Maschinens euerung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bearbei - tung eines Werkstücks mittels eines Laserstrahls sowie ein Laserwerkzeug , eine Lasermaschine und eine Maschinensteuerung gemäß den Oberbegriffen der unabhängigen Pa- tentansprüche .

Stand der Technik ist etwa DE1017322A,

WO2000/18535, DE10324439A, DE10352402A, DE102004013475A, EP1613447A1, DE1021007012816 , DE102007012815A,

DE102007016056A

Figur 1 zeigt schematisch eine bekannte Werkzeugmaschine 1. Die Maschine 1 weist einen Maschinenrahmen 16 auf . An ihm verstellbar angebracht ist ein Werkstücktisch 14 , der im Betrieb ein Werkstück 11 aufgespannt hält. Die Verfahrbarkeit des Werkstücktischs 14 gegenüber dem

Rahmen 16 kann translatorisch und/oder rotatorisch längs einer oder mehrerer translatorischer und/oder rotatorischer Achsen eingestellt sein. Diese Achsen sind mit 15 angedeutet . Auch am Maschinenrahmen 16 befestigt ist ein Laserwerkzeugkopf 13. Er kann auswechselbar sein und über standardisierte Kupplungen {HSK, Kegelschaft, ...} einsetzbar und herausnehmbar sein. Auch der Werkzeugkopf 13 kann längs einer oder mehrerer translatorischer und/oder rotatorischer Achsen 17 gegenüber dem Maschinenrahmen 16 verstellbar sein .

Der Laserwerkzeugkopf 13 sendet einen Laserstrahl 12 aus» der auf die Oberfläche 10 des Werkstücks 11 auftrifft und dort zu Materialverflüssigung und Materialverdampfung führt. Der Laserstrahl 12 ist üblicherweise kein kontinuierlicher Laserstrahl, sondern ein gepulstes Laserlicht. Die Impulsleistung ist regelmäßig so hoch, dass einzelne Impulse jeweils für sich die Materialverdampfung bewirken können. Mittels eines Scanners sowie einer geeigneten Optik wird der Laserstrahl, insbesondere sein Fokus, im Raum wie gewünscht geführt.

Eine Steuerung 18 steuert den Laserstrahl 12 und insbesondere die Lage des Fokus des Laserstrahls 12 im Raum über Stellglieder im Kopf 13. Sie steuert auch die Achsen 15 und 17 und sonstige Maschinenkomponenten. Sie kann allgemein mit Sensorik 19 verbunden sein. Die Senso- rik 19 kann beispielsweise das schon geschaffene Gesenk dreidimensional vermessen oder kann den momentanen Auf - treffpunkt des Laserstrahls auf dem Gesenk ermitteln und der Steuerung 18 geeignet formatiert zuführen. Ein Speicher 18a hält Bearbeitungsdaten, die auch Programmdaten für ein Bearbeitungsprogramm einer CNC-Maschine aufweisen können .

Das Werkstück 11 kann ein metallisches Material sein oder eine Keramik oder ein Kunststoff . Es kann sich aber auch um einen Lacküberzug eines Trägers handeln. Die zu fertigende Struktur kann ein voluminöses Gesenk sein oder eine irgendwie geartete Oberflächenbearbeitung, die kaum in die Tiefe des Gesenks führt . Als Beispiel sei im Folgenden die Fertigung einer

Spritzgussform für Fahrzeugarmaturen angenommen. Die makroskopische Form sei schon anderweitig hergestellt und die beschriebene Maschine soll eine geeignete Oberflä- chenstrukturierung einbringen. Da eine Gussform, faerzu- stellen ist, ist eine Negativform herzustellen. Das

Werkstück ist relativ groß und kann Oberflächen von

0,1 m ² oder mehr oder 1 m ² oder mehr haben. Dies entspricht bei quadratischer Gesamtform einer Kantenlänge von mindestens 31 cm bzw. 1 m auf der Werkstückoberflä- che.

Laserköpfe 13 können solch hohe Auslenkungen aber in der Regel nicht oder nur unter deutlichen Qualitätseinbußen bewerkstelligen. Deswegen wird häufig so verfah- ren, dass die Werkstückoberfläche in Segmente aufgeteilt wird. Jedes Segment wird dann aus einer jeweils eigenen konstanten Relativposition zwischen Werkstück 11 und Werkzeugkopf 13 bearbeitet. Wenn die Bearbeitung des Segments beendet ist, wird das Werkstück relativ zum Werk- zeugkopf verfahren, indem die Achsen 15 und 17 verwendet und geeignet angesteuert werden, wobei dann in einer neuen Relativposition ein neues Segment bearbeitet wird.

Figur 2 zeigt die Segmentierung eines Werkstücks in bekannter Weise. Man kann sich das gezeigte Werkstück beispielsweise als Gussform eines Knopfs mit vier Löchern vorstellen, für die negativ in der Form die als vier Kreise symbolisierten Säulen stehen bleiben. 10 ist ein Gesenk in der Werkstückoberfläche. Es sei angenommen, dass die Gesamtgröße der Werkstückoberfläche zu groß ist, als dass sie aus einer einzigen Relativposition zwischen Werkzeugkopf 13 und Werkstück 11 heraus bearbeitet werden könnte. Die Werkstückoberfläche wird deshalb in Segmente 21a, 21b, 21c, 21d unterteilt, wobei die Unterteilung eine logische, keine reale Teilung ist. Für die jeweils einzelnen Segmente wird dann eine bestimmte Relativposition zwischen Werkstück und Werkzeugkopf eingestellt, aus der heraus das Segment bearbeitet wird. Sowohl die Segmentierung als auch die Festlegung der jeweiligen Rela- tivpositionen geschehen nach mehreren Kriterien. Eines kann die Optimierung der Einfallswinkel sein, ein anderes notwendig die Vermeidung von Abschattungen oder Kollisionen. Wenn die Bearbeitung in einem Segment beendet ist, werden Werkstück und/oder Werkzeugkopf relativ zueinander verfahren, sodass für ein weiteres Segment eine gute Relativposition gegeben ist _» aus der heraus das weitere Segment bearbeitet werden kann, usw. Die Werkstückober- fläche kann in 10 oder 20 oder 50 oder mehr Segmente unterteilt sein. Wenn darüber hinaus ein Gesenk in die Tiefe zu fertigen ist, können die Segmentgrenzen bei schichtweisem Materialabtrag in unterschiedlichen Schichten unterschiedlich liegen, wie dies durch die Gitter 21, 22, 23 in Figur 2 angedeutet ist. Die jeweils gezeigten Gitter geben Segmentgrenzen in unterschiedlichen Schichten ( z-Lage) an. Vorzugsweise sind diese gegeneinander versetzt, so dass sich an den Grenzen, die Unstetigkeiten aufweisen können, keine Artefakte an den Seitenwänden merkbar ausbilden, weil die Effekte verschmiert sind.

Figur 3 zeigt eines der Probleme, die bei der Segmentierung von Werkstückoberflächen auftreten können. In Figur 3a ist gezeigt, dass die Werkstückoberfläche in zwei Segmente 21a, 21b aufgeteilt ist. Für jedes Segment würde die Position des Laserkopfs 13 so gewählt werden, dass die jeweilige Position relativ zur momentanen Werkstückoberfläche gut oder optimal ist. Optimal würde bedeuten, dass im Mittel der Laser in etwa senkrecht auf die Werkstückoberfläche auftrifft, so dass die Leistung möglichst gleich und wohldefiniert in das zu bearbeitende Werkstück eingebracht werden kann. Dies führt zu einer sehr individuellen Positionierungen des Kopfs 13 , wenn die Werkstückoberfläche, wie in Figur 3a gezeigt, uneben ist. Durch 13-1 und 13-2 sind unterschiedliche Positionen des Kopfs 13 angedeutet.

