Technisches Anwendungsgebiet Die vorliegende Erfindung betrifft eine

Vorrichtung sowie ein Verfahren zur Abtastung einer Zielebene mit mehreren Laserstrahlen, insbesondere Bearbeitungslaserstrahlen zur Lasermaterialbearbeitung, wobei die Vorrichtung wenigstens zwei Laserstrahl- quellen, für jede der Laserstrahlquellen eine

Ablenkeinrichtung, die zur dynamischen Ablenkung eines von der jeweiligen Laserstrahlquelle emittierten Laserstrahls ausgebildet ist, und eine oder mehrere Fokussieroptiken zur Fokussierung der Laserstrahlen in die Zielebene aufweist.

Im Bereich der Lasermaterialbearbeitung ist die Prozessgeschwindigkeit durch unterschiedliche Einflüsse begrenzt. Zum einen kann der Bearbeitungsprozess selbst die Geschwindigkeit begrenzen. Dies ist beispielsweise beim Prozess des selektiven Laserschmelzens (LPBF:

Laser Powder Bed Fusion) der Fall, bei dem die Umschmelzung eines Metallpulvers in der Praxis mit einer maximalen Geschwindigkeit von ca. 1m/s erfolgen kann. Zum anderen kann auch die verfügbare Laser leistung oder die Trägheit des Strahlablenkungssystems die Prozessgeschwindigkeit begrenzen. Eine Steigerung der Prozessgeschwindigkeit ist jedoch gerade bei Einsatz der Lasermaterialbearbeitung im industriellen Umfeld sehr wichtig. Ein weiteres Problem stellt der in der Regel große Bauraum der bei der Lasermaterialbearbeitung eingesetzten Strahlablenkungssysteme und Objektive im Verhältnis zum Abtastbereich bzw. Scanfeld und zum

Spot-Durchmesser des Laserstrahls in der Zielebene dar. Typischerweise erfolgt die Strahlablenkung von Hochleistungs-Laserstrahlung durch zwei Spiegel mit Galvanometer-Antrieb. Die Fokussierung der Laser- strahlen in die Zielebene erfolgt in der Regel mittels Faserkollimator und F-Theta-Objektiv. Gerade bei Anwendungen, die einen kleinen Laserspot-Durchmesser und somit kurze Brennweiten und kurze Arbeitsabstände erfordern, verhindert der vergleichsweise große Bauraum der Objektive und Ablenkeinheiten eine Überlappung der Arbeitsbereiche der einzelnen Laserstrahlen.

Stand der Technik

Der bisher bei der Lasermaterialbearbeitung verfolgte Ansatz besteht darin, die Prozessgeschwindig keit durch Parallelisierung, also gleichzeitige Bearbeitung mit mehreren Laserstrahlen, zu erhöhen. Für diese Parallelisierung sind unterschiedliche Techniken bekannt .

So ist es beispielsweise bekannt, einen Laser strahl durch Beugung an einem diffraktiven optischen Element (DOE) in mehrere Teilstrahlen aufzuspalten und über einen Scanner auf das Werkstück zu richten. Die Teilstrahlen können hierbei jedoch nicht getrennt voneinander räumlich und zeitlich moduliert werden, so dass die Anwendungsbandbreite dieser Technik begrenzt ist. Im Rahmen des Integrationsprojektes FutureAM (https://www.futuream.fraunhofer.de) wird derzeit ein System mit fünf nebeneinander angeordneten Scan-Köpfen realisiert. Mit jedem Laserstrahl wird dabei ein bestimmter Bearbeitungsbereich in der Zielebene abgedeckt. Es soll ein möglichst großer Überlapp der Bearbeitungsbereiche der Laserstrahlen der einzelnen Scan-Köpfe erreicht werden. Das System enthält fünf Faserlaser, deren Laserstrahlung jeweils kollimiert und über je einen 2D-Galvanometer-Scanner und je ein F- Theta-Objektiv auf die Zielebene gerichtet wird. Durch geeigneten Umbau kommerzieller Scanner-Module wurde ein Mittenabstand von 85 mm zwischen den Scan-Köpfen erreicht. Die Bauform der Scanner-Module sowie der F- Theta-Linsen begrenzen jedoch den Überlapp, so dass maximal drei Scanner in einem Bereich von ca. 42 mm x 179 mm arbeiten können. Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Vorrichtung sowie ein Verfahren zum Abtasten einer Zielebene mit mehreren Laserstrahlen anzugeben, die einen vollständigen Überlapp der Abtastbereiche der einzelnen Laserstrahlen in der Zielebene ermöglichen.

