Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Steuern eines Laser-Bearbeitungsprozesses einer Oberfläche eines Werkstücks, ein entsprechendes Steuergerät und ein Bearbeitungssystem zum Bearbeiten einer Oberfläche eines Werkstücks mittels eines Laser-Bearbeitungsprozesses.

Bei einer Herstellung von Bauteilen mit 3D-Oberflächen im Kunststoffbereich, wie z. B. Automobilbauteile, können diese beispielsweise mit Hilfe eines Metallwerkzeuges abgespritzt werden. Das Werkzeug kann insbesondere weitestgehend dem CAD bzw. computergestützten Zeichenprogramm entsprechen, in dem es entworfen wurde. Das Bauteil hingegen kann zum Beispiel materialspezifischen Prozessen wie Schrumpfung oder Verzug unterliegen und kann der Umstände nach der Produktion beispielsweise um mehrere Millimeter von seinem Spritzgusswerkzeug und damit vom CAD abweichen. Sollen solche 3D-Oberflächen bearbeitet werden, so kann die Oberfläche beispielsweise mit einem 3D-Vermessungssystem erfasst werden und die so gemessene Oberfläche mit der CAD-Oberfläche durch Verfahren wie z. B. Bestfit möglichst gut übereinander gebracht werden. Da jedoch CAD-Entwurf und Realbauteil um mehrere Millimeter abweichen können, kann diese Ausrichtung nur in dieser Genauigkeit durchgeführt werden. Die DE 10 2019 123 654 B3 offenbart ein Verfahren zum Herstellen von mindestens einer mehrere Musterelemente umfassenden Musterfigur mittels eines Lasers.

Vor diesem Hintergrund werden mit dem hier vorgestellten Ansatz ein verbessertes Verfahren zum Steuern eines Laser-Bearbeitungsprozesses einer Oberfläche eines Werkstücks, ein verbessertes Steuergerät zum Steuern eines Laser-Bearbeitungsprozesses einer Oberfläche eines Werkstücks und ein verbessertes Bearbeitungssystem zum Bearbeiten einer Oberfläche eines Werkstücks mittels eines Laser-Bearbeitungsprozesses gemäß den Hauptansprüchen vorgestellt. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den nachfolgenden Unteransprüchen.

Gemäß Ausführungsformen kann insbesondere ein Verfahren zum Bearbeiten von Werkstücken, wie beispielsweise von 3D-geformten Bauteilen oder Bauteilen mit 3D- Oberflächen, bereitgestellt werden, wobei ein Bearbeitungskopf, der mit einem Laser mit veränderlicher Strahlrichtung, beispielsweise über einen Galvanometerscanner, und einer optischen Erfassungseinrichtung, beispielsweise verschiedenen Kameras oder Kamerasystemen, ausgestattet sein kann, relativ zum Werkstück bewegbar sein kann. Insbesondere können die optische Erfassungseinrichtung und ein Rechner zum Bewegen des Laserstrahles mit einem Steuergerät verbunden sein, der eine Auswertung und Korrektur von Daten übernehmen kann. Nach einer entsprechenden Korrektur kann das Werkstück mittels eines Laserstrahls beispielsweise mit einem festgelegten Parametersatz der Laserpulse mit einer Pulsenergie, einer Pulsbreite, einer Pulswiederholungsfrequenz und einer Wellenlänge und unter Anwendung der Korrekturdaten bearbeitet werden.

Somit kann insbesondere auf vorteilhafte Weise eine Prozessstabilität des Bearbeitungsprozesses verbessert werden. Es kann insbesondere bei der Bearbeitung mit einem Laser eine Fokuslage innerhalb einer Toleranz gehalten werden, sodass ein stabiler Abtragprozess ermöglicht werden kann. Es können Beispielsweise auch Abweichungen des Werkstücks, beispielsweise eines Spritzgussbauteils, hinsichtlich seines computergestützten Entwurfs mittels CAD und dem realen Bauteil berücksichtigt und hinsichtlich ihrer Auswirkungen auf den Bearbeitungsprozess minimiert werden. Ferner können beispielsweise mehrere Bearbeitungsfelder versatzfrei aneinandergefügt werden. Somit kann auch eine präzise Bearbeitung von großen Bauteilen ermöglicht werden, die mit mehr als einem Bearbeitungsfeld zu bearbeiten sind. Zudem kann insbesondere eine Vermessung des Werkstücks durch Bilderfassung online, d. h. im Prozess erfolgen.

Es wird ein Verfahren zum Steuern eines Laser-Bearbeitungsprozesses einer Oberfläche eines Werkstücks vorgestellt, wobei das Verfahren in Verbindung mit einem Bearbeitungssystem ausführbar ist, das einen Bearbeitungskopf mit einer optischen Erfassungseinrichtung, einem Laser und einer ersten Bewegungseinrichtung zum Bewegen eines Laserstrahls des Lasers relativ zu dem Werkstück und eine zweite Bewegungseinrichtung zum Bewegen des Bearbeitungskopfes und des Werkstücks relativ zueinander aufweist, wobei das Verfahren folgende Schritte aufweist:

Bewirken einer Relativbewegung zwischen dem Bearbeitungskopf und dem Werkstück mittels der zweiten Bewegungseinrichtung, um den Bearbeitungskopf in einem Bereich eines ersten Bearbeitungsfeldes des Werkstücks anzuordnen;

Auslösen einer Aufnahme von Bilddaten des Bearbeitungsfeldes mittels der optischen Erfassungseinrichtung; Korrigieren von vordefinierten Bearbeitungskoordinaten zum Bearbeiten des Bearbeitungsfeldes unter Verwendung von Korrekturwerten, um korrigierte Bearbeitungskoordinaten zum Bearbeiten des Bearbeitungsfeldes zu erzeugen, wobei die Korrekturwerte unter Verwendung von aus den Bilddaten des Bearbeitungsfeldes bestimmten Bildkoordinaten im Vergleich zu den vordefinierten Bearbeitungskoordinaten ermittelt werden;

Ansteuern des Lasers und der ersten Bewegungseinrichtung unter Verwendung der korrigierten Bearbeitungskoordinaten, um das Bearbeitungsfeld zu bearbeiten; und

Bewirken einer weiteren Relativbewegung zwischen dem Bearbeitungskopf und dem Werkstück mittels der zweiten Bewegungseinrichtung, um den Bearbeitungskopf in einem Bereich eines von dem ersten Bearbeitungsfeld unterschiedlichen, zweiten Bearbeitungsfeldes des Werkstücks anzuordnen.

