner weist das Galvo-Scansystem 3 eine Lasereinkopplung 12 auf. Der La- ser 2 kann an einem entfernten Ort erzeugt werden und zum Führen über das Objekt 1 in das Galvo-Scansystem 3 eingekoppelt werden. Alternativ ist es möglich, dass der Laser 2 auch im oder am Galvo-Scansystem 3 direkt er- zeugt wird. Die hier gezeigte Laserquelle 20 kann somit auch Bestandteil des Galvo-Scansystems 3 sein. Die Laser-Bearbeitungsvorrichtung 19 umfasst die Steuerung 22, die in die- sem Beispiel außerhalb des Galvo-Scansystems 3 angeordnet ist, die optio- nal aber auch in das Galvo-Scansystem 3 und insbesondere in die Galvo- Steuereinheit 13 integriert sein kann. Die Steuerung 22 kann auch in die Rechnereinheit 14 integriert sein. Als Steuerung 22 kann beispielsweise eine SCANLAB RTC6 PCI-Steckkarte in der Rechnereinheit 14 eingesetzt werden oder eine SCANLAB RTC6 Ethernet Box, die über eine Ethernetverbindung mit der Rechnereinheit 14 verbunden ist. Die Steuerung 22 kann vorteilhafterweise die Laserquelle 22 derart ansteu- ern, dass die Laserleistung angepasst werden kann Die Steuerung 22 kann mit einem Mittel zur Modulation der Laserleistung verbunden sein, das in die- sem Beispiel in der Laserquelle 22 angeordnet sein kann. Hierbei kann es sich beispielsweise um einen akusto-optischen Modulator handeln oder um die Modulation des Stroms einer Laserdiode. Die Steuerung 22 ist außerdem mit dem Galvo-Scansystem 3 verbunden, um die Positionsdaten p(t) an die Galvo-Steuereinheit 13 zu übertragen. Optional kann die Steuerung 22 au- ßerdem mit der Fokussiereinheit 21 verbunden sein, um die Fokus des La- sers 2 zu variieren. Weiterhin umfasst das Galvo-Scansystem 3 gemäß dem vorliegenden Aus- führungsbeispiel die Galvo-Steuereinheit 13, die das Galvo-Scansystem 3 und somit die Bewegung des Lasers 2 steuert. Insbesondere kann die Galvo- Steuereinheit 13 die Winkelstellung der beiden Galvos 9, 10 bzw. die beiden Galvanometerantriebe 9, 10 regeln, so dass die beiden Ablenkspiegel 7, 8 32 BLA-10603a-22 14.09.2023 entsprechend des Sollpositionsverlaufs bewegt werden und den Laser 2 ent- lang der Bearbeitungsbahn 4 führen Um der Bearbeitungsbahn 4 möglichst genau zu folgen, ist in der Galvo-Steuereinheit 13 bevorzugt ein Regelungs- verfahren implementiert, das keinen Schleppverzug aufweist, insbesondere einen sogenannten Zustandsregler oder einen sogenannten Trajektorienreg- ler. Das Regelungsverfahren kann voraussetzen, dass der Sollpositionsver- lauf dynamische Grenzen insbesondere für Geschwindigkeit und/oder Be- schleunigung und/oder Ruck einhält, die den physikalischen Grenzen der Galvanometerantriebe 7, 8 und/oder den Grenzen ihrer Stromversorgung entsprechen. Diese Dynamikgrenzen können z.B. zur Verbesserung der Sta- bilität des Regelungsalgorithmus auch enger gefasst sein, als die entspre- chenden physikalischen Grenzen. Wie hier dargestellt ist, weist die Bearbeitungsbahn 4 eine sich ändernde Di- cke auf. Die Dicke soll hier einen Energieeintrag E in das Objekt 1 entlang der Bearbeitungsbahn 4 repräsentieren. Dickere Stellen an der Bearbei- tungsbahn 4 sollen einen hohen Energieeintrag E repräsentieren, wohinge- gen dünnere Stellen einen entsprechend geringen Energieeintrag E reprä- sentieren. Der Energieeintrag E ist weiterhin die Energie, die der Laser 2 in das Objekt 1 entlang der Bearbeitungsbahn 4 einbringt. Der Energieeintrag E hängt hierbei von der Laserleistung L des Laser 2 ab. Eine hohe Laserleis- tung L führt zu einem hohen Energieeintrag E und eine geringe Laserleistung L führt zu einem geringen Energieeintrag E. Des Weiteren hängt der Energie- eintrag E von der Zeit ab. Je länger sich der Laser 2 an einer Stelle der Bear- beitungsbahn 4 bzw. in einem Bereich entlang der Bearbeitungsbahn 4 befin- det, desto mehr Energie wird eingetragen. Mit Hilfe des Energieeintrags E bzw. durch den Laser 2 kann das Objekt 1 beispielsweise graviert, abgetragen, markiert, geschnitten und/oder ge- schweißt werden. In Abhängigkeit des Energieeintrags E durch den Laser 2 an einer bestimmten Stelle bzw. in einem bestimmten Bereich wird das Ob- 33 BLA-10603a-22 14.09.2023 jekt 1 auch entsprechend bearbeitet. Beispielsweise kann durch einen gerin- gen Energieeintrag E, beispielsweise im Bereich des Bahnanfangs 5, das Objekt so bearbeitet werden, dass sich die Eigenschaften des Objekts 1 an dieser Stelle nur wenig ändern. Soll beispielsweise Material abgetragen wer- den, so wird durch den geringen Energieeintrag E, wie hier am Bahnanfang 5 dargestellt ist, nur wenig Material abgetragen. In einem mittleren Bereich der Bearbeitungsbahn 4, an denen die Bearbeitungsbahn 4 hier dicker darge- stellt ist, wird im Vergleich zum Bahnanfang 5 mehr Energie eingetragen bzw. ist der Energieeintrag E höher. Hier wird folglich das Objekt 1 stärker bearbeitet, natürlich unter der Voraussetzung, dass das Objekt 1 entspre- chend gleichbleibende Eigenschaften aufweist bzw. beispielsweise entlang der hier gezeigten Bearbeitungsbahn 4 aus dem gleichen Material ausgebil- det ist. Wird wieder Material abgetragen, so wird durch den höheren Energie- eintrag E