Titel

Verfahren und Vorrichtung zur prozessorientierten Strahlformanpassunq und

Strahlorientierunq

Stand der Technik

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Strahlform- und Strahlorientierungsanpassung bei einem Laserbearbeitungsprozess, bei dem in einer Laserbearbeitungsanlage ein Laserstrahl mittels Umlenkspiegeln und Linsensystemen auf die Oberfläche eines Bau- teils fokussiert und der Laserstrahl mittels mindestens eines Strahlformungsmoduls hinsichtlich seiner Intensitätsverteilung an die zu bearbeitende Oberfläche des Bauteils angepasst werden kann.

Die Erfindung betrifft weiterhin eine Vorrichtung, insbesondere eine Laserbearbeitungs anlage mit einer Prozesssteuereinheit zur Durchführung des erfindungsgemäßen Ver fahrens.

Die Intensitäts- bzw. Fluenzverteilung eines Laserstrahls in der Bearbeitungsebene spielt eine große Rolle für die Ergebnisse eines Laserbearbeitungsprozesses. Sie bil det somit einen wichtigen Parameter der Lasermaterialbearbeitung. Allerdings ist die Strahlform nicht einfach zu variieren, weswegen Laserstrahlen mit gaußförmigem Strahlprofil am häufigsten verwendet werden. Zur Strahlformung können feste Optiken, die diffraktive optische Elemente (DOE) genannt werden, im Strahlengang verbaut wer den, die einen typischen gaußförmigen Strahl in unterschiedliche aber nicht veränder bare Strahlformen modifizieren. Solche DOEs haben den Vorteil, dass die Intensitäts verteilung des Laserstrahls in gewissen Grenzen nach Belieben eingestellt werden kann. Allerdings sind die DOEs feste Optiken, die während der Bearbeitung zwar aus- getauscht werden können (z.B. mittels eines DOE-Wechslers). Jedoch ist die Wechsel dauer im Vergleich zur Prozessdauer meist zu lang, so dass die Umstellung der Inten sitätsverteilung während der Bearbeitung nur für sehr unterschiedliche Geometrien und Parametersätze geeignet ist. Ferner sind die hohen Kosten der DOEs, die bis zu meh reren Tausend Euro/Stück reichen, zu nennen, die die Anzahl der eingesetzten DOEs pro Anlage begrenzen (Kosten/Nutzen- Rechnung und Wirtschaftlichkeit der Anlage). Kommen solche DOEs zum Einsatz, so sind es dann meist ein bis zwei Optiken, die nur für einen Prozess optimiert sind. Ein weiterer Nachteil der festen Strahlformer tritt dann auf, wenn diese in Kombination mit einem Scanner-System verwendet werden:

Da ein Scanner-System darauf optimiert ist, einen einzelnen schmalen Laserstrahl auf der Bearbeitungsebene richtig zu positionieren (1D-Punkt) und alle systemtechnischen Verzerrungen auszugleichen, kann ein geformtes Strahlprofil in der Bearbeitungsebene (2D-Bild) eine Bildverzerrung erfahren. Vor allem bei Strahlteilung aber auch bei Strahl formung kann dies zur Minderung der Bearbeitungsqualität führen (Positioniergenauig keit, Einhaltung der Toleranzen, Konstanz der Intensitätsverteilung usw.). Ferner sollen die flexiblen, frei programmierbaren Strahlformer genannt werden, wie Spatial Light Modulator (SLM), der räumliche Verteilung der Phase oder der Amplitude des Laser strahls oder auch beide Größen zusammen variieren und gezielt einstellen kann. Sol che Modulatoren funktionieren nach unterschiedlichen physikalischen Prinzipien, wie z.B. der Verwendung der doppelbrechenden Flüssigkristalle. Auch reine Amplituden modulatoren, die gezielt Bereiche im Laserstrahlprofil ausblenden (z.B. Digital Micro- Mirror Device) sind ebenfalls zu erwähnen. Solche Systeme sind bekannt und können zur Optimierung der Laserprozesse eingesetzt werden.

Die US 6,717,104 B2 beschreibt ein System zur Materialbearbeitung mittels Laser- strahlung bestehend aus einer Laserquelle, die einen Laserstrahl erzeugt, der zu ei- nem Werkstück geleitet wird, einem Spatial Light Modulator SLM, der einzeln ansteuer- bare Elemente zur Beeinflussung des Phasenprofils des Laserstrahls aufweist, um auf dem Werkstück eine zugehörige Intensitätsverteilung zu erzeugen, eine mit dem SLM verbundene Steuereinheit, um deren einzeln ansteuerbare Elemente anzusteuern, so dass das Phasenprofil des Laserstrahls derart eingestellt werden kann, dass ein ge- wünschtes Intensitätsprofil auf dem Werkstück erzielt wird, das für die beabsichtigte Materialbearbeitung geeignet ist. Weiterhin sind vor dem SLM und auf das Werkstück Sensoren gerichtet, die die Intensitätsverteilung erfassen und Daten an die Steuerein- heit senden, auf deren Basis Abweichungen in der Phasenverteilung korrigiert werden.