Bei dem Werkstück kann es sich um einen Rohling, um ein Halbzeug, um ein Halbfabrikat etc. handeln. Die Oberfläche des Werkstücks kann dreidimensional geformt sein. Somit kann die Oberfläche auch als eine 3D-Oberfläche bezeichnet werden. Das Bearbeitungsfeld kann durch eine durch die erste Bewegungseinrichtung begrenzte, maximale Bewegung oder Ablenkung des Laserstrahls definiert sein. Das erste Bearbeitungsfeld und das zweite Bearbeitungsfeld können aneinander angrenzend, voneinander beanstandet und zusätzlich oder alternativ einander teilweise überlappend angeordnet sein. Die Bearbeitungsfelder können hinsichtlich Abmessung und Lage am Werkstück vordefiniert sein. Die erste Bewegungseinrichtung kann einen Galvanometerscanner bzw. Galvoscanner, einen Polygonscanner oder dergleichen aufweisen. Die zweite Bewegungseinrichtung kann einen Roboter, einen Roboterarm, einen verformbaren Bearbeitungstisch oder dergleichen aufweisen. Bei einem Ausführen zumindest einer Teilmenge der Schritte des Verfahrens kann jeweils zumindest ein Steuersignal zum Ausführen eines jeweiligen Schrittes erzeugt werden.

Nach dem Schritt des Bewirkens der weiteren Relativbewegung können der Schritt des Auslösens, der Schritt des Korrigierens und der Schritt des Ansteuerns für das zweite Bearbeitungsfeld als Bearbeitungsfeld ausgeführt werden. Anders ausgedrückt können für jedes Bearbeitungsfeld des Werkstücks der Schritt des Auslösens, der Schritt des Korrigierens und der Schritt des Ansteuerns ausgeführt werden, wobei der Schritt des Bewirkens der weiteren Relativbewegung ausgeführt werden kann, um den Bearbeitungskopf von Bearbeitungsfeld zu Bearbeitungsfeld zu verfahren. Eine solche Ausführungsform bietet den Vorteil, dass auch Werkstücke mit einer Mehrzahl oder Vielzahl von zu bearbeitenden Bearbeitungsfeldern präzise bearbeitet werden können, wobei eine Vermessung der Bearbeitungsfelder während des Bearbeitungsprozesses durchgeführt werden kann.

Gemäß einer Ausführungsform kann im Schritt des Bewirkens der Relativbewegung die Relativbewegung unter Verwendung von vordefinierten Werkstückkoordinaten und zusätzlich oder alternativ unter Verwendung von mittels der optischen Erfassungseinrichtung erfassten Merkmalskoordinaten des Werkstücks bewirkt werden. Zusätzlich oder alternativ kann im Schritt des Bewirkens der weiteren Relativbewegung die weitere Relativbewegung unter Verwendung von vordefinierten Werkstückkoordinaten und zusätzlich oder alternativ unter Verwendung von mittels der optischen Erfassungseinrichtung erfassten Merkmalskoordinaten des Werkstücks bewirkt werden. Die Merkmalskoordinaten können zumindest eine Prägung, eine Vertiefung, einen Durchbruch, eine Markierung, ein Angussteil, eine Beschriftung und/oder eine Grenze zumindest eines bereits bearbeiteten Bearbeitungsfeldes des Werkstücks repräsentieren. Eine solche Ausführungsform bietet den Vorteil, dass beim Bearbeiten eines nachfolgend bearbeiteten Bearbeitungsfeldes nahtlos an ein vorhergehend bearbeitetes Bearbeitungsfeld eingesetzt werden kann.

Auch kann das Verfahren einen Schritt des Auslösens einer weiteren Aufnahme von weiteren Bilddaten des Bearbeitungsfeldes in einem bearbeiteten Zustand mittels der optischen Erfassungseinrichtung aufweisen. Hierbei kann der Schritt des Auslösens der weiteren Aufnahme nach dem Schritt des Ansteuerns ausgeführt werden, insbesondere direkt anschließend an denselben. Die weiteren Bilddaten können für eine Qualitätskontrolle bereitgestellt werden. Eine solche Ausführungsform bietet den Vorteil, dass bereits im Bearbeitungsprozess Daten für eine Qualitätskontrolle erhoben werden können, um beispielsweise eine direkte Korrektur der Bearbeitung durchführen zu können.

Ferner kann im Schritt des Ansteuerns eine Absaugeinrichtung des Bearbeitungssystems angesteuert werden, um während des Bearbeitens des Bearbeitungsfeldes Prozessgase und Abgase in dem Bearbeitungsfeld abzusaugen. Somit kann das Bearbeitungssystem auch die Absaugeinrichtung umfassen. Die Absaugeinrichtung kann an dem Bearbeitungskopf angeordnet sein. Eine solche Ausführungsform bietet den Vorteil, dass die Gase zielgerichtet aus einem Laserstrahlengang ferngehalten werden können und damit der Bearbeitungsprozess, das Werkstück und eine Bearbeitungskabine vor Verschmutzung geschützt werden können.

Zudem kann im Schritt des Ansteuerns der Laser unter Verwendung eines Parametersatzes angesteuert werden, der hinsichtlich Pulsenergie, Pulsbreite, Pulswiederholungsfrequenz und Wellenlänge des Lasers abhängig von dem Werkstück und zusätzlich oder alternativ einer Bearbeitungsaufgabe vordefiniert ist. Eine solche Ausführungsform bietet den Vorteil, dass eine genaue und auf eine tatsächliche Bearbeitungsaufgabe exakt abgestimmte Bearbeitung ermöglicht werden kann.

