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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Ermittlung
der Abtragsleistung eines Laserstrahls und zur Herstellung eines
Gesenks in einem Werkstück
nach den Oberbegriffen der unabhängigen
Patentansprüche.
Ein solches Verfahren und eine solche Vorrichtung sind aus der WO 00/19167
und der WO 00/18535 der gleichen Anmelderin bekannt.
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Bezug
nehmend auf die 1 und 2 werden allgemeine
Verhältnisse
beschrieben, die die Gesenkbildung und insbesondere die Abtragsleistung eines
Laserstrahls bei der Gesenkbildung beeinflussen.
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1A zeigt schematisch eine
Laserbearbeitungsstation von der Seite. 13 bezeichnet einen Laserkopf,
dem ein Laserstrahl 12 entspringt und der auf das Werkstück 11 auftrifft.
Der Laserstrahl kann in gewissen Bereichen ausgelenkt werden. Diese
Auslenkung erfolgt im Laserkopf 13. Die maximalen Auslenkungen
sind durch die Bezugsziffern 10b (nach rechts) und 10c (nach
links) definiert. Prinzipiell gleiche Auslenkungsmaxima ergeben
sich in einer Richtung senkrecht zur Zeichenebene. Durch diese maximal
möglichen
Auslenkungen des Laserstrahls ist ein Arbeitsfenster 10 definiert,
in dem der Laser arbeiten kann.
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1B zeigt das Laserfenster 10 in
Draufsicht. Seine Grenzen sind gestrichelt als Bezugsziffer 10a dargestellt.
Natürlich
existiert die Begrenzung des Arbeitsfensters 10 nicht physisch.
Im Arbeitsfenster 10 kann ein Werkstück 11 liegen, in dem
vom Laserstrahl 12 ein Gesenk zu bilden ist. Der Abtrag kann
dadurch erfolgen, dass der Laserstrahl über das Gesenk bzw. über die
frei zugängliche
Oberfläche des
Werkstücks 11 geführt wird.
Seine Leistung ist dann so eingestellt, dass das Werkstückmaterial schmilzt
bzw. verdampft. Der Abtrag über
die Oberfläche
kann beispielsweise so erfolgen, dass der Laserstrahl flächenfüllend über die
abzutragende Fläche
geführt
wird, beispielsweise mäandernd
oder schraffierend oder ähnliches.
Auf diese Weise kann schichtweise Material abgetragen werden, so
dass im Werkstück 11 ein
Gesenk 11a allmählich
entsteht. Diese Gesenke können
komplexe Formen haben. Üblicherweise
sind die Gesenke dem Bereich des "Prototyping" oder des Formenbaus zuzurechnen. 1B zeigt schematisch in
Draufsicht ein Werkstück 11,
in dem das Gesenk 11a beispielsweise die Gussform eines
Knopfes sein kann (in der für
die vier Kopflöcher
vier Säulen
stehen bleiben).
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Anders
als im in 1B gezeigten
Fall kann es Gesenke 11a geben, die das Arbeitsfenster 10 des Laserstrahls
fast vollständig
ausfüllen
oder es sogar überragen.
In letzterem Fall muss das Gesenk durch Verschieben des Werkstücks gegenüber dem
Kopf hergestellt werden.
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1 zeigt weiterhin die verwendete Koordinatendefinition.
Die Zeichenebene ist die xz-Ebene. Senkrecht dazu (diagonal angedeutet)
steht die y-Koordinate. Das Arbeitsfenster 10 des Laserstrahls liegt
somit in der xy-Ebene.
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Allgemein
hat sich gezeigt, dass die Abtragsleistung des Laserstrahls über die
Fläche
des Arbeitsfensters 10 verteilt inhomogen ist, selbst wenn die
Laserausgangsleistung konstant ist. Dies ist auf eine Reihe von
Effekten zurückzuführen, die
nachfolgend auch Bezug nehmend auf 2 erläutert werden
sollen.
- – An
verschiedenen Stellen im Arbeitsfenster 10 trifft der Laser
unter unterschiedlichen Winkeln auf. In 2A ist dies schematisch durch einzelne
Kreise oder Ellipsen 20a bis d gezeigt. Nimmt man an, dass
der Laserkopf 13 senkrecht über der Mitte des Arbeitsfensters 10 steht,
wird der Laser auch in der Mitte des Arbeitsfensters 10 einen
vergleichsweise runden Auftreffpunkt 20a erzeugen. Die
Laserleistung ist dann auf diese Fläche begrenzt. Wenn der Laserstrahl
dagegen in Randbereichen oder in Eckbereichen des Arbeitsfensters 10 auf
das Werkstück
trifft, trifft er dort in der Regel mehr oder minder schräg auf, so
dass auch der Auftreffpunkt auf der Fläche entsprechend projiziert
erscheint. Die Auftreffstelle vergrößert sich dadurch. Sie wird
zu einer Ellipse verzerrt, die tendenziell einem auf ein Zentrum
ausgerichteten Muster folgen. 20b zeigt eine horizontal
auseinandergezogene Ellipse, 20c eine diagonal auseinandergezogene
Ellipse und 20d eine vertikal auseinandergezogene Ellipse.
In allen Fällen – am stärksten in
den Ecken – ist
der Leistungseintrag pro Fläche
geringer, da die gleiche Leistung auf größerer Fläche eingestrahlt wird. Dadurch
verändert
sich die Abtragsleistung über der
Fläche.