Der Effekt ist, dass in jedem Segment für sich optimal gearbeitet werden kann. Nachteile dieses Ansatzes sind allerdings in den Figuren 3b und 3c gezeigt. An der Grenze zwischen den Segmenten 21a und 21b treffen die Laserstrahlen aus den zwei Positionen 13-1 und 13-2 unter unterschiedlichen Winkeln α und ß auf die Werkstückober- fläche auf. Wenn der Durchmesser d des Laserstrahls 12 jeweils der gleiche ist, kommt es aufgrund der unter- schiedlichen Winkel α und ß bei nebeneinanderliegenden, aber aus unterschiedlichen Relativpositionen heraus erzeugten Impulstreffern auf der Werkstückoberfache zu unterschiedlichen Projektionsabmessungen pl und p2 auf der Werkstückoberfläche. Dies führt einerseits zu ungleichmäßigen Abbildungen des Laserstrahldurchmessers auf der Werkstückoberflache (Geometriefehlern} und andererseits bzw. als Folge zu ungleichmäßigen Leistungsdichten und damit unterschiedlichem Abtragsverhalten (Abtragsfeh- 1er) .

Wenn einzelne Punkte entsprechend den Auftreffstellen einzelner Laserimpulse eingebracht werden sollen _» haben diese an der Segmentgrenze abhängig davon, auf welcher Seite sie liegen, systematisch die gleichen

Geometrieabweichungen. Bei senkrechtem Einfall bei Segment 21b wird die Form näherungsweise kreisförmig sein, während bei schrägem Einfall die Form ellipsenförmig verzerrt wird. Selbst wenn dies keine funktionalen Aus- Wirkungen hat, wird der Übergang der Form längs der

Segmentgrenzen optisch in der Regel doch deutlich wahrnehmbar sein. Dies ist hochgradig unerwünscht. Auch diese Effekte können innerhalb einer Schicht „verschmiert werden, indem die Spurgrenzen zwischen den Segmenten verzahnt werden. Aber auch dann können Ung1eichmäßigkei- ten sichtbar oder funktional merkbar werden.

Figur 4 zeigt ein weiteres Problem an den Segmentgrenzen. In jeder Relativlage wird der Laser längs mehre rer Spuren geführt und erzeugt so, abhängig von der Führungsgeschwindigkeit und der Impulsfrequenz fp = 1/T, eine Folge einzelner Auftreffstellen. Wenn dann zur

Fertigung eines weiteren Segments die Relativlage verstellt ist, kann es zu Anschlussfehlern kommen, da die Steuerung in der zweiten _» späteren Relativlage zwar in sich richtig und gleichmäßig sein kann, aber nicht in

Bezug auf die nach der Bearbeitung aus der ersten Relativlage vorgefundene Situation heraus vorgenommen wurde . Figur 4 zeigt, dass einzelne Punkte nicht regelmäßig aneinander anschließen. Gezeigt ist nur ein Anschlussfehler in vertikaler Richtung der Zeichnungsebene. Es kann auch waagerecht in der Zeichnungsebene liegende Anschlussfehler geben, die zum Versatz der Spuren gegen- einander führen . Abermals gilt auch hier, dass selbst wenn diese Effekte keine funktionalen Auswirkungen hätten, sie mindestens optisch als Artefakt längs der Segmentgrenze wahrnehmbar sind, was abermals hochgradig unerwünscht ist .

Figur 5 zeigt typische Laserpulse 50a, 50b und 50c längs der Zeitachse . 51 symbolisiert einzelne Impulse bzw. Impulsgruppen, die mit einer Periodendauer T sehr regelmäßig aufeinanderfolgen . Die Periodendauer T ist bei den meisten Lasertypen gut und schnell, bei einigen aber nur schlecht oder langsam steuerbar, aber in jedem Fall relativ gleichmäßig und vorhersehbar . Im Puls 50a folgen Einzelimpulse 51 mit Periodendauer T aufeinander. Im Puls 50b folgen Doppelimpulse aus Impulsen 52 , 53

regelmäßig aufeinander, wobei jeweils der erste schwächer ist als der zweite. Auch diese Doppelimpulse definieren gegeneinander eine Periodendauer T. Im Puls 50c sind auch Doppelimpulse aus Impulsen 52, 53 gezeigt , die aber gleich sein können.

Alle dargestellten Pulse zeigen auch ein Phänomen beim Einschalten. Wird angenommen, dass der jeweils links zu sehende Impuls/Doppelimpuls der erste nach dem Anschalten ist, ist häufig zu beobachten, dass die ersten Impulse relativ stark sind und die nachfolgenden schwächer werden, bis sie einen konstanten Pegel erreicht haben. Es ändert sich deshalb die Abtragsleistung aufgrund dieser Aufangsimpulsuberhöhung kurz nach dem Einschalten. Ausgedrückt in Durchmessern der Laserimpuls- treffer wären Durchmesser der ersten Treffer größer als die der folgenden.

Wenn die Leistungsdichte (Leistung pro Fläche) auf der Werkstückoberfläche ungleichmäßig ist _» sind auch die Abtragsleistungen ungleichmäßig, sodass Abtragsungleichmäßigkeiten bzw. Abtragsfehler entstehen können. Die ungleichen Leistungsdichten können sich aufgrund von Geometriefehlern wie oben beschrieben oder aufgrund der beschriebenen Anfangsimpulsüberhöhung ergeben.

Es zeigt sich somit insgesamt, dass bei bekannten segmentierenden Werkstückbearbeitungsverfahren mittels Laserstrahl zwar innerhalb der jeweiligen Segmente mit wünschenswerter Genauigkeit gearbeitet werden kann und dass Artefakte an Segmentanschlüssen in gewisser Weise verschmiert werden können, dass aber an den Grenzen benachbarter Segmente Unstetigkeiten in Form von Geometriefehlern, Anschlussfehlern oder Abtragsfehlem entstehen können, die optisch wahrnehmbar sind und/oder funkti- onale Unstetigkeiten hervorrufen. Das eine wie das andere ist unerwünscht.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Bearbeitung eines Werkstücks mittels eines Laserstrahls und ein hierfür verwendbares Laserwerkzeug anzugeben, die die Genauigkeit der Lasersteuerung bei segmentierter Werkstückbearbeitung erhöhen und insbesondere optisch wahrnehmbare Unterschiede verringern. Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche gelöst.

In einem Verfahren zur Bearbeitung eines gepulsten Laserstrahls wird in einer konstanten Relativlage zwi- sehen Werkstück und Werkzeugkopf der Laserstrahl über die Werkstückoberfläche geführt. Das Werkstück wird nacheinander aus einer ersten und einer anderen zweiten Relativlage heraus bearbeitet. Die Bearbeitungsparameter in der zweiten Relativlage werden so gesteuert, dass eine oder mehrere aus der zweiten Relativlage heraus erzeugten Auftreffstellen von LaserImpulsen auf der Werkstückoberfläche eine definierte Lage in Bezug auf eine oder mehrere aus der ersten Relativlage heraus erzeugten Auftreffstellen von Laserimpulsen auf der Werkstückoberfläche haben, insbesondere in einem ein- oder zweidimensionalen Raster liegen, das durch mehrere aus der ersten Relativlage heraus erzeugte Auftreffstellen von Laserimpulsen auf der Werkstückoberfläche definiert ist . Mit dem so gestalteten Verfahren wird bewirkt, dass das Raster, das durch die Bearbeitung aus einer Relativposition heraus vorgegeben ist, bei der Bearbeitung aus der späteren Relativposition möglichst aweichungsfrei und systematisch fortgesetzt wird, so dass im Idealfall

Unterschiede bzw. Segmentgrenzen nicht mehr wahrnehmbar sind.