Besonders günstig können Varianten dieses Verfahrens beispielsweise in Software oder Hardware oder in einer Mischform aus Software und Hardware beispielsweise in einem Steuergerät implementiert sein.

Auch schafft der hier vorgestellte Ansatz ein Steuergerät, das ausgebildet ist, um die Schritte einer Variante eines hier vorgestellten Verfahrens in entsprechenden Einrichtungen durchzuführen, anzusteuern bzw. umzusetzen. Auch durch diese Ausführungsvariante der Erfindung in Form eines Steuergeräts kann die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe schnell und effizient gelöst werden.

Auch wird mit dem hier vorgestellten Ansatz ein Computerprogramm vorgestellt, das auf einem maschinenlesbaren Träger oder Speichermedium gespeichert sein kann. Das Programm kann zur Durchführung und/oder Ansteuerung der Schritte des Verfahrens nach einer der vorstehend beschriebenen Ausführungsformen verwendet werden, wenn das Programmprodukt oder Programm auf einem Computer, einem Steuergerät oder einer Vorrichtung ausgeführt wird.

Es wird auch ein Bearbeitungssystem zum Bearbeiten einer Oberfläche eines Werkstücks mittels eines Laser-Bearbeitungsprozesses vorgestellt, wobei das Bearbeitungssystem folgende Merkmale aufweist: eine Ausführungsform des hier vorgestellten Steuergeräts; und den Bearbeitungskopf mit der optischen Erfassungseinrichtung, dem Laser und der ersten Bewegungseinrichtung und die zweite Bewegungseinrichtung, wobei das Steuergerät signalübertragungsfähig mit der optischen Erfassungseinrichtung, dem Laser, der ersten Bewegungseinrichtung und der zweiten Bewegungseinrichtung verbindbar oder verbunden ist.

In Verbindung mit dem Bearbeitungssystem kann das Steuergerät vorteilhaft eingesetzt oder verwendet werden, um den Laser-Bearbeitungsprozess zu steuern. Hierbei können die optische Erfassungseinrichtung, der Laser und die Bewegungseinrichtungen unter Verwendung von mittels des Steuergeräts erzeugten Steuersignalen angesteuert werden.

Gemäß einer Ausführungsform kann der Laser als ein Femtosekunden-Laser oder ein Nanosekunden-Laser ausgeführt sein, insbesondere als ein Nanosekunden-Laser mit einer Leistung von 50 Watt bis 500 Watt, mit einer Wiederholfrequenz von 100 Kilohertz bis 4 Megahertz, mit einer Pulsdauer von 30 Nanosekunden bis 200 Nanosekunden und zusätzlich oder alternativ mit einer Wellenlänge von 1000 Nanometern bis 1100 Nanometern. Eine solche Ausführungsform bietet den Vorteil, dass eine präzise Bearbeitung des Werkstücks ermöglicht werden kann, beispielsweise für einen Lackabtrag von einem Werkstück aus Kunststoff.

Auch kann die optische Erfassungseinrichtung mindestens eine Kamera, einen Linienscanner, einen Streifenscanner oder eine Einrichtung zur Lasertriangulation aufweisen. Zusätzlich oder alternativ kann die optische Erfassungseinrichtung bezüglich der ersten Bewegungseinrichtung derart angeordnet sein, dass eine Bewegung der ersten Bewegungseinrichtung zum Bewegen des Laserstrahls auch eine Bewegung eines Sichtfeldes der optischen Erfassungseinrichtung bewirkt. Hierbei kann die optische Erfassungseinrichtung durch einen teildurchlässigen Spiegel hindurch in einen Strahlengang des Laserstrahls gerichtet sein. Eine solche Ausführungsform bietet den Vorteil, dass die optische Erfassungseinrichtung stets genau auf das durch die Ausrichtung des Laserstrahls definiert Bearbeitungsfeld gerichtet sein kann.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Zeichnungen rein schematisch dargestellt und wird nachfolgend näher beschrieben. Es zeigt Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels eines Bearbeitungssystems zum Bearbeiten einer Oberfläche eines Werkstücks mittels eines Laser-Bearbeitungsprozesses;

Fig. 2 ein Ablaufdiagramm eines Ausführungsbeispiels eines Verfahrens zum Steuern eines Laser-Bearbeitungsprozesses einer Oberfläche eines Werkstücks;

Fig. 3 eine schematische Darstellung eines Werkstücks bei einem Laser- Bearbeitungsprozess im Zusammenhang mit dem Verfahren aus Fig. 2;

Fig. 4 eine schematische Darstellung eines Werkstücks bei einem Laser- Bearbeitungsprozess im Zusammenhang mit dem Verfahren aus Fig. 2;

Fig. 5 eine schematische Darstellung eines Werkstücks bei einem Laser- Bearbeitungsprozess im Zusammenhang mit dem Verfahren aus Fig. 2; und

Fig. 6 eine schematische Darstellung eines Bearbeitungsfeldes eines Werkstücks bei einem Laser-Bearbeitungsprozess im Zusammenhang mit dem Verfahren aus Fig. 2.

Bevor nachfolgend auf Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung detaillierter eingegangen wird, sollen zunächst Hintergründe und Grundlagen von Ausführungsbeispielen kurz vorgestellt werden.