Die US 8,957,349 B2 beschreibt eine Vorrichtung zur Materialbearbeitung mittels La- serstrahlung, die aus einer Laserquelle, einem SLM und einer Steuereinheit besteht. In der Steuereinheit ist eine Mehrzahl von Hologrammen gespeichert, die je nach Auf- gabe bei der Materialbearbeitung aufgerufen und an den SLM weitergegeben werden.

Beim Laserbohren ist bekannt, dass ein Laserstrahl nicht nur auf dem Bohrdurchmes- ser geführt, sondern auch um seine eigene Achse gedreht werden kann. Dies führt dazu, dass die Asymmetrie des Strahlprofils eines verwendeten Laserstrahls ausgegli- chen und zu einem symmetrischen Kreisprofil durch Mittelung werden kann. So kann die Rundheit der Bohrung erreicht werden. Um die Drehung des Strahlprofils beim Bohren zu gewährleisten, werden unterschiedliche Bohroptiken eingesetzt. Eine Strahl- profildrehung kann durch ein sogenanntes Dove-Prisma erzeugt werden. Weiterhin kann die Rotation eines Zylinderlinsenteleskops für eine Strahlprofildrehung genutzt werden. In beiden Fällen dreht das Strahlprofil mit der doppelten Winkelgeschwindig- keit der Bohroptik. Die Strahlprofilrotation ist somit an die drehende Bewegung des Wendelbohrens gekoppelt und kann nicht unabhängig vom Gesamtsystem erfolgen.

Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren bereitzustellen, welches eine prozessori entierte Strahlformanpassung sowie eine optimale Anpassung der Orientierung des Bearbeitungsstrahls während der Laserbearbeitung, z.B. beim Laserschweißen, er möglicht.

Es ist weiterhin Aufgabe der Erfindung, eine entsprechende Vorrichtung, insbesondere eine Steuereinheit sowie ein Strahlformungsmodul und eine strahlprofildrehende Optik zur Durchführung des Verfahrens bereitzustellen.

Offenbarung der Erfindung

Die das Verfahren betreffende Aufgabe wird durch die Merkmale der Ansprüche 1 bis 6 gelöst. Erfindungsgemäß ist dabei vorgesehen, dass der Laserstrahl zusätzlich hinsichtlich seiner Orientierung mittels einer strahlprofildrehenden Optik während der Bearbeitung gedreht wird, wobei die Anpassung der Strahlform sowie die Drehung des Strahlprofils des Laserstrahls abhängig von der zu bearbeitenden Fläche des Bauteils als auch vom Vektor der Vorschubgeschwindigkeit angepasst werden. Hiermit wird ein neuer Para- meterraum für eine Laserprozessoptimierung bereitgestellt. Gegenüber bestehenden Systemen, insbesondere gegenüber statisch aufgebauten Strahlformern kann eine dy- namisch angepasste Strahlformung erzielt werden, so dass die Strahlformung in Echt- zeit an die heute erreichbaren Bearbeitungsgeschwindigkeiten angepasst werden kann. Mit der Strahlform ist die räumliche Verteilung der Laserstrahlintensität bzw. der Fluenz in einer Bearbeitungsebene (Intensitätsverteilung in der xy-Ebene entlang der z-Achse als Strahlausbreitungsachse) gemeint. Sie beinhaltet auch die Strahlteilung. Die zusätzliche Anpassung der Strahlorientierung ermöglicht eine optimierte Laserbe- arbeitung insbesondere, wenn beispielsweise Bauteile mit ungleichmäßigen oder räumlich unterschiedlich orientierten Konturen verschweißt werden sollen. Der Laser- strahl kann damit dem Vorschubvektor der Bearbeitungsgeschwindigkeit angepasst werden.

Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Strahlformanpassung und Strahlprofildrehung des Laserstrahls frei programmiert oder in Abhängigkeit einer Scannersteuerung eines Scannersystems und/ oder einer Positionierachsensteuerung einer Bauteilpositionie rung adaptiert wird, wobei eine Kommunikation zwischen Strahlformanpassung und Strahlprofildrehung mit der Scannersteuerung und/ oder der Achsensteuerung erfolgt.

Da viele Laserbearbeitungsprogramme meist vor der eigentlichen Bearbeitung entwi ckelt werden, ist es von Vorteil, wenn die Prozessparameter für die Strahlformanpas sung und Strahlprofildrehung des Laserstrahls offline in Laserbearbeitungsprogramme integriert werden. Aber auch eine Online-Adaption an den Laserbearbeitungsprozess kann vorteilhaft sein, falls der Prozess, z.B. über eine entsprechende Sensorik, beo bachtet bzw. überwacht, gesteuert oder geregelt wird.

Bevorzugt wird die Strahlformanpassung und Strahlprofildrehung des Laserstrahls kon tinuierlich oder in kurzen Zeitabständen während des Prozesses durchgeführt. Damit lassen sich Laserbearbeitungsprozesse ohne Pausieren des Prozesses realisieren, was einerseits die Laserbearbeitungszeit verkürzt und andererseits auch die Laserbe arbeitungsqualität verbessert.