Bei einem weiteren Verfahren zur Bearbeitung eines Werkstücks mittels eines einem Werkzeugkopf entspringen- den gepulsten Laserstrahls wird in einer konstanten

Relativlage zwischen Werks ück und Werkzeugkopf der gepulste Laserstrahl über Positionen auf der Werkstückoberfläche geführt . Nacheinander werden erste Werkstückpositionen eines ersten Werkstückoberflächensegments aus einer ersten Relativlage und zweite Werkstückpositionen aus einem angrenzenden zweiten Werkstückoberflächensegment aus einer anderen zweiten Relativlage heraus bearbeitet , wobei die Segmente überlappend oder nicht überlappend aneinander angrenzen können . Die ersten und zweiten Segmente und die erste und die zweite Relativlage werden nach Maßgabe zweier Kriterien festgelegt , deren erstes die Festlegung der Einfallswinkel nach Maßgabe der Verhältnisse bei der jeweiligen Relativlagen bestimmt und deren zweites die Festlegung der Einfallswinkel derart bestimmt, dass, vorzugsweise in parallelen Schnittebenen betrachtet, ein betrachteter Einfallswinkel des Laserstrahls gegenüber der Werkstückoberfläche in der einen Relativlage im Hinblick auf einen betrachteten Einfallwinkel des Laserstrahls gegenüber der Werkstückoberfläche in der anderen Relativlage gewählt wird, vorzugsweise so, dass der Unterschied der betrachteten Einfallswinkel verringert wird oder unter einen vorgegebenen maximalen Betrag fällt. Bei diesem Verfahren werden die Auftreffgeometrien von Laserimpulstreffern auf der Werkstückoberfläche, die aus unterschiedlichen Relativpositionen heraus (in unterschiedlichen Segmenten) gefertigt we den, aber unmittelbar oder nahe beieinander liegen, aneinander angeglichen, sodass die Abbildungsgeometrie des Laserstrahls auf der Werkstückoberfläche an der Grenze weniger stark variiert und deshalb nicht oder kaum „springt". Auch auf diese Weise werden abrupte funktionale oder wahrnehmbare Unterschiede an den Segmentgrenzen verringert .

Die Werkstückpositionen und die Relativlage können so gewählt werden, dass der mittlere Einfallswinkel des Laserstrahls gegenüber der Werkstückoberfläche bei dieser Relativlage nicht im Bereich von 90 °± 3° liegt .

Bei einem Verfahren zur Bearbeitung eines Werkstücks mittels eines einem Werkzeugkopf entspringenden gepulsten Laserstrahls wird in einer konstanten Relativlage zwischen Werkstück und Werkzeugkopf der gepulste Laserstrahl über Positionen auf der Werkstückoberfläche geführt, wobei nacheinander erste Werkstückpositionen eines ersten Werkstückoberflächensegments aus einer

ersten Relativlage und zweite Werkstückpositionen aus einem angrenzenden zweiten Werkstückoberflächensegment aus einer anderen zweiten Relativlage heraus bearbeitet werden, wobei die Segmente überlappend oder nicht überlappend aneinander angrenzen können . Die Segmente sind kleiner als das einsteuerbare Arbeitsfenster des Laserkopfs und werden insbesondere durch Unterteilung eines vorläufigen Segments festgelegt , wobei die Unterteilung nach Maßgabe der Betrachtung von Einfallswinkeln von Laserstrahlen gegenüber der Werkstückoberfläche im vorläufigen Segment und ggf . auch daran angrenzender Segmente erfolgt .

Das eben beschriebene Verfahren ist hilfreich, wenn innerhalb eines Segments die Laserstrahleinf llswinkel auf der Werkstückoberfläche so stark variieren, dass auch innerhalb eines Segments die Unterschiede wahrnehmbar werden . Es kann dann ein vorl ufiges Segment in mehrere kleinere Segmente unterteilt werden, sodass innerhalb eines dann kleineren Segments die Varianzen kleiner werden und über die Segmentgrenzen hinweg ggf . wie vorher beschrieben aneinander angeglichen werden können.

Soweit Einfallswinkel betrachtet werden, können dies Winkel der Laserlichtachse gegenüber der momentanen lokalen Werkstückoberfläche vor Auftreffen des Laserstrahls sein, wobei über strukturelle Merkmale, die kleiner sind als der 20 oder 10 oder 5 μτη hinweg gernititelt werden kann.

Bei einem Verfahren zur Bearbeitung eines Werk- Stücks mittels eines einem Werkzeugkopf entspringenden gepulsten Laserstrahls wird dieser über die Werkstückoberfläche geführt und das Werkstück durch eine oder mehrere automatisch gesteuerte oder geregelte Stellachsen relativ gegenüber dem Werkzeugkopf verstellt . Eine oder mehrere der Stellachsen und der gepulste Laserstrahl aus dem Werkzeugkopf werden gleichzeitig und aufeinander abgestimmt betrieben.

Bei diesem Verfahren ist es möglich, durch gleich- zeitig im Betrieb wenigstens einer mechanischen Stellachse und des Laserstrahls Artefakte, die sich durch die diskrete Einstellung unterschiedlicher Relativpositionen/Segmente ergeben, in wenigstens einer Flächendimension zu vermeiden, indem mit der bzw. den mechanischen

Stellachsen große Bereiche eines großen Werkstücks „nonstop" abgefahren werden.

Bei einem Verfahren zur Bearbeitung eines Werk- Stücks mittels eines einem Werkzeugkopf entspringenden gepulsten Laserstrahls wird in einer konstanten Relativlage zwischen Werkstück und Werkzeugkopf der gepulste Laserstrahl über Positionen auf der Werkstückoberfläche geführt , wobei nacheinander erste und zweite Werkstückpositionen eines ersten bzw. zweiten Werkstückoberflächen- segments aus einer ersten bzw. angrenzenden zweiten Relativlage heraus bearbeitet werden. Die Laserstrahlen im Grenzbereich fallen aus der ersten Relativlage unter einem anderen Winkel auf das Werkstück ein als aus der zweiten Relativlage . Die Laserimpulsauftreffstellen in einer der Relativlage werden dabei nach Maßgabe des

Unterschieds der genannten Einfallswinkel positioniert, insbesondere gegenüber anderweitigen Festlegungen verschoben. Damit kann ^" erreicht werden, dass unterschiedliche

Projektionsgrößen des Laserstrahldurchmessers auf der Oberfläche etwa im Fall der Figur 3c nicht überlappend angeordnet werden. Es sei darauf hingewiesen, dass bei schichtweisem

Materialabtrag die Schichten nicht eben sein müssen, sondern uneben sein können. Sie können etwa der ursprünglichen (unebenen) Werkstückoberfläche folgen oder können der endgültigen Außenform des Gesenks folgen oder nach weiteren Kriterien uneben gestaltet sein. Die Unebenheit kann durch geeignete Wahl der Scangrenzen in einem Segment und/oder durch entsprechende Fokussteuerung in z- Richtung erreicht werden . Bei einem Verfahren zur Bearbeitung eines Werkstücks mittels eines einem Werkzeugkopf entspringenden gepulsten Laserstrahls wird in einer konstanten Relativlage zwischen Werkstück und Werkzeugkopf der gepulste Laserstrahl über die Werkstückoberfläche geführt . Gegen- einander abgegrenzte Werkstückbereiche werden nacheinan- der aus einer ersten und einer anderen zweiten Relativlage heraus bearbeitet wird. In mehreren Durchläufen werden mehrere Schichten von Material abgetragen. Die Grenzen der Werkstückbereiche werden in einer Schicht anders gewählt werden als in einer unmittelbar darüber oder darunter liegenden Schicht , insbesondere qualitativ anders bzw. so, dass die Grenzen in der einen Schicht nicht nur translatorisch gegen die Grenzen in der unmittelbar darüber oder darunter liegenden Schicht verschoben sind.