mehr Material abgetragen bzw. werden die Eigenschaften des Ob- jekts 1 an der Stelle des höheren Energieeintrags E stärker verändert. Wie bereits erwähnt ist, soll hier vorausgesetzt werden, dass zur einfacheren Er- klärung das Objekt 1 überall gleichbleibende Eigenschaften aufweist. Die Bearbeitung des Objekts 1 entlang der Bearbeitungsbahn 4 hängt somit vom Energieeintrag E entlang der Bearbeitungsbahn 4 ab. Zusätzlich hängt die Bearbeitung des Objekts 1 noch von weiteren Faktoren wie Material etc. ab, die jedoch hier noch nicht beachtet werden. Nichtsdestotrotz können der- artige Faktoren in dem in der folgenden Beschreibung beschriebenen Verfah- ren und/oder in dem in der vorangegangenen Beschreibung beschriebenen Verfahren berücksichtigt werden. Als weiteres Beispiel kann das Objekt 1 ein Textilmaterial sein, in das ein Muster aufgebracht werden soll. Mit Hilfe des Lasers 2 kann ein Textilstück, insbesondere ein gefärbtes Textilstück, entlang der Bearbeitungsbahn 4 ge- bleicht werden. Durch den Energieeintrag E durch den Laser 2 können Farb- stoffe zerstört werden, so dass an diesen Stellen das Textilstück heller wird. Über den Energieeintrag E entlang der Bearbeitungsbahn 4 kann hierdurch 34 BLA-10603a-22 14.09.2023 ein Muster aufgebracht werden. Durch eine Variierung des Energieeintrags E entlang der Bearbeitungsbahn 4 können somit auch verschiedene Stufen der Ausbleichung erreicht werden, so dass das Textilstück entsprechend heller oder dunkler (in Bezug auf die Farbe des Textilstücks) entlang der Bearbei- tungsbahn 4 wird. Wird die Bearbeitungsbahn 4 entsprechend geplant, kön- nen so verschiedene zweidimensionale Muster oder beispielsweise auch Schriftzüge ausgebildet werden. Da es sich um eine industrielle Bearbeitung des Objekts 1 handeln kann, ist es vorteilhaft, wenn die Bearbeitung des Objekts 1 durch den Laser 2, also eine Laserbearbeitung des Objekts 1, so schnell wie möglich erfolgt. Hierfür wird ein Verfahren, insbesondere ein computerimplementiertes Verfahren, zur Zeitoptimierung der Laserbearbeitung des Objekts 1, bei der der Laser 2 entlang der vorgegebenen Bearbeitungsbahn 4 auf dem Objekt 1 durch ein Galvo-Scansystem 3 führbar ist, vorgeschlagen. Beschrieben ist bereits, dass das Objekt 1 ein Textilstück oder allgemein ein Werkstück sein kann. Zusätzlich oder alternativ kann das Objekt 1 auch ein Körperteil sein, so dass die Laserbearbeitung für medizinische Zwecke ver- wendet wird. Des Weiteren ist hier die Recheneinheit 14 gezeigt, mit der das in der voran- gegangenen Beschreibung und/oder das in der nachfolgenden Beschreibung erläuterte Verfahren durchgeführt werden kann. Die mit dem Verfahren ermit- telten Steuerungsdaten können von der Recheneinheit 14 an die Steuerung 22 übertragen werden. Die Steuerung 22 steuert dann zumindest die Modu- lation der Laserleistung und die Position des Lasers 2 synchron. Des Weiteren ist eine Laserbearbeitungsvorrichtung 19 zumindest teilweise gezeigt. Die Laserbearbeitungsvorrichtung 19 umfasst den Laser 2 bzw. die Laserquelle 20, mit der der Laser 2 erzeugt wird, die Fokussiereinheit 21, das Galvo-Scansystem 3, die Recheneinheit 14 und vorzugsweise die Steuerung 22. 35 BLA-10603a-22 14.09.2023 Figur 2 zeigt Beispiele eines ortsabhängigen Energieeintragsverlaufs E(s) 15, eines ortsabhängigen idealisierten Geschwindigkeitsverlaufs v(s) 16 sowie von Leistungsverläufen 23, 24. Figur 2 zeigt drei Diagramme bzw. Koordinatensysteme. Bei beiden Koordi- natensystemen gibt die Abszissenachse einen Ort s oder eine Stelle entlang der Bearbeitungsbahn 4 an. Im ersten oberen Diagramm bzw. Koordinaten- system ist die Energie bzw. der Energieeintrag E auf der Ordinatenachse aufgetragen. Im zweiten unteren Diagramm bzw. Koordinatensystem ist die Geschwindigkeit v auf der Ordinatenachse aufgetragen. Der ortsabhängige Energieeintragsverlauf E(s) 15 gibt hier an, wie hoch der Energieeintrag an einem Ort s der Bearbeitungsbahn 4 sein muss. Zu beach- ten ist hier, dass der ortsabhängige Energieeintragsverlauf E(s) 15 der Figur 2 der Bearbeitungsbahn 4 der Figur 1 nachempfunden ist. So beginnt der ortsabhängige Energieeintragsverlauf E(s) 15, wie auch der ortsabhängigen idealisierten Geschwindigkeitsverlauf v(s) 16, ebenfalls am Bahnanfang 5 und endet am Bahnende 6. Wird somit der Ort s im Diagramm bzw. Koordi- natensystem vom Bahnanfang 5 zum Bahnende 6 durchlaufen, so wird auch die Bearbeitungsbahn 4 vom Bahnanfang 5 zum Bahnende 6 durchlaufen. Da der ortsabhängige Energieeintragsverlauf E(s) 15 der Figur 2 der Bear- beitungsbahn 4 der Figur 1 nachempfunden ist, steigt der ortsabhängige Energieeintragsverlauf E(s) 15 vom Bahnanfang 5 bis zu einem mittleren Be- reich an. In Figur 1 ist dies durch die dicker werdende Bearbeitungsbahn 4 dargestellt. Danach sinkt der ortsabhängige Energieeintragsverlauf E(s) 15 wieder ab, was in Figur 1 durch die dünner werdende Bearbeitungsbahn 4 dargestellt ist. Der ortsabhängige Energieeintragsverlauf E(s) 15 ist vorteilhafterweise vor- gegeben. Das heißt, dass der ortsabhängige Energieeintragsverlauf E(s) 15 36 BLA-10603a-22 