In einer besonders bevorzugten Verfahrensvariante wird die Strahlformanpassung des Laserstrahls mittels einer SLM-Einheit (Spatial Light Modulator) im Strahlformungsmo dul und die Strahlprofildrehung mit ein oder mehreren sich drehenden Prismen und/ oder Zylinderlinsenteleskopen durchgeführt. Sowohl die Strahlformung als auch die Strahlprofildrehung kann mit einer Dynamik erfolgen, die in der Größenordnung der Dy namik der Vorschubgeschwindigkeit bzw. der Änderung des Bearbeitungsvektors liegt. Damit lässt sich eine optimale, an den Laserbearbeitungsprozess angepasste Strahl formung und -Orientierung erzielen.

Dabei kann vorgesehen sein, dass die Strahlprofildrehung mittels sich gleichläufig oder gegenläufig drehender Dove-Prismen und/ oder Zylinderlinsenteleskope eingestellt wird. Hiermit lassen sich präzise und hochdynamische Strahltorientierungsanpassun- gen erzielen.

Eine bevorzugte Verwendung des Verfahrens, wie es zuvor mit seinen Varianten be schrieben wurde, sieht den Einsatz in Laserbearbeitungsanlagen zum Laserabtragen, sowie Laserbohren, Lasermarkieren, Laserreinigen, Laserlöten bzw. Laserschweißen und zum Laserpolieren vor. Durch die Erfindung ergibt sich hierbei der Vorteil der pro- zessangepassten Laserstrahlführung mit geformtem Laserstrahl und an den Vorschub vektor angepasster Orientierung des Laserstrahls, was insbesondere bei den o.g. bei spielhaften Verfahren Vorteile mit sich bringt. Die Erfindung kann sowohl in bestehende als auch in neue Laseranlagen integriert werden. Durch die weitere Optimierung der Laserprozesse mithilfe der Erfindung wird das Einsatzfeld von Laserbearbeitung erwei tert. Die Bearbeitungsqualität steigt, die Prozessdauer sinkt. Vorteilhaft ist die Modulari tät und die Flexibilität des Systems: Es kann in unterschiedlichen Anlagen und Laser bearbeitungssystemen eingesetzt werden, ohne starke Abhängigkeit von der Anwen dung der entsprechenden Anlage. Aber auch schon bestehende Laseranlagen können u.U. mit der Technik nachgerüstet werden. Ggf. kann die vorgestellte strahlprofildre hende Optik in Scannersysteme integriert werden, wodurch die Funktionalität von mo dernen Scannern erhöht wird. Die Erhöhung der Produktivität von Laseranlagen durch die zielgerichtete Rotation von geformten Strahlprofilen ist bei Großserienproduktionen von großem Interesse und Wichtigkeit. Durch die hohe Flexibilität ist die Erfindung aber auch für die Produktion von Kleinserien oder Einzelstücken von höchster Relevanz.

Die die Vorrichtung betreffende Aufgabe wird dadurch gelöst, dass die Prozesssteuer einheit Einrichtungen zur Durchführung des Verfahrens, wie es zuvor mit seinen Vari anten beschrieben wurde, und die Laserbearbeitungsanlage zusätzlich eine strahlpro fildrehende Optik zur Anpassung der Laserstrahlorientierung sowie ein Strahlformungs modul zur Anpassung der Intensitätsverteilung aufweist. Damit lässt sich ein modulares Laserbearbeitungskonzept realisieren. Auch bestehende Laserbearbeitungsanlagen lassen sich damit nachrüsten. Eine Offline- Integration der Funktionalität ermöglicht eine Erweiterung von bestehenden Anwenderprogrammen zur Laserbearbeitung. Eine Online-Integration ermöglicht zudem die prozessorientierte Optimierung der Laserbear beitung, bei der über entsprechende Schnittstellen zur Laserprozesssteuerung oder - regelung die Ansteuerung der Strahlformung bzw. -drehung erfolgt.

