Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Ermitteln von Werk stückeigenschaften und/oder zum Einstellen von Laserparametern bei der Laser bearbeitung eines Werkstücks, sowie ein zugehöriges Com puterprogramm Pro dukt.

Bei der Lasermarkierung entsteht bei hinreichend hohen Intensitäten/Fluenzen ein Plasma, welches Licht im sichtbaren bzw. ultravioletten Spektralbereich emittiert. Es ist bekannt, das Plasmalicht zu messen, um die Materialzusammensetzung des Werkstücks zu analysieren (z.B. WO 2013/083950 A1) oder um anhand der Intensität, der spektralen Zusammensetzung und deren zeitlicher Änderung Infor mation über die Laserbearbeitung zu gewinnen (z.B. US 2014/0021177 A1).

Weiterhin ist es - z.B. beim Lasermarkieren - bekannt, dass Testfelder des Werk stücks mit unterschiedlichen Werten eines Laserparameters bearbeitet und an schließend die bearbeiteten Testfelder von einer Person visuell, also subjektiv, be urteilt werden, um für die eigentliche Laserbearbeitung den optimalen Wert des Laserparameters zu ermitteln.

Demgegenüber ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung anzugeben, um automatisiert sowohl Eigenschaften des zu bear beitenden Werkstücks als auch einen für die eigentliche Laserbearbeitung geeig neten Wert bzw. den optimalen Wert eines Laserparameters zu ermitteln. Insbe sondere soll auch eine in-situ Prozesskontrolle der Laserbearbeitung bereitgestellt werden.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren zum Ermitteln von Werkstückeigenschaften und/oder zum Einstellen von Laserparametern bei der Laserbearbeitung eines Werkstücks, mit folgenden Verfahrensschritten: Messen der Lichtemission eines bei der Laserbearbeitung des Werkstücks er zeugten Plasmas bei unterschiedlichen Werten mindestens eines Laserparame ters;

Bestimmen des Schwellwertes für den mindestens einen Laserparameter, ab dem das Plasma erzeugt wird,

Ermitteln von Werkstückeigenschaften durch Vergleichen des bestimmten Schwellwertes mit gespeicherten Referenz-Schwellwerten, die bei der Laserbear beitung eines Werkstücks mit bekannten Werkstückeigenschaften bestimmt wor den sind, und/oder

Einstellen des mindestens einen Laserparameters für die weitere Laserbearbei tung des Werkstücks auf einen Wert anhand des bestimmten Schwellwertes. Vorzugsweise wird die Lichtemission des Plasmas im sichtbaren und/oder ultravio letten Spektralbereich gemessen. Erfindungsgemäß wurde gefunden, dass sich die Plasmaerzeugung bei verschie denen Werkstückmaterialien stark unterschiedlich verhält, z.B. bezüglich des er forderlichen Plasmaschwellwertes für die Intensität oder Fluenz. Durch Bestimmen der Schwellwertes am aktuellen Werkstück kann durch Vergleich mit Referenz- Schwellwerten bekannter Werkstückmaterialien das aktuelle Werkstückmaterial zumindest grob (Kunststoff, Metall, ...) bestimmt werden.

Bei Werkstoffen (z.B. Metallen), bei denen oberhalb der Plasmaschwelle gearbei tet werden muss, wird der Laserparameter auf einen Wert eingestellt, bei dem das Plasma erzeugt wird.

Bei Werkstoffen (z.B. Kunststoff), bei denen unterhalb der Plasmaschwelle geblie ben werden muss, wird der Laserparameter hingegen auf einen Wert eingestellt, bei dem noch kein Plasma erzeugt wird. Bei solchen Werkstoffen bietet es sich an, die Plasmaschwelle in einem ersten Schritt zu finden und dann aus Erfahrungs werten festzulegen, welcher Laserparameter von der Laserbearbeitungsmaschine wie stark verändert werden muss, um hinreichend weit genug unterhalb der Plas maschwelle eine qualitativ hochwertige Markierung zu erzeugen. Bevorzugt wird dabei eine vorbestimmte minimale Differenz des eingestellten Werts von dem Schwellwert eingehalten.