In gewisser Weise ist dieser Effekt vorhersagbar, er wird aber auch
durch nichtlineare und nicht vorhersagbare Effekte überlagert,
die sich z.B. aus Inhomogenitäten
des Laserstrahls ergeben.
- – Der
Laserstrahl bedarf der Fokussierung. Wenn der fokussierte Laserstrahl über die
Fläche
des Werkstücks
geführt
wird, geschieht dies durch ablenkende Spiegel. A priori würde der
Fokuspunkt 23 des Laserstrahls auf einer Kalotte (z. B.
Kugelkalotte) liegen, so dass ohne weitere Kompensation auf der
Werkstückoberfläche 22 an
manchen Stellen der Laserstrahl fokussiert eintreffen würde, an
anderen Stellen defokussiert. Auch dadurch ergeben sich unterschiedliche
Flächenleistungseinträge und dementsprechend
unterschiedliche Abtragsleistungen des Laserstrahls. Die Ablenkung
des Laserstrahls erfolgt durch eine Strahlführung 29 im Laserkopf 13.
Um die Wanderung des Fokuspunkts 23 auf einer Kalotte 21 zu verhindern,
wird eine Fokussierung 26 vorgesehen, die in Abhängigkeit
von der Auslenkung des Laserstrahls 12 die Fokussierung
so ändert,
dass der Fokuspunkt 23 im Wesentlichen in der Ebene 22 des
Werkstücks
liegt. Diese Kompensation kann mittels einer veränderlichen Optik ("z-Shifter") oder mit einer
festen Optik ("Planfeldlinse") erfol gen. Aber
auch nach Kompensation ist der Fokuspunkt nicht sicher auf die Oberfläche 22 des Werkstücks einstellbar,
so dass auch insoweit Ungleichmäßigkeiten
in der Fokuslage und dementsprechend in der Abtragsleistung entstehen.
- – In
der Realität
existiert der Fokuspunkt 23 des Laserstrahls 12 nicht
so eindeutig, wie dies theoretisch angenommen werden kann. 2C zeigt dies schematisch
vergrößert. Gezeigt
ist schematisch der Laserstrahl in "Seitenansicht". Nimmt man an, dass die Laserquelle
in 2C im Bild oben ist,
dann zeigt 12a den intrafokal konvergierenden Teil des
Laserstrahls, 12b den extrafokal divergierenden Teil des
Laserstrahls. Mit 12d und 12e sind die theoretischen "Ränder" des Laserstrahls bezeichnet. Diese
Linien schneiden sich im Punkt 12f, der als idealer Fokuspunkt
angesehen werden kann. Reale Laserstrahlen verhalten sich in der
Nähe des
Fokuspunkts jedoch anders: Der ideale Fokuspunkt 12f existiert
nicht. Stattdessen gibt es einen Fokusbereich 12c, in dem wegen
zahlreicher physikalischer und insbesondere nichtlinearer Effekte
die Leistungsverteilung im Strahlquerschnitt nicht eindeutig vorhersagbar ist.
Die Ausdehnung des Bereichs 12c in Strahlrichtung kann
durchaus einige Mikrometer oder sogar einige hundert Mikrometer
betragen. Eine rechnerische Vorhersehbarkeit der jeweils vorliegenden
Leistung bzw. Leistungsverteilung ist hier praktisch nicht möglich, so
dass auch Angaben über
die Abtragsleistung schwer zu treffen sind. Beispielsweise kann
der Verlauf des Strahls in der gezeigten Schnittebene (Zeichenebene)
anders sein als in einer senkrecht dazu und parallel zur Strahlachse
liegenden Ebene. Insbesondere können
die Fokuspunkte in der xz-Ebene anders liegen als in der yz-Ebene.
Da solche Effekte praktisch nicht beherrschbar und vorhersagbar
sind, ist insoweit auch die Abtragsleistung nicht bzw. kaum vorhersagbar.
- – Ein
weiterer Grund für
Unregelmäßigkeiten
der Abtragsleistung sind Ungleichmäßigkeiten in der Reflektivität der Umlenkspiegel
auch in Abhängigkeit
von der Winkelstellung, die für
die Strahlführung
verwendet werden. Hier kann es wegen Absorption bzw. Transmission
zu ungleichmäßigen Licht-
(und damit Leistungs-)Reflexionen kommen, die dann auch insoweit
ungleichmäßige Abtragsleistungen
bewirken.
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Weiterer
relevanter Stand der Technik ist in den Entgegenhaltungen E1 (
DE 19916081A1 ),
E2 (WO 00/19167) und E3 (
DE
10131610 ) dargestellt. E1 beschreibt ein Verfahren zum
Kalibrieren einer Vorrichtung zur Bearbeitung von Werkstücken. E2 beschreibt
ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Eichen eines Tiefensensors
einer Laserbearbeitungsvorrichtung und die schichtweise Herstellung eines
Gesenks mit veränderlicher
Programmierung. E3 beschreibt ein Verfahren zur Kalibrierung des
optischen Systems einer Lasermaschine zur Bearbeitung von elektrischen
Schaltungssubstraten.
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Aufgabe
der Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Ermittlung
der Abtragsleistung eines Laserstrahls und zur Herstellung eines Gesenks
in einem Werkstück
anzugeben, mit denen es möglich
wird, die Abtragsleistung eines Laserstrahls in dessen Arbeitsfenster
zu vergleichmäßigen.