Darstellung der Erfindung

Die Aufgabe wird mit der Vorrichtung und dem Verfahren gemäß den Patentansprüchen 1 und 10 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Vorrichtung sowie des Verfahrens sind Gegenstand der abhängigen Patent ansprüche oder lassen sich der nachfolgenden Beschreibung sowie den Ausführungsbeispielen entnehmen. Die vorgeschlagene Vorrichtung weist wenigstens zwei Laserstrahlquellen, für jede der Laserstrahl quellen eine Ablenkeinrichtung zur dynamischen ein- oder zweidimensionalen Ablenkung eines von der jeweiligen Laserstrahlquelle emittierten Laserstrahls und eine oder mehrere Fokussieroptiken zur Fokussierung der Laserstrahlen in die Zielebene auf. Die Laserstrahlquellen sind so gewählt oder ausgebildet, dass die von den unterschiedlichen Laserstrahlquellen emittierten Laserstrahlen eine unterschiedliche Zentralwellenlänge aufweisen. Diese Laserstrahlen unterschiedlicher Zentralwellenlänge werden in der vorgeschlagenen Vorrichtung nach dem Durchtritt durch die Ablenkeinrichtung in einer Überlagerungsanordnung mittels einem oder mehreren auf die unterschiedlichen Zentralwellenlängen abgestimmten dichroitischen Spiegeln kombiniert. Die Kombination erfolgt vorzugsweise derart, dass in einer Stellung der jeweiligen Ablenkeinrichtungen, im Folgenden auch als Nullstellung bezeichnet, alle Laserstrahlen durch die Überlagerungsanordnung vollständig überlagert werden, also bis zur Zielebene auf der optischen gleichen Achse verlaufen. Es ist auch möglich, dass die Laserstrahlen in einer derartigen Nullstellung der Ablenkeinrichtungen durch die Über lagerungsanordnung so kombiniert werden, dass sie in engem Abstand parallel zueinander durch die Fokussieroptik treten. Aufgrund der unabhängig voneinander steuerbaren Ablenkeinrichtungen und damit der unabhängig voneinander ablenkbaren Laserstrahlen tritt die vollständige Überlagerung oder auch Parallelität lediglich in einer bestimmten Stellung der jeweiligen Ablenkeinrichtungen auf. Die dichroitischen Spiegel der Überlagerungsanordnung stellen dabei Kantenfilter dar, deren Steilheit in Abhängigkeit der Wellenlängenunterschiede der jeweiligen Zentralwellen längen der Laserstrahlen gewählt werden muss. Bei vorgegebener Kantensteilheit können auch die Abstände der Zentralwellenlängen geeignet gewählt werden. In einer Ausgestaltung liegen die unterschiedlichen Zentralwellenlängen der Laserstrahlquellen dabei innerhalb eines Wellenlängenbereiches Dl von 200 nm, bevorzugt innerhalb eines Wellenlängenbereiches Dl von 100 nm, besonders bevorzugt innerhalb eines Wellen längenbereiches Dl von 50 nm.

Bei dem vorgeschlagenen Verfahren werden somit die Laserstrahlen über Ablenkeinrichtungen dynamisch ein- oder zweidimensional abgelenkt und vorzugsweise über eine gemeinsame Fokussieroptik in die Zielebene fokussiert, wobei Laserstrahlen unterschiedlicher

Zentralwellenlänge eingesetzt und spektral überlagert oder so kombiniert werden, dass sie durch die gemeinsame Fokussieroptik treten. Vorzugsweise werden dabei wenigstens zwei der Laserstrahlen voneinander beabstandet gleichzeitig über die Zielebene geführt.

