DE102018106921A1

DE102018106921A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Bearbeitung eines Verbundmaterials mittels Laser sowie Verbundmaterial

Info

Publication number: DE102018106921A1
Application number: DE102018106921.9A
Authority: DE
Inventors: Jan Werschnik; Stefan Franz; Carolin Rosenberger
Original assignee: Jenoptik Optical Systems GmbH
Current assignee: Jenoptik Optical Systems GmbH
Priority date: 2018-03-23
Filing date: 2018-03-23
Publication date: 2019-09-26
Also published as: WO2019180142A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bearbeitung eines eine erste Schicht (118) und eine zweite Schicht (120) aufweisenden Verbundmaterials (102) mittels eines Laserstrahls (108), wobei bei einem Auftreffen des Laserstrahls (108) auf einen Bearbeitungsbereich des Verbundmaterials (102) Material des Verbundmaterials (102) entfernt wird. Das Verfahren umfasst einen Schritt des Ermittelns einer Änderung, insbesondere einer Frequenzänderung und/oder einer Intensitätsänderung, unter Verwendung eines Sensorsignals (128), das eine aus dem Bearbeitungsbereich ausgesandte Detektionsstrahlung (122) repräsentiert, einen Schritt des Vergleichens der Änderung mit einer vorgegebenen Änderung, die bei einem Übergang des Bearbeitungsbereichs aus der ersten Schicht (118) in eine weitere Schicht (120) erwartet wird, und einen Schritt des Ausgebens zumindest eines Steuersignals (134, 138, 140) zum Steuern der Bearbeitung abhängig von einem Ergebnis des Vergleichens der Änderung mit der vorgegebenen Änderung.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Bearbeitung eines Verbundmaterials mittels Laser sowie auf ein entsprechendes Verbundmaterial.
Ein Verbundmaterial kann beispielsweise mittels Laserablation, Laserschneiden oder Laserschweißen bearbeitet werden. Die Lage des Laserfokus kann dabei beispielsweise durch Versuch und Irrtum bestimmt werden, um zu gewährleisten, dass bestimmte Schichten nicht verletzt werden.
Vor diesem Hintergrund schafft die vorliegende Erfindung ein verbessertes Verfahren zur Bearbeitung eines Verbundmaterials mittels Laser, eine entsprechende Vorrichtung sowie ein verbessertes Verbundmaterial gemäß den Hauptansprüchen. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung.
Es wird ein Verfahren zur Bearbeitung eines eine erste Schicht und eine zweite Schicht aufweisenden Verbundmaterials mittels eines Laserstrahls vorgestellt, wobei bei einem Auftreffen des Laserstrahls auf einen Bearbeitungsbereich des Verbundmaterials Material des Verbundmaterials entfernt wird. Das Verfahren umfasst folgende Schritte:

Ermitteln einer Änderung unter Verwendung eines Sensorsignals, das eine aus dem Bearbeitungsbereich ausgesandte Detektionsstrahlung repräsentiert;
Vergleichen der Änderung mit einer vorgegebenen Änderung, die bei einem Übergang des Bearbeitungsbereichs aus der ersten Schicht in eine weitere Schicht erwartet wird; und
Ausgeben zumindest eines Steuersignals zum Steuern der Bearbeitung abhängig von einem Ergebnis des Vergleichens der Änderung mit der vorgegebenen Änderung.

Unter einem Verbundmaterial kann ein aus mehreren Schichten unterschiedlichen Materials zusammengesetzter Schichtverbund verstanden werden. Beispielsweise kann es sich bei dem Verbundmaterial um kohle- oder glasfaserverstärkten Kunststoff oder einen metallhaltigen Verbundwerkstoff handeln. Auch kann das Verbundmaterial anisotrope Schichten aufweisen. Das Verbundmaterial kann dabei eine Mehrzahl aneinandergrenzender zu bearbeitender und nicht zu bearbeitender Schichten aufweisen. Unter dem Bearbeitungsbereich kann ein Abschnitt des Verbundmaterials verstanden werden, an dem unter Verwendung des Laserstrahls Material des Verbundmaterials abgetragen wird. Auch kann unter dem Bearbeitungsbereich ein an einen solchen Abschnitt angrenzender Raum verstanden werden. In dem Bearbeitungsbereich wird zumindest ein Anteil des Laserstrahls reflektiert, beispielsweise an dem Verbundmaterial oder an aus dem Verbundmaterial herausgelösten Material oder Plasma. Aufgrund der bei der Bearbeitung entstehenden Materialerhitzung wird ferner Infrarotstrahlung aus dem Bearbeitungsbereich ausgesendet. Somit kann es sich bei der Detektionsstrahlung um eine innerhalb des Bearbeitungsbereichs reflektierte oder erzeugte Strahlung handeln. Unter einer Änderung kann beispielsweise eine zeit-, ort- und/oder wellenlängenabhängige Änderung der Detektionsstrahlung verstanden werden, die beispielsweise in Form eines elektrischen Signals oder Wertes vorliegen kann. Die Änderung kann beispielsweise eine Änderung der Frequenz oder der Intensität der Detektionsstrahlung betreffen. Die Frequenzänderung kann einer Farbänderung entsprechen. Dementsprechend kann unter einer vorgegebenen Änderung zumindest ein Schwellenwert bezüglich eines die Änderung charakterisierenden Parameters verstanden werden. Beispielsweise kann die vorgegebene Änderung vor Beginn der Bearbeitung festgelegt oder während der Bearbeitung in einem Lernverfahren erlernt werden. Die erste und die zweite Schicht können direkt aneinandergrenzen. Alternativ kann eine Grenzfläche zwischen der ersten und zweiten Schicht durch eine zwischen den beiden Schichten angeordnete Indikatorschicht gebildet sein. In diesem Fall können die erste und die zweite Schicht je an die Indikatorschicht angrenzen. Das Steuersignal kann im Schritt des Ausgebens beispielsweise ausgegeben werden, um einen Laserpulsparameter, eine Laserpulsfolge und/oder eine Vorschubgeschwindigkeit des Laserfokus so zu ändern, so dass die zweite Schicht vom Laser nicht verletzt wird. Insbesondere kann das Steuersignal verwendet werden, um eine weitere Aussendung des Laserstrahls zu unterbinden.