14.09.2023 als Eingangsdaten vorliegen. Der ortsabhängige Energieeintragsverlauf E(s) 15 kann vorteilhafterweise auch aus einem Vorgabewert bzw. aus einem ortsabhängigen Vorgabewertverlauf ermittelt werden. Beispielsweise gibt ein Kunde als Vorgabewertverlauf einen Abtrageverlauf entlang der Bearbei- tungsbahn 4 vor, wobei der Abtrageverlauf vorgibt, wieviel Material entlang der Bearbeitungsbahn 4 abgetragen werden soll. Als Vorgabewertverlauf kann auch ein Ausbleichverlauf vorgegeben werden, der angibt, wie stark das Textilstück entlang der Bearbeitungsbahn 4 ausgebleicht werden soll. Aus diesem Vorgabewertverlauf kann der ortsabhängige Energieeintragsver- lauf E(s) 15 ermittelt werden, wobei hierfür vorzugsweise zumindest Materi- aleigenschaften miteinberechnet werden. Es ist klar, dass für Kunststoff und Metall, z.B. Eisen oder Stahl, unterschiedliche Energieeinträge nötig sind, um auf einen vergleichbaren Materialabtrag zu gelangen. Vorzugsweise wird aus dem ortsabhängigen Energieeintragsverlauf E(s) 15 der Energieeintrag E in das Objekt 1 in einem Bereich entlang der Bearbei- tungsbahn 4 mittels Integration des ortsabhängigen Energieeintragsverlaufs E(s) 15 im entsprechenden Bereich im Diagramm ermittelt. Um die Bearbeitungsbahn 4 zeitoptimiert zu bearbeiten ist es vorteilhaft, wenn der Laser 2 so schnell wie möglich durch die Bearbeitungsbahn 4 be- wegt wird. Die größtmögliche Geschwindigkeit des Lasers 2 entlang der Be- arbeitungsbahn 4 wird zum einen dadurch limitiert, dass der ortsabhängige Energieeintragsverlauf E(s) 15 erreicht werden muss. Zum anderen weist der Laser 2 lediglich eine begrenzte Laserleistung auf. Beim Verfahren wird ein ortsabhängiger erster Leistungsverlauf L1(s) 23 des Lasers 2 entlang der Bearbeitungsbahn 4 festgelegt. Der ortsabhängige erste Leistungsverlauf L1(s) 23 ist stets geringer oder gleich der maximal mögli- chen Leistung des Lasers 2. Vorteilhafterweise wird der ortsabhängige erste Leistungsverlauf L1(s) 23 so hoch wie möglich festgelegt, so dass die Bear- beitungszeit der Bearbeitungsbahn 4 verkürzt wird, insbesondere konstant 37 BLA-10603a-22 14.09.2023 und gleich der verfügbaren maximalen Leistung, die die Laserquelle 20 er- zeugen kann. Vorteilhaft ist es, wenn der ortsabhängige erste Leistungsver- lauf L1(s) 23 zumindest abschnittsweise konstant festgelegt wird, wie es hier gezeigt ist. Anhand des ortsabhängigen ersten Leistungsverlaufs L1(s) 23 und des ortsabhängigen Energieeintragsverlaufs E(s) 15 wird der ortsabhän- gige idealisierte Geschwindigkeitsverlauf vmax(s) 16 berechnet. Eine mögliche Beziehung zwischen der ortsabhängigen idealisierten Geschwindigkeitsver- lauf vmax(s) 16, des ortsabhängigen ersten Leistungsverlaufs L1(s) 23 und des ortsabhängigen Energieeintragsverlaufs E(s) 15 kann beispielsweise wie folgt sein: ^^ (^) ^^^^(^)~ ^
Figure imgf000039_0001
Die idealisierte Geschwindigkeit am Ort s kann insbesondere proportional zum Verhältnis aus ortsabhängigem Leistungsverlauf L1 und dem erwünsch- ten Energieeintrag E am Ort s sein. Es kann aber auch ein anderer insbeson- dere auch ein nichtlinearer Zusammenhang zwischen Leistung L, Energie E und Geschwindigkeit v für den Laserprozess gelten. Wichtig für das erfin- dungsgemäße Verfahren ist nur, dass es einen Wertebereich gibt, in dem ei- nem Energieeintrag E und einer Leistung L eine Geschwindigkeit v über ei- nen bekannten Zusammenhang zugeordnet werden kann. In diesen Zusam- menhang können auch weitere Parameter wie z.B. eine Fokusgröße oder ein Einfallswinkel des Lasers 2 einfließen. Ermittelt werden kann dieser Zusam- menhang beispielsweise aus experimentellen Parameterstudien, bei denen die Laserbearbeitung mindestens mit mehreren verschiedenen Werten der Parameter Leistung und Geschwindigkeit erfolgt und der Energieeintrag (also z.B. der Abtrag oder die Farbänderung) bewertet wird. Die so experimentell ermittelten Werte können und in einer Wertetabelle erfasst werden und es kann zwischen den Werten dieser Tabelle interpoliert werden. Die Werteta- belle oder eine geeignete Darstellung der Interpolation ist in der Rechenein- 38 BLA-10603a-22 14.09.2023 heit 14 hinterlegt und erlaubt die Berechnung einer der drei Größen Ge- schwindigkeit v, Leistung L und/oder Energieeintrag E, wenn die beiden an- deren Größen gegeben sind. Da die Abhängigkeit des Energieeintrags E von den Parametern Geschwindigkeit v und Leistung L i.d.R. jeweils einen streng monotonen Verlauf hat, ist die oben genannte Berechnung der Größen i.d.R. auf eindeutige Weise möglich. Wird der Zusammenhang für verschiedene weitere Parameter des Laserprozesses in analoger weise experimentell er- mittelt, kann auch der Einfluss dieser Parameter im Verfahren berücksichtig werden. Beispielsweise kann der Einfluss des Einfallswinkels auf die Objekt- oberfläche oder der Einfluss einer Defokussierung des Laserstrahls in der Wertetabelle mit hinterlegt sein. Der ortsabhängige idealisierte Geschwindigkeitsverlauf vmax(s) 16 ist in Figur 2 in dem mittleren Diagramm bzw. Koordinatensystem gezeigt. Wie zu sehen ist, ist der ortsabhängige