3D-Bauteile bzw. Werkstücke mit dreidimensional geformten Oberflächen können in Größen von wenigen Zentimetern bis zu einigen Metern vorliegen. Der erste Ansatz für Ausführungsbeispiele betrifft insbesondere große Bauteile bzw. Werkstücke. Hier kann es Vorkommen, dass eine benötigte Bearbeitungszone nicht durch ein feststehendes Werkzeug, z. B. Laser, bearbeitet werden kann. In diesem Fall soll das Werkzeug versetzt werden und gegebenenfalls an der vorherigen Bearbeitungsfläche ansetzen. In vielen Anwendungen ist es erforderlich, dass dieses Ansetzen der Bearbeitung so geschieht, dass es nicht sichtbar ist. Eine Herausforderung ist hier, dass nicht die CAD-Daten als Soll- Vorgabe für das Ansetzen genutzt werden können. Sie weichen unter Umständen so vom Realbauteil ab, dass die Ansatzstelle sichtbar wäre. Gemäß Ausführungsbeispielen kann dies vorteilhaft verhindert werden. Findet die Bearbeitung ohne ein Versetzen des Werkzeuges statt, kann es trotzdem zu Herausforderungen kommen. Der zweite Ansatz für Ausführungsbeispiele betrifft mehrere, kleine Merkmale im Arbeitsbereich bzw. Bearbeitungsfeld des Werkzeugs, die punktgenau getroffen werden sollen. Hier stellt eine Abweichung zwischen CAD-Bauteil bzw. Entwurf und Realbauteil eine Herausforderung dar. Kleine Merkmale haben auf dem Realbauteil einen anderen Abstand voneinander als im CAD-Bauteil vorgegeben. Würde in diesem Fall eine Bearbeitung nach CAD-Soll-Kontur gestartet, so könnten eventuell nur einzelne Merkmale gemäß CAD bearbeitet werden. Andere Merkmale weichen mitunter stark ab, würden nicht punktgenau getroffen und führten zu einem unbrauchbaren Produkt. Auch dies kann gemäß Ausführungsbeispielen vorteilhaft verhindert werden.

In der nachfolgenden Beschreibung günstiger Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden für die in den verschiedenen Figuren dargestellten und ähnlich wirkenden Elemente gleiche oder ähnliche Bezugszeichen verwendet, wobei auf eine wiederholte Beschreibung dieser Elemente verzichtet wird.

Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels eines Bearbeitungssystems 100 zum Bearbeiten einer Oberfläche eines Werkstücks X mittels eines Laser-Bearbeitungsprozesses. Das Bearbeitungssystem 100 umfasst einen Bearbeitungskopf 110 mit einer optischen Erfassungseinrichtung 111, 112, einem Laser 115 und einer ersten Bewegungseinrichtung 114 zum Bewegen eines Laserstrahls 116 des Lasers 115 relativ zu dem Werkstück X und eine zweite Bewegungseinrichtung 105 zum Bewegen des Bearbeitungskopfes und des Werkstücks relativ zueinander. Ferner umfasst das Bearbeitungssystem 101 Steuergerät 120 zum Steuern des Laser- Bearbeitungsprozesses der Oberfläche des Werkstücks X. Das Steuergerät 120 ist dabei signalübertragungsfähig mit der optischen Erfassungseinrichtung 111, 112, der ersten Bewegungseinrichtung 114, der zweiten Bewegungseinrichtung 105 und dem Laser 115 (hier nicht explizit gezeigt) verbunden.

Das Steuergerät 120 umfasst gemäß dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel eine Bildverarbeitungseinrichtung 122, eine erste Steuereinrichtung 124 für die erste Bewegungseinrichtung 114 und eine zweite Steuereinrichtung 126 für die zweite Bewegungseinrichtung 105. Hierbei ist die zweite Steuereinrichtung 126 ausgebildet, um mittels der zweiten Bewegungseinrichtung 105 eine Relativbewegung zwischen dem Bearbeitungskopf 110 und dem Werkstück X zu bewirken, um den Bearbeitungskopf 110 in einem Bereich eines ersten Bearbeitungsfeldes des Werkstücks X anzuordnen. Ferner ist die Bildverarbeitungseinrichtung 122 ausgebildet, um eine Aufnahme von Bilddaten des Bearbeitungsfeldes mittels der optischen Erfassungseinrichtung 111, 112 auszulösen. Die Bildverarbeitungseinrichtung 122 oder eine andere Einrichtung des Steuergeräts 120 ist auch ausgebildet, um vordefinierte Bearbeitungskoordinaten zum Bearbeiten des Bearbeitungsfeldes unter Verwendung von Korrekturwerten zu korrigieren, um korrigierte Bearbeitungskoordinaten zum Bearbeiten des Bearbeitungsfeldes zu erzeugen. Dabei ist die Bildverarbeitungseinrichtung 122 oder eine andere Einrichtung des Steuergeräts 120 ausgebildet, um die Korrekturwerte unter Verwendung von aus den Bilddaten des Bearbeitungsfeldes bestimmten Bildkoordinaten im Vergleich zu den vordefinierten Bearbeitungskoordinaten zu ermitteln. Die erste Steuereinrichtung 124 ist ausgebildet, um unter Verwendung der korrigierten Bearbeitungskoordinaten die erste Bewegungseinrichtung 114 und, obgleich nicht explizit gezeigt, den Laser 115 anzusteuern, um das Bearbeitungsfeld zu bearbeiten. Die zweite Steuereinrichtung 126 ist auch ausgebildet, um mittels der zweiten Bewegungseinrichtung 105 eine weitere Relativbewegung zwischen dem Bearbeitungskopf 110 und dem Werkstück X zu bewirken, um den Bearbeitungskopf 110 in einem Bereich eines von dem ersten Bearbeitungsfeld unterschiedlichen, zweiten Bearbeitungsfeldes des Werkstücks X anzuordnen. Das Steuergerät 120 ist ausgebildet, um dann die Bearbeitung an dem zweiten Bearbeitungsfeld als Bearbeitungsfeld fortzusetzen, wobei mittels der Bildverarbeitungseinrichtung 122 und der ersten Steuereinrichtung 124 zumindest einige der vorstehend genannten Vorgänge wiederholt werden.

Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist die erste Steuereinrichtung 124 ausgebildet, um die Relativbewegung unter Verwendung von vordefinierten Werkstückkoordinaten und/oder unter Verwendung von mittels der optischen Erfassungseinrichtung 111, 112 erfassten Merkmalskoordinaten des Werkstücks X zu bewirken. Zusätzlich oder alternativ ist die zweite Steuereinrichtung 126 ausgebildet, um die weitere Relativbewegung unter Verwendung von vordefinierten Werkstückkoordinaten und/oder unter Verwendung von mittels der optischen Erfassungseinrichtung 111, 112 erfassten Merkmalskoordinaten des Werkstücks X zu bewirken. Die Merkmalskoordinaten repräsentieren zumindest eine Prägung, eine Vertiefung, einen Durchbruch, eine Markierung, ein Angussteil, eine Beschriftung und/oder eine Grenze zumindest eines bereits bearbeiteten Bearbeitungsfeldes des Werkstücks X. Die Merkmalskoordinaten repräsentieren insbesondere Koordinaten von Merkmalen auf dem realen Werkstück X, welche für eine Positionierung der ersten und zweiten Bewegungseinrichtung 114 und 105 genutzt werden können (xmn, ymn, zmn). Das Werkstück X hat eine Ausdehnung in drei Dimensionen und liegt beispielsweise als ein Kunststoffbauteil in der Automobilindustrie vor, wie zum Beispiel ein Stoßfänger, Kühlergrill etc., und ist durch CAD-Koordinaten (xwn, ywn, zwn) bzw. Werkstückkoordinaten definiert. Positionen auf dem Werkstück X, welche mittels des Laserstrahls 116 bearbeitet werden sollen, z. B. partieller Abtrag von Schichten, werden als Muster bezeichnet und sind durch CAD Koordinaten (xwn, ywn, zwn) bzw. Werkstückkoordinaten definiert.

Insbesondere ist die Bildverarbeitungseinrichtung 122 mit zumindest einer Kamera bzw. optischen Erfassungseinrichtung 111, 112 verbunden, die am Bearbeitungskopf 110 bzw. Scankopf angeordnet ist und mit diesem mitbewegt wird. Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist die Bildverarbeitungseinrichtung 122 mit mehreren Kameras 111 und 112 als optischer Erfassungseinrichtung verbunden, welche fest am Bearbeitungskopf 110 angeordnet sind und mit diesem bewegt werden. Damit können alle relevanten Grenzen des Bearbeitungsfeldes bildlich erfasst werden. Gemäß dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel umfasst die optische Erfassungseinrichtung zwei Kameras 111 und 112, wobei dieselben lediglich beispielhaft eingezeichnet sind und Anzahl sowie Positionen derselben in vielen weiteren Varianten vorliegen können. Die optische Erfassungseinrichtung 111, 112 ist ausgebildet, um Bildkoordinaten des Werkstücks X zu erfassen. Die optische Erfassungseinrichtung 111, 112 umfasst mindestens eine Kamera oder Linienscanner, Streifenscanner bzw. Mittel zur Lasertriangulation. Die optische Erfassungseinrichtung 111, 112 und die erste Bewegungseinrichtung 114 sind fest miteinander verbunden und gemeinsam mittels der zweiten Bewegungseinrichtung 105 bewegbar. Die Bildverarbeitungseinrichtung 122 ist ausgebildet, um die Korrekturwerte zwischen CAD-Koordinaten und Bildkoordinaten des Werkstücks X zu ermitteln. Die Bildverarbeitungseinrichtung 122 weist eine Schnittstelle zur ersten Steuereinrichtung 124 auf.

Die erste Bewegungseinrichtung 114 ist ausgebildet, um den Laserstrahl 116 relativ zum Werkstück X in x-, y- und z-Richtung zu bewegen. Das Bearbeitungsfeld bzw. Scanfeld ergibt sich aus der maximal möglichen Ablenkung des Laserstrahls 116 in x-, y- und z- Richtung. Die erste Bewegungseinrichtung 114 ist beispielsweise als ein Galvanometerscanner oder Polygonscanner ausgeführt. Die erste Steuereinrichtung 124 ist ausgebildet, um die erste Bewegungseinrichtung 114 anzusteuern, um den Laserstrahl 116 relativ zum Werkstück X zu bewegen. Hierzu kann eine Programmierung des Bewegungsablaufs des Laserstrahls 116 entsprechend CAD-Koordinaten von definierten Mustern auf dem Werkstück X genutzt werden. Die erste Steuereinrichtung 124 weist eine Schnittstelle zu der Bildverarbeitungseinrichtung 122 auf. Die erste Steuereinrichtung 124 ist ausgebildet, um eine Transformation der Bearbeitungskoordinaten entsprechend CAD-Koordinaten in korrigierte Bearbeitungskoordinaten des realen Werkstücks X mittels Korrekturwerten von der Bildverarbeitungseinrichtung 122 durchzuführen und eine Steuerung der Bewegung des Laserstrahls 116 relativ zum Werkstück X entsprechend der korrigierten Bearbeitungskoordinaten nach erfolgter Bildverarbeitung durchzuführen.

Die zweite Bewegungseinrichtung 105 ist ausgebildet, um den gesamten Bearbeitungskopf 110 relativ zu dem Werkstück X zu bewegen. Dabei ist die zweite Bewegungseinrichtung 105 beispielsweise als ein Roboter, Roboterarm, Portal oder dergleichen ausgeführt. Die weitere Relativbewegung zwischen dem Bearbeitungskopf 110 und dem Werkstück X kann durch Bewegen des Bearbeitungskopfs 110 und/oder des Werkstücks X erzielt werden. Die zweite Steuereinrichtung 126 ist ausgebildet, um die zweite Bewegungseinrichtung 105 anzusteuern, um die Relativbewegung und die weitere Relativbewegung zwischen dem Bearbeitungskopf 110 und dem Werkstück X zu bewirken. Die zweite Steuereinrichtung 126 weist eine Schnittstelle zu der Bildverarbeitungseinrichtung 122 auf. Auch ist die zweite Steuereinrichtung 126 ausgebildet, um eine Transformation der Bearbeitungskoordinaten entsprechend CAD- Koordinaten in korrigierte Bearbeitungskoordinaten des realen Werkstücks X mittels Korrekturwerten von der Bildverarbeitungseinrichtung 122 durchzuführen und eine Steuerung der Bewegung der ersten Bewegungseinrichtung 114 bzw. des Bearbeitungskopfes 110 relativ zum Werkstück X entsprechend korrigierter Koordinaten nach erfolgter Bildverarbeitung durchzuführen.

Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist mindestens eine Kamera bzw. optische Erfassungseinrichtung 111, 112 bezüglich der ersten Bewegungseinrichtung 114 derart angeordnet, dass eine Bewegung der ersten Bewegungseinrichtung 114 zum Bewegen des Laserstrahls 116 auch eine Bewegung eines Sichtfeldes der optischen Erfassungseinrichtung 111, 112 bewirkt. Anders ausgedrückt ist mindestens eine Kamera bzw. optische Erfassungseinrichtung 111, 112 so ausgebildet, dass dieselbe über einen teildurchlässigen Spiegel über den Strahlengang durch den Scanner bzw. die erste Bewegungseinrichtung 114 schaut. Eine Bewegung von Scannerspiegeln der ersten Bewegungseinrichtung 114 verursacht eine Bewegung des Sichtfeldes der Kamera beziehungsweise optischen Erfassungseinrichtung 111, 112, die somit jeweils in die Richtung blickt, welche durch die Galvanometerspiegel vorgegeben ist.

Der Laser 115 bzw. die Laserquelle ist gemäß einem Ausführungsbeispiel als ein Kurzpulslaser wie ein Femtosekunden-Laser oder Nanosekunden-Laser ausgeführt. Insbesondere ist der Laser 115 als ein Nanosekunden-Laser mit einer Leistung von 50 Watt bis 500 Watt, mit einer Wiederholfrequenz von 100 Kilohertz bis 4 Megahertz, mit einer Pulsdauer von 30 Nanosekunden bis 200 Nanosekunden und/oder mit einer Wellenlänge von 1000 Nanometer bis 1100 Nanometer ausgeführt. Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist das Steuergerät 120 bzw. die erste Steuereinrichtung 124 ausgebildet, um den Laser 115 unter Verwendung eines Parametersatzes für den Laser 115 bzw. für Laserpulse anzusteuern. Der Parametersatz wird in Vorversuchen mit jeweiligen Materialien von Werkstücken X und Aufgabenstellungen ermittelt, beispielsweise hinsichtlich Pulsenergie, Pulsbreite, Pulswiederholungsfrequenz und Wellenlänge des Lasers abhängig von dem Werkstück X und/oder einer Bearbeitungsaufgabe. Der Laser 115 ist schematisch dargestellt und der Laserstrahl 116 wird bevorzugt über eine optische Faser in den Scanner bzw. die erste Bewegungseinrichtung 114 eingekoppelt.

Gemäß einem Ausführungsbeispiel wird die optische Erfassungseinrichtung 111, 112 nicht nur für eine Ausrichtung bzw. ein Alignment vor der Bearbeitung des jeweiligen Bearbeitungsfeldes genutzt, sondern wird eine weitere Aufnahme von weiteren Bilddaten des Bearbeitungsfelds des in einem bearbeiteten Zustand mittels der optischen Erfassungseinrichtung 111, 112 ausgelöst und somit beispielsweise ein Kamerabild nach der Bearbeitung aufgenommen. Dieses Kamerabild wird gesondert ausgewertet und ggf. mit einem Referenzbild verglichen. Es dient so der Erfolgskontrolle bzw. Prozesskontrolle des Bearbeitungsprozesses, beispielsweise eines Abtragsprozesses.

Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist an dem Bearbeitungskopf 110 bzw. an der Einheit von Laser 115 erster Bewegungseinrichtung 114 bzw. Scanner und optische Erfassungseinrichtung 111, 112 eine Absaugeinrichtung 118 derart angebracht, dass sie die beim Abtrag entstehenden Prozessgase und Abgase lokal und zielgerichtet aus dem Laserstrahlengang fernhält und damit den Prozess, das Bauteil sowie die Bearbeitungskabine vor Verschmutzung schützt. Das Steuergerät 120 ist ausgebildet, um die Absaugeinrichtung 118 des Bearbeitungssystems 100 anzusteuern, um während des Bearbeitens des Bearbeitungsfeldes Prozessgase und Abgase in dem Bearbeitungsfeld abzusaugen.

Die erste Bewegungseinrichtung 114 bzw. der Scanner, der Laser 115 und die optische Erfassungseinrichtung 111, 112 repräsentieren den Bearbeitungskopf 110, welcher als Einheit durch die zweite Bewegungseinrichtung 105 bewegt wird. Als Option ist auch die Absaugeinrichtung 118 mit an dem Bearbeitungskopf 110 montiert. Fig. 2 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Ausführungsbeispiels eines Verfahrens 200 zum Steuern eines Laser-Bearbeitungsprozesses einer Oberfläche eines Werkstücks. Das Verfahren 200 zum Steuern ist hierbei unter Verwendung des Steuergerätes aus Fig. 1 oder eines ähnlichen Steuergerätes ausführbar. Auch ist das Verfahren 200 zum Steuern in Verbindung mit dem Bearbeitungssystem aus Fig. 1 oder einem ähnlichen Bearbeitungssystem ausführbar.

Somit ist das Verfahren 200 zum Steuern in Verbindung mit einem Bearbeitungssystem ausführbar, das einen Bearbeitungskopf mit einer optischen Erfassungseinrichtung, einem Laser und einer ersten Bewegungseinrichtung zum Bewegen eines Laserstrahls des Lasers relativ zu dem Werkstück und eine zweite Bewegungseinrichtung zum Bewegen des Bearbeitungskopfes und des Werkstücks relativ zueinander aufweist. Das Verfahren 200 zum Steuern umfasst einen Schritt 210 des Bewirkens einer Relativbewegung, einen Schritt 220 des Auslösens, einen Schritt 230 des Korrigierens, einen Schritt 240 des Ansteuerns und einen Schritt 250 des Bewirkens einer weiteren Relativbewegung.