Der hier beschriebene Ansatz beruht auf der Erkenntnis, dass durch Beobachten einer Änderung in einer Detektionsstrahlung, die bei der Laserbearbeitung eines Verbundmaterials freigesetzt wird, und einen entsprechenden Vergleich der beobachteten Änderung mit einem oder mehreren bekannten Änderungsprofilen ein Schicht-übergang zu einer nicht zu bearbeitenden Schicht im Verbundmaterial zuverlässig und präzise erkannt werden kann. Dadurch kann eine schnelle und zielsichere Bearbeitung einzelner Schichten gewährleistet werden. Beispielsweise kann dadurch der Bearbeitungsprozess rechtzeitig gestoppt werden, sodass bestimmte Schichten nicht verletzt werden. Somit können die hohen Anforderungen an die Prozesskontrolle, die bei der Laserbearbeitung von Verbundmaterialien durch die unterschiedlichen Absorptionseigenschaften der Einzelschichten entstehen, bereits mit verhältnismäßig geringem Aufwand erfüllt werden, etwa bei der Vorbereitung von Oberflächen für Klebungen oder Reparaturen, beim Schneiden und Bohren von Konstruktions- und Hochleistungskunststoffen, insbesondere CFK und GFK, beim Fügen thermoplastischer Kunststoffe und faserverstärkter Verbundwerkstoffe oder beim Schneiden und Bohren von Kunststoffen und Faserverbundwerkstoffen. Darüber hinaus kann eine solche Prozesskontrolle hoch automatisiert erfolgen und beispielsweise durch maschinelles Lernen kontinuierlich verbessert werden.
Gemäß einer Ausführungsform kann in einem Schritt des Beleuchtens der Bearbeitungsbereich mit einer sich von dem Laserstrahl unterscheidenden Beleuchtungsstrahlung beleuchtet werden. Dadurch kann zumindest ein Anteil der Detektionsstrahlung als aus dem Bearbeitungsbereich heraus reflektierter Anteil der Beleuchtungsstrahlung erzeugt werden. Somit kann sich die Detektionsstrahlung aus reflektierter Laserstrahlung und zusätzlich oder alternativ aus reflektierter Beleuchtungsstrahlung zusammensetzten. Die Beleuchtungsstrahlung kann Licht mit einem abhängig von der vorgegebenen Änderung definierten Spektrum sein. Das Beleuchten kann beispielsweise unter Verwendung einer farbselektiven, aktiven Beleuchtung erfolgen. Beispielsweise kann es sich bei dem Licht um Infrarotstrahlung im Bereich nahen, mittleren oder fernen Infrarots handeln. Durch diese Ausführungsform kann eine für die Grenzfläche charakteristische Signalerhöhung des Sensorsignals erreicht werden. Dadurch können die Schichten besonders zuverlässig identifiziert werden.
Das Verfahren kann einen Schritt des Aussendens des Laserstrahls in den Bearbeitungsbereich umfassen. Dadurch kann das Verbundmaterial verarbeitet werden. Ferner kann das Verfahren einen Schritt des Erfassens des Sensorsignals umfassen. Dabei kann der Schritt des Erfassens zeitgleich zu dem Schritt des Aussendens ausgeführt werden. Dadurch kann eine sogenannte „Closed Loop“ Regelung realisiert werden, durch die eine sehr schnelle Steuerung der Bearbeitung des Verbundmaterials ermöglicht wird. Zusätzlich oder alternativ kann der Schritt des Erfassens zeitlich versetzt zu dem Schritt des Aussendens ausgeführt werden. Dadurch kann eine sogenannte „Open Loop“ Regelung realisiert werden, durch die beispielsweise auf eine kostengünstige Sensorik zur Erfassung der Detektionsstrahlung zurückgegriffen werden kann. Im Schritt des Aussendens kann der Laserstrahl ausgesendet werden, um Material des Verbundmaterials zu entfernen. Dazu kann der Laserstrahl eine geeignete Intensität und/oder Fokussierung aufweisen. Während des Schritts des Erfassens kann der Laserstrahl mit einer Intensität oder Fokussierung ausgesendet werden, die sich nicht zum Entfernen des Materials eignet oder es kann kein Laserstrahl und stattdessen die sich von dem Laserstrahl unterscheidende Beleuchtungsstrahlung ausgesendet werden. Auch kann ein sogenanntes Nachleuchten des Laserstrahls zur Generierung des Sensorsignals verwendet werden.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann das Sensorsignal eine spektral aufgelöste und/oder integrierte Intensität der Detektionsstrahlung repräsentieren. Unter einer spektral aufgelösten Intensität kann beispielsweise eine abhängig von einem Ort, einer Zeit oder einer Wellenlänge aufgelöste Intensität verstanden werden. Unter einer integrierten Intensität kann beispielsweise eine über einem bestimmten Parameter wie Zeit, Raumrichtung oder Wellenlänge teilintegrierte Intensität verstanden werden. Durch diese Ausführungsform kann der Vergleich der Änderung besonders schnell und effizient erfolgen.