idealisierte Geschwindigkeitsverlauf vmax(s) 16 in dem mittleren Bereich vergleichsweise gering. Der ortsabhängige idealisierte Geschwindigkeitsverlauf vmax(s) 16 ist hierbei in dem mittleren Bereich aus- folgendem Grund gering. Der ortsabhängige Energieeintragsverlauf E(s) 15 ist im mittleren Bereich groß, was beispielsweise dem dicken, mittleren Be- reich der Bearbeitungsbahn 4 der Figur 1 entspricht. Hier soll also ein ver- gleichsweise hoher Energieeintrag E in die Bearbeitungsbahn 4 erfolgen. Da jedoch die Laserleistung L bzw. der ortsabhängige erste Leistungsverlauf L1(s) 23 nicht beliebig hoch sein kann bzw. begrenzt ist, muss der ortsabhän- gige idealisierte Geschwindigkeitsverlauf vmax(s) 16 in diesem Bereich gerin- ger sein, so dass der hohe Energieeintrag E erreicht werden kann. Der Laser 2 muss sich hier entsprechend langsam entlang der Bearbeitungsbahn 4 be- wegen. Am Bahnanfang 5 sowie am Bahnende 6 ist der ortsabhängige ideali- sierte Geschwindigkeitsverlauf vmax(s) 16 dagegen größer, da hier der ortsab- hängige Energieeintragsverlauf E(s) 15 geringer ist. Hier kann die Bearbei- tungsbahn 4 vom Laser 2 wieder schneller durchlaufen werden, wobei immer noch der vorgegebene Energieeintrag E erzielt werden kann. Das „ideali- siert“ beim ortsabhängigen idealisierten Geschwindigkeitsverlauf vmax(s) 16 39 BLA-10603a-22 14.09.2023 bedeutet hier, dass dies die maximale Geschwindigkeit vmax ist, die der Laser 2 entlang der Bearbeitungsbahn 4 in Abhängigkeit des Orts s aufweisen kann, so dass beim ortsabhängigen ersten Leistungsverlauf L1(s) 23 der orts- abhängige Energieeintragsverlauf E(s) 15 gerade noch erreicht wird. Beim Verfahren wird ferner ein zeitabhängiger Bahnfortschritt s(t) derart be- rechnet, dass ein realisierbarer Geschwindigkeitsverlauf v(s) 17 des Lasers 2 entlang der Bearbeitungsbahn 4 durch den ortsabhängigen idealisierten Ge- schwindigkeitsverlauf vmax(s) 16 beschränkt ist und zumindest eine Dynamik- grenze des Galvo-Scansystems 3 entlang der Bearbeitungsbahn 4 eingehal- ten wird. Die zumindest eine Dynamikgrenze folgt daraus, dass die Ablenk- spiegel 7, 8 nicht beliebig schnell bewegt und/oder deren Orientierung nicht beliebig schnell geändert werden kann. Insbesondere weisen die Galvano- meterantriebe 9, 10 ebenfalls eine Trägheit auf, so dass der Laser 2 bei- spielsweise nicht beliebig schnell beschleunigt werden kann, um den ideali- sierten Geschwindigkeitsverlauf vmax(s) 16 zu erreichen. Die zumindest eine Dynamikgrenze kann somit eine Beschleunigungsgrenze und/oder eine Ruckgrenze des Galvo-Scansystems 3, insbesondere der Ablenkspiegel 7, 8 und/oder der Galvanometerantriebe 9, 10, sein. Der idealisierte Geschwindigkeitsverlauf vmax(s) 16 kann somit vom realisier- baren Geschwindigkeitsverlauf v(s) 17 höchstens erreicht werden. Der reali- sierbare Geschwindigkeitsverlauf v(s) 17 ist somit vom idealisierten Ge- schwindigkeitsverlauf vmax(s) 16 beschränkt. Um zum realisierbaren Geschwindigkeitsverlauf v(s) 17 zu gelangen, wird beim Verfahren der zeitabhängige Bahnfortschritt s(t) berechnet. Der zeitab- hänge Bahnfortschritt s(t) gibt an, zu welchem Zeitpunkt der Laser 2 wie weit entlang der Bearbeitungsbahn 4 fortgeschritten ist. Der zeitabhänge Bahn- fortschritt s(t) gibt somit an, an welchem Ort s sich der Laser 2 zu welcher Zeit t befindet. 40 BLA-10603a-22 14.09.2023 Der zeitabhänge Bahnfortschritt s(t) wird vorteilhafterweise mit Hilfe eines Optimierungsverfahrens berechnet, so dass eine Durchlaufzeit des Lasers 2 durch die Bearbeitungsbahn 4 bzw. eine Bearbeitungszeit der Bearbeitungs- bahn 4 minimal wird. Zusätzlich oder alternativ kann der zeitabhänge Bahn- fortschritt s(t) derart mit dem Optimierungsverfahren berechnet werden, dass der realisierbare Geschwindigkeitsverlauf v(s) 17 zumindest abschnittsweise, insbesondere überall, maximal wird. Im mittleren Diagramm der Figur 2 ist weiterhin ein beispielhafter realisierba- rer Geschwindigkeitsverlauf v(s) 17 als gestrichelte Linie dargestellt. Zu se- hen ist, dass der realisierbare Geschwindigkeitsverlauf v(s) 17 vom ortsab- hängigen idealisierten Geschwindigkeitsverlauf vmax(s) 16 beschränkt ist. Zu- mindest im Bereich des hier gezeigten Bahnanfangs 5 können beiden Ver- läufe 16, 17 zumindest annähernd gleich sein, beispielsweise da der Laser 2 bereits in einem Vorlauf beschleunigt wurde. Zu beachten ist jedoch, dass sich der realisierbare Geschwindigkeitsverlauf v(s) 17 dem ortsabhängigen idealisierten Geschwindigkeitsverlauf vmax(s) 16 sehr gut annähern kann, wenn beispielsweise eine geradlinige Bearbeitungsbahn 4 einen konstanten Energieeintrag E aufweist, so dass keine Änderungen der Laserleistung L und/oder der Geschwindigkeit v nötig sind. In diesem beispielhaften Fall kann sich der realisierbare Geschwindigkeitsverlauf v(s) 17 dem ortsabhängigen idealisierten Geschwindigkeitsverlauf vmax(s) 16 annähern. Beim Verfahren wird außerdem ein zeitabhängiger zweiter Leistungsverlauf L2(s(t)) 24 berechnet, wobei der ortsabhängige erste Leistungsverlauf L1(s) 23 derart reduziert wird, dass an Stellen bzw. Orten s der