Etwa können die Segmentgrenzen in einer Schicht einem rechteckigen Muster folgen, in einer folgenden

Schicht einem sechseckigem Muster, in einer abermals folgenden Schicht einem zufälligen Muster _» usw. Wegen der vermiedenen Regelmäßigkeit der Segmentgrenzen ist das Auftreten von Artefakten im zuletzt gefertigten Produkt abermals verringert . In einem Verfahren zur Bearbeitung eines Werkstücks mittels eines einem Werkzeugkopf entspringenden gepulsten Laserstrahls wird dieser mit einer Optik und einer Führung im Werkzeugkopf fokussiert und geführt . Die Fokusläge wird in Tiefenrichtung nach Maßgabe des Einfallswin- kels des Laserstrahls auf der Werkzeugoberfläche gesteuert .

Durch eine gezielt gesteuerte Defokussierung gegenüber der Werkstückoberfläche kann die Abtragsleistung des Lasers pro Impuls gesteuert werden . Diese Stellgröße kann zur Kompensation anderer Einfiussgroßen auf die Abtragsleistung verwendet werden, etwa des Einfallswinkels. Die Abhängigkeit kann beispielsweise so sein, dass bei nähe- rungsweise senkrechtem Einfall, also hoher Leistungsdich- te, eine gewisse Defokussierung (Fokuslage oberhalb oder unterhalb der momentanen Werkstückoberfläche) gewählt wird, während der Fokus bei schrägem Einfall in der

Werkstückoberfläche liegt. Varianzen der Abtragsleistung aufgrund geometrischer Verhältnisse werden dann durch Varianzen der Fokuslage ausgeglichen.

Ein Laserwerkzeug zur Bearbeitung eines Werkstücks mittels eines dem Werkzeug entspringenden gepulsten

Laserstrahls hat eine Laserquelle, eine Optik zur Formung des Laserlichts und einer Führung zur Führung des Laserlichts. Die Optik weist im Strahlengang ein einstellbares optisches Element aufweist, das unterschiedliche optische Eigenschaften aufweist, wenn man seine Eigenschaften in gegeneinander verdrehten, aber den Laserstrahl führenden Ebenen betrachtet .

Das optische Element mit den in unterschiedlichen Ebenen unterschiedlichen optischen Eigenschaften kann dazu eingesetzt werden, sich aus der Bearbeitungsgeomet- rie ergebende Unterschiede zu kompensieren. Sie können ähnlich wie Linsen wirken, die Astigmatismus korrigieren _» bzw. können selbst Linsen sein, die astigmatisch ausgebildet sind. Das Maß des Astigmatismus und/oder die

Ausrichtung können einstellbar sein. Auch können ovale Blenden vorgesehen sein, eieren Ausrichtung einstellbar ist, etwa um unterschiedliche Ovalitäten an Segmentgrenzen auszugleichen .

Allgemein kann die Bearbeitung in einer konstanten Relativlage so geschehen, dass die Auftreffstellen des Laserlichts über das momentan zu bearbeitende Oberflächensegment geführt werden, indem der Laserstrahl , insbesondere seine Fokusregion, in zwei. Dimensionen x und y (bzw. bei konstanter Brennweite über eine Kugeloberflä- che) über Galvano-Spiegel ausgelenkt wird, die Fokusläge auslenkungsabhängig gesteuert wird (z-shifter) und ggf . ein Lichtventil getastet wird .

Einige der beschriebenen Verfahren bzw. Verfahrens- schritte können vorab geplant und in einem entsprechend vorab verfassten Bearbeitungsprogramm, abgebildet sein, das in der Maschine gespeichert ist und bei der Werkstückbearbeitung abgearbeitet wird. Einige der Schritte können bzw. müssen aber auch in Echtzeit gesteuert oder nach Maßgabe von Sensoriksignalen geregelt sein.

Die beschriebenen Verfahren können bei der voluminösen Gesenkbi1dung durch flächendeckend schichtweisen Materialabtrag oder bei der Oberflächenbearbeitung zu optischen oder anderen Zwecken oder zur Oberflächentextu- rierung durch Abtrag von punktuellen oder zusammenhängen- den Strukturen in nur einer oder einigen wenigen Schichten verwendet werden . Die Werkstücke können z. B . große Gussformen für Massenprodukte aus Kunststoff (Thermoplas- te) etwa im Automobilbau sein . Die Fokusiage des Laserstrahls im Raum -ist- Y-PH ^t-i _v gut vorhersehbar steuerbar. In einer vereinfachten (die sich aus den Schwingspiegeln ergebende kalottenförmige Geometrie außer Acht lassenden) Darstellung kann gesagt werden , dass die Auslenkung des Fokus in der Fläche mittels Schwingspiegeln mit sich kreuzenden Schwingachsen bewirkt wird (Steuerung in etwa in der x-y-Ebene - siehe Koordinatendefinition in Fig . 1) , während in Tiefenrich- tung (z -Richtung, weg vom Werkzeug) der Fokus mittels schneller optischer Elemente ( "z-Shif er" ) gesteuert werden kann. Diese Komponenten können unter kontinuierlicher, schneller Ansteuerung von der Maschinensteuerung 18 her stehen .

Nachfolgend werden Bezug nehmend auf die Zeichnungen Ausführungsformen der Erfindung beschrieben, es zeigen Fig. 1 allgemein schematisch eine Maschine, in der die beschriebenen Verfahren und Werkzeuge verwendet werden können,

Fig . 2 die Segmentierung der Werkstückoberfläche, auch in mehreren Schichten,

Fig. 3 Skizzen zur Erläuterung von Problemen beim Auftreffwinkel des Laserstrahls ,

Fig. 4 Skizzen zur Erläuterung von Problemen am Rand von Segmenten,

Fig. 5 typische Laserpulse, Fig. 6 eine Skizze zur Erläuterung der Festlegung von Auftreffwinkel des Laserstrahls,

Fig. 7 schematisch ein Laserwerkzeug,

Fig. 8 ein Verfahren zur Verbesserung von An- Schlüssen an Segmentgrenzen,

Fig. 9 ein Ergebnis des Verfahrens der Figur 8 , Fig. 10 schematisch Skizzen zur winkelabhängigen FokusSteuerung . Allgemein sind in dieser Beschreibung Merkmale auch dann als miteinander kombinierbar zu verstehen, wenn die Kombination nicht ausdrücklich angesprochen ist , soweit die Kombination technisch möglich ist. Darstellungen von Verfahrensschritten und Verfahren sind auch als Darstel- lungen von Geräteteilen und Geräten bzw. Vorrichtungsteilen und Vorrichtungen, die die jeweiligen Verfahrens - schritte bzw. Verfahren implementieren, zu verstehen, und umgekehrt . Allgemein wird in dieser Beschreibung ein Koordinatensystem verwendet , wie es in Figur 1 angedeutet ist . Die z-Richtung ist vertikal und kann die Tiefenrichtung des Gesenks sein, während die x- und y- oordinaten horizontal liegen. Es wird aber darauf verwiesen, dass dies lediglich zu erläuternden Zwecken zu verstehen ist . Wegen der diversen rotatorischen Stellachsen und komplexer Geometrien im konkreten Betrieb kann nicht grundsätzlich davon ausgegangen werden, dass bspw. die (momentane oder anfängliche) Werkstückoberfläche in der x-y-Ebene liegt oder dass die Tiefenrichtung eines Gesenks immer vertikal ausgerichtet ist .

Figur 6 zeigt ein Verfahren, bei dem die zu Figur 3c beschriebenen Effekte verringert bzw. vermieden werden . Es wird hierbei dafür Sorge getragen, dass die

Relativpositionen zwischen Werkzeug 13 und Werkstückober- flächensegment 21a und 21b jeweils nicht nur unter jeweils individueller Optimierung gewählt werden, sondern auch unter gegenseitiger Berücksichtigung, insbesondere derart, dass die Einfallswinkel ' und ß ' in den Grenzbereichen der Segmente 21a, 21b aneinander angeglichen werden, sodass auch die Projektion des Laserquerschnitts auf die Werkstückoberfläche im Grenzbereich der Segmente 21a, 21b weniger unterschiedlich und bestenfalls gleich bzw. gleichförmig wird.