In dem Schritt 210 des Bewirkens wird eine Relativbewegung zwischen dem Bearbeitungskopf und dem Werkstück mittels der zweiten Bewegungseinrichtung bewirkt, um den Bearbeitungskopf in einem Bereich eines ersten Bearbeitungsfeldes des Werkstücks anzuordnen. Nachfolgend wird in dem Schritt 220 des Auslösens eine Aufnahme von Bilddaten des Bearbeitungsfeldes mittels der optischen Erfassungseinrichtung bewirkt. Wiederum nachfolgend werden in dem Schritt 230 des Korrigierens vordefinierte Bearbeitungskoordinaten zum Bearbeiten des Bearbeitungsfeldes unter Verwendung von Korrekturwerten korrigiert, um korrigierte Bearbeitungskoordinaten zum Bearbeiten des Bearbeitungsfeldes zu erzeugen. Die Korrekturwerte werden hierbei unter Verwendung von aus den Bilddaten des Bearbeitungsfeldes bestimmten Bildkoordinaten im Vergleich zu den vordefinierten Bearbeitungskoordinaten ermittelt. Nachfolgend werden in dem Schritt 240 des Ansteuerns der Laser und die erste Bewegungseinrichtung unter Verwendung der korrigierten Bearbeitungskoordinaten angesteuert, um das Bearbeitungsfeld zu bearbeiten. In dem Schritt 250 des Bewirkens wird eine weitere Relativbewegung zwischen dem Bearbeitungskopf und dem Werkstück mittels der zweiten Bewegungseinrichtung bewirkt, um den Bearbeitungskopf in einem Bereich eines von dem ersten Bearbeitungsfeld unterschiedlichen, zweiten Bearbeitungsfeldes des Werkstücks anzuordnen. Gemäß einem Ausführungsbeispiel werden nach dem Schritt 250 des Bewirkens der weiteren Relativbewegung der Schritt 220 des Auslösens, der Schritt 230 des Korrigierens und der Schritt 240 des Ansteuerns für das zweite Bearbeitungsfeld als Bearbeitungsfeld ausgeführt.

Optional umfasst das Verfahren 200 zum Steuern zusätzlich einen Schritt 225 des Auslösens einer weiteren Aufnahme von weiteren Bilddaten des Bearbeitungsfeldes in einem bearbeiteten Zustand mittels der optischen Erfassungseinrichtung. Der Schritt 224 des Auslösens der weiteren Aufnahme wird dabei nach dem Schritt 240 des Ansteuerns ausgeführt.

Gemäß einem Ausführungsbeispiel wird ein Verfahren zum Bearbeiten unterschiedlicher

Bearbeitungsfelder auf 3D-geformten Oberflächen mittels Laser vorgestellt, wobei das

Verfahren folgende Schritte aufweist: a. Bereitstellen und Positionieren eines 3D-geformten Werkstücks, definiert durch CAD- Koordinaten (xn, yn, zn); b. Bereitstellen eines Lasers und einer ersten Bewegungseinrichtung für die Ausführung einer Relativbewegung zwischen Laser und Werkstück; c. Bereitstellen einer Steuerung der ersten Bewegungseinrichtung und Programmieren von ersten Bearbeitungskoordinaten (x11 n, y11 n, z11 n) in einem ersten Bearbeitungsfeld auf Basis der CAD-Koordinaten (xn, yn, zn) des Werkstücks; d. Bereitstellen einer Bildaufnahme- bzw. optischen Erfassungseinrichtung und Positionieren relativ zum ersten Bearbeitungsfeld; e. Bildaufnahme des ersten Bearbeitungsfeldes auf dem Werkstück; f. Ermitteln von Korrekturwerten zwischen CAD-Koordinaten und Bild-Koordinaten; g. Übermitteln der Korrekturwerte an die erste Steuereinheit der ersten Bewegungseinheit; h. Transformation der ersten Bearbeitungskoordinaten des ersten Bearbeitungsfeldes (x11 n, y11 n, z11 n) mittels Korrekturwerten in zweite Bearbeitungskoordinaten des ersten Bearbeitungsfeldes (x12n, y12n, z12n); i. Bearbeiten der 3D-geformten Oberfläche innerhalb des ersten Bearbeitungsfeldes mit den zweiten Bearbeitungskoordinaten (x12n, y12n, z12n) und einem vorab festgelegten Parametersatz der Laserpulse; j. Bereitstellen einer zweiten Bewegungseinrichtung für eine Relativbewegung zwischen der ersten Bewegungseinrichtung und dem Werkstück; k. Relativbewegung der zweiten Bewegungseinrichtung zu einem zweiten Bearbeitungsfeld;

L. Bildaufnahme des zweiten Bearbeitungsfeldes; m. Bestimmen von Merkmalskoordinaten (xm1n, ym1n, zm1n); n. Ausrichten der ersten Bewegungseinrichtung zu den Merkmalskoordinaten (xm1 n, ym1 n, zm1 n); o. Wiederholen der Schritte e. bis i. mit jedem nachfolgenden Bearbeitungsfeld; und p. Wiederholen der Schritte k. bis n. mit jedem nachfolgenden Bearbeitungsfeld.