In bevorzugter Ausführungsform weist das Strahlformungsmodul mindestens eine SLM-Einheit in Form einer Phasen- und/ oder Amplitudenmodulationseinheit auf. Eine Strahlformung mittels einer Phasenmodulation kann vorteilhaft mittels einer LCoS- SLM-Einheit (Liquid Crystal on Silicon) erfolgen, bei dem mittels eines Arrays von dop- pelbrechenden Flüssigkristallen die Phase des einfallenden Laserstrahls diskretisiert werden kann, indem jedes Pixel eine unterschiedlich ansteuerbare Winkelausrichtung der Flüssigkristalle aufweist. Hiermit kann eine hochauflösende, schnelle und flexible Änderung der Phase im Rohstrahl ermöglicht und die Änderung der Laserleistungs- dichteverteilung in einer Bearbeitungsebene nach einer Fouriertransformation mittels eines Linsensystems angepasst werden. Eine Strahlformung mit Hilfe einer Amplitu- denmodulation kann mittels einer DMD-Einheit (Digital Micromirror Device) im Strahl- formungsmodul erfolgen. Dabei diskretisiert ein Array von einzeln ansteuerbaren Mik- rospiegeln den einfallenden Laserstrahl durch die Aufteilung in viele kleine Teilstrahlen, womit durch die unterschiedliche Ablenkung der Einzelstrahlen die Intensitätsverteilung des Laserstrahls in der Bearbeitungsebene angepasst werden kann. Hierbei wird das einfallende Licht teilweise wieder direkt zurück reflektiert, was bei einer horizontalen Spiegelstellung erfolgt, oder teilweise durch Kippung der Mikrospiegel aus dem Strah- lenbündel ausgeschnitten. Eine Anpassung der Laserstrahlorientierung kann in einfacher und präziser Art erfol gen, wenn die strahlprofildrehende Optik aus ein oder mehreren um die optische Achse drehbaren Prismen in Form von strahlprofildrehenden Prismen, bevorzugt Dove-Pris- men und/ oder Zylinderlinsenteleskopen ausgebildet ist, wobei die Prismen und/ oder Zylinderlinsenteleskope gleichläufig oder gegenläufig drehbar angeordnet sind. Mit Dove-Prismen und/ oder Zylinderlinsenteleskopen kann die Strahlorientierung um den Winkel 2 ^* a gedreht werden, wenn das Dove-Prisma und/ oder das Zylinderlinsentele- skop um den Winkel a gedreht wird. Durch Hintereinanderschaltung von N Dove-Pris- men und/ oder Zylinderlinsenteleskopen kann bei gleichläufigem Drehsinn um den Winkel a eine Strahlprofildrehung um einen Winkel von N ^* 2 ^* a erreicht werden. Damit lassen sich sehr schnelle Winkelanpassungen mit hoher Dynamik erreichen. Bei sich gegenläufig drehenden Dove-Prismen und/ oder Zylinderlinsenteleskopen erfolgt eine Drehung des Laserstrahls um das 2-fache der Differenzwinkelgeschwindigkeit. Vorteil- haft ist hierbei, dass die Dove-Prismen und/ oder Zylinderlinsenteleskopen sich mehr oder minder konstant drehen und für eine Strahlprofildrehung lediglich geringfügig die Winkelgeschwindigkeit eines der sich drehenden Dove-Prismen und/ oder Zylinderlin- senteleskope abgebremst oder beschleunigt werden muss. Dadurch kann einerseits eine große Dynamik und anderseits auch eine hohe Präzision der Anpassung der La- serstrahlorientierung erreicht werden.

Die Erfindung wird im Folgenden anhand eines in den Figuren dargestellten Ausfüh rungsbeispiels näher erläutert. Es zeigt:

Figur 1 in einer schematischen Blockdarstellung eine Laserbearbeitungsmaschine, Figur 2 in einer weiteren schematischen Darstellung eine Laserbearbeitungsma schine,

Figur 3a bis 3c in schematischer Darstellung eine Schweißung verschiedener Bau teile,

Figur 4 eine strahlprofildrehende Optik mit einem rotierenden Prisma,

Figur 5 eine strahlprofildrehende Optik mit einem Zylinderlinsenteleskop und

Figur 6 eine strahlprofildrehende Optik mit mehreren hintereinandergeschalteter Pris- men. Figur 1 zeigt in einer schematischen Blockdarstellung eine Laserbearbeitungsmaschine 1, welche als Hauptkomponente eine Prozesssteuereinheit 20 aufweist, welche von ei nem Anwenderprogramm 10 entsprechende Vorgaben zur anstehenden Laserbearbei tung erhält. Die Prozesssteuereinheit 20 steuert über eine Vorgabe von Laserparame tern 31, wie beispielsweise Laserleistung, On/Off- Status sowie eine Repetitionsrate, Pulsdauer und Pulsenergie bei gepulsten Lasern, eine Laserquelle 30, z.B. einen CO2- Laser oder Nd:YAG-Laser, an. Der Laserstrahl 32 der Laserquelle 30, welcher übli cherweise ein symmetrisches Gaußprofil emittiert, wird in einem Strahlformungsmodul 40 entsprechend der zu bearbeitenden Oberfläche des zu bearbeitenden Werkstückes hinsichtlich seiner Intensitätsverteilung modifiziert, wobei von der Prozesssteuereinheit 20 eine Vorgabe der Strahlformung 41 erfolgt. Hier werden beispielsweise eine Intensi tätsverteilung I (x,y, _z ,t) und bei gepulsten Lasern eine Fluenzverteilung <P(x, _y , _z ,t) vorgege ben.

Die Strahlformung kann beispielsweise mittels sogenannter Liquid Crystal on Silicon Spatial Light Modulatoren (LCoS-SLM) geschehen. Hierbei kann durch ein Array von doppelbrechenden Flüssigkeitskristallen die Phase des einfallenden Laserstrahls 32 durch unterschiedliche Anstellung jedes einzelnen Pixels diskretisiert werden. Eine an dere Möglichkeit der Strahlformung kann mittels eines Digital Micromirror Device (DMD) erreicht werden, wobei ein Array von Mikrospiegeln der einfallende Laserstrahl 32 durch die Aufteilung in viele kleine Teil-Strahlen diskretisiert werden kann, womit der Laserstrahl 32 durch eine Ablenkung der Einzelstrahlen in der Bearbeitungsebene geformt werden kann. Ein derart geformter Laserstrahl 42 kann ohne weiteres Prozes sieren zur Laserbearbeitung genutzt werden.