Für die Festlegung der jeweiligen Relativpositionen in den einzelnen Segmenten zwischen Werkzeugkopf 13 und Segment 21a, 21b, ... zur Bearbeitung der jeweiligen

Oberflächensegmente kommen dann jeweils mindestens zwei Kriterien zur Anwendung . Das eine ist die individuelle Einstellung für das jeweilige Segment , die nach notwendi - gen Kriterien oder Optimierungskriterien für das jeweili- ge Segment erfolgen kann, und das andere ist die Anglei- chung der Einstellungen derart , dass die Einfallswinkel α' und ß ' im Grenzbereich gleich oder gleicher werden . Insbesondere kann das Ergebnis der Anwendung des einen Kriteriums durch die Anwendung des anderen Kriteriums modifiziert werden. Dabei kann die Relativposition zunächst segmentimmanent eingestellt werden, etwa wie in Figur 3 gezeigt so, dass im jeweiligen Segment 21a, 21b die Verhältnisse bestmöglich sind, indem etwa der gemittelte Einfallswinkel näherungsweise rechtwinklig ist. Hierfür werden

Positionen 13-1 und 13-2 des Laserkopfs 13 zur Bearbeitung des Segments 21a bzw. 21b festgelegt. Auch andere Kriterien können hier zum Tragen kommen, etwa die Vermei - dung von Äbschattungen oder von mechanische Kollisionen.

Allerdings können sich dann aus den unterschiedlichen Relativpositionen heraus unterschiedliche Einfallswinkel a, ß des Laserstrahls im Grenzbereich zwischen den Segmenten 21a, 21b ergeben. Dies ist insbesondere dann der Fall , wenn das Werkstück uneben ist . Die individuelle Einstellung kann dann wie in Figur 6 gezeigt dahi gehend modifiziert werden, dass beide Positionen 13-1 und 13-2 nach rechts auf 13-3 bzw. 13-4 verschoben werden. Dadurch sind zwar innerhalb der einzelnen Segmente die Verhältnisse nicht mehr ganz optimal, aber die Einfallswinkel oi ' und ß · (vorzugsweise in einer bzw. in parallelen schnittebenen betrachtet) sind aneinander angeglichen, so dass auch die Auftreffgeometrien des Laserdurchmessers anei - nander angeglichen sind, so dass die erwähnten Artefakte weniger oder nicht entstehen .

Es kann auch anders herum derart vorgegangen werden, dass zunächst gleiche Einfallswinkel α ' und ß' in den Grenzregionen eingestellt werden und diese Einstel- lungen dann nach Maßgabe jeweils segmentindividueller Kriterien und Optimierungen für die Bearbeitungen des jeweils individuellen Segments modifiziert werde . Es kann dann eine weitere Bewertung zur Abwägung der Effekte der beiden Kriterien gegeneinander dahingehend stattfinden, wie viel insgesamt einerseits gewonnen und andererseits verloren wird, wenn nach Maßgabe des einen oder des anderen Kriteriums Einstellungen bzw.

Veränderungen der Einstellungen vorgenommen werden, um insgesamt zu einem definierten Ergebnis zu kommen . ni sp Verfahrensschritte können vorab in der Arbeitsplanung automatisch vollzogen werden . Die Ergebnisse können sich dann in einem Bearbeitungsprogramm niederschlagen, das die jeweiligen Parameter einsteuert , wenn es bei der konkreten Werkstückbearbeitung abläuft .

Ein Ergebnis der Angleichung der Einfallswinkel im Grenzbereich aneinander angrenzender Segmente kann sein, dass mindestens in einem Segment der mittlere Einfallswinkel , nicht wie häufig a priori gewünscht , optimal senkrecht ist, sondern suboptimal gegen die Senkrechte verschoben ist, etwa um mindestens 3° oder mindestens 6° .

Soweit Einfallswinkel betrachtet werden, können diese, wenn nichts anderes gesagt ist, Einfallswinkel des Laserstrahls auf die Werkstückoberfläche im j eweiligen Grenzgebiet sein, oder mittlere Einfallswinkel über das gesamte Segment hinweg. Winkel α und 180° -ex werden dabei als gleich angesehen.

Figur 8 zeigt ein Verfahren, das dazu dient, An- schlussfehler an Segmentgrenzen, wie sie in Figur 4 gezeigt sind, zu verringern bzw. zu vermeiden, um zu einem Ergebnis wie in Figur 9 gezeigt zu gelangen. Gezeigt ist das Vorgehen in einzelnen Segmenten längs

Spuren, die in der Zeichnungsebene vertikal verlaufen. Dabei werden zuerst mittels des Laserscanners alle Spuren in einem Segment 21a abgefahren, indem Laser und Scanner entsprechend gesteuert werden . Danach wird die Relativposition mittels der mechanischen Stellachsen 15 und 17 so geändert , dass das benachbarte Segment bearbeitet werden kann, indem dort die Spuren mit dem Scanner abgefahren werden können .

Die Steuerung er olgt dabei so, dass in der späteren (zweiten) Relativlage die Maschinenparameter (Rela- tivpositionierung, Lasersteuerung , , .. ) so eingestellt werden, dass die Laserimpulsauftreffstellen im zweiten Segment eine definierte Lage in Bezug auf die Laserimpulsauftreffstellen im ersten Segment haben, insbesondere derart , dass sie definiert zu, insbesondere in einem Raster liegen, das durch die Auftreffstellen bei der Bearbeitung des ersten Segments vorgegeben ist . Die vorgegebene Rasterung und der folgende Anschluss daran können ein- oder zweidimensional betrachtet werden . Dabei kann wie in Figur 8 gezeigt vorgegangen werden, nachdem die Werkstückbearbeitung aus einer ersten Relativlage heraus beendet ist. Im Schritt 801 wird der Laserbetrieb gestartet, so dass Laserimpulse erzeugt werden. Sie können aber noch von einem Shutter (Lichtventil) ausgeblendet sein. Davor oder danach wird im Schritt 802 die relative Positionierung von Laserkopf und Werkstück zur Bearbeitung des neuen Segments in der Nachbarschaft des vorher bearbeiteten Segments eingestellt und ggf . sensorisch genau ermittelt . Im Schritt 803 wird das Laserimpulstiming phasengenau innerhalb der Periodendauer T der Laserimpulse erfasst .

Im Schritt 804 werden die mechanischen Parameter festgelegt , um ein definiertes Einsetzen und Auftreffen der Laserimpulse im neuen Segment zu erreichen. Diese Festlegungen können die Startzeit des Scannerbetriebs , die Beschleunigung des Scanners , die Endgeschwindigkeit (Winkelgeschwindigkeit) des Lasers umfassen . Auch der

Öff ungszeitpunkt des Shutters kann hier bestimmt werden . Im Schritt 805 wird dann der Scanner nach Maßgabe der bestimmten Größen gestartet . Wenn die gewünschten Sollwerte erreicht sind, wird im Schritt 806 der Shutter geöffnet, sodass Laserimpulse auf der Werkstückoberfläche auftreffen .

Insbesondere dann, wenn die LaserImpulsfrequenz nicht oder nur unzureichend steuerbar ist, kann nach dem Einschalten des Lasers das jeweils vorhandene Impulstim- ing phasengenau als Eingangsgröße zur Bestimmung der Werte in Schritt 804 herangezogen werden. Wenn andererseits die Frequenz und/oder Phasenlage der Laserimpulse steuerbar sind, können auch diese als Ergebnis der Bestimmungen im Schritt 804 gesetzt und dann entsprechend eingestellt werden.