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Diese
Aufgabe wird mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche gelöst. Abhängige Patentansprüche sind
auf bevorzugte Ausführungsformen der
Erfindung gerichtet.
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Bei
einem Verfahren zur Ermittlung der Abtragsleistung eines Laserstrahls,
der zur Herstellung eines Gesenks durch schichtweisen Materialabtrag aus
einem Werkstück
angesteuert werden kann, wird die Abtragsleistung für mehrere
Stellen im Arbeitsfenster des Laserstrahls ermittelt. Sie kann auch
für mehrere
Fokuslagen des Laserstrahls ermittelt werden. Man erhält dadurch
(gegebenenfalls mit oder anhand von Interpolationen) ein Kennfeld
oder Kennkurven, die die Abtragsleistung des Laserstrahls an mehreren
Stellen im Arbeitsfenster des Laserstrahls angeben. Bezug darauf
können
Ansteuersignale für den
Laser hergeleitet werden, die zur Vergleichmäßigung der Abtragsleistung
im Arbeitsfenster des Laserstrahls führen.
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Bei
einem Verfahren zum Herstellen eines Gesenks wird beispielsweise
wie oben ausgeführt ein
Kennfeld bzw. werden Kennkurven für den Laserstrahl ermittelt.
Bezug nehmend darauf wird die Stelle im Arbeitsfenster des Laserstrahls
mit geringster Abtragsleistung ermittelt. Darauf mittelbar oder
unmittelbar Bezug nehmend wird bei der Gesenkbildung die Abtragsleistung
des Laserstrahls gesteuert.
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Die
Abtragsleistung kann durch Steuerung der Laserleistung erfolgen
und/oder durch Steuerung der Fokuslage des Lasers. Die Steuerung
der Abtragsleistung erfolgt somit lageabhängig, wobei unter Lage die
Position des Laserstrahls im Arbeitsfenster nach x- und y-Koordinate zu verstehen
ist. Auch für diese
Steuerung können
Interpolationen herangezogen werden.
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Nachfolgend
werden Bezug nehmend auf die Zeichnungen einzelne Ausführungsformen
der Erfindung beschrieben. Es zeigen:
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1 schematisch Verhältnisse bei einer Laserabtragsvorrichtung,
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2 Effekte, die die Abtragsleistung beeinflussen,
schematisch,
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3 Skizzen, die ein Verfahren zur Ermittlung
der Abtragsleistung eines Laserstrahls erläutern,
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4 schematisch
ein Kennfeld, das zur Steuerung der Abtragsleistung verwendet werden kann,
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5 schematisch
eine Vorrichtung zur Herstellung eines Gesenks, und
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6 schematisch
eine Anordnung für
die Eichung in x/y-Richtung.
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3 zeigt, wie die Abtragsleistung für mehrere
Stellen im Arbeitsfenster des Laserstrahls ermittelt werden kann.
Das hinter der Abtragsleistungsermittlung stehende Prinzip ist in
einer einfachen Ausführungsform
folgendes:
- – Die Abtragsleistung wird
an mehreren Stellen des Gesenks ermittelt. Dies kann beispielsweise empirisch
durch Herstellen von Testgesenken an mehreren Stellen eines Testwerkstücks erfolgen.
- – Es
wird dann die Stelle mit minimaler Abtragsleistung ermittelt.
- – Durch
Steuerung der Abtragsleistung während der
Führung
des Lasers durch das Arbeitsfenster wird die Abtragsleistung an
den übrigen
Stellen im Arbeitsfenster auf den geringen Wert eingesteuert, so
dass sie über
das Fenster hinweg insgesamt gleichmäßig ist.
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Dieses
Verfahren geht von der Annahme aus, dass zum einen die so ermittelte
geringste Abtragsleistung an dieser Stelle des Laserfensters nicht verbesserbar
ist – oder
nimmt zumindest hin, dass diese nicht verbessert wird –, und nimmt
weiterhin an, dass an den übrigen
Stellen im Arbeitsfenster die Abtragsleistung genau determiniert
eingesteuert (insbesondere auf die minimale Abtragsleistung eingesteuert)
werden kann.
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Insbesondere
die letztgenannte Annahme ist nicht zwingend gerechtfertigt bzw.
kann zu ungenauen Ergebnissen führen,
da die Fokuslage nicht genau vorhersagbar ist. Um dies auszugleichen,
kann das oben grob beschriebene Verfahren wie folgt verfeinert werden:
- – Die
Abtragsleistung wird jeweils für
jede schon oben genannte Stelle im Arbeitsfenster des Laserstrahls
hinweg für
mehrere Fokuslagen ermittelt. In 3 entspricht
dies den 3A, 3B und 3C.
Jede dieser Figuren zeigt ein Testwerkstück 14f1, 14f2 und 143.
Auf jedem dieser Werkstücke
werden Testgesenke hergestellt, wobei die Fokuslagen innerhalb eines
Testwerkstücks
konstant sind und sich von Testwerkstück zu Testwerkstück verändern. Im
Beispiel der 3 wird angenommen, dass
zu drei Fokuslagen f1, f2 und f3 jeweils auf einem Testwerkstück 14f1, 14f2 und 14f3 Testgesenke
erzeugt werden. Was hierbei unter "Fokuslagen" zu verstehen ist, wird nochmals Bezug
nehmend auf 2C erläutert: Hier sind Fokuslagen
f1, f2 und f3 schematisch angedeutet. Es werden die Fokuslagen so
eingestellt, dass bei Fokuslage f1 der Auftreffpunkt des Laserstrahls
auf dem Werkstück
extrafokal liegt (Fokus liegt zwischen Auftreffpunkt und Laserquelle), bei
f2 der Auftreffpunkt beim angenommenen Fokus des Laser strahls und
bei f3 der Auftreffpunkt intrafokal liegt, also zwischen dem Fokus 12f und der
Laserquelle. In diesem Zusammenhang wird nochmals darauf verwiesen,
dass die genaue Lage des Fokuspunkts 12f bzw. des Fokusbereichs 12c nicht
bestimmbar ist, weil sie in der zeichnerisch möglichen Präzision de facto nicht existiert.