Bearbeitungsbahn (4), an denen der realisierbare Geschwindigkeitsverlauf v(s) 17 geringer ist als der idealisierte ortsabhängige Geschwindigkeitsverlauf vmax(s) 16, der ortsabhängige Energieeintragsverlauf E(s)15 erzielt wird. Da der realisierbare Geschwindigkeitsverlauf v(s) 17 geringer ist als der ortsabhängige ideali- sierte Geschwindigkeitsverlauf vmax(s) 16 verweilt der Laser 2 auch länger in 41 BLA-10603a-22 14.09.2023 einem Bereich der Bearbeitungsbahn 4, so dass bei Beibehaltung des orts- abhängigen ersten Leistungsverlauf L1(s) 23 der Energieeintrag E zu groß wird, insbesondere die Vorgabe überschreitet. Um somit das Absenken des realisierbaren Geschwindigkeitsverlaufs v(s) 17 gegenüber dem ortsabhängi- gen idealisierten Geschwindigkeitsverlauf vmax(s) 16 auszugleichen, wird der ortsabhängige erste Leistungsverlauf L1(s) 23 zum zeitabhängigen zweiten Leistungsverlauf L2(s(t)) 24 reduziert. Ein Zusammenhang zwischen realisier- baren Geschwindigkeitsverlaufs v(s) 17, dem zu erreichenden ortsabhängi- gen Energieeintragsverlauf E(s) 15 und dem zeitabhängigen zweiten Leis- tungsverlauf L2(s(t)) 24 kann beispielsweise wie folgt sein: ^^ ^^(^)^~^(^) ∗ ^(^)
Figure imgf000043_0001
Der zeitabhängige Bahnfortschritt s(t) kann als ein normierter Bahnfortschritt definiert werden, d.h. s(t) repräsentiert die Länge der Strecke, die auf der Bahn bis zum Zeitpunkt t zurückgelegt wurde. Der zeitabhängige Bahnfort- schritt s(t) ist damit eindeutig umkehrbar in ein t(s). Daraus gilt dann: ^( ^ ) = ^^(^) ^^
Figure imgf000043_0002
Mit der Umkehrfunktion t(s), lässt sich hieraus v(s) bestimmen als v(s) = v(t(s)). Die beiden Leistungsverläufe 23, 24 sind hier in dem unteren Diagramm ge- zeigt. Wie zu sehen ist, ist der ortsabhängige erste Leistungsverlauf L1(s) 23 größer oder gleich dem zeitabhängigen zweiten Leistungsverlauf L2(s(t)) 24. Außerdem ist zu sehen, dass der zweite Leistungsverlauf L2(s(t)) 24 gegen- über dem Leistungsverlauf L1(s) 23 an den Orten stärker reduziert ist, an de- nen der realisierbare Geschwindigkeitsverlauf 17 weiter nach unten von dem idealisierten Geschwindigkeitsverlauf 16 abweicht. Des Weiteren ist zu se- 42 BLA-10603a-22 14.09.2023 hen, dass der zweite Leistungsverlauf L2(s(t)) 24 entlang der gesamten Be- arbeitungsbahn 4 nur wenig unterhalb des ersten Leistungsverlaufs L1(s) 23 liegt. Daran ist erkennbar, dass die verfügbare Leistung des Lasers durch die Optimierung zu einem hohen Maß im Prozess ausgenutzt werden kann. Figur 3 zeigt ein Beispiel einer Bearbeitungsbahn 4, die einen diskreten orts- abhängigen Energieeintragsverlauf E(s) 15 aufweist. Hier sind im oberen Be- reich der Figur 3 sechs Kästchen gezeigt, die beispielhafte Bahnabschnitte 18 entlang der Bearbeitungsbahn 4 sind. Dass die Bearbeitungsbahn 4 ledig- lich sechs Bahnabschnitte 18 aufweist, ist lediglich eine Vereinfachung für die Erläuterung. Eine Bearbeitungsbahn 4 kann deutlich mehr Bahnabschnit- ten 18 umfassen, beispielsweise bis zu einigen 10.000, da ein Bahnabschnitt 18 eine Größe von einigen µm aufweisen kann. Durch eine derartige Anzahl an Bahnabschnitten 18 wird aus dem hier gezeigten diskreten ortsabhängi- gen Energieeintragsverlauf E(s) 15 ein annähernd kontinuierlicher ortsabhän- giger Energieeintragsverlauf E(s) 15, so dass auch mit kontinuierlichen Funk- tionen gerechnet werden kann. Der ortsabhängiger Energieeintragsverlauf E(s) 15 kann beispielsweise von einem Vorgabewertverlauf zu Grauwerten stammen. Jedem Bahnabschnitt 18 kann ein Grauwert zugeordnet sein, der einen Farbton beispielsweise auf einem Textilstück widergibt. Mit Hilfe des Vorgabewertverlaufs bzw. aus dem Grauwert für jeden Bahnabschnitt kann der ortsabhängige Energieeintrags- verlauf E(s) 15 ermittelt werden, so dass der dazugehörige Farbton auf dem Textilstück erzielt wird. Beispielsweise muss der Energieeintrag E höher sein, wenn mehr Farbe aufgelöst werden muss, so dass das Textilstück an dieser Stelle heller wird. Die hier gezeigten Kästchen bzw. Bahnabschnitte 18 kön- nen mit Pixel einer Bitmap verglichen werden oder aus dieser stammen. Jedem Bahnabschnitt 18 ist hier ein Energieeintrag E zugeordnet, der an- hand des ortsabhängigen Energieeintragsverlaufs E(s) 15 ermittelt werden kann. So weist der erste Bahnabschnitt 18a den ersten Energieeintrag E1 = 2 43 BLA-10603a-22 14.09.2023 auf. Der zweite Bahnabschnitt 18b weist den zweiten Energieeintrag E2 = 2 auf. Der dritte Bahnabschnitt 18c weist den dritten Energieeintrag E3 = 7 auf. Der vierte Bahnabschnitt 18d weist den vierten Energieeintrag E4 = 10 auf. Der fünfte Bahnabschnitt 18e weist den fünften Energieeintrag E5 = 6 auf. Der sechste Bahnabschnitt 18f weist den sechsten Energieeintrag E6 = 3 auf. Dieser ortsabhängige Energieeintragsverlauf E(s) 15 ähnelt somit in etwa dem der Figuren 1 und 2. Dieser hier gezeigte ortsabhängige Energieein- tragsverlauf E(s) 15 ist vorgegeben bzw. aus einem Vorgabewertverlauf er- mittelt. Anhand des ortsabhängigen Energieeintragsverlaufs E(s) 15 und des ortsab- hängigen ersten Leistungsverlaufs L1(s) 23 wird der ortsabhängige ideali- sierte