Durch Kombination mit einer spektralen Vermessung der Lichtemission des Plas mas und ggf. mit mehreren gemessenen Schwellwerten für unterschiedliche La serparameter kann die Materialeinordnung weiter verbessert werden.

Besonders bevorzugt ist der mindestens eine Laserparameter die Pulsenergie ei nes gepulsten Laserstrahls oder der Pulsüberlapp eines gepulsten Laserstrahls. Die Lichtemission wird bei unterschiedlichen Pulsenergiewerten des gepulsten La serstrahls gemessen und daraus der zugehörige Schwellwert für die Pulsenergie bestimmt. Auch das Kumulieren von Energie durch Pulsüberlapp hat einen rele vanten Einfluss auf die Plasma-Emission. Insbesondere beim Lasergravieren wird vorteilhaft zu Beginn der weiteren Laser bearbeitung des Werkstücks die Fokuslage des Laserstrahls auf maximale Lichte mission des Plasmas eingestellt und während der weiteren Laserbearbeitung dann die Lichtemission des Plasmas durch Nachregeln eines Laserparameters, wie z.B. der Fokuslage des Laserstrahls, unverändert oder nahezu unverändert gehalten.

Vorzugsweise wird die weitere Laserbearbeitung des Werkstücks durch fortlau fende Messung der Lichtemission des Plasmas überwacht und im Fehlerfall been det.

Da die Leuchtdauer des Plasmas länger als die Pulsdauer des Laserpulses ist, kann zwischen zwei Laserpulsen zusätzlich der zeitliche Verlauf der Lichtemission des Plasmas aufgenommen und ausgewertet werden.

Besonders bevorzugt wird während der weiteren Laserbearbeitung des Werk stücks die Differenz des eingestellten Werts von dem Schwellwert zummindest in einem bestimmten Zeitintervall konstant gehalten.

Die Erfindung betrifft auch eine zum Durchführen des erfindungsgemäßen Verfah rens geeignete Laserbearbeitungsmaschine mit einem Laserstrahlerzeuger zum Erzeugen eines Laserstrahls zur Bearbeitung eines Werkstücks, mit einer Maschi nensteuerung zum Einstellen von Laserparametern der Laserbearbeitung, mit ei nem Plasmalichtsensor zum Messen der Lichtemission eines bei der Laserbear beitung des Werkstücks erzeugten Plasmas und mit einer Auswerteeinheit, die den Schwellwert für mindestens einen Laserparameter der Laserbearbeitung be stimmt, ab dem das Plasma erzeugt wird, und die durch Vergleich des bestimmten Schwellwertes mit gespeicherten Referenz-Schwellwerten, welche bei der Laser bearbeitung eines Werkstücks mit bekannten Werkstückeigenschaften bestimmt worden sind, Werkstückeigenschaften des Werkstücks ermittelt und/oder den min destens einen Laserparameter für die weitere Laserbearbeitung des Werkstücks anhand des bestimmten Schwellwertes auf einen Wert, bei dem das Plasma er zeugt wird, einstellt. Vorzugsweise sind die Referenz-Schwellwerte in einem Datenspeicher gespei chert, auf den die Auswerteeinheit Zugriff hat.

Die Erfindung betrifft schließlich auch ein Com puterprogramm produkt, welches Codemittel aufweist, die zum Durchführen aller Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens angepasst sind, wenn das Programm auf einer Maschinensteuerung einer Laserbearbeitungsmaschine abläuft.

Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen des Gegenstands der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung, den Ansprüchen und der Zeichnung. Ebenso können die vorstehend genannten und die noch weiter aufgeführten Merkmale je für sich oder zu mehreren in beliebigen Kombinationen Verwendung finden. Die gezeigten und beschriebenen Ausführungsformen sind nicht als abschließende Aufzählung zu verstehen, sondern haben vielmehr beispielhaften Charakter für die Schilderung der Erfindung. Es zeigen:

Fig. 1 schematisch eine erfindungsgemäße Laserbearbeitungsmaschine mit einem Plasmalichtsensor zum Messen von bei der Laserbear beitung erzeugtem Plasmalicht;

Fig. 2 schematisch die Abhängigkeit der Plasmalichtintensität von der

Pulsenergie eines gepulsten Laserstrahls, für zwei unterschiedli che Materialien; und

Fign. 3A, 3B schematisch das Plasmalichtspektrum für zwei unterschiedliche Materialien.

Die in Fig. 1 gezeigte Laserbearbeitungsmaschine 1 umfasst einen Laserstrahler zeuger 2, der einen insbesondere gepulsten Laserstrahl 3 zum Bearbeiten eines Werkstücks 4 erzeugt, einen Bearbeitungskopf 5, der den Laserstrahl 3 auf das Werkstück 4 richtet, eine Maschinensteuerung 6, welche Laserparameter für die Laserbearbeitung am Laserstrahlerzeuger 2 und am Bearbeitungskopf 5 einstellt, einen Plasmalichtsensor 7 zum Messen der Lichtemission (Plasmalicht) 8 eines bei der Laserbearbeitung des Werkstücks 4 erzeugten Plasmas 9 sowie eine Aus- werteeinheit 10, welche das gemessene Plasmalicht 8 auswertet. Die Auswer teeinheit 10 oder die Maschinensteuerung 6 haben Zugriff auf einen Datenspei cher 11.

Wie in Fig. 1 gezeigt, ist der Plasmalichtsensor 7 am Bearbeitungskopf 5 angeord net und die Auswertungseinrichtung 10 in die Maschinensteuerung 6 integriert. Al ternativ kann der Plasmalichtsensor 7 aber auch unabhängig vom Bearbeitungs kopf 5 angeordnet und die Auswertungseinrichtung 10 eine der Maschinensteue rung 6 vorgeschaltete, separate Einheit sein.

Bei der Lasermarkierung entsteht bei hinreichend hohen Intensitäten/Fluenzen des Laserstrahls 3 am Bearbeitungsort ein Plasma 9, welches Plasmalicht 8 im sichtbaren bzw. ultravioletten Spektralbereich emittiert. Dieses Plasmalicht 8 wird mit dem Plasmalichtsensor (z.B. Photodiode) 7 gemessen, dem optional ein opti scher Filter (nicht gezeigt) vorgeordnet sein kann, um das Laserlicht auszublen den.

Es wurde gefunden, dass sich die Plasmaerzeugung bei verschiedenen Werk stückmaterialen stark unterschiedlich verhält, z.B. bezüglich der erforderlichen Plasmaschwelle für Intensität oder Fluenz. Das Plasmalicht 8 kann daher genutzt werden, um sowohl Werkstückeigenschaften des zu bearbeitenden Werkstücks 4, wie z.B. das Werkstückmaterial, als auch einen für die eigentliche Laserbearbei tung geeigneten Wert bzw. den optimalen Wert eines Laserparameters zu ermit teln.

Zum automatisierten Ermitteln des Werkstückmaterials wird wie folgt vorgegan gen:

Das Plasmalicht 8 wird bei unterschiedlichen Werten eines Laserparameters der Laserbearbeitung gemessen, z.B. bei unterschiedlichen Pulsenergien Ep _u is des ge pulsten Laserstrahls 3. Aus den Messwerten bestimmt die Auswerteeinheit 10 für diesen Laserparameter den Schwellwert (Plasmaschwelle), ab dem das Plasma 9 erzeugt wird, und ermittelt das vorliegende Werkstückmaterial durch Vergleich des bestimmten Schwellwerts mit Referenz-Schwellwerten, die bei der Laserbearbei tung eines Werkstücks mit bekanntem Werkstückmaterial zuvor bestimmt und im Datenspeicher 11 gespeichert worden sind. Auf diese Weise kann zumindest eine grobe Materialeinordnung (Kunststoff, Metall, ...) vorgenommen werden.