Das Verfahren kann einen Schritt des Bestimmens der vorgegebenen Änderung oder einer angepassten Änderung unter Verwendung des Sensorsignals umfassen. Auf diese Weise kann ein geeigneter Wert für die vorgegebene Änderung erlernt werden. Insbesondere kann der Schritt des Bestimmens nach Beginn der Bearbeitung erfolgen, beispielsweise in einem bekannten Zeitintervall, in dem die erste Schicht bearbeitet wird. Somit kann ein für die vorgegebene Änderung während der Bearbeitung der ersten Schicht erlernt werden. Beispielsweise kann dazu ein Verfahren des maschinellen Lernens eingesetzt werden. Dadurch können Zuverlässigkeit und Genauigkeit des Verfahrens kontinuierlich gesteigert werden.
Das Verfahren kann einen Schritt des Auslesens umfassen, in dem ein die vorgegebene Änderung repräsentierender Wert aus einer Verbundmaterialdatenbank ausgelesen wird. Die Verbundmaterialdatenbank kann in einem internen Speicher einer Vorrichtung zur Bearbeitung eines Verbundmaterials angeordnet sein. Bei dem die vorgegebene Änderung repräsentierenden Wert kann es sich um einen Schwellwert handeln.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann im Schritt des Ausgebens das Steuersignal ausgegeben werden, um die Bearbeitung zu stoppen, wenn das Ergebnis des Vergleichens anzeigt, dass ein Wert der Änderung einen Wert der vorgegebenen Änderung erreicht oder überschreitet. Beispielsweise kann das Stoppen durch ein Verfahren des Laserfokus relativ zum Verbundmaterial, ein Abblenden des Laserstrahls oder ein Abschalten der Laserquelle bewirkt werden. Dadurch kann sicher verhindert werden, dass die zweite Schicht durch den Laser verletzt wird.
Zumindest ein Anteil des Sensorsignals kann eine Infrarotstrahlung repräsentieren. Dadurch kann zumindest ein Anteil der Detektionsstrahlung als aus dem Bearbeitungsbereich heraus reflektierter Anteil der Beleuchtungsstrahlung erzeugt werden. Bei der Infrarotstrahlung kann es sich beispielsweise um eine über einen Bereich des nahen Infrarots hinausgehende Infrarotstrahlung, beispielsweise um mittleres oder fernes Infrarot, handeln. Dadurch können einzelne Schichten des Verbundmaterials mittels Thermografie identifiziert werden. Auf diese Weise kann die Identifikation der einzelnen Schichten weiter verbessert werden.
Der hier vorgestellte Ansatz schafft zudem ein Verbundmaterial mit folgenden Merkmalen:

zumindest einer ersten Schicht, die mittels zumindest eines Laserstrahls zu bearbeiten ist;
zumindest einer zweiten Schicht, die nicht mittels des Laserstrahls zu bearbeiten ist; und
zumindest einer zwischen der ersten Schicht und der zweiten Schicht angeordneten Indikatorschicht, die ausgebildet ist, um bei Kontakt mit dem Laserstrahl eine Detektionsstrahlung in einem Spektrum auszusenden, das für eine Grenzfläche zwischen der ersten Schicht und der zweiten Schicht charakteristisch ist.

Unter einer Indikatorschicht kann beispielsweise eine vergleichsweise dünne Schicht aus einem preiswerten Indikatormaterial verstanden werden. Beispielsweise kann es sich bei dem Indikatormaterial um ein mit Fluoreszenzstoffen angereichertes oder stark reflektierendes Material handeln. Ein solches Verbundmaterial kann kostengünstig bereitgestellt werden und bietet zudem den Vorteil einer besonders schnellen, kostengünstigen und fehlerarmen Bearbeitbarkeit des Verbundmaterials.
Eine Vorrichtung zur Bearbeitung eines eine erste Schicht und eine zweite Schicht aufweisenden Verbundmaterials mittels eines Laserstrahls ist ausgebildet ist, um die Schritte einer Variante eines hier vorgestellten Verfahrens in entsprechenden Einrichtungen durchzuführen, anzusteuern bzw. umzusetzen. Auch durch diese Ausführungsvariante der Erfindung in Form einer Vorrichtung kann die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe schnell und effizient gelöst werden. Vorteilhafterweise können die entsprechenden Einrichtungen oder Einheiten in einem Gehäuse integriert angeordnet sein.