Zur Erzielung einer optimalen Laserbearbeitung ist weiterhin eine strahlprofildrehende Optik 50 vorgesehen, welche entsprechend einer Vorgabe der Strahlprofildrehung 51 (z.B. eine Winkelvorgabe für die Strahlprofildrehung bzw. einer Drehgeschwindigkeit) von der Prozesssteuereinheit 20 einen geformten und gedrehten Laserstrahl 52 er zeugt, der einem Scannersystem 60 zu geführt wird, welches über entsprechende Vor gaben der Scanparameter 61 (Scanprogramm bzw. Scanbahnen) von der Prozess steuereinheit 20 angesteuert wird. Damit kann die relative Position zwischen dem ge formten und gedrehten Laserstrahl 52 und dem Werkstück im Raum verändert werden, womit ein positionierter, geformter und gedrehter Laserstrahl 63 resultiert. Üblicher weise wird diese Funktion durch das Scannersystem 60 im Zusammenspiel mit einer Bauteilpositionierung 70 mittels CUZabg- Achsen realisiert. Das Scannersystem 60 wird dabei aufgrund der kleineren bewegten Massen für eine wesentlich größere Bewe gungsgeschwindigkeit genutzt. In jedem Fall muss die Dynamik der strahlprofildrehen den Optik 50 und die des Strahlformungsmoduls 40 sowohl der Dynamik des Scanner systems 60 als auch des Positioniersystems entsprechen. Soll das Strahlprofil relativ zum Bauteil verdreht werden, so kann auch das Bauteil relativ zum Strahlprofil gedreht werden. Dies kann mithilfe eines präzisen Achssystems zur Positionierung des Bauteils erreicht werden. Somit entfällt die Notwendigkeit einer speziellen strahlprofildrehenden Optik 50. Allerdings kann es Vorkommen, dass ein Achssystem je nach Anwendung und Bauteilgröße nicht die gewünschte bzw. notwendige Dynamik erreichen kann. Wei terhin kann vorgesehen sein, dass ggf. eine Fokussierung mithilfe der Bauteilpositio nierung 72 erfolgt. Zudem kann eine Rückmeldung für Scanposition bzw. Scange schwindigkeit 62 vorgesehen sein.

Fig. 2 zeigt in einer weiteren schematischen Darstellung eine Laserbearbeitungsan lage 1, bei der lediglich eine Strahlformung zur optimalen Laserbearbeitung vorgese hen ist, welche aber auch mit strahlprofildrehenden Optiken 50 ergänzt werden kann (in Figur 2 nicht dargestellt).

Von der Laserstrahlquelle 30 wird der Laserstrahl 32 über Umlenkspiegel 130 dem Strahlformungsmodul 40 zugeführt, welches den Laserstrahl über einen oder mehrere weitere Umlenkspiegel 45 auf eine SLM- Einheit 43, wie sie eingangs beschrieben wurde, lenkt. Der Laserstrahl 32 wird durch diesen Phasen- oder Amplitudenmodulator, bei dem eine Phasen- oder Amplitudenmaske moduliert wird, und welcher durch Vor gabe der Strahlformung 41 aus einer Strahlprofil- Datenbank 90 angesteuert wird, zu einem geformten Laserstrahl 42 modifiziert. Dabei kann vorgesehen sein, dass der ge formte Laserstrahl 42 weitere Linsensysteme 44 durchläuft bzw. mittels weiterer Um lenkspiegel 45 umgelenkt wird.

Der geformte Laserstrahl 42 kann dabei in einer ersten Bearbeitungsebene 80 genutzt werden oder durchläuft ein weiteres Linsensystem 140 als Fokussierlinse und kann mit einem Scannersystem und weiteren Linsensystemen 140 auf eine weitere Bearbei tungsebene 80 projiziert werden. Die Positionierung kann dabei über die Bauteilpositio nierung 70 erfolgen, die über eine Achsensteuerung 120 angesteuert wird.

Eine Master-Programmeinheit 100 steuert die Vorgabe der Laserparameter 31 für die Laserstrahlquelle 30, über die Strahlprofil- Datenbank 90 die Form das Laserstrahls 32, sowie das Scannersystem 60 und die Achsensteuerung 120. Eine zentrale Rechenein heit 110 synchronisiert dabei alle Subsysteme z.B. zeitbasiert oder ereignisbasiert zum Abarbeiten eines festen Programms oder für eine Prozessregelung, bei der eine zu sätzliche Sensorik 150 bzw. Messtechnik in die Laserbearbeitungsanlage 1 integriert ist. Auf dieser zentralen Recheneinheit 110 kann ein Master-Code ausgeführt werden. Es können auch z.B. ein FPGA-Board, eine Grafikkarte oder sonstige echtzeitfähige Hardware-Systeme als Recheneinheit 110 verwendet werden. In einer alternativen Konfiguration kann auch ein Master-Slave-System mit Laser- und Scannersteuerkarte (RTC-Karte) als Master und weitere Komponenten als Slaves zum Abarbeiten eines festen Programms vorgesehen sein. Die Recheneinheit 110 kann als Host für eigen ständige Systeme ausgeführt sein.