Es werden aber jedenfalls die Testfokuslagen so gewählt, dass
sie so verteilt sind, dass sicher der intrafokale wie auch der extrafokale
Bereich des Lasers auf dem Werkstück zur Anwendung kommt. In
realen Szenarien werden dabei deutlich mehr als nur drei Fokuspositionen
f1, f2 und f3 gewählt.
Beispielsweise können
15 Fokuslagen untersucht werden, wobei diese 15 Lagen (entsprechend
15 Testwerkstücken)
wiederum so verteilt sind, dass die quellfernste sicher extrafokal
und die quellnächste
sicher intrafokal und die anderen dazwischen z.B. regelmäßig beabstandet
liegen. Es wird dann auf diese Weise die "Fokussierungskennlinie" abgefahren und auch
in etwa die Position 12c entsprechend dem realen Fokus
erfasst.
- – In 3A sind
neun Testgesenke 30 schematisch dargestellt. Sie liegen
verteilt innerhalb des Arbeitsfensters 10a des Lasers.
Es wird in diesem Zusammenhang darauf verwiesen, dass die Anzahl
von 3 × 3
Testgesenken nur beispielhaft zu verstehen ist. Die Ziffer 3 stimmt
auch nur zufällig mit
der Anzahl der gewählten
Fokuslagen überein.
Beispielsweise können
innerhalb des Arbeitsfensters 10a 5 × 5 Testgesenke hergestellt
werden und dies jeweils für
beispielsweise 15 Fokuslagen. Die einzelnen Testgesenke sind entsprechend
ihrer zugehörigen
Fokussierung und entsprechend ihrer Position im Arbeitsfenster 10a des
Laser indiziert. In 3A sind die Testgesenke 30 mit
f1 indiziert, da sie mit der Fokuslage f1 erstellt wurden. Entsprechend
ihrer Verteilung über
die Fläche
tragen sie weiterhin die Indizes p1 bis p9. Bei drei Fokuslagen
f1 bis f3 und jeweils neun Testgesenken p1 bis p9 werden somit insgesamt
27 Testgesenke hergestellt. Bei 15 Fokuslagen und jeweils 25 Positionen
im Arbeitsfenster wären
es 375 Testgesenke.
- – Die
Abtragsleistung kann ermittelt werden, indem die Testgesenke vermessen
werden. Dies kann auf unterschiedliche Weisen geschehen. Beispielsweise
kann die (maximale oder mittlere) Tiefe eines jeden Testgesenks
gemessen werden, wobei hier angenommen wird, dass alle Testgesenke
mit der gleichen Anzahl von Abtragsschichten (beispielsweise 100)
erstellt wurden. Es kann aber auch so vorgegangen werden, dass alle
Gesenke bis zu einer bestimmten Tiefe erstellt werden und die dafür benötigte Anzahl
von Abtragsschichten jeweils gezählt
wird. Die Anzahl der benötigten
Schichten bis zum Erreichen einer Solltiefe oder die erreichte Tiefe
bei einer bestimmten Anzahl von Abtragsschichten ist dann ein Maß für die Abtragsleistung
des Laserstrahls im jeweiligen Bereich des Arbeitsfensters.
- – Mit
den so gewonnenen Daten können
Abtragsleistungskennlinien für
die einzelnen Positionen p1–p9
im Arbeitsfenster erstellt werden. Die 3D, E
und F zeigen drei solche Abtragsleistungskennlinien 31p1, 31p4, 31p5 jeweils
für die Positionen
p1 (Ecklage), p4 (Randlage) und p5 (Mittenlage). Die Variable (Abszisse)
dieser Kennlinien ist jeweils die Fokuslage. So setzt sich beispielsweise
die Kurve der 3D aus den einzelnen Werten
zusammen, die sich durch Vermessen des Gesenks 30f1p1 in 3A,
des Gesenks 30f2p1 in 3B und 30f3p1 in 3C er geben. Für die anderen
Kennlinien wird ähnlich
vorgegangen. Es ergibt sich dann eine Anzahl von Kennlinien, die
der Anzahl der Testpositionen auf dem Testwerkstück entspricht. Auf der Abszisse der
Abtragsleistungskennlinien ist somit die Fokuslage angetragen, auf
der Ordinate die Abtragsleistung PA, die
beispielsweise wie oben für
das jeweilige Testgesenk ermittelt werden kann.