Geschwindigkeitsverlauf vmax(s) 16 ermittelt. Da der ortsabhängige Energieeintragsverlauf E(s) 15 diskret ist, also entlang der jeweiligen Bahn- abschnitte 18 konstant ist, ist auch der der ortsabhängige idealisierte Ge- schwindigkeitsverlauf vmax(s) 16 abschnittsweise, nämlich in den jeweiligen Bahnabschnitten 18, konstant. Der ortsabhängige idealisierte Geschwindig- keitsverlauf vmax(s) 16, wie auch der ortsabhängige Energieeintragsverlauf E(s) 15, sind hier treppenförmig bzw. sind eine Treppenfunktion. Mit der Strichpunkt-Linie ist der realisierbare Geschwindigkeitsverlauf v(s) 17 gezeigt. Dieser ist hier so berechnet, dass dieser in den jeweiligen Bahnab- schnitten 18 linear ist, wobei die zeitliche Änderung der Geschwindigkeit v hier durch eine Dynamikgrenze des Galvo-Scansystems 3 - in dem Beispiel nämlich insbesondere eine Beschleunigungsgrenze - begrenzt ist. Außerdem ist dieser derart berechnet, dass dieser durch den ortsabhängigen idealisier- ten Geschwindigkeitsverlauf vmax(s) 16 beschränkt ist. Des Weiteren ist zu sehen, dass im vierten Bahnabschnitt 18d der realisierbare Geschwindig- keitsverlauf v(s) 17 und der ortsabhängige idealisierte Geschwindigkeitsver- lauf vmax(s) 16 gleich sind, wobei der realisierbare Geschwindigkeitsverlauf v(s) 17 immer noch vom ortsabhängigen idealisierten Geschwindigkeitsver- lauf vmax(s) 16 beschränkt ist. 44 BLA-10603a-22 14.09.2023 Die Begrenzung der Beschleunigung ist im dargestellten Beispiel in Fig.3 in den ersten beiden Bahnabschnitten 18a, 18b zu erkennen. Der realisierbare Geschwindigkeitsverlauf v(s) 17 folgt im ersten Bahnabschnitt 18a nicht dem idealisierten Geschwindigkeitsverlauf vmax(s) 16, da sonst der Betrag der er- forderlichen Beschleunigung im Bereich des zweiten Bahnabschnitts 18b die Beschleunigungsgrenze des Galvo-Scansystems 3 überschreiten würde bzw. der idealisierte Geschwindigkeitsverlauf vmax(s) 16 im dritten Bahnabschnitt 18c überschritten werden würde, selbst wenn die maximal verfügbare Be- schleunigung im zweiten Bahnabschnitt 18b eingesetzt werden würde. Um dies zu vermeiden, wird in dem Verfahren bereits im ersten Bahnabschnitt 18a eine veränderliche Geschwindigkeit v gewählt, um die bis zum Beginn des dritten Bahnabschnitts 18c erforderliche gesamte Geschwindigkeitsände- rung ∆v über die ersten beiden Bahnabschnitte 18a, 18b zu verteilen. Würde dies nicht (wie in diesem Beispiel dargestellt) ausreichen, um die Beschleuni- gungsgrenze einzuhalten, müsste im Verfahren die Geschwindigkeit v am Beginn des ersten Bahnabschnitts 18a schon niedriger gewählt werden als die idealisierte Geschwindigkeit vmax(s) 16, um einen realisierbaren Ge- schwindigkeitsverlauf v(s) 17 bestimmen zu können. Da der realisierbare Geschwindigkeitsverlauf v(s) 17 zumindest abschnitts- weise geringer ist als der ortsabhängige idealisierte Geschwindigkeitsverlauf vmax(s) 16, wird der ortsabhängige erste Leistungsverlauf L1(s) 23 reduziert, wobei der zeitabhängige zweite Leistungsverlauf L2(s(t)) 24 berechnet wird, so dass der Energieeintragsverlauf E(s) erreicht wird bzw. so dass die Ener- gieeinträge E in den jeweiligen Bahnabschnitten 18 erreicht und insbeson- dere nicht überschritten werden. Hierbei kann - insbesondere bei sehr kurzen Bahnabschnitten 18 - für die Bahnabschnitte 18 auch ein jeweils konstanter Energieeintrag E aus einer mittleren Geschwindigkeit v des Bahnabschnitts 18 berechnet werden, der im zeitlichen Mittel dem Energieeintrag E des Bahnabschnitts 18 entspricht. 45 BLA-10603a-22 14.09.2023 Im dritten Diagramm ist nochmals der realisierbare Geschwindigkeitsverlauf v(s) 17 gezeigt, hier jedoch geglättet. Dies hat den Vorteil, dass der realisier- bare Geschwindigkeitsverlauf v(s) 17 knickfrei ist, so dass sich die Ge- schwindigkeit v nicht abrupt ändert. Durch diese Glättung wird auch der Ruck, der der Zeitableitung der Beschleunigung entspricht, auf einen endli- chen Wert begrenzt. Durch eine geeignete Wahl der Parameter der Glättung kann erreicht werden, dass auch eine weitere Dynamikgrenze den Galvo- Scansystems 3, nämlich eine Ruckgrenze, eingehalten wird. Aus dem mit diesem Verfahren ermittelten Bahnfortschritt s(t) können die An- steuerungsdaten p(t) = p(s(t) für das Galvo-Scansystem 3 und L2 (t) = L2 (s(t)) für die Modulation der Laserleistung L bestimmt werden, die von der Recheneinheit 14 an die Steuerung 22 übertragen werden können. Bei der Berechnung kann derselbe Zusammenhang zwischen den Prozess- größen Energieeintrag E, Geschwindigkeit v und Leistung L genutzt werden, der oben im Kontext der Berechnung der idealisierten Geschwindigkeit vmax(s) 16 bereits beschrieben wurde. Zum Zweck der Ausführung durch die Steuerung 22 können diese Daten durch die Steuerung 22 oder die Recheneinheit 14 optional noch interpoliert oder skaliert werden, um dem zeitlichen Takt der Steuerung 22 und/oder dem internen Koordinatensystem des Galvo-Scansystems 3 zu entsprechen. Beispielsweise kann die Steuerung 22 an das Galvo-Scansystem 3 alle 10µs zwei digitale Werte mit einer Auflösung von 20bit übertragen, die die Soll- Winkelstellung der Galvanometerantriebe 7, 8 beschreiben und synchron dazu die Leistung des Lasers 2 mit einer höheren Taktrate von beispiels- weise 8 MHz oder 64 MHz modulieren. Die Ansteuerung der Lasermodula- tion kann durch die Steuerung 22 beispielsweise auch mit einem Analogsig- nal erfolgen, das aus einem digitalen Signal gewonnen wird, das die Steue- rung 22 aus dem zeitabhängigen zweiten Leistungsverlauf L2 (t) generiert. 