In Figur 3a, 3b und 3c sind in einer schematischen Darstellung zwei Schweißaufgaben vorgestellt. In Figur 3a soll ein gerade verlaufender Fügespalt 163 zwischen zwei Bau teilen, Bauteil 1 161 und Bauteil 2 162, zugeschweißt werden. Dies geschieht im ge zeigten Bespiel mithilfe eines in der Bearbeitungsebene verteilten Strahlprofils (hier ein 3-Spot- Strahl). Da sich die Laserstrahl-Vorschubrichtung 170 während verschiedener Zeitpunkte 171, 172, 173, 174 nicht ändert, muss auch das Strahlprofil nicht gedreht werden. Ändert sich jedoch die Vorschubrichtung des Laserstrahls/ der Bauteile 161,

162 während verschiedener Zeitpunkte 171, 172, 173, 174, wie dies in Figur 3b und 3c dargestellt ist, um dem ungeraden Fügespalt 163 zu folgen, so ist es von Vorteil, wenn auch das Strahlprofil mitgedreht werden kann. Der Unterschied zwischen der Nicht- Drehung und der Drehung des Strahlprofils ist in den Figuren 3b und 3c dargestellt. Fi gur 3b zeigt die Situation ohne Strahlprofildrehung. Figur 3c zeigt einen optimierten Schweißprozess, bei dem das Strahlprofil entsprechend dem Verlauf des Fügespaltes

163 gedreht wird. Eine einfache Lösung zur Drehung des Strahlprofils in der Bearbeitungsebene, ist durch die Drehung des Strahlprofilformers (z.B. des DEOs) selbst um die Strahlaus breitungsachse gegeben. Vorausgesetzt, der einfallende Strahl ist perfekt kreissym metrischer Natur, so wird durch die Drehung des Strahlformers in der XY- Ebene auch das Strahlprofil rotiert. Zu den Vorteilen eines solchen Aufbaus zählt die Einfachheit - zusätzlich zum Strahlformer an sich und eines Mechanismus, der ihn um die Z-Achse dreht, kommen keine weiteren Optiken hinzu. Außerdem sind viele Strahlprofilformer, wie DOEs, klein und leicht und eignen sich somit sehr gut für hochdynamische optome- chanische Aufbauten. Allerdings hängt die Qualität der Strahlformung stark von dem Eingangsstrahl ab. Ist dieser nicht perfekt kreissymmetrisch, so wird das in der Bear beitungsebene abgebildete Strahlprofil bei der Drehung des Strahlprofilformers nicht nur mitgedreht, sondern auch verzerrt.

Ist ein Strahlprofil bereits geformt, so kann seine Abbildung in der Bearbeitungsebene z.B. mit einer Optik auf Basis eines Dove-Prismas 53 gedreht werden. Beim Durchlau fen eines Dove-Prismas erfährt ein Strahlprofil eine Drehung um 180° um die Z-Achse = Strahlachse). Wird das Dove-Prisma um einen Winkel a gedreht, so dreht sich das Strahlprofil am Ausgang um einen Winkel 2*a. Figur 4 zeigt eine strahlprofildrehende Optik 50 auf Basis eines Dove-Prismas 53. Der bereits geformte Laserstrahl 42 wird bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel mittels Umlenkspiegel 54 in das drehbare Dove-Prisma 53 eingekoppelt. Der bereits geformte Laserstrahl 42 wird bei Durchlau fen des Dove-Prismas entsprechend der o.g. Bedingung um den Winkel 2*a bei Dre hung des Dove-Prismas um den Winkel a gedreht. Der geformte und gedrehte Laser strahl 52 verlässt die strahlprofil-drehende Optik 50 über ein Linsensystem 55.

Figur 5 zeigt schematisch eine alternative Möglichkeit einer Strahlprofildrehung basie rend auf der Verwendung eines Zylinderlinsenteleskops 56. Der bereits geformte La serstrahl 42 wird bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel mittels Umlenkspiegel 54 in das drehbare Zylinderlinsenteleskop 56 eingekoppelt. Der geformte und gedrehte La serstrahl 52 verlässt die strahldrehende Optik 50 über ein Linsensystem 55.

Hierbei sei angemerkt, dass die in Figur 4 und 5 gezeigten Anordnungen nur jeweils eine mögliche Anordnung zeigen. Beim Bohren beispielsweise werden der Umlenk spiegel 54 für den Wendeldurchmesser und den Anstellwinkel verdreht. Da hier nur die Strahlprofildrehung benötigt wird, kann der Strahl auch ohne Auslenkung und Verkip pung, also einfach gerade in das Dove-Prisma 53 oder in das Zylinderlinsenteleskop 56 eingekoppelt werden. Dann kommt der Strahl auch gerade wieder heraus. Das Lin sensystem 55 ist dann ebenfalls für diese Anwendung nicht notwendig, da noch wei tere optische Elemente bis zur Bearbeitungsebene folgen.