In den 3D,
E und F sind die Abtragsleistungskennlinien nebeneinander in gleicher
Skalierung dargestellt. Sie sind ihren Ordinatenwerten nach somit
unmittelbar miteinander vergleichbar. Dargestellt ist ein typischer
Fall: Die Abtragsleistung ist in einer Mittenlage (also in der Mitte
des Arbeitsfensters des Lasers) am größten, in einer Randlage (am
Rand des Arbeitsfensters, aber dort in der Mitte des Randes) geringer
und am geringsten in einer Ecklage. Qualitativ entspricht dies durchaus
dem Effekt, der anhand der Projektionen der Laserstrahlen wie in 2A gezeigt
erwartet werden kann. Quantitativ ist die gewonnene Aussage zum
einen jedoch deutlich genauer, und zum anderen können durchaus auch Abweichungen
dahingehend vorkommen, dass maximale Abtragsleistungen nicht zwingend
in der Mitte des Arbeitsfensters vorliegen und anders herum minimale
Senkleistungen nicht zwingend in einer Ecke gegeben sein müssen. Darüber hinaus ist
auch der Verlauf jeder einzelnen Kurve 32 nicht sicher
vorhersehbar. Insbesondere ist, wie weiter oben schon ausgeführt, nicht
sicher sagbar, an welcher Fokuslage die Abtragsleistung maximal ist.
Dies ergibt sich erst, indem über
mehrere Fokuslagen in der gleichen Position des Arbeitsfensters
Versuche wie oben beschrieben gefahren werden.
- – Es
wird dann die Kurve mit dem geringsten Maximum, also die Position
mit der geringsten maximalen Abtragsleistung, gesucht. In den 3D bis
F ist dies die Kurve 32p1 mit dem Maximum 33.
Eine bessere Abtragsleistung ist an dieser Position des Arbeitsfensters
nicht möglich,
und wenn die Abtragsleistung über
das gesamte Arbeitsfenster hinweg egalisiert werden soll, wäre die Abtragsleistung
an den anderen Positionen des Arbeitsfensters dementsprechend abzusenken. Wenn
man dann die Abtragsleistung an den übrigen Positionen im Arbeitsfenster
durch eine gezielte Defokussierung erreichen will, kann man ausgehend
vom Maximum 33 (bzw. der diesem Maximum entsprechenden
Senkleistung PA) in den übrigen Kurven der übrigen Stellen
im Arbeitsfenster die entsprechenden Fokuslagen ermitteln, die dann
eingestellt werden können.
Die Linie 34 markiert die Abtragsleistung PA.
Sie schneidet die übrigen
Abtragsleistungskennlinien 32p4 und 32p5 an jeweils
zwei Stellen, denen jeweils eine Fokuslage entspricht. Die Kurve 32p4 wird
von der Geraden 34 an zwei Punkten geschnitten, denen zwei
Fokuslagen fep4 und fip4 entsprechen.
Die eine ist die extrafokale Lage, die andere die intrafokale. Gleiches
gilt entsprechend hinsichtlich Kurve 32p5 betreffend die
Mittenposition im Arbeitsfenster.
Man erhält auf diese Weise ausgehend
vom kleinsten Maximum 33 Defokussierungswerte für die übrigen Positionen,
die beim Führen
des Laserstrahls durch das Arbeitsfenster eingestellt werden können, so
dass sich eine konstante Abtragsleistung ergibt. Der Kurve in 3E kann man
entnehmen, dass es zur Einstellung der gewünschten Abtragsleistung wahlweise
die intrafokale Lage fip4 und die extrafokale
Lage fep4 gibt. Vorzugsweise weist man hier
die intrafokale Lage, also fip4, da sich
bei dieser Einstellung stabile Verhältnisse ergeben.
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Wenn
man die Abtragsleistung über
das Arbeitsfenster des Lasers vergleichmäßigen will, muss nicht zwingend
die kleinste maximale Abtragsleistung entsprechend Punkt 33 in
Kurve 32p1 gewählt werden.
Um auch am Punkt mit der geringsten Abtragsleistung noch Leistungsreserven
zu haben, kann man auch hier einen leicht abgesenkten Abtragsleistungswert
wählen
(entsprechend Wert 35 an der Ordinate des Diagramms 31p1).
Ausgehend von diesen einzustellenden Abtragsleistungen können die
jeweiligen Fokuslagen wie oben schon beschrieben ermittelt werden,
indem die Gerade 36 durch die übrigen Diagramme gezogen wird,
um ausgehend davon die passenden Fokuslagen bei Leistungskompensierung
durch Fokuseinstellung zu ermitteln.
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Die
Diagramme 31 der 3D, E
und F sind zunächst
keine Kurven 32, sondern nur Punktdiagramme. Um eine genaue
Bestimmung und Auswertung wie oben zuzulassen, kann es wünschenswert sein,
aus diesen Punktdiagrammen durch Interpolation durchgängige Kurven 32 zu
ermitteln. Beispielsweise kann ein Polynom geeigneten Grades zur
Interpolation gewählt
werden. Das Polynom muss nicht Bezug nehmend auf alle erhaltenen
Wertepaare ermittelt werden, es können Wertepaare weggelassen werden,
beispielsweise offensichtlich ungeeignete ("Ausreißer").