Durch die vorgeschlagene Vorrichtung und das zugehörige Verfahren lässt sich der Abtastbereich bzw. das Scan-Feld der einzelnen Laserstrahlen in der Zielebene vollständig überlagern, wobei nach wie vor jeder Laserstrahl unabhängig von den anderen Laserstrahlen abgelenkt werden kann. Die Anzahl der Laserstrahlen, die mit der Vorrichtung und dem Verfahren eingesetzt werden können, hängt lediglich von den verfügbaren Laserstrahlquellen bzw. Zentralwellen längen und den Möglichkeiten der Trennung durch entsprechende Kantenfilter ab. Es lassen sich bis zu zehn oder mehr Laserkanäle mit einem Überlapp der Arbeitsbereiche von 100% kombinieren. Vorzugsweise werden mindestens drei Laserstrahlen, insbesondere Bearbeitungslaserstrahlen zur Lasermaterialbearbeitung, eingesetzt bzw. kombiniert. Dadurch können Laser- materialbearbeitungssysteme entsprechend skaliert und parallelisiert werden. Es ergibt sich unmittelbar eine deutliche Steigerung der Produktivität von Laser materialbearbeitungsprozessen, insbesondere bei Micro SLM, SLE und Stereolithographie.

In einer bevorzugten Ausgestaltung ist die Überlagerungsanordnung gleichzeitig als Relay-Optik oder als mehrere hintereinander angeordnete Relay- Optiken ausgebildet. Durch diese Ausgestaltung erzeugt ein durch die Ablenkeinrichtung erzeugter Ablenkwinkel einen kleineren Versatz senkrecht zur Strahlrichtung auf optischen Elementen, die sich in Strahlrichtung hinter der Überlagerungsanordnung befinden. Damit können größere Ablenkwinkel ohne Begrenzung durch die nachfolgenden optischen Elemente erzeugt werden.

Die bei der vorgeschlagenen Vorrichtung und dem zugehörigen Verfahren eingesetzten Laserstrahlquellen müssen für unterschiedliche Zentralwellenlängen verfügbar oder entsprechend einstellbar sein. Beispiele für derartige Laserstrahlquellen sind vor allem Diodenlaser, die bspw. als fasergekoppelte Module mit stabilisierten Zentralwellenlängen zwischen 800 und 1000 nm kommerziell verfügbar sind. Für Anwendungen, die kleine Spot-Durchmesser und somit eine hohe Strahlqualität erfordern, sind beispielsweise Ytterbium-Faserlaser eine geeignete Strahlquelle. Ytterbium-Faserlaser lassen sich in einem Bereich von 1000 - 1100 nm bei einer Bandbreite von ca. 5 nm oder weniger abstimmen und stabilisieren. Des weiteren lassen sich auch Ultra-Kurzpuls-Laser kombinieren, beispielsweise gepulste Ytterbium-Faserlaser. Bei Kurzpuls-Lasern ist die spektrale Verbreiterung zu beachten, die sich durch Fourier-Transformation aus dem kurzen Zeit-Signal ergibt. So weist ein Laserpuls mit einer Zentralwellenlänge von 1070 nm und einer Pulslänge von 100 fs eine spektrale Breite von ca. 17 nm auf. Dies ist bei der Wahl der Abstände der

Zentralwellenlängen und der Wahl der dichroitischen Filter in der Überlagerungsanordnung zu berück sichtigen. Auch Strahlquellen mit vergleichsweise großem Abstand der Zentralwellenlängen lassen sich in der vorgeschlagenen Vorrichtung und dem vorgeschlagenen Verfahren kombinieren, beispielsweise Strahlquellen mit Zentralwellenlängen von 1064 nm und 532 nm.