Die Vorrichtung kann einen Strahlteiler, eine Laserquelle zum Aussenden des Laserstrahls und einen optischen Sensor zum Erfassen des Sensorsignals umfassen. Dabei kann der optische Sensor in einem Transmissionskanal und die Laserquelle in einem Reflexionskanal des Strahlteilers angeordnet sein. Diese Anordnung eignet sich insbesondere für Bearbeitungen mit großer Laserleistung. Alternativ kann der optische Sensor in dem Reflexionskanal und die Laserquelle in dem Transmissionskanal des Strahlteilers angeordnet sein. Der Laserstrahl kann ausgehend von dem Strahlteiler durch ein Objektiv zu dem zu bearbeiteten Werkstück geführt werden.
Die Erfindung wird anhand der beigefügten Zeichnungen beispielhaft näher erläutert. Es zeigen:

1 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel;
2 eine schematische Darstellung eines Strahlengangs durch eine Vorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel;
3 eine schematische Darstellung eines Verbundmaterials gemäß einem Ausführungsbeispiel;
4 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens gemäß einem Ausführungsbeispiel;
5 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel;
6 eine schematische Darstellung eines beispielhaften Strahlengangs durch eine Vorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel;
7 eine schematische Darstellung eines beispielhaften Strahlengangs durch eine Vorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel;
8 eine schematische Darstellung eines Zielmaterials sowie einer Probe des Zielmaterials gemäß einem Ausführungsbeispiel; und
9 eine schematische Darstellung eines Verbundmaterials gemäß einem Ausführungsbeispiel.

In der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden für die in den verschiedenen Figuren dargestellten und ähnlich wirkenden Elemente gleiche oder ähnliche Bezugszeichen verwendet, wobei auf eine wiederholte Beschreibung dieser Elemente verzichtet wird.
1 zeigt eine schematische Darstellung einer Vorrichtung 100 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Die Vorrichtung 100 zur Bearbeitung eines Verbundmaterials 102 mittels Laser umfasst gemäß diesem Ausführungsbeispiel einen Transmissionskanal 104 mit einer Laserquelle 106 zum Erzeugen eines Laserstrahls 108, der beispielsweise über einen Strahlteiler 110, einen Scanner 112, etwa einen Galvanometer-Scanner, und ein Objektiv 114, etwa ein F-Theta-Objektiv, auf ein Werkstück aus dem Verbundmaterial 102 lenkbar ist, um dieses in einem bestimmten Laserbearbeitungsverfahren wie beispielsweise Laserablation, Laserschneiden oder Laserschweißen zu bearbeiten. Das Objektiv 114 ist gemäß einem Ausführungsbeispiel entsprechend farbkorrigiert, so dass Bearbeitungs- und Beobachtungswellenlänge im gleichen Brennpunkt liegen. Das ist insbesondere bei Ausführungen mit einem Galvo-Scanner wichtig, da sonst unterschiedliche Fokuslagen über das Bildfeld entstehen. Gemäß einem Ausführungsbeispiel wird jedoch ein für die Detektionswellenlänge(n) mitoptimiertes Objektiv 114 verwendet. Ebenso sind die Spiegel für beide Wellenlängenbereiche optimiert. Vorteilhafte Werkstoffe sind dabei je nach Wellenlänge beispielsweise Aluminium, Silber oder Gold. Der Laserstrahl 108 ist durch einen dicken Pfeil gekennzeichnet. Zur besseren Übersichtlichkeit ist das Verbundmaterial 102 gemäß 1 lediglich mit einer zu bearbeitenden ersten Schicht 118 und einer nicht zu bearbeitenden zweiten Schicht 120 dargestellt. In der Realität kann das Verbundmaterial 102 eine Vielzahl solcher Schichten 118, 120 aufweisen. Die beiden Schichten 118, 120 haben eine gemeinsame Grenzfläche, die durch eine gestrichelte Linie angedeutet ist.
Eine von dem Werkstück ausgehende Detektionsstrahlung 122, die beispielsweise von dem Verbundmaterial 102 bei Kontakt mit dem Laserstrahl 108 oder von einem durch den Laserstrahl 108 erzeugten Plasma reflektiert wird, gelangt beispielsweise über das Objektiv 114 und den Scanner 112 auf den Strahlteiler 110 und wird von diesem in eine von einer Richtung des Transmissionskanals 104 abweichende Richtung in einen Reflexionskanal 124 gelenkt. Die Detektionsstrahlung 122 ist mit mehreren dünnen Pfeilen gekennzeichnet. Ein im Reflexionskanal 124 angeordneter optischer Sensor 126, etwa eine optional hoch auflösende Kamera oder eine oder mehrere Fotodioden, ist ausgebildet, um die Detektionsstrahlung 122 zu erfassen und ein entsprechendes Sensorsignal 128 bereitzustellen. Das Sensorsignal 128 repräsentiert beispielsweise eine spektral aufgelöste oder (teil-)integrierte Intensität der Detektionsstrahlung 122.