Fig. 3 zeigt eine schematische Darstellung eines Werkstücks X bei einem Laser- Bearbeitungsprozess im Zusammenhang mit dem Verfahren aus Fig. 2. Gezeigt sind von dem dreidimensionalen Werkstück X hierbei beispielhaft eine Mehrzahl von regelmäßigen Mustern 330 durch Lackabtrag mittels Laser sowie zwei Bearbeitungsfelder 317A und 317B. Die Muster 330 erstrecken sich hierbei durchgängig über einen zusammenhängenden Teilabschnitt einer Oberfläche des Werkstücks X. Die Bearbeitungsfelder 317A und 317B umfassend lediglich Teilbereiche der Muster 330. Die Bearbeitungsfelder 317A und 317B entsprechen oder ähneln hierbei dem ersten Bearbeitungsfeld und dem zweiten Bearbeitungsfeld aus einer der vorstehend beschriebenen Figuren. Jedes der Bearbeitungsfelder 317A und 317B entspricht dem Scanfeld eines Galvanometerscanners als erster Bewegungseinrichtung des Bearbeitungssystems. In Fig. 3 ist insbesondere ein nahtloses Aneinandersetzen von Bearbeitungsfeldern 317A, 317B veranschaulicht.

Fig. 4 zeigt eine schematische Darstellung eines Werkstücks X bei einem Laser- Bearbeitungsprozess im Zusammenhang mit dem Verfahren aus Fig. 2. die Darstellung in Fig. 4 entspricht hierbei der Darstellung aus Fig. 3 mit Ausnahme dessen, dass die Muster 330 lediglich innerhalb der Bearbeitungsfelder 317A und 317B angeordnet sind, es sich um einzelne Muster 330 durch Lackabtrag mittels Laser handelt und zusätzlich als Merkmal 440 des Werkstücks X beispielhaft eine Vertiefung eingezeichnet ist. In Fig. 4 ist insbesondere ein Positionieren von einzelnen Mustern 330 veranschaulicht.

Fig. 5 zeigt eine schematische Darstellung eines Werkstücks X bei einem Laser- Bearbeitungsprozess im Zusammenhang mit dem Verfahren aus Fig. 2. Gezeigt sind von dem dreidimensionalen Werkstück X hierbei beispielhaft zwei Bearbeitungsfelder 317A und 317B. Die Bearbeitungsfelder 317A und 317B entsprechen oder ähneln hierbei dem ersten Bearbeitungsfeld und dem zweiten Bearbeitungsfeld aus einer der vorstehend beschriebenen Figuren. In einer links in Fig. 5 gezeigten Teildarstellung sind Grenzen der Bearbeitungsfelder 317A und 317B voneinander beanstandet, wobei in einer rechts gezeigten Teildarstellung die Bearbeitungsfelder 317A und 317B direkt aneinander angrenzen. Dies kann durch Ausführen des Verfahrens aus Fig. 2 oder eines ähnlichen Verfahrens erreicht werden.

Anders ausgedrückt veranschaulicht Fig. 5 ein nahtloses Ansetzen von Scanfeldern bzw. der Bearbeitungsfelder 317A und 317B. Die optische Erfassungseinrichtung des Bearbeitungssystems ist so angebracht, dass Ränder eines jeweils zu bearbeitenden Bearbeitungsfeldes 317A, 317B von der optischen Erfassungseinrichtung erfasst werden. Zuerst wird das erste Bearbeitungsfeld 317A bearbeitet. Danach bewegt die zweite Bewegungseinrichtung des Bearbeitungssystems entweder das Werkstück X oder den Bearbeitungskopf, z. B. ist der Scanner an einem Roboter montiert und wird damit verfahren. Nachfolgend werden durch die optische Erfassungseinrichtung die Ränder des vorherigen Bearbeitungsfeldes 317A, 317B erfasst. Aus den Informationen des Kamerabildes wird eine Korrektur berechnet. Diese Korrektur wird auf die Soll-Figur des Bearbeitungssystems gegeben bzw. transformiert. Dieses Vorgehen kann für n Scanfelder wiederholt werden. Nach der Ausrichtung bearbeitet der Laserstrahl auf Basis der korrigierten Daten.

Fig. 6 zeigt eine schematische Darstellung eines Bearbeitungsfeldes 317A eines Werkstücks bei einem Laser-Bearbeitungsprozess im Zusammenhang mit dem Verfahren aus Fig. 2. Gezeigt sind von dem Werkstück hierbei lediglich beispielhaft das erste Bearbeitungsfeld 317A der Bearbeitungsfelder aus einer der vorstehend beschriebenen Figuren, eine Mehrzahl von Mustern 330 in dem Bearbeitungsfeld 317A und eine Mehrzahl von realen Merkmalen 440 des Werkstücks. In einer links in Fig. 6 gezeigten Teildarstellung sind die Muster 330 und die Merkmale 440 zumindest teilweise voneinander versetzt, wobei in einer rechts gezeigten Teildarstellung die die Muster 330 und die Merkmale 440 miteinander zur Deckung gebracht sind. Dies kann durch Ausführen des Verfahrens aus Fig. 2 oder eines ähnlichen Verfahrens erreicht werden.

Anders ausgedrückt veranschaulicht Fig. 6 eine punktgenaue Bearbeitung von einzelnen Merkmalen bzw. Mustern 330. Die optische Erfassungseinrichtung des Bearbeitungssystems ist so angebracht, dass das Bearbeitungsfeld 317A, z. B. Scanfeld eines Galvanometerscanners, erfasst wird. Vor der Bearbeitung wird ein Bild der Bearbeitungsoberfläche mit den dort vorhandenen realen Merkmalen 440 aufgenommen. Danach erfolgt eine Ausrichtung der Bearbeitungsdaten, z. B. Scannerdatei, anhand der Kameraaufnahmen. Diese Ausrichtung kann entweder pro Merkmal selbst oder (aus Taktzeitgründen) mit mehreren Merkmalen zusammengefasst in einer Gruppe ausgerichtet werden. Nach der Ausrichtung bearbeitet der Laserstrahl auf Basis der korrigierten Daten.

Umfasst ein Ausführungsbeispiel eine „und/oder" -Verknüpfung zwischen einem ersten Merkmal und einem zweiten Merkmal, so ist dies so zu lesen, dass das Ausführungsbeispiel gemäß einer Ausführungsform sowohl das erste Merkmal als auch das zweite Merkmal und gemäß einer weiteren Ausführungsform entweder nur das erste Merkmal oder nur das zweite Merkmal aufweist.