Dichroitische Spiegel sind als dichroitische Kantenfilter mit einer Kantensteilheit von weniger als 1 nm technisch umsetzbar. Als Ablenkeinrichtungen kommen vorzugsweise 2D-Galvanometer-Scanner zum Einsatz. Selbstverständlich lassen sich die Ablenkeinrichtungen jedoch auch in anderer bekannter Weise, beispielsweise mittels in zwei Richtungen auslenkbaren Einzelspiegeln, realisieren. Die vorgeschlagene Vorrichtung und das zugehörige Verfahren eignen sich für alle Anwendungen, bei denen eine Zielebene mit mehreren Laserstrahlen gleichzeitig abgetastet werden soll, deren Abtastbereiche einen möglichst großen Überlapp aufweisen sollen. Die vorgeschlagene Vorrichtung sowie das zugehörige Verfahren können sehr vorteilhaft im Bereich der Lasermaterialbearbeitung eingesetzt werden, beispielsweise zum Laserschweißen, Schneiden, Bohren, Auftragsschweißen, SLM/LPBF, Mikro-LPBF, 3D-Druck,

Markieren, Laserabtrag, bei der Stereolithographie, zum SLE oder ISLE. Auch im Bereich der Messtechnik wie beispielsweise dem LIDAR, der OCT oder der Pyrometrie sind die Vorrichtung und das Verfahren einsetzbar.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Die vorgeschlagene Vorrichtung sowie das vorgeschlagene Verfahren werden nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den Zeichnungen nochmals näher erläutert. Hierbei zeigen.

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Anordnung zweier Scan-Köpfe für die Lasermaterial bearbeitung gemäß dem Stand der Technik;

Fig. 2 eine schematische Darstellung einer beispielhaften Ausgestaltung der vorgeschlagenen Vorrichtung (Ablenkeinheiten in Nullposition);

Fig. 3 eine schematische Darstellung der Verhältnisse bei der Vorrichtung der Figur 2 mit unterschiedlicher Strahlablenkung; Fig. 4 eine schematische Darstellung einer beispielhaften Realisierung der Überlagerungsanordnung der vorgeschlagenen Vorrichtung als Relay-Optik; Fig. 5 eine schematische Darstellung eines weiteren Beispiels der Überlagerungsanordnung der vorgeschlagenen Vorrichtung als Relay-Optik;

Fig. 6 eine Darstellung der Wellenlängen- abhängigen Transmission und Reflexion der beiden im Beispiel der Figur 5 eingesetzten dichroitischen Spiegel;

Fig. 7 eine schematische Darstellung einer weiteren beispielhaften Ausgestaltung der vorge schlagenen Vorrichtung mit mehreren Relay-Optiken in Nullposition der Ablenkeinheiten;

Fig. 8 eine schematische Darstellung der Verhältnisse bei der Vorrichtung der Figur 7 mit unterschiedlicher Strahlablenkung;

Fig. 9 eine schematische Darstellung einer weiteren beispielhaften Ausgestaltung der vorge- schlagenen Vorrichtung bei Vorfokussierung der Laserstrahlen; und

Fig. 10 eine schematische Darstellung der Zwischenfokuspunkte in den Bildebenen und der Prozessebene bei der Ausgestaltung der Figuren 7 und 8.

Wege zur Ausführung der Erfindung Bei bekannten Vorrichtungen zur Lasermaterial bearbeitung mit mehreren Laserstrahlen werden mehrere Laserscan-Köpfe mit entsprechenden Ablenkeinheiten AEi für dynamische Strahlablenkung und Objektiven Oi für die Fokussierung der Laserstrahlen in die Prozessebene PE nebeneinander angeordnet, wie dies in Fig. 1 schematisch angedeutet ist. Gerade bei Anwendungen, die einen kleinen Laserspot-Durchmesser FPi und kurze Arbeitsabstände AA erfordern, wie dies beispielsweise beim Micro-SLM/LPBF der Fall ist, lässt sich dadurch ein Überlapp der Abtast- bzw. Arbeitsbereiche ABi der einzelnen Laserstrahlen in der Prozessebene nicht erreichen . Dieses Problem wird mit der vorgeschlagenen

Vorrichtung, auch als Multi-Spektral-Scanner bezeichnet, und dem vorgeschlagenen Verfahren dadurch gelöst, dass die Laserstrahlung mehrerer Strahlquellen mit unterschiedlicher Zentralwellenlänge zunächst abgelenkt, anschließend spektral kombiniert bzw. überlagert und letztlich über eine gemeinsame Fokussieroptik in die Prozessebene geführt wird.