Zwischen dem optischen Sensor 126 und dem Strahlteiler 110 ist optional ein Bandpassfilter 130 angeordnet.
Die Vorrichtung 100 umfasst eine Auswerteeinrichtung 132, die ausgebildet ist, um unter Verwendung des Sensorsignals 128 zumindest ein Steuersignal 134, 136, 138, 140 auszugeben, das geeignet ist, um eine weitere Bearbeitung des Verbundmaterials 102 zu beeinflussen. Gemäß einem Ausführungsbeispiel umfasst die Vorrichtung 100 eine Ermittlungseinrichtung, eine Vergleichseinrichtung und eine Ausgabeeinrichtung. Die Ermittlungseinrichtung ist ausgebildet, um einer Änderung, insbesondere eine Frequenzänderung und/oder eine Intensitätsänderung, der Detektionsstrahlung 122 unter Verwendung des Sensorsignals 128 zu ermitteln. Beispielsweise ist die Ermittlungseinrichtung ausgebildet, um als die Änderung eine Änderung der Farbe der Detektionsstrahlung 122 zu ermitteln. Die Vergleichseinrichtung ist ausgebildet, um die Änderung mit einer vorgegebenen Änderung zu vergleichen. Die vorgegebene Änderung entspricht beispielsweise einem Erwartungswert, der eine Änderung der Detektionsstrahlung 122 kennzeichnet, die erwartet wird, sobald der aktuell von dem Laserstrahl 108 getroffene Bearbeitungsbereich die Grenzfläche zwischen der ersten Schicht 118 und der zweiten Schicht 120 erreicht. Die Ausgabeeinrichtung ist ausgebildet, um das zumindest eine Steuersignal 134, 136, 138, 140 auszugeben. Beispielsweise ist die Ausgabeeinrichtung ausgebildet um das zumindest eine Steuersignal 134, 136, 138, 140 auszugeben, um eine weitere Bearbeitung des Verbundmaterials 102 zu beenden, insbesondere eine weitere Abtragung von Material in dem gerade bearbeiteten Bearbeitungsbereich zu verhindern, wenn die zuletzt ermittelte Änderung der Detektionsstrahlung 122 die vorgegebene Änderung erreicht oder überschreitet.
Die Auswerteeinrichtung 132, etwa in Form eines Controllers, ist gemäß einem Ausführungsbeispiel ausgebildet ist, um unter Verwendung des Sensorsignals 128 eine spektrale Analyse der Detektionsstrahlung 122 durchzuführen. Hierbei ermittelt die Auswerteeinrichtung 132 eine Änderung und vergleicht diese mit einer vorgegebenen Änderung, beispielsweise mit zumindest einer bekannten Änderung, die ein Vorliegen der Grenzfläche zwischen der ersten Schicht 118 und der zweiten Schicht 120 anzeigt. Die bekannte Änderung ist beispielsweise experimentell oder in einem Verfahren des maschinellen Lernens bestimmt worden.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel wird die vorgegebene Änderung vor Beginn der Bearbeitung des Verbundmaterials 102 mittels der Vorrichtung 100, beispielsweise in Form eines oder mehrerer Schwellenwerte eingestellt, beispielsweise in einen Speicher der Vorrichtung 100 geschrieben. Zusätzlich oder alternativ wird die vorgegebene Änderung während der Bearbeitung des Verbundmaterials 102 erlernt oder angepasst. Dazu kann beispielsweise unter Verwendung eines Lernverfahrens ein die vorgegebene Änderung repräsentierender Schwellenwert bestimmt werden, der sich ausreichend von Änderungen der Detektionsstrahlung 122 unterscheidet, die während der Bearbeitung der ersten Schicht 118 auftreten.