Die Festlegungen werden so getroffen, dass das gewünschte Ergebnis erreicht wird, nämlich dass die Auftreffstellen der Laserimpulse in der neuen Relativpositi ~ on, also im neuen, benachbarten Segment, das Raster in einer Rasterdimension oder in beiden Rasterdimensionen möglichst genau fortsetzen, das durch die Bearbeitung des früheren Segments vorgegeben ist. Um im Schritt 804 die gewünschten Festlegungen treffen zu können _» können Daten bezüglich der früheren Bearbeitung entweder sensorisch eingeholt und dann verwendet werden, indem beispielsweise die Auftreff unkte bei der früheren Bearbeitung optisch vermessen werden, oder, soweit vorhanden, kann auf schon vorhandene gespeicherte Werte zurückgegriffen werden, die bei der Abarbeitung, z. B. der Lasersteuerung bzw. -regelung bei der Bearbeitung des vorherigen Segments gespeichert wurden. Auf diese Weise können Informationen über das schon vorgegebene Raster generiert werden. Wenn jedoch die Bearbeitung mechanisch so determiniert ist, dass die theoretischen Bearbeitungspositionen (Auftreffstellen der Laserimpulse auf der Werkstückoberfläche) den realen hinreichend genau entsprechen, können die Festlegungen im Schritt 804 auch Bezug nehmend auf die theoretischen Werte im vorherigen Segment getroffen werden .

Auf diese Weise wird erreicht , dass bei der Bear- beitung des neuen Segments 21b aus der neuen Relativposition heraus die Laserimpulse möglichst rastergenau in einer oder in beiden Flächendimensionen des Rasters auf die Werkstückoberflache auftreffen, sodass die in Figur 4 gezeigten Fehler vermieden und das in Figur 9 gezeigte Ergebnis erreicht wird .

Es ist auch möglich, in der neuen Relativposition einen oder mehrere Testläufe mit schwachem oder abgeschwächtem Laserlicht ohne Bearbeitungseffekt durchzufüh- ren, deren Ergebnisse (AuftreffPositionen der Laserimpulse) sensorisch zu erfassen, nach Massgabe der erfassten Ergebnisse gesetzte Parameter zu variieren oder neue einzustellen und dann mit den so entstandenen Parametern die Werkstückbearbeitung vorzunehme .

Allgemein wird darauf hingewiesen, dass Sensorik 19 gegebenenfalls so vorgesehen sein kann, dass das momentan vorhandene Gesenk (Zwischenergebnis der Fertigung) während der Werkstückfertigung oder Auftreffstellen während der eben beschriebenen Testläufe sehr genau in Echtzeit zwei- oder dreidimensional vermessen werden können, und dass die Messwerte in der Speichereinrichtung 18a in Echtzeit (während der Werkstückfertigung) abrufbar gespeichert sein können . Die Vermessung kann hochauflösend nach x, y und z geschehen, so dass eine "Landkarte" des bisher gefertigten Segments hochauflösend jedenfalls so genau gespeichert sein kann, dass das reale Raster bekannt ist bzw. daraus ermittelt werden kann. Die Sensorik 19 kann so ausgebildet sein, dass sie die Auftreffstellen von Laserimpulsen auf der Werkstückoberfläche zwei- oder dreidimensional genau erfassen kann. Die Sensorik 19 kann eine optische Sensorik sein, die entweder das Prozessleuchten des Laserabtrags auswer- tet oder die nach Art einer Kamera Aufnahmen macht, die automatisch ausgewertet werden.

Die Einstellung der relativen Positionierung im Schritt 802 kann nach Maßgabe vorgegebener/programmierter Parameter erfolgen, während die Bestimmungen im Schritt 804 und die vorherigen notwendigen Erfassungen in Echt- zeit unmittelbar während der Werkstückbearbeitung erfolgen können. Zur Vermeidung von Segmentgrenzen, soweit dies möglich ist, können Laserkopf 13 und die mechanischen Stel - lachsen 15 , 17 auch gleichzeitig und aufeinander abgestimmt betrieben werden. In einem einfachen Fall kann etwa eine translatorische Stellachse 15 beispielsweise des Werkstücktischs 14 langsam kontinuierlich in eine Richtung verfahren werden, während gleichzeitig das

Laserwerkzeug 13 arbeitet, indem der Scanner sowie der Laser geeignet angesteuert werden. Auf diese Weise kann auch ein großes Werkstück mindestens in einer Dimension kontinuierlich ohne Segmentgrenzen abgefahren werden, sodass sich die Anzahl der Segmentgrenzen verringert.

Die Segmente können dann gerade oder krummlinige "Bearbeitungsstreifen" sein, die sich über die gesamte oder mindestens einen Teil der Werkstückoberfläche ziehen. Längs der Streifenrichtung gibt es keine Bearbei - tungsgrenzen mehr. Sie müssen dann nur zu benachbarten Streifen hin berücksichtigt und wie vorher beschrieben bearbeitet werden. Die Bearbeitung und Berücksichtigung kann wie Bezug nehmend auf die Figuren 6 und 8 beschrieben erfolgen.

Wenn nacheinander erste und zweite Werkstückpositi - onen eines ersten bzw. zweiten Werkstückoberflächensegments aus einer ersten bzw. angrenzenden zweiten Relativlage heraus bearbeitet werden und die Laserstrahlen im Grenzbereich aus der ersten Relativlage unter einem anderen Winkel auf das Werkstück einfallen als aus der zweiten Relativlage, können die Laserimpulsauftreffstellen in einer der Relativlage (auch) nach Maßgabe des Unterschieds der genannten Einfallswinkel positioniert, insbesondere gegenüber anderweitigen Festlegungen verschoben (veroffsettet ) werden.

Insbesondere können ovale Auftreffstellen von weniger ovalen Auftreffstellen weg veroffsettet werden und/oder umgekehrt werden weniger ovale an ovalere herangerückt. Als quantitatives Maß hierfür kann der Überlap- pungsgrad oder der Abstand von benachbarten Laserimpuls- treffern sein. Auf diese Weise werden an der Grenze bzw. im Grenzbereich die Überlappungen bzw. Abstände aneinander angeglichen (d . . Unterschied kleiner) oder gleich gemacht . Die Auftreffstellen können so positioniert oder gegenüber anderen Festlegungen modifiziert werden, dass an der Segmentgrenze und vorzugsweise auch innerhalb der Grenzregion des zweiten Segments die Überlappungen der Impulsauftreffstellen so sind wie in der Grenzregion des ersten Segments bzw. daran angeglichen werden, wenn aus anderen Kriterien schon Vorgaben vorliegen.

Die Ovalität ov kann als Verhältnis ov = dmax/dmin des maximalen zum quer dazu liegenden minimalen Durchmessers des Abbilds des Laserstrahls auf der Werkstückober- fläche (näherungsweise eine Ellipse) ausgedrückt werden . Sie lässt sich bei der Annahme eines kreisförmigen Laserstrahlquerschnitts auch aus dem Einfallswinkel des Laserstrahls gegenüber der lokalen Werkstückoberf1 che über die Beziehung o = 1/sin (ex) ermitteln. Allgemein sind ein möglichst rechtwinkliger Einfallswinkel (90°) und darum herum „relativ kleine Abweichungen" von ± 30° bevorzugt , was Ovalitäten zwischen 1 und 1 , 15 entspricht . Aber bei fein strukturierten oder sehr welligen Gesenken bzw.

Strukturen im Werkstück können lokal - zusammen mit der winkelmäßigen Auslenkung des Laserstrahls durch den

Scanner - auch sehr schräge bis fast schleifende Einfallswinkel (a < 45°, < 30°) entstehen, so dass die Ovalitäten ov > 1.4 oder ov > 2 entstehen können . Die Offsetrichtung kann die Richtung der großen Achse des größeren Ovals sein oder diejenige Rasterrichtung, die näher an der großen Achse des Ovals liegt . Damit kann erreicht werden, dass unterschiedliche

Proj ektionsgrößen des Laserstrahldurchmessers auf der Oberfläche etwa im Fall der Figur 3c nicht überlappend angeordnet werden. Im Falle der Figur 3c können bspw. die ovalen Auftreffstellen im linken Segment 21a nach links verschoben werden, so dass sie im Grenzbereich nicht überlappen .