Dadurch lässt sich ein Überlapp der Abtast- bzw. Arbeitsbereiche ABi von 100% für eine hohe Anzahl von Laserstrahlen bzw. Laserkanälen erreichen.

Eine erste beispielhafte Ausführungsform der vorgeschlagenen Vorrichtung ist in den Figuren 2 und 3 schematisch dargestellt. In diesem Beispiel werden die Laserstrahlen von drei Laserquellen in die Prozessebene PE gerichtet. Die Vorrichtung ist selbstverständlich nicht auf diese Anzahl von Laserstrahlen bzw. Laserstrahlquellen begrenzt. Fig. 2 zeigt hierzu die Situation ohne eine Strahlauslenkung durch die Ablenkeinrichtungen AEi (Nullposition). Die Laser strahlung tritt aus den Fasern (oder Faserlasern) Fi,

F2und F ₃ aus und wird über die Kollimatoren K ₃ kollimiert in die Ablenkeinheiten AEi geführt. Die

Strahlung muss hierbei nicht zwangsläufig über Fasern geführt werden. Auch eine Freistrahlkopplung oder ein direkter Strahlaustritt aus einem Laser, bspw. einem Diodenlaser, ist möglich. Die Ablenkeinheiten AEi sind hier und in den anderen Figuren nur schematisch als

Blöcke dargestellt. Die Laserstrahlung wird mit einer Überlagerungsanordnung aus in diesem Beispiel drei dichroitischen Spiegeln DSi vollständig überlagert und über den Spiegel S und das Objektiv 0 in die Prozess- ebene PE abgebildet. Die dichroitischen Spiegel DSi wirken als spektrale Kantenfilter mit einer möglichst steilen Bandkante, welche Strahlung bis zu einer Grenzwellenlänge transmittieren und Strahlung ab dieser Wellenlänge reflektieren. Ohne Strahlablenkung wird die Laserstrahlung der drei unterschiedlichen Strahlquellen in denselben Fokuspunkt FP = FPi = FP2 = FP ₃ in der Prozessebene PE abgebildet.

Fig. 3 zeigt den Strahlverlauf dieser Vorrichtung bei unterschiedlicher Strahlablenkung der Laserstrahlen durch die jeweiligen Ablenkeinheiten AE ₃ schematisch, hier nur anhand der optischen Achsen. Die Strahlung der verschiedenen Strahlquellen wird dann in die verschiedenen Fokuspunkte FPi, FP2 und FP ₃ in der Prozessebene PE abgebildet, wie dies in Fig. 3 zu erkennen ist. In der Ausgestaltung der Figuren 2 und 3 muss der erste Spiegel DSi nicht notwendigerweise ein dichroitischer Spiegel sein. DSi kann in diesem Beispiel auch ein herkömmlicher Spiegel sein. Der Spiegel S kann gegebenenfalls entfallen oder durch einen 2D-Galvanometer-Scanner ersetzt werden, um gegebenenfalls den Abtast- bzw. Arbeitsbereich der Vorrichtung noch zu erhöhen.

Bei der Ausgestaltung der Figuren 2 und 3 kann die mit dem Ablenkwinkel immer größer werdende Strahlhöhe auf den dichroitischen Spiegeln DSi, dem Spiegel S und dem Objektiv 0 nachteilig sein, da diese den Ablenk winkel der Ablenkeinheiten AEi stark begrenzt. Um dieses Problem zu lösen, kann die Überlagerungs anordnung als multi-spektrale Relay-Optik (MSRO) ausgebildet werden, wie dies in den Figuren 4 bis 8 beispielhaft dargestellt ist. Bei einer derartigen

Relay-Optik wird die Laserstrahlung aus den zwei oder mehr Objektebenen OEi 1:1 in eine Bildebene BE abgebildet, wie dies in den Überlagerungsanordnungen der Fig. 4 für zwei Laserstrahlen und in Fig. 5 für drei Laserstrahlen dargestellt ist. Die MSRO kann zusätzlich über schräg gestellte, antireflex beschichtete, planparallele Substrate PP verfügen, um den Strahlversatz beim Durchgang durch die dichroi tischen Spiegel DS zu kompensieren. Ein derartiges planparalleles Substrat PP ist in Fig. 4 beispielhaft dargestellt .