Fig. 2 zeigt für zwei unterschiedliche Materialien schematisch die Abhängigkeit der Plasmalichtintensität Ipiasma von der Pulsenergie Ep _u is des gepulsten Laser strahls 3. Der Referenz-Schwellwert Esi der Pulsenergie, ab dem für das Material 1 das Plasma 9 erzeugt wird, ist geringer als der Referenz-Schwellwert Es2 der Pulsenergie, ab dem für das Material 2 das Plasma 9 erzeugt wird. Diese Refe- renz-Schwellwerte Esi, Es2 für die beiden Werkstückmaterialien sind im Daten speicher 11 gespeichert.

Anhand der Messwerte des Plasmalichtsensors 7 kann die Auswerteeinheit 10 das Plasmalicht 8 zusätzlich auch spektral vermessen, also die einzelnen Spekt rallinien des Plasmalichts 8 bestimmen. Die Auswerteeinheit 10 ermittelt dann durch Vergleich mit Referenz-Spektrallinien, die bei der Laserbearbeitung eines Werkstücks mit bekanntem Werkstückmaterial zuvor bestimmt und im Datenspei cher 11 gespeichert worden sind, das vorliegende Werkstückmaterial.

In Fign. 3A, 3B sind schematisch die unterschiedlichen Plasmalichtspektren für die beiden unterschiedlichen Materialien gezeigt, die im Datenspeicher 11 als Re ferenz-Spektren für die beiden Werkstückmaterialien gespeichert sind.

Durch Kombination mit der spektralen Vermessung des Plasmalichts 8 und ggf. mit mehreren gemessenen Schwellwerten für unterschiedliche Laserparameter kann die Materialeinordnung weiter verbessert werden.

Zum automatisierten Einstellen von Laserparametern bei der Laserbearbeitung des Werkstücks 4 wird wie folgt vorgegangen:

Das Plasmalicht 8 wird bei unterschiedlichen Werten eines Laserparameters der Laserbearbeitung gemessen, z.B. bei unterschiedlichen Pulsenergien Epuis des ge pulsten Laserstrahls 3. Aus den Messwerten bestimmt die Auswerteeinheit 10 für diesen Laserparameter den Schwellwert (Plasmaschwelle), ab dem das Plasma 9 erzeugt wird. Anhand des so bestimmten Schwellwertes stellt die Maschinensteu- erung 6 dann den Laserparameter für die weitere Laserbearbeitung des Werk stücks 4 auf einen Wert ein, bei dem das Plasma 9 sicher erzeugt wird. Im Bei spielfall der Pulsenergie also auf eine Pulsenergie Ep _u is höher als der bestimmte Pulsenergie-Schwellwert.

Außerdem kann der Plasmalichtsensor 7 auch zur in-situ Prozessüberwachung eingesetzt werden, indem die Laserbearbeitung des Werkstücks 4 durch fortlau fende Messung des Plasmalichts 8 überwacht und im Fehlerfall beendet wird. Während der Laserbearbeitung des Werkstücks 4 kann das Plasmalicht 8 gemes- sen und durch Regelung eines Laserparameters unverändert oder nahezu unver ändert gehalten werden, um den Bearbeitungsprozess stabil zu halten..

Bei der Tiefengravur kann zum Beispiel die Fokuslage des Laserstrahls 3 automa tisch entsprechend der zunehmenden Gravurtiefe nachgeführt werden, indem die Fokuslage stets auf maximale Lichtplasmaintensität oder auf die Lichtplasmainten sität wie zu Bearbeitungsbeginn geregelt wird.

Da die Leuchtdauer des Plasmalichts 8 länger als die Pulsdauer des Laserpulses ist, kann zwischen zwei Laserpulsen zusätzlich der zeitliche Verlauf des Plasma- lichts 8 aufgenommen und von der Auswerteeinheit 10 ausgewertet werden.