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Auf
die oben beschriebene Weise erhält
man ein Defokussierungskennfeld, das die einzustellende Defokussierung
angibt, wenn man an den vermessenen Stellen im Arbeitsfenster 10 des
Laser strahls die Abtragsleistung egalisieren will. Wenn die Einstellung feiner
sein soll als dies entsprechend den tatsächlich vermessenen Stellen
möglich
ist (im Beispiel der 3 "nur" ein 3 × 3-Raster),
können
weitere Punkte dazwischen definiert und durch Interpolation mit
Werten besetzt werden. Ein qualitativ entsprechendes Ergebnis ist
der 4 zu entnehmen. Hier ist ein Kennfeld 40 gezeigt,
das 9 × 9
Eintragungen hat. Die dick umrandeten Kästchen haben keine besondere logische
Funktion. Sie sollen lediglich diejenigen Eintragungen markieren,
die tatsächlich
durch Messung entstanden sind. Die übrigen Werte können durch
Interpolation ermittelt werden. Nimmt man die Zahlen in 40 als "Defokussierungsmaß", ergibt sich qualitativ ein Verlauf
dahingehend, dass die Defokussierung tendenziell in der Mitte am
stärksten
und in den Ecken am schwächsten
ist. Die quantitative Bewertung und die Abstufung ist aber deutlicher
genauer als die rein qualitativ denkbare Aussage.
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Anstelle
einer Defokussierung kann auch die Leistungssteuerung des Laserstrahls
erwogen werden. Es wird dann ausgehend von der kleinsten Abtragsleistung
(bzw. der kleinsten maximalen Abtragsleistung gemäß Punkt 33 in 3D)
eine Leistungsabschwächung
für die übrigen Positionen
im Arbeitsfenster des Lasers eingesteuert. Dies kann anhand von
(nicht gezeigten) Abtragsleistungskennlinien erfolgen.
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3G zeigt
einen Sonderfall für
die Herstellung der mehreren Testgesenke für mehrere Fokuslagen. Es ist
nicht zwingend notwendig, mehrere einzelne Testwerkstücke (für die jeweils
eine Fokuslage) vorzusehen. Es ist auch möglich, diese alle auf einem
einzigen Werkstück
vorzusehen, wobei das Werkstück
zwischen den einzel nen Gesenkbildungen für die einzelnen Fokuslagen
so verschoben wird, dass die entsprechenden Bereiche des Arbeitsfensters
auf einen Bereich des Testwerkstücks
gelangen, in dem noch kein Gesenk gebildet ist. In 3G ist
zu sehen, dass jeweils die Testgesenke 30f1p1, 30f2p1 und 30f3p1 in
den Ecken der Arbeitsfenster Grenzen 10af1, 10af2 und 10af3 liegen.
Das Werkstück
kann, um diese Einstellung zu finden, jeweils geeignet verschoben
werden. Es reicht dann ein einziges Testwerkstück aus, und der Vorgang des
Erstellens der Testwerkstücke
kann beispielsweise über
Nacht oder über
das Wochenende erfolgen.
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Die
wie oben ermittelten Abtragsleistungen werden bei der Führung des
Laserstrahls über
die zu bearbeitende Fläche
kontinuierlich berücksichtigt bzw.
ausgeregelt. 5 zeigt schematisch eine Vorrichtung,
mit der dies geschehen kann. 50 symbolisiert eine Ansteuereinrichtung,
die eine x/y-Steuerung 51 aufweist, mit der der Laserstrahl 12 durch beispielsweise
Umlenkspiegel 29 über
die xy-Ebene des Werkstücks
geführt
werden kann. Gleichzeitig wird aus einem Speicher 52 die
Tabelle 40 zu Rate gezogen, mit der über eine Fokussiersteuerung 54 die
Fokuseinstellung 26 angesteuert werden kann und/oder über eine
Leistungssteuerung 53 die Laserausgangsleistung des Lasers 27 angesteuert
werden kann.
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Anders
als oben beschrieben, kann die Ermittlung der Abtragsleistung auch
durch Messung der Laserleistung bzw. durch Vermessung der Lasereigenschaften
an den jeweiligen Positionen im Arbeitsfenster 10 des Lasers
erfolgen. Dies können
vergleichsweise komplexe Messungen sein, die die Leistungsverteilung
in der Querschnittsfläche
des Laserstrahls, die Kaustik des Laserstrahls und ähnliches
berücksichtigen.
Es können
Parameter des Laserstrahls, die für die Abtragsleistung bestimmend sind,
gemessen werden. Es können
ein oder mehrere optoelektronische Sensoren vorgesehen sein, die
z. B. die Leistung [in W], Flächenleistung
[W/m2] oder die Verteilung dieser Werte
in einem bestimmten Flächenbereich
bestimen, um daraus die Abtragsleistung zu bestimmen. Auch Bezug
nehmend auf solche Messungen können
Kurven wie in 3D bis F gezeigt ermittelt werden.
Bezug nehmend auf diese Kurven kann dann wie schon beschrieben vorgegangen
werden.
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Die
Vermessung der hergestellten Testgesenke kann mittels der Tiefensensorik
der Abtragsvorrichtung erfolgen oder separat durch externe Messverfahren.
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Unter „Abtragsleistung" im obigen Sinn kann dabei
die Menge (Volumen, Masse, Δz
in z-Richtung, ggf. jeweils Mittelwerte) des aus der Werkstückoberfläche herausgelösten Materials
beim einmaligen Überstreichen
der Werkstückoberfläche mit
dem Laserstrahl verstanden werden, wobei Masse und Volumen ggf.
noch auf eine bestimmte Weg- bzw. Spurlänge zu beziehen wären.
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Die
Abtragsleistung hängt
von einstellbaren und nicht oder nur ungenau einstellbaren Systemparametern
ab, etwa Strahlführungsgeschwindigkeit, Laserleistung,
genaue Fokussierung, Defokussierung, Eigenschaften des optischen
Systems. Insbesondere soll nach einem Aspekt der Erfindung mit dem
beschriebenen Verfahren die Abtragsleistung zu den nicht oder nur
ungenau einstellbaren Systemparametern (präzise Fokuslage, optisches System)
empirisch ermittelt und ggf. unter Beibehaltung der ungenauen bzw.
in ihrer Wirkung nicht genau vorhersagbaren Einstellungen durch
Einstellung genau oder genauer einstellbarer Parameter (Laserleistung, Strahlführungsgeschwindigkeit,
Defokussierung) ausgeglichen werden.