Die Figuren 4 und 9 zeigen Segmentgrenzen rechtwinklig bzw. schneidend zu Bearbeitungsspuren. Gleiche Erwägungen gelten aber bei Segmentgrenzen parallel zu Bearbeitungsspuren . Spurabstand, Spurrichtung und Lage der Treffer in den Randspuren müssen dann geeignet so eingestellt werden, dass die Fertigung aus der neuen Relativposition möglichst genau in dem durch die frühere Bearbeitung definierten Raster liegt .

Segmentgrenzen können, müssen aber nicht geradlinig definiert sein. In jedem Fall sind sie ideelle Grenzen. Wenn die Laserimpulstreffer Raster unterscheidbarer

Treffer definieren, können bei der Arbeitsplanung und Programmierung und/oder ad hoc bei der erkstückbearbei - tung die Segmentgrenzen so gewählt bzw. modifiziert werden, dass einzelne Treffer eindeutig dem einen der dem anderen Segment zugeordnet werden. Allgemein wird darauf hingewiesen, dass die in dieser Beschreibung beschriebenen Verfahren nicht nur jeweils einzeln zum Einsatz kommen können, sondern auch miteinander kombiniert eingesetzt werden können.

Material kann in mehreren Schichten abgetragen werden. Eine Schicht setzt sich dabei zusammen aus Spuren von Laserimpulsauftreffstellen. Innerhalb der Spur können die Laserimpulsauftreffstellen zusammenhängen/überlappen, müssen dies aber nicht, und benachbarte Spuren können zusammenhängen/überlappen, müssen dies aber nicht, sodass punktuell oder streifenförmig oder flächig eine Schicht abgetragen werden kann. Wenn in einer Relativposition zwischen Laserkopf und Werkstück innerhalb einer Schicht der Abtrag wie gewünscht vollständig oder spurweise oder punktuell erfolgt ist, kann entweder zu einer neuen

Relativposition übergegangen werden, oder es kann bei der gleichen Relativposition in einer weiteren (tiefer liegenden) Schicht abgetragen werden. Die Schichten können, müssen aber nicht, eben sein, wie schon weiter oben gesagt. Unter Verwendung des z-Shifters kann die Fokuslage auch in z abhängig von der momentanen Auslenkung des Lasers (entweder winkelmäßig bestimmt oder nach x-y

bestimmt) gesteuert werden _» sodass auch nicht ebene

Schichten eingesteuert werden können.

Wenn mehrere Schichten abgetragen werden sollen und in jeder Schicht segmentiert gearbeitet wird, können in den einzelnen Schichten die Segmentgrenzen qualitativ unterschiedlich gewählt sein. Etwa können sie in der einen Schicht rechtwinklig sein, in der folgenden Schicht sechseckförmig, in einer abermals folgenden Schicht zufallsbestimmt , etwa als Voronoi. -Muster , in einer folgenden Schicht dreieckig, etc. Die Segmentgrenzen können auch grundsätzlich in allen Schichten zufallsbestimmt sein, etwa durch Voronoi -Linienmuster zwischen quasi - zufällig gewählten Punkten .

Dies unterscheidet sich vom bekannten Vorgehen nach Figur 2 dadurch , dass in der Figur 2 die Segmentgrenzen in den unterschiedlichen Schichten lediglich translatorisch gegeneinander verschoben sind, um den Aufbau von Artefakten an den Gesenkwänden zu verhindern . Die qualitativ unterschiedlichen Segmentgrenzen in den aufeinan- derfolgenden Schichten, wie beschrieben, führen aber dazu, dass sich auch während des Abtrags Artefakte nicht auf auen, die zu einer Verungleichmäßigung des Abtrags führen würden . Wenn an Segmentgrenzen unterschiedliche Eintreff - winkel nicht vermeidbar sind, können eine oder mehrere Kompensationsstrategien bzw. Kompensationsschritte vorgenommen werden, insbesondere bei flacher werdenden Auftreffwinkeln

- Einführung eines vorzugsweise winkelabhängigen

Offsets am Anfang der Spur, sodass Überlappungen entsprechend den unterschiedlichen Ovalitäten durch Auseinanderziehen vermieden werden, - Erhöhung der Laserleistung, um in größeren ovalen Auftreffstellen den Leistungseintrag pro Fläche konstant zu halten, - Erhöhen der Scangeschwindigkeit in Spurrichtung, um die Auftreffstellen weiter auseinander zu ziehen, um insgesamt den Leistungseintrag pro Fläche näherungsweise konstant zu halten, - Strahlformung derart, dass unterschiedliche Auf- treffgeometrien im Grenzbereich durch Strahlformung, insbesondere Formung des Strahlquerschnitts, kompensiert werden, etwa durch astigmatische Linsen, ovale Blenden oder ähnliches.

Eine weitere Möglichkeit, den Leistungseintrag pro Fläche zu steuern, ist es, die Fokuslage gezielt gegenüber der Werkstückoberfläche zu verstellen, wie dies beispielhaft in Figuren 10a und 10b dargestellt ist.

Figur 10a zeigt die Laserquelle 71, die den Laserstrahl 12 {gepulst) aussendet. Unter anderem durchläuft er die einstellbare Fokussierung 73 („z-shifter" ) , mit der schnell die Brennweite der Optik und damit die Fokuslage eingestellt werden kann. In der Figur 10a ist die Fokus- läge mit 12a um die Höhe h über der Oberfläche des Werkstücks 11 verstellt gezeigt. 77 symbolisiert den Scanner, der mit Schwingspiegeln ( "Galvo-Spiegel" ) arbeitet.

Da entsprechend den unterschiedlichen Winkellagen des Spiegels 77 der Strahl 12 unter unterschiedlichen Winkel a. auf die Werkstückoberfläche auftrifft, ergeben sich die schon bezugnehmend auf die Figuren 3b und 3c beschriebenen unterschiedlichen Abbildungen des Strahldurchmessers auf die Werkstückoberfläche . Dementsprechend ändert sich der Leistungseintrag pro Fläche. Dies kann kompensiert werden, indem winkelabhängig die Fokuslage über bzw. unter der Werkstückoberfläche gesteuert wird.

Insbesondere kann die Steuerung so sein, dass bei nahezu senkrechtem Auftreffen ( = 90° = n/2 ) eine größte Höhe hmax des Fokus 12a über bzw. unter der Werkstückoberfläche eingestellt wird. Dadurch wird die nicht vorhandene geometrische Verzerrung durch eine optische Aufweitung kompensiert. Bei kleineren Einfallswinkeln wird die geometrische Verzerrung größer. Dementsprechend kann die optische Strahlaufweitung kleiner gewählt werden, indem die Höhe h über bzw. unter der Werkstückoberfläche kleiner gewählt wird, bis sie bei einer gewählten Winkellage, zum Beispiel 90° bis -30°, Mull wird und dann auch bleibt. Auf diese Weise können geometrische erzerrungen durch optische StrahlaufWeitungen bzw. Strahleinengungen näherungsweise kompensiert werden.

Fiaur 10b zeigt eine entsprechende Kennlinie. Die Höhe h des Fokus 12a über bzw. unter der Oberfläche des Werkstücks 11 ist bei senkrechtem Einfall maximal hmax und sinkt links und rechts davon. Sowohl die Höhe hmax als auch die sonstigen Kennlinienparameter werden so gewählt , dass sich eine möglichst optimierte Gesamtver- teilung über den möglichen Bereich des Winkels a ergibt . Die Höhendifferenz h kann schon fest im vorab festgelegten Bearbeitungsprogramm hinterlegt sein oder kann in Echtzeit winkelabhängig eingesteuert bzw. zu sonstigen Steuer- bzw. Regelungskriterien überlagert angewendet werden .