Das Strahlprofil eines Strahls, der durch ein Zylinderlinsenteleskop 56 verläuft, wird ähnlich wie bei Dove-Prisma 53 gedreht. Wird das Teleskop um den Winkel cp gedreht, so dreht sich das Strahlprofil um den Winkel 2*cp. Die bei dem Dove-Prisma- Auf bau er läuterten Möglichkeiten zur Erhöhung der Systemdynamik und der Strahlprofilverdreh geschwindigkeit können auch auf den Aufbau mit dem Zylinderlinsenteleskop 56 über tragen werden. Somit können mehrere Teleskope nacheinander angeordnet werden, um den Proportionalitätsfaktor zwischen der Verdrehung des Strahlprofils und des Zy linderlinsensystems zu vergrößern. Es können zudem auch z.B. zwei Teleskope ge genläufig rotiert werden, um die Strahlprofildrehung mit dem Prinzip des Differenzen winkels zu erzielen.

Durch die Reihenschaltung eines Strahlformers und eines um seine Z-Achse rotieren den Dove-Prismas 53 kann somit das geformte Strahlprofil gedreht werden. Dadurch, dass die Strahlprofildrehung mit der doppelten Winkelgeschwindigkeit der Drehung des Prismas erfolgt, können höhere Strahlprofildrehgeschwindigkeiten erreicht werden. Zur weiteren Steigerung der Strahlprofildrehgeschwindigkeiten ist ein Aufbau denkbar, bei dem N hintereinander geschaltete Dove-Prismen 53 verbaut sind, wie diese Figur 6 zeigt. Wird der gesamte Aufbau um den Winkel a gedreht, so dreht das Strahlprofil um den Winkel 2*N*a. Zu beachten bei solch einem Aufbau ist jedoch, dass mit jedem hin zugeschalteten Prisma das Gesamtgewicht des Systems steigt und die Dynamik sinkt.

Da eine wichtige Anforderung an die strahlprofildrehende Optik die schnelle Umkeh rung der Verdrehrichtung des Strahlprofils ist, muss das System über eine hohe Dyna mik verfügen. Für das schnelle Umkehren des Drehsinns des Strahlprofils ist ein Auf bau vorstellbar, der auf dem Differenzenprinzip basiert: Wenn zwei Prismen oder zwei aus mehreren Prismen bestehende Systeme mit derselben Geschwindigkeit rotiert werden, jedoch ihre Rotationen in umgekehrte Richtungen zeigen, so wird das Strahl profil nur um den doppelten Differenzwinkel zwischen den beiden konstant drehenden Prismenschaltungen eingestellt. Soll dieser Anstellwinkel verändert werden, so müssen die rotierenden Systeme nicht bis zum Stillstand abgebremst werden. Ausschließlich ihr Differenzwinkel muss durch eine leichte Abbremsung des einen oder Beschleuni gung des anderen Systems eingestellt werden. Durch die Verwendung dieses Prinzips sind auch hohe Dynamiken des Gesamtsystems möglich, obwohl mehrere Prismen und somit mehr Gewicht eingesetzt werden. Anzumerken ist, dass außer Dove-Pris- men auch weitere Typen von Prismen verwendet werden können, wie z.B. das Porro- Prisma. Die beiden beschriebenen Varianten der Hintereinanderschaltung von rotieren den optischen Elementen zur Strahlprofildrehung mit gleichem oder entgegengesetz tem Drehsinn sind auch auf den Aufbau mit dem Zylinderlinsenteleskop 56 übertrag bar.

Die Intensitätsverteilung des aus der Laserstrahlquelle 30 austretenden Laserstrahls 32 wird mit einem programmierbaren Strahlformungsmodul 40 variiert und durch einen optischen Aufbau auf das Bauteil 161, 162 abgebildet bzw. fokussiert. Als Strahlformer können Phasen-, Amplitudenmodulatoren oder eine Reihenschaltung (ggf. auch Paral lelschaltung) aus solchen verwendet werden. Die Auswahl der geeigneten Strahlformer hängt stark von der Anwendung, den Rahmenbedingungen und von der sonstigen Sys temtechnik ab. Die Strahlform wird an unterschiedliche Anforderungen angepasst, die sich zum einen aus dem Laserprogramm / Anwenderwünschen und zum anderen aus dem Ausgleich von Abbildungsfehlern auf der Bearbeitungsebene (z.B. Bildverzug im Scannerfeld, Abbildungsfehler des optischen Systems usw.) ergeben.

Da die Berechnung der Strahlformen meist viele Rechenoperationen erfordert, kann vor dem Start des Bearbeitungsvorgangs eine Datenbank an zu den Strahlformen pas senden Masken abgelegt werden, auf die während des Prozesses zugegriffen werden kann. Der in Figur 1 vorgestellte schematische Aufbau der Ansteuerung der Strahlform basiert auf solch einer Offline-Berechnung der Strahlformen. Obwohl die Prozesstech nik bei unterschiedlichen Lasermaterialbearbeitungsprozessen oft sehr verschieden ist, kann die vorgestellte Erfindung bei vielen Prozessen zum Einsatz kommen und zur Prozessoptimierung verwendet werden.