46 BLA-10603a-22 14.09.2023 Die Steuerung 22 kann die Laserquelle 20 auch zwischen zwei Leistungen digital modulieren, insbesondere auch an- und abschalten. Die Steuerung 22 kann die Laserquelle 20 beispielsweise mit einem pulsweitenmodulierten Sig- nal ansteuern, mit dem der zeitabhängige zweite Leistungsverlauf L2 (t) 24 gebildet wird. Durch das Tastverhältnis kann hierbei eine mittlere Laserleis- tung eingestellt werden, der zeitabhängige zweite Leistungsverlauf L2 (t) ent- spricht. Im unteren Diagramm sind wieder die beiden Leistungsverläufe L1(s) 23, L2(s(t)) 24 gezeigt. Hier ist wieder zu sehen, dass in den Bereichen, in denen der realisierbare Geschwindigkeitsverlauf v(s) 17 stärker vom idealisierten Geschwindigkeitsverlauf vmax(s) 16 abweicht, der zweite Leistungsverlauf L2(s(t)) 24 stärker gegenüber dem ortsabhängigen ersten Leistungsverlauf L1(s) 23 reduziert ist. Beispielsweise sind im vierten Bahnabschnitt 18d der zeitabhängige zweite Leistungsverlauf L2(s(t)) 24 und der ortsabhängige erste Leistungsverlauf L1(s) 23 gleich, da auch der realisierbare Geschwin- digkeitsverlauf v(s) 17 und der idealisierte Geschwindigkeitsverlauf vmax(s) 16 gleich sind. Im ersten und zweiten Bahnabschnitt 18a, 18b weicht der zeitab- hängige zweite Leistungsverlauf L2(s(t)) 24 relativ stark vom ortsabhängigen ersten Leistungsverlauf L1(s) 23 ab, da auch der realisierbare Geschwindig- keitsverlauf v(s) 17 stärker vom idealisierte Geschwindigkeitsverlauf vmax(s) 16 abweicht. Die Abweichung ist dazu im Vergleich zum fünften und sechs- ten Bahnabschnitt 18e, 18f geringer. Die Reduktion des zweiten Leistungs- verlaufs L2(s(t)) 24 gegenüber dem ortsabhängigen ersten Leistungsverlauf L1(s) 23 kann dabei von der ortsabhängigen Differenz zwischen dem reali- sierbaren Geschwindigkeitsverlauf v(s) 17 und dem idealisierten Geschwin- digkeitsverlauf vmax(s) 16 abhängig sein. Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die dargestellten und beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt. Abwandlungen im Rahmen der Patentan- sprüche sind ebenso möglich wie eine Kombination der Merkmale, auch 47 BLA-10603a-22 14.09.2023 wenn diese in unterschiedlichen Ausführungsbeispielen dargestellt und be- schrieben sind.
48 BLA-10603a-22 14.09.2023 Bezugszeichenliste 1 Objekt 2 Laser 3 Galvo-Scansystem 4 Bearbeitungsbahn 5 Bahnanfang 6 Bahnende 7 erster Ablenkspiegel 8 zweiter Ablenkspiegel 9 erster Galvanometerantrieb 10 zweiter Galvanometerantrieb 11 Scan-Optik 12 Lasereinkopplung 13 Galvo-Steuereinheit 14 Recheneinheit 15 ortsabhängiger Energieeintragsverlauf E(s) 16 ortsabhängiger idealisierter Geschwindigkeitsverlauf vmax(s) 17 realisierbarer Geschwindigkeitsverlauf v(s) 18 Bahnabschnitt s(t) 19 Laserbearbeitungsvorrichtung 20 Laserquelle 21 Fokussiereinheit 22 Steuerung 23 ortsabhängiger erster Leistungsverlauf L1(s) 24 zeitabhängiger zweiter Leistungsverlauf L2(s(t)) s Ort E Energieeintrag v Geschwindigkeit t Zeit

Claims

1 BLA-10603a-22 14.09.2023 P a t e n t a n s p r ü c h e 1. Verfahren, insbesondere computerimplementiertes Verfahren, zur Zeitoptimierung einer Laserbearbeitung eines Objekts (1), bei der ein Laser (2) entlang einer vorgegebenen Bearbeitungsbahn (4) auf dem Objekt (1) durch ein Galvo-Scansystem (3) führbar ist, bei dem ein ortsabhängiger Energieeintragsverlauf E(s) (15) entlang der vorgegebenen Bearbeitungsbahn (4) in das Objekt durch den La- ser festgelegt ist; bei dem ein ortsabhängiger erster Leistungsverlauf L1(s) (23) des La- sers (2) entlang der Bearbeitungsbahn (4) festgelegt wird und bei dem anhand des ortsabhängigen ersten Leistungsverlaufs L1(s) (23) und des ortsabhängigen Energieeintragsverlaufs E(s) (15) ein ortsabhängi- ger idealisierter Geschwindigkeitsverlauf vmax(s) (16) berechnet wird; bei dem ein zeitabhängiger Bahnfortschritt s(t) derart berechnet wird, dass ein realisierbarer Geschwindigkeitsverlauf v(s) (17) des Lasers (2) entlang der Bearbeitungsbahn (4) durch den ortsabhängigen ideali- sierten Geschwindigkeitsverlauf vmax(s) (16) beschränkt ist und zumin- dest eine Dynamikgrenze des Galvo-Scansystems (3) entlang der Be- arbeitungsbahn (4) eingehalten wird; und bei dem ein zeitabhängiger zweiter Leistungsverlauf L2(s(t)) (24) be- rechnet wird, wobei der ortsabhängige erste Leistungsverlauf L1(s) (23) derart reduziert wird, dass an Orten (s) der Bearbeitungsbahn (4), an denen der realisierbare Geschwindigkeitsverlauf v(s) (17) geringer ist als der ortsabhängige idealisierte Geschwindigkeitsverlauf vmax(s) (16), der ortsabhängige Energieeintragsverlauf E(s) (15) erzielt wird. 2. Verfahren nach dem vorherigen Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass der zeitabhängige