Figur 7 zeigt ein Laserwerkzeug. Es kann sich beispielsweise um den Bearbeitungskopf 13 in Figur 1 handeln. Dabei können jedoch gewisse Komponenten separat vom eigentlichen Werkzeugkopf 13, der in die Maschine einsetzbar ist, vorgesehen sein, etwa die physikalische Laserlichtquelle 71 und eine zugehörige Optik 72. Sie können zusammen eine Lichtquelle 70 bilden, die unabhängig vom Bearbeitungskopf 13 vorgesehen ist und die ge- pulstes Laserlicht erzeugt» das geführt oder frei in den Bearbeitungskopf 13 gebracht wird und dann dort als

Quelllicht zur Verfügung steht.

Der Bearbeitungskopf 13 weist Komponenten zur

Strahlformung und Komponenten zur Strahlführung auf.

Allgemein ist zu sagen, dass der Bearbeitungskopf 13 mit der Steuerung 18 in Verbindung steht. Insbesondere können Stellglieder im Bearbeitungskopf 13 nach Maßgabe von Befehlen von der Steuerung 18 einsteilbar sein. Mit 77 sind zwei Schwingspiegel bezeichnet, die sich kreuzende Schwingachsen haben und mittels derer der Laserstrahl über die Fläche geführt werden kann. Sie werden immer wieder auc als „Scanner" oder „Gaivc- Spiegel angesprochen. Mit 73 ist eine einstellbare Fokussierung des

Lasers bezeichnet, der sogenannte "z-Shifter" . Er be- stimmt die Brennweite der Optik und damit die Lage des Fokus 12a des Laserstrahls in Ausbreitungsrichtung, was vereinfacht als z-Richtung angesehen werden kann. Der z- Shifter ist eine schnelle optische Komponente» die unter Einfluss der Steuerung schnell und in Echtzeit veränderlich ist und beispielsweise x- und y-abhängig die Fokus - läge einstellen und ändern kann.

Mit 74 ist eine auch schnell einstellbare optische Linse bezeichnet, die astigmatisch wirkt, also in unterschiedlichen Raumebenen, die aber alle den Laserstrahl führen, unterschiedliche Brennweiten hat. Der Astigmatismus kann in Stärke und Lage schnell in Echtzeit automatisch einstellbar sein, etwa indem druckempfindliche oder verformbare optische Materialien verwendet werden, die mit entsprechenden Piezoelementen oder sonstigen Aktoren unter Einwirkung der Steuerung druckbeaufschlagbar sind, oder ähnliches. Das unterschiedliche Brechverhalten ist dann in Größe und Ausrichtung steuerbar und kann von der Steuerung 18 der Maschine dazu verwendet werden, andere Einflussgrößen zu kompensieren, insbesondere die schon mehrfach erwähnten unterschiedlichen Abbildungsgeometrien auf der Oberfläche, wie in Figur 3b beschrieben. 75 symbolisiert eine Blende, deren Apertur kleiner als der Laserquerschnitt ist und die nicht kreissymmetrisch ist und dementsprechend auch den Laserstrahl teilweise abschatten kann. Auch sie kann in ihrer Ungleichmä- ßigkeit einstellbar sein und dem Steuerungseingriff von der Steuerung 18 her unterworfen sein. Die Blende 73 kann eine Modenblende sein, also eine Apertur, die Randstrahlen ausblendet .

76 symbolisiert eine einstellbare Dämpfung, mittels derer die Laserleistung allgemein schnell reduziert werden kann. Er steht unter Einfluss der Steuerung 18.

Der z-Shifter 73 ist in praktisch allen Scannern und Laserköpfen vorgesehen, um die Lage des Fokuspunkts schnell gezielt einstellen zu können. Eine oder mehrere der genannten optischen Elemente, astigmatische Linse 74 , Blende bzw. Modenblende 75 und Dämpfung 76, können zusätzlich vorgesehen sein. Alle Elemente stehen unter Einfluss der Steuerung 18 und können dazu verwendet werden, Ungleichmäßigkeiten, die sich insbesondere aus ungleichen geometrischen Abbildungen des Laserquerschnitts auf der momentanen Werkstückoberfläche ergeben, auszugleichen. Dieser Ausgleich kann in Echtzeit (während der

Werkstückbearbeitung) geschehen und veränderlich eingestellt werden . Auch hier können früher gespeicherte Werte oder Werte aus der Sensorik 19 als Eingangsgrößen für die zu treffenden Festlegungen herangezogen werden . Die

Einstellbarkeit kann so schnell sein, dass sie den jeweiligen momentanen Positionen des Laserstrahls nachgeführt werden kann, um Ausgleiche auch innerhalb einer Spur zu bewerkstelligen. Wenn beispielsweise der Laserstrahl längs einer Spur von einem Ende eines Segments zum ande- ren Ende des Segments geführt wird und sich dabei der Einfallswinkel von 70° auf 30° auf 110° ändert und sich dementsprechend die Projektion des Laserstrahlquerschnitts von oval auf kreisförmig und dann wieder oval ändert, kann dementsprechend der Astigmatismus einer Linse so nachgeführt werden, dass die sich ändernde

Ovalität ausgeglichen wird, indem der Strahlquerschnitt durch den einstellbaren Astigmatismus der Linse kompensierend in seiner Ovalität eingestellt wird. Ähnliche Überlegungen gelten für die angesprochene Blende bzw.

oden lende und für die angesprochene Dämpfung.

Viele der oben genannten Merkmale bilden sich als Auslegung einer Steuerung einer CNC-Maschine oder einer programmierbaren Werkzeugmaschine ab. Insoweit ist auch eine Maschinensteuerung, die zur Einsteuerung bzw. Ausführung eines erfahrens wie oben beschrieben auf bzw. mit einer Werkzeugmaschine ausgelegt ist, ein Aspekt der Erfindung. Viele der genannten Merkmale können mittels Software implementiert werden, die in einer Steuerung einer CMC-Maschine oder programmierbaren Werkzeugmaschine läuft. Insoweit ist auch ein Datenträger mit computerlesbarem, Code darauf, der bei der Ausführung in einer CNC- Maschine ein Verfahren oder eine Maschine oder eine

Maschinensteuerung wie oben beschrieben implementiert ein Aspekt der Erfindung.

Typische konkrete Werte sind: Laserart : Faserlaser oder Ultrakurzpulslaser

Wellenlänge : 100 bis 2.000 nm, insbes . 300 bis 1.100 nm

Laserimpulsfrequenz > 20 kHz, > 50 kHz , > 500 kHz , > 1 MHz , > 2 MHz , > 5 MHz

Einstellbarkeit von Impulsfrequenz und/oder

Amplitude : „langsam" spurweise oder „schnei 1" von P ls zu Puls

Segmentgröße > 10 mm, > 20 mm, > 50 mm, > 100 mm Anzahl Segmente im Werkstück > 10, > 50, > 100

Laserdurchmesser im Fokus entspr. Durchmesser der Impulstreffer bei senkrechtem fokusierten Einfall : 10 μπι

- 100 μτα

Oval itat ov = dmax/dmin > 1.1, > 1.4, > 2

Schichtdicke d entsprechend Abtragstiefe eines Impulses : Untergrenzen 1 μν oder 2 im, Obergrenzen 5 μτη oder 10 μτα

Laserimpulsleistung : Untergrenzen 0 , 1 mJ oder 0 , 2 mJ oder 0,5 mJ, Obergrenzen 2 mJ oder 5mJ oder 10 mj

Auslenkung Laserstrahl : bis +/- 30°

Einfallswinkel des Laserstrahls gegenüber lokaler Werkstückobe flache : 90° ± 30° bis 90° ± 70°

Bahngeschwindigkeit des Laserstrahls > 500 mm/s, > 1.000 mm/s, > 2.000 mm/s > 5.000 mm/s

Werkstückgröße > 0, 1 m ^A 2 oder > 1 m ^A 2 oder > 30cm oder > 1 m