Als Ergebnis des Vergleichs gibt die Auswerteeinrichtung 132 beispielhaft ein erstes Steuersignal 134 zur Ansteuerung einer Verfahreinrichtung 136 zum Verfahren des Werkstücks gegenüber einem Fokus des Laserstrahls 108, ein zweites Steuersignal 138 zur Ansteuerung des Scanners 112 und ein drittes Steuersignal 140 zur Ansteuerung der Laserquelle 106 aus. Die Ansteuerung mittels der Steuersignale 134, 138, 140 erfolgt dabei abhängig von einem Grad einer Übereinstimmung zwischen der ermittelten und der bekannten Änderung. Insbesondere ist die Auswerteeinrichtung 132 ausgebildet, um die Bearbeitung des Werkstücks abhängig von der Änderung der Detektionsstrahlung 122 so zu steuern, dass die zweite Schicht 120 durch den Laserstrahl 108 nicht beschädigt wird, etwa indem die Bearbeitung bei Erkennen der Grenzfläche gestoppt wird oder in einer von der Grenzfläche wegführenden Richtung fortgesetzt wird.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel umfasst die Vorrichtung 100 eine Beleuchtungseinrichtung 142, die ausgebildet ist, um den Bearbeitungsbereich, auch als Bearbeitungszone bezeichnet, in dem das Verbundmaterial 102 mittels des Laserstrahls 108 bearbeitet wird, mit einer Beleuchtungsstrahlung 144, beispielsweise mit Licht in einem zur Identifizierung der Grenzfläche geeigneten Spektrum zu beleuchten. Die Ansteuerung der Beleuchtungseinrichtung 142 erfolgt beispielsweise mittels der Auswerteeinrichtung 132 in Abhängigkeit von den vorgegebenen Änderungsprofilen. Durch eine derartige farbselektive, aktive Beleuchtung der Bearbeitungszone kann eine Signalerhöhung zur eindeutigen und damit besonders sicheren Identifizierung der Schichten 118, 120 oder der Grenzfläche erzielt werden. In diesem Fall ist der optische Sensor 126 oder ein weiterer Sensor ausgebildet, um als Detektionsstrahlung 122 einen reflektierten Anteil der Beleuchtungsstrahlung 144 zu erfassen.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist der optische Sensor 126 oder ein weiterer Sensor ausgebildet, um zusätzlich oder alternativ langwelliges Infrarotlicht im mittleren oder fernen Infrarotbereich zu erfassen und somit eine noch genauere Identifizierung der Schichten 118, 120 mittels Thermografie zu ermöglichen.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel wird die Änderung über eine breitbandige Optik und eine spektrale Analyse beobachtet. Sobald eine bestimmte Änderung bekannt ist, wird die Bearbeitung gestoppt. Die Vorrichtung 100 hat somit die Funktion, eine Information darüber bereitzustellen, wann die Bearbeitung der Schicht 118 abgeschlossen ist. Der Fokus des Laserstrahls 108 wird durch die Vorrichtung 100 in diesem Sinne automatisch bestimmt.
Die spektralen Änderungen der Detektionsstrahlung 122 werden gemäß einem Ausführungsbeispiel in einem Verfahren des maschinellen Lernens klassifiziert.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel sind der Scanner 112, das Objektiv 114, die Auswerteeinrichtung 132 und der Reflexionskanal 124, der auch als Kamerakanal bezeichnet werden kann, in einem kompakten Gerät integriert. Das Gerät weist gemäß einem Ausführungsbeispiel ein Gehäuse auf, in das der Scanner 112, das Objektiv 114, die Auswerteeinrichtung 132 und der Reflexionskanal 124 integriert angeordnet sind. Die Beobachtung über den Reflexionskanal 124 erfolgt beispielsweise koaxial. Der Reflexionskanal 124 ist beispielsweise durch ein Spektrometer oder ein bildgebendes Spektrometer ersetz- oder ergänzbar.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel erfolgt die Beobachtung der Bearbeitungszone zeitgleich mit der Bearbeitung. Hierzu eignen sich sehr schnelle Bildsensoren oder Fotodioden als optischer Sensor 126, da das Scannen des Lasers im kHz-Bereich, d. h. mit Verweilzeiten im µs-Bereich, erfolgt. Überschreitet das Sensorsignal 128 beispielsweise einen bestimmten Schwellenwert, so schaltet die Auswerteeinrichtung 132 den Laser sofort, d. h. in weniger als 1 µs, ab. Die Repetitionsraten der Kurzpulslaser liegen ebenfalls im dreistelligen kHz-Bereich. Ein solcher Verfahrensablauf kann auch als Closed Loop bezeichnet werden.
Alternativ erfolgt die Beobachtung nach der Bearbeitung. Dabei wird je nach Ergebnis der Beobachtung eine weitere Bearbeitung ausgelöst. Ein solcher Verfahrensablauf kann auch als Open Loop bezeichnet werden.
Die Auswertung der Änderung erfolgt im Allgemeinen durch Kombination, d. h. durch mathematische Verknüpfung, mindestens einer Sensorantwort des optischen Sensors 126, wie beispielsweise einer spektral aufgelösten Intensität über (x, y, z, t, λ) oder einer (teil-)integrierten Intensität wie etwa I(t), I(z) oder I(λ).
Schwellenwerte so zur Auswertung der Änderung sind beispielsweise durch einen Bediener der Vorrichtung 100 definierbar. Trifft beispielsweise zu, dass das Funktional f[I(t)] größer als der Schwellenwert so ist, wird der Laser automatisch abgeschaltet.
Optional ist der Schwellenwert so kontextabhängig: s₀ = s₀[Objekteigenschaft, x, y, z, t]. Als Ergänzung zum Setzen harter Schwellenwerte wird der Schwellenwert so optional über einen geeigneten Algorithmus trainiert.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist eine externe oder interne Verbundmaterialdatenbank 150 vorgesehen. Aus der Verbundmaterialdatenbank 150 können in der Verbundmaterialdatenbank 150 gespeicherte Schwellwerte bzw. Bearbeitungsrezepte abgerufen werden. Bedarfe, beispielsweise aus unbeantworteten Abfragen, werden gemäß einem Ausführungsbeispiel in der Verbundmaterialdatenbank 150 gespeichert. Externe Dienstleister können Rezepte bzw. Schwellwerte in der Verbundmaterialdatenbank 150 generieren. Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist die Auswerteeinrichtung 132 über eine Schnittstelle mit der Verbundmaterialdatenbank 150 gekoppelt. Unter einem Schwellwert kann beispielsweise ein Intensitätswert der Detektionsstrahlung 122 verstanden werden. Wird ein solcher Schwellwert erreicht kann beispielsweise die Bearbeitung des Verbundmaterials 102 beendet werden.