Beim Lasermaterialabtrag kann z.B. die Intensitätsverteilung des Strahls an die Ab trags- oder Bauteilgeometrie bzw. an die Ausrichtung einer Schweißnaht angepasst werden, wie dies insbesondere in Figur 3c am Beispiel einer Verschweißung gezeigt ist. Die Drehung des Strahlprofils während der Bearbeitung kann dabei sowohl von der vorgestellten Erfindung als auch von einem zusätzlichen Modul gesteuert werden.

Soll eine Fläche abgetragen werden, so kann ihre positionsgenaue Belichtung mit dem Laser auch mit der Strahlformung erfolgen. Die zu belichtende Fläche wird direkt als Intensitätsverteilung des Laserstrahls 32 dargestellt. Im Falle, wenn die Intensität der Strahlform nicht ausreicht, um das gewünschte Abtragsergebnis zu erhalten, kann die zu belichtende Fläche in (mindestens zwei) Subareale aufgeteilt werden, die ebenfalls in die Intensitätsverteilung konvertiert werden. Dann sollen die Subareale alternierend nacheinander belichtet werden, wobei das Strahlformungssystem vorgibt, welches Areal wann belichtet wird. Solche Bearbeitung hat zudem den Vorteil, dass durch die Alternierung der Strahlprofile genug Zeit zur Abkühlung der Flächen bleibt, die gerade nicht bearbeitet werden.

Beim Bohren kann die Strahlform in Abhängigkeit von der Geometrie des Bohrlochs und des Bauteils 161, 162 wie auch von der Tiefe geändert bzw. an diese angepasst werden. Vor allem beim Ausformen der Bohrlöcher kann die Geometrie des Strahlpro fils eine entscheidende Rolle spielen. Da die Intensitätsverteilung auch entlang der Z- Achse variiert werden kann, kann das System auch zur Fokuseinstellung verwendet werden.

Beim Schweißen kann die flexible Strahlformung dazu verwendet werden, die Intensi tätsverteilung an die Bauteildicke oder unterschiedliche zu schweißende Materialien anzupassen. Ferner kann die Strahlformung im Gegensatz zu einfachem Gaußprofil flexibler zur Ausformung der Schweißnaht, zur Vermeidung der Rissbildung usw. ein gesetzt werden.

In Abgrenzung von offline erstellten Programmen zur Strahlformänderung während der Laserbearbeitung ist es auch denkbar, dass Laserbearbeitungsprozesse in Zukunft au tomatisierter ablaufen werden, wobei eine Vorvermessung und Zwischenvermessun gen von Bauteilen zum Bearbeitungsprozess dazugehören könnten. In diesem Fall können mithilfe von automatisierten Algorithmen auch die optimierten Strahlformen während der Bearbeitung selbst generiert werden. Die unterschiedlichen Strahlformen können aber auch aus einer Datenbank in Echtzeit bezogen werden. Die Erfindung soll also imstande sein, in Echtzeit auf Änderung der System parameter zu reagieren und die Strahlform entsprechend anzupassen.

Durch Integration von Subsystemen zur Erfassung und Auswertung von unterschiedli chen Sensorwerten und Prozessparametern wird die Erfindung in die Lage versetzt auf Änderungen der Sensor- und Prozessparameterwerte mit einem Regeleingriff in die Strahlform und Strahlausrichtung zu reagieren. Durch die Änderung der Strahlform und Strahlausrichtung können während des Prozesses solche Parameter wie örtliche und zeitliche Intensitätsverteilung bzw. Fluenzverteilung direkt, wie auch Pulsüberlapp (bei gepulsten Lasern) indirekt geändert werden. Die Regelung der Strahlform und Strahl ausrichtung kann in Abhängigkeit von unterschiedlichen Parametern geschehen, wes wegen das Gesamtsystem mehrere unterschiedliche Messsysteme beinhaltet. Die möglichen Regelparameter sind:

- Bauteiltemperatur (lokal am und um Bearbeitungsstelle und global)

- Geometrie (z.B. beim Laserabtrag oder Bohren)

- Absolute Lage vom zu bearbeitenden Bauteil

- Relative Lage von mehreren Bauteilen zueinander oder relativ zum

Werkzeug

- Rauheit des Bauteils.

Die Anwendungsgebiete für die zuvor beschriebenen Konzepte sind vielfältig. Prinzipi ell kann diese Methode zur Variierung eines weiteren Prozessparameters - der Strahl form und der Orientierung - bei allen bekannten Laserbearbeitungsprozessen einge setzt werden: Laserschweißen, Laserpolieren, Laserabtragen, Markieren, Bohren, La sersäubern usw. Vor allem bei der Materialbearbeitung mit Ultrakurzpulslaser kann dies zu einer wesentlichen Steigerung der Produktivität, der Qualität und der Genauig keit führen. Die heutzutage verfügbaren aber nicht ausgenutzten hohen Laserleitungen können mithilfe der Erfindung tatsächlich umgesetzt werden.

Bestehende Laserbearbeitungsanlagen 1 können mit den zuvor beschriebenen Sys temkomponenten erweitert bzw. nachgerüstet werden. Man erhält damit ein modulares und insbesondere flexibles System, welches optimal an die Bearbeitungsaufgabe an gepasst werden kann.