Bahnfortschritt s(t) derart berechnet wird, dass eine Bearbeitungszeit der Bearbeitungsbahn (4) minimiert wird. 2 BLA-10603a-22 14.09.2023 3. Verfahren nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der zeitabhängige Bahnfortschritt s(t) derart berechnet wird, dass der realisierbare Geschwindigkeitsverlauf v(s) (17) des Lasers (2) zumindest abschnittsweise, insbesondere überall, maximal wird. 4. Verfahren nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der zeitabhängige Bahnfortschritt s(t) mittels eines Optimierungsverfahrens berechnet wird, wobei beim Op- timierungsverfahren vorzugsweise mehrere unterschiedliche zeitab- hängige Bahnfortschritt s(t) ermittelt werden, und hieraus der zeitab- hängige Bahnfortschritt s(t) ausgewählt wird, der die kürzeste Bearbei- tungszeit der Bearbeitungsbahn (4) liefert. 5. Verfahren nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der zeitabhängige Bahnfortschritt s(t) derart berechnet wird, dass eine Dynamikgrenze des Lasers (2), ins- besondere der Laserleistung, eingehalten wird. 6. Verfahren nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der zeitabhängige Bahnfortschritt s(t) derart berechnet wird, dass als Dynamikgrenze des Galvo-Scansys- tems (3) eine Beschleunigungs- und/oder eine Ruckgrenze eingehal- ten wird. 7. Verfahren nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der zeitabhängige Bahnfortschritt s(t) derart berechnet wird, dass dieser, der realisierbare Geschwindig- keitsverlauf (17) und/oder daraus ableitbare Verläufe, insbesondere mittels einer Zeitableitung, stetig und/oder stetig differenzierbar, insbe- sondere glatt, sind. 3 BLA-10603a-22 14.09.2023 8. Verfahren nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der ortsabhängige Energieeintragsver- lauf E(s) (15) und/oder der ortsabhängige erste Leistungsverlauf L1(s) (23) und/oder der ortsabhängige idealisierte Geschwindigkeitsverlauf vmax(s) (16), derart berechnet und/oder festgelegt werden, dass diese treppenförmig und/oder in zumindest einigen Bahnabschnitten entlang der Bearbeitungsbahn (4) konstant sind. 9. Verfahren nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Berechnung des zeitabhängi- gen zweiten Leistungsverlaufs L2(s(t)) (24) und/oder des ortsabhängi- gen idealisierten Geschwindigkeitsverlauf vmax(s) (16) eine Orientie- rung und/oder eine Positionierung des Galvo-Scansystems (3) zur Be- arbeitungsbahn (4) miteinberechnet wird. 10. Verfahren nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass aus dem zeitabhängigen Bahnfort- schritt s(t) zeitabhängige Koordinaten p(s(t)) zur Bearbeitungsbahn (4) für den Galvo-Scansystem (3) zum Bewegen des Lasers (2) entlang der Bearbeitungsbahn (4) ermittelt werden. 11. Verfahren nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren zur Zeitoptimierung ei- ner Laserbearbeitung eines Objekts (1) von einer Recheneinheit (14) durchgeführt wird. 12. Verfahren nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Koordinaten p(s(t)) an eine Steuer- einheit des Galvo-Scansystems (3) und der zeitabhängige zweite Leis- tungsverlauf L2(s(t)) (24) an eine Lasersteuerung übermittelt werden. 4 BLA-10603a-22 14.09.2023 13. Verfahren nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Vorfeld der realen Laserbearbeitung des Objekts (1) die Laserbearbeitung rechnergestützt, insbesondere in Bezug auf ein Betriebsverhalten, simuliert wird und/oder dass nach der Zeitoptimierung der Laserbearbeitung und/oder nach dem Simulieren der Laserbearbeitung die reale Laserbearbeitung des Objekts (1) erfolgt. 14. Computerprogramm, das bei Ausführung durch eine Recheneinheit (14) diese veranlasst, das Verfahren gemäß einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche auszuführen. 15. Computerlesbares Speichermedium, umfassend ein Computerpro- gramm, wobei das Computerprogramm bei Ausführung mittels einer Recheneinheit (14) diese veranlasst, das Verfahren gemäß einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche auszuführen. 16. Laserbearbeitungsvorrichtung zur Laserbearbeitung eines Objekts (1) mit einem Laser (2) zur Laserbearbeitung, mit einem Galvo-Scansystem (3) zum Führen eines Lasers (2) über das Objekt (1) und mit einer Recheneinheit (14), dadurch gekennzeichnet, dass die Recheneinheit (14) ausgebildet ist, um das Verfahren gemäß zumindest einem der vorangegangenen Ansprüchen durchzuführen.
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DE102017125120A1 (de) * 2017-10-26 2019-05-02 Scanlab Gmbh Steuerungsverfahren zur Bewegungsführung eines Laserstrahls mit Interpolation der Fokuslage und/oder Strahlrichtung
WO2020025771A1 (en) 2018-08-01 2020-02-06 Sei S.P.A. Laser finishing method and apparatus for providing a finishing pattern on a workpiece
DE102021103206A1 (de) * 2021-02-11 2022-08-11 Precitec Gmbh & Co. Kg Verfahren zum Optimieren einer Bearbeitungszeit eines Laserbearbeitungsprozesses, Verfahren zum Durchführen eines Laserbearbeitungsprozesses an einem Werkstück und Laserbearbeitungssystem, welches eingerichtet ist, um diese durchzuführen

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