2 zeigt eine schematische Darstellung eines beispielhaften Strahlengangs durch eine Vorrichtung 100 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Gezeigt ist ein Strahlenbündel aus mehreren Laserstrahlen 108 unterschiedlicher Wellenlängenbereiche, die über das Objektiv 114 auf der zu bearbeitenden Schicht 118 fokussiert werden. Wie zu erkennen, ist das Objektiv 114 als Linsensystem realisiert. Das Linsensystem ist nach einem Scan-Kopf des Scanners in den Strahlengang der Vorrichtung 100 eingebracht und hat die Funktion, die Laserstrahlen 108 auf einen Brennpunkt zu fokussieren und den Brennpunkt beim Scannen in einer zu einer optischen Achse des Objektivs 114 senkrechten Arbeitsebene zu halten. Beispielsweise folgt die Position des Brennpunkts in der Arbeitsebene näherungsweise der F-Theta-Bedingung, wobei eine Scan-Länge oder Bildhöhe etwa proportional zu einem eingestellten Scan-Winkel ist. Abweichungen von dieser Proportionalität sind durch eine entsprechende Ansteuerung von Spiegeln des Scanners kompensierbar.
3 zeigt eine schematische Darstellung eines Verbundmaterials 102 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Das Verbundmaterial 102 entspricht im Wesentlichen dem vorangehend anhand von 1 beschriebenen Verbundmaterial, mit dem Unterschied, dass gemäß diesem Ausführungsbeispiel zwischen die beiden Schichten 118, 120 eine dünne, gegebenenfalls preiswerte Indikatorschicht 300 eingebracht ist. Die Indikatorschicht 300 ist beispielsweise aus einem mit speziell fluoreszierenden Stoffen angereicherten oder stark reflektierenden Material, durch das bei Kontakt mit dem durch die Vorrichtung erzeugten Laserstrahl eine charakteristische Detektionsstrahlung erzeugt wird, die das Erreichen der Grenzfläche zwischen den beiden Schichten 118, 120 anzeigt. Durch die Indikatorschicht 300 ist es also möglich, ein besonders starkes Signal zu Identifizierung der Grenzfläche zu erzeugen.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel umfasst das Verbundmaterial 102 eine Mehrzahl solcher Indikatorschichten 300, die je zwischen einer zu bearbeitenden Schicht und einer nicht zu bearbeitenden Schicht des Verbundmaterials 102 angeordnet sind.
4 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens 400 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Das Verfahren 400 zur Bearbeitung eines Verbundmaterials mittels Laser ist beispielsweise unter Verwendung der vorangehend anhand der 1 und 2 beschriebenen Vorrichtung ausführbar. Dabei wird in einem ersten Schritt 410 die Änderung der Detektionsstrahlung unter Verwendung des Sensorsignals ermittelt. In einem weiteren Schritt 420 wird die ermittelte Änderung mit zumindest einer vorgegebenen Änderung verglichen, die eine bei Erreichen der Grenzfläche zwischen der zu bearbeitenden Schicht und der nicht zu bearbeitenden Schicht auftretende charakteristische spektrale Änderung der Detektionsstrahlung repräsentiert. Abhängig vom Ergebnis dieses Vergleichs wird in einem weiteren Schritt 430 zumindest ein Steuersignal ausgegeben, durch das die Laserbearbeitung derart steuerbar ist, dass die nicht zu bearbeitende Schicht nicht verletzt wird.
Die Schritte 410, 420, 430 werden beispielsweise fortlaufend ausgeführt, um eine kontinuierliche Überwachung des Bearbeitungsvorganges zu gewährleisten.
5 zeigt eine schematische Darstellung einer Vorrichtung 100 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Die Vorrichtung 100 zur Bearbeitung eines Verbundmaterials mittels Laser entspricht der anhand von 1 beschriebenen Vorrichtung, mit dem Unterschied, dass die Anordnung von Laserquelle 106 und optischen Sensor 126 in Bezug auf den Strahlteiler 110 vertauscht ist. Dieses Ausführungsbeispiel eignet sich daher insbesondere zur Realisierung einer HighPower-Variante der Vorrichtung 100, beispielsweise für eine Vorrichtung 100 mit einer Laserquelle 106 mit einer Laserleistung von mehr als 100W.
Gemäß diesem Ausführungsbeispiel führt der Transmissionskanal 104 von dem Strahlteiler 110 über den optionalen Filter 130 zu dem optischen Sensor 126. Der Reflexionskanal 124 führt von dem Strahlteiler 110 zu der Laserquelle 106.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel umfasst dass unter Verwendung des von der Laserquelle 106 ausgestrahlten Laserstrahls 108 zu bearbeitende Werkstück Schichten mit hoher Reflexivität auf. Solche Schichten in Reflexion sind beispielsweise gerade bei Wellenlängen von 1030nm - 1080nm mit sehr hoher Reflektivität realisiert. Daraus resultierende Verluste im Kamerakanal, hier in dem Transmissionskanal 104, also in Transmission, sind nicht kritisch. Im Laserkanal würden solche Verluste dagegen zu hohen Wärmeverlusten und damit Instabilitäten im System führen.