Fig. 6 zeigt beispielhaft die Charakteristik der in Fig. 5 eingesetzten dichroitischen Spiegel DSi und DS2· Die Figur zeigt hierbei jeweils die Wellenlängen abhängige Transmission sowie die Wellenlängen-abhängige Reflexion dieser Spiegel. Anhand des Kantenverlaufs der spektralen Durchlässigkeit bzw. spektralen Reflexion dieser Spiegel ist deutlich ersichtlich, dass sich Laserstrahlen mit den Zentralwellenlängen l, l2 und l3 durch eine Kombination dieser Spiegel ohne nennenswerte Verluste überlagern lassen.

Ordnet man nun mehrere MSROs so an, dass die Bildebene BE der einen MSRO in einer der Objektebenen OE der darauf folgenden MSRO liegt, so werden die durch Fokuslinsen FLi erzeugten Zwischenfokuspunkte in der Bildebene der zweiten MSRO spektral überlagert. Eine

Strahlüberlagerung von drei Strahlquellen mittels MSRO ist in der beispielhaften Ausgestaltung der Vorrichtung in Fig. 7 dargestellt. Die Ablenkeinheiten AEi befinden sich in dieser Darstellung in Nullposition. Ohne Strahlauslenkung wird die Strahlung der jeweiligen

Strahlquelle wiederum in einen gemeinsamen Fokuspunkt FP = FPi = FP2 = FP ₃ in der Prozessebene PE abgebildet. Auch die Zwischenfokuspunkte liegen jeweils in den Bildebenen BEi aufeinander.

Wird die Laserstrahlung nun jeweils über die Ablenkeinheiten AEi abgelenkt, so werden die Zwischenfokuspunkte ZFPi in den Bildebenen BEi und die Fokuspunkte FPi in der Prozessebene PE entsprechend ausgelenkt. Diese Situation ist in Fig. 8 schematisch dargestellt. Fig. 10 zeigt hierzu die Lage der Zwischenfokuspunkte ZFPi in den einzelnen Bildebenen BEi (Fig· 10a - 10c))und die Lage der Fokuspunkte FPi in der Prozessebene PE (Fig. lOd) schematisch in Draufsicht auf die jeweilige Ebene. Der Strahlverlauf ist in Fig. 8 lediglich anhand der jeweiligen optischen Achsen der Laserstrahlen dargestellt. In einer dritten Ausgestaltung der vorgeschlagenen Vorrichtung werden die Laserstrahlen bereits vor dem Durchtritt durch die Ablenkeinheiten AEi jeweils über Fokuslinsen FLi vorfokussiert, nach Durchtritt durch die Ablenkeinheiten über die dichroitischen Spiegel DSi überlagert und in die Prozessebene PE fokussiert, wie dies in Fig. 9 schematisch dargestellt ist. Diese Ausführungsform hat den Vorteil, dass vergleichsweise wenige optische Elemente enthalten sind. Insbesondere kann hier sowohl auf die Relay-Optiken als auch auf das Objektiv verzichtet werden. Allerdings müssen die dichroitischen Spiegel DSi entsprechend größere Aperturen aufweisen, je mehr Kanäle überlagert werden sollen.

Bezugszeichenliste

AA Arbeitsabstand ABi Abtastbereich

AEi Ablenkeinheit

BE/BEi Bildebene

DS/DSi dichroitischer Spiegel

F _i Faser oder Faserlaser FL _i Fokuslinse

FP _i Fokuspunkt

K _i Kollimator

L _i Linse

MSROi Multispektrale Relay-Optik O/Oi Objektiv

OEi Objektebene

PE Prozessebene

PP Planparallele Platte

S Spiegel ZFPi Zwischenfokuspunkt