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Nicht
nur die Abtragsleistung in z-Richtung kann ungleichmäßig sein.
Auch die Führung
des Laserstrahls (Positionsführung)
in der Ebene des Arbeitsfensters (x-y-Ebene) kann aus den verschiedensten
Gründen
unregelmäßig insbesondere
in dem Sinn sein, dass die jeweils momentane tatsächliche
Position des Auftreffpunkts des Laserstrahls in x- und/oder y-Richtung
eine andere ist als die vom System theoretisch angenommene. Dies
kann sich bspw. wegen nicht völlig
planer Umlenkspiegel oder wegen Fehljustierungen ergeben. Die tatsächlichen Positionen
können
gegenüber
den theoretischen verzogen sein. Dann ist auch ein dementsprechend
gefertigtes Gesenk verzogen. Nachfolgend wird ein Verfahren zur
Ermittlung der Positionsführung
eines Laserstrahls bei der Herstellung eines Gesenks oder einer
Oberflächenstruktur
durch schichtweisen Materialabtrag aus einem Werkstück beschrieben. 6 zeigt
schematisch eine für
die Eichung in x/y-Richung geeignete Anordnung Bei der Herstellung
des Gesenks oder der Struktur wird der Laserstrahl in einer oder
in zwei Dimensionen über
die Oberfläche
des Werkstücks
gesteuert geführt.
Einmal oder mehrmals während
der Herstellung werden dabei folgende Schritte quasi-gleichzeitig
(d. h. insgesamt abwechselnd mit Herstellungsvorgängen) durchgeführt: (a) Anbringen
von Markierungen 61 mit dem Laserstrahl 12 und
seinem Positionsführungssystem
an einer oder mehreren vorbestimmten Positionen insbesondere eines
Teststücks 60,
(b) Vermessen der tatsächlichen
Positionen der Markierungen, und (c) Ermitteln von XY-Korrekturwerten
nach Maßgabe
der vorbestimmten und der tatsächlichen
Positionen.
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Bei
einem Verfahren zur Herstellung eines Gesenks in einem Werkstück, bei
dem zur Bildung des Gesenks Material mit einem Laserstrahl abgetragen
wird, indem der Laserstrahl in seinem Arbeitsfenster nach Maßgabe von
Gesenkdaten über
die freiliegende Fläche
des Werkstücks
geführt
wird, werden (d) die Positionsführung
des Laserstrahls bei der Herstellung des Gesenks mit einem Verfahren wie
oben und nachfolgend beschrieben ermittelt, und (e) die Herstellung
nach Maßgabe
der ermittelten XY-Korrekturwerte fortgesetzt.
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Vor
dem Schritt (a) wird das Teststück 60 in das
Arbeitsfenster des Laserkopfs gebracht. Nach dem Schritt (c) bzw.
(d) wird wieder das Werkstück
in das Arbeitsfenster des Laserkopfs gebracht.
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Im
obigen Schritt a) werden die Markierungen 61 auf einem
mit dem Werkstück
mitgeführten Teststück 60 angebracht.
Sie können
rasterartig über das
Arbeitsfenster 10 oder den für das konkrete Werkstück benötigten Arbeitsbereich
im Arbeitsfenster des Laserstrahls verteilt sein, z. b. in einem
regelmäßigen quadratischen
Raster von bspw. 5·5
Punkten, wie dies bei Bezugszeichen 61 angedeutet ist.
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Die
Markierungen können
vergleichsweise kleine eingebrannte Punkte oder Kreuze sein, die
mit der auch zur Gesenkherstellung verwendeten Optik (Laser, Linsen,
Ablenkspiegel) gefertigt werden, so dass sie die gleichen Positionierungscharakteristika in
x- und y-Richtung
aufweisen wie die Herstellung des Gesenks. Es kann sich bei den
Markierungen aber auch nur um Verfärbungen handeln, die durch den
Laser auf dem Teststück
hervorgerufen wurden.
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Das
Teststück 60 kann
sich auf einem Teil des Werkstücks
befinden oder ein separates Werkstück sein. Letzteres kann fest
mit dem Werkstück mitgeführt werden.
Das Teststück
kann speziell präpariert
sein bzw. aus einem geeigneten Material bestehen, bspw. in der Weise,
dass es in vorteilhafter Weise die Markierungen annimmt und sichtbar
werden lässt.
Es kann eine Oberflächenbeschichtung 63 aufweisen.
Das Teststück
kann ein oder mehrere Bereiche auf dem Werkstück 11 aufweisen, bspw.
in Eck- oder Randbereichen des Werkstücks, die z. B. einen Überzug 63 aufweisen
können,
wie dies in 6 schematisch mit 60a–d gezeigt
ist.
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Im
Schritt a) kann das Teststück
dem Laserstrahl um bestimmte, gespeicherte Beträge nachgeführt werden. Wenn bspw. zum
rasterartigen Abfahren des Arbeitsbereichs in x-Richtung 5 Punkte
im Abstand von je 8 mm notwendig wären, so kann das Teststück bei jedem
Versatz des Laserstrahls um die genannten 8 mm seinerseits um bspw.
einen bestimmten Prozentsatz des Versatzes nachgeführt werden,
bspw. um 7 mm. Dies hat dann zur Folge, dass Positionen, die im
Arbeitsfenster um 8 mm beabstandet sind, auf dem Teststück nur 1
mm beabstandet und somit komprimiert sind, so dass das Teststück nicht
die Größe des Arbeitsfensters
haben muß,
gleichzeitig aber doch die charakteristischen Positionsverschiebungen
für die
jeweilige Positionen im Arbeitsfenster aufweist, da sie ja dort
positioniert waren, als die Markierung gefertigt wurde. Schematisch
ist dies in 6 angedeutet, wenngleich die
Figur nicht maßstäblich zu
verstehen ist: Die rasterartige Gesamtanordnung der Markierungen 61 ist
kleiner als der Arbeitsbereich des Laserstrahls (angedeutet durch
Größe des Gesenks 11a),
was wegen der genannten Nachführung
möglich
ist. Auf einem Teststück 60,
das die Größe des Arbeitsfensters 10 oder
des Werkstücks 11 oder
des Gesenks 11a hat, können
so mehrere Läufe
von Eichmarkierungen angebracht werden. Die Nachführung des
Teststücks muß nicht
notwendigerweise in die gleiche Richtung wie die Führung des
Laserstrahls erfolgen. Sie kann z. B. auch so erfolgen, dass eine
noch frei Stelle auf dem Teststück
an die zu vermessende Stelle im Arbeitsfenster geschoben wird.
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Im
o.g. Schritt b) kann die Positionsvermessung mit einer Kamera erfolgen,
deren Bild digitalisiert und dann zur Positionsvermessung ausgewertet wird.
Bei der Positionsvermessung der Markierung wäre die ggf. vorgenommene, o.
g. Nachführung
wieder herauszurechnen, um so zur tatsächlichen Position der Markierung
im Arbeitsfenster zu gelangen.
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Im
Schritt c) können
die jeweils einander entsprechenden vorbestimmten und gemessenen
Positionen miteinander verglichen werden, und nach Maßgabe des
Vergleichs können
XY-Korrekturwerte ermittelt werden. Beispielsweise kann eine einfache Differenzbildung
zwischen Soll- und Istwert jeweils in x- und y-Richtung erfolgen,
um so unmittelbar zu Korrekturwerten an den vermessenen Stellen
zu gelangen. Die XY-Korrekturwerte können aber auch anders als tabellarisch
gespeichert sein, bspw. als Koeffizienten von die gemessenen Differenzen
annähernden
Polynomen, mit denen zu einer gegebenen x/y-Position Korrekturwerte
für die
x- und die y-Position ausgerechnet werden können.
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Um
bei punktweiser Speicherung XY-Korrekturwerte an anderen Stellen
als den vorbestimmten oder gemessenen Positionen zu erhalten, können im Schritt
c) geeignete Interpolationen vorgenommen werden. Die so erhaltenen
XY-Korrekturwerte werden können.
Insbesondere können
hierbei früher
ermittelte XY-Korrekturwerte überschrieben
werden, so dass bei der Wiederaufnahme der Herstellung des Gesenks
auf die aktualisierten Werte zugegriffen wird.
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Die
Verwendung der XY-Korrekturwerte kann bspw. in der Weise erfolgen,
dass die Laserführung nach
ihrer Maßgabe
korrigiert wird, bspw. indem die ablenkenden Spiegel variabel bzw.
korrigiert angesteuert werden, um so die Laserführung „glattzuziehen". Die XY-Korrekturwerte können aber
auch in der Weise verwendet werden, dass auch nach ihrer Maßgabe auf
die Gesenkdaten des herzustellenden Gesenks zugegriffen wird, so
dass auf die Gesenkdaten „synchron
zur Laserführung
verzogen" zugegriffen wird,
so dass die real eingestellten x-/y-Positionen die zu ihnen tatsächlich gehörigen Werte
aus den Gesenkdaten erhalten, insbesondere die Daten zur Steuerung
des Abtrags und der Laserleistung.
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Die
XY-Korrekturwertermittlung kann mehrmals während der Gesenkherstellung
erfolgen, z. B. immer nach Ablauf einer bestimmten Zeit und/oder nach
Maßgabe
von Herstellungsparametern, etwa nach Abtrag einer bestimmten Anzahl
von Schichten und/oder nach Maßgabe
von Umgebungsbedingungen, z. B. Temperaturänderung o.ä..
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Nachfolgend
werden einige typische Größenangaben
wiedergegeben:
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Abtrag pro Schicht:
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- Zwischen 0,1 μm
und 20 μm.
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Spurbreite:
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- Zwischen 10 μm
und 100 μm.
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Typische Arbeitsfenstergröße:
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- Rechteckig, Kantenlänge
zwischen 50 mm und 100 mm.
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Höhe des Scanners über der
zu bearbeitenden Fläche:
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- Zwischen 50 mm und 100 mm.
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Anzahl der vermessenen
Fokuslagen:
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Anzahl der Testgesenke:
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- Zwischen 4 × 4
und 6 × 6,
vorzugsweise 5 × 5.
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Geschwindigkeit des Laserauftreffpunkts
bei der Führung über die
Fläche:
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- Zwischen 50 und 2000 mm/sec
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Laserleistung:
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Anzahl der abgetragenen
Schichten pro Testgesenk:
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