6 zeigt eine schematische Darstellung eines beispielhaften Strahlengangs durch eine Vorrichtung 100 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Dabei kann es sich um die anhand von 5 beschriebene Vorrichtung handeln. Insbesondere ist dabei der Bildkanal zu dem optischen Sensor 126 gezeigt, der gemäß diesem Ausführungsbeispiel den Transmissionskanal 104 durch den Strahlteiler 110 umfasst.
Ein Objektiv 650 ist in dem Transmissionskanal 104 angeordnet und bildet ein Objekt 652 in ein Zwischenbild 654 ab. Ein weiteres Objektiv 656, hier beispielhaft eine einfache Ausführung durch zwei Plankonxlinsen 658, 660, bildet das Zwischenbild 654 auf den Sensor 126 ab.
Diese Ausführung hat den Vorteil, dass sie vignettierunsgfrei erfolgen kann, was z.B. für radiometrische Messgrößen wichtig ist.
Würde beispielsweise ein sogenannter Leistungssensor als Sensor 126 eingesetzt, so würde ohne die Zwischenabbildung 654 eine Abschattung über das Feld entstehen, was z.B. bei Leistungsmessungen Fehler erzeugt bzw. eine aufwendige Kalibrierung erfordert.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel wird das Objektiv 656 durch zwei Plankonvex-Linsen 658, 660 realisiert. Gemäß einem alternativen Ausführungsbeispiel ist die Implementierung des Objektivs 656 komplizierter, beispielsweise unter Verwendung von 3 bis 4 Linsen, wodurch das Objektiv 656 kürzer wird. Je nach Ausführung ist die Implementierung auch farbkorrigiert. Dies ist beispielsweise vorteilhaft, falls die Beleuchtung mehrere Wellenlängen benutzt.
Der Strahlteiler 110 ermöglicht weitere Ein- und Auskopplungen. Beispielhaft ist eine mögliche Einkopplung eines Laserstrahls über den Reflexionskanal 124 gezeigt.
7 zeigt eine schematische Darstellung eines beispielhaften Strahlengangs durch eine Vorrichtung 100 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Dabei kann es sich um die anhand von 5 beschriebene Vorrichtung handeln. Insbesondere ist dabei der Laserstrahl 108 gezeigt, der entlang des Reflexionskanals 124 zu dem Strahlteiler 110 und von dem Strahlteiler 110, beispielsweise über das Objektiv 114 zu dem Werkstück verläuft.
8 zeigt eine beispielhafte schematische Darstellung eines Zielmaterials 802 sowie eine Probe 803 des Zielmaterials oder ein Bereich, der „geopfert“ werden kann. Das Zielmaterial 802 ist beispielsweise ein Material einer Schicht des zu bearbeitenden Verbundmaterials.
9 zeigt eine schematische Darstellung eines beispielhaften Verbundmaterials 102 mit drei übereinander angeordneten Schichten. Laserstrahlen 108 sind in unterschiedliche Tiefen des Verbundmaterials 102 vorgedrungen.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel werden zur Analyse des Verbundmaterials 102, beispielsweise systematisch, Parameter durchgefahren und vermessen. Diese Parametertests, sogenannte Rezepte, werden beispielsweise von einem Server abgerufen, angewendet und durch einen Algorithmus bewertet. Daraus resultierende Schwellwerte und/oder Bearbeitungsrezepte werden beispielsweise in der in 1 gezeigten Verbundmaterialdatenbank gespeichert und können später bei der Bearbeitung eines das Verbundmaterial 102 aufweisenden Werkstücks abgerufen werden.
Bei einem Parametertest wird gemäß einem Ausführungsbeispiel zunächst S(z(t),lambda) aufgenommen. Anschließend ermittelt ein Algorithmus einen optimalen Stopp. Ein Verifikationszyklus - mit und ohne Freigabe - testet die Reproduzierbarkeit. Anschließend wird das Verfahren angewandt und das Rezept hinterlegt, beispielsweise in der Verbundmaterialdatenbank.
Optional wird ein zusätzlicher Sensor unter der Materialprobe eingesetzt, der in der späteren Anwendung nicht möglich ist, der jedoch während des Parametertests eingesetzt werden kann und eine Rückmeldung, ein sogenanntes Feedback, geben kann, das zu Erstellung des Rezepts verwendet werden kann. Beispielsweise kann der zusätzliche Sensor einen Hinweis auf die noch bestehende Materialstärke liefern. Umfasst ein Ausführungsbeispiel eine „und/oder“ Verknüpfung zwischen einem ersten Merkmal und einem zweit Merkmal, so kann dies so gelesen werden, dass das Ausführungsbeispiel gemäß einer Ausführungsform sowohl das erste Merkmal als auch das zweiten Merkmal und gemäß einer weiteren Ausführungsform entweder nur das erste Merkmal oder nur das zweite Merkmal aufweist.

Claims

Verfahren (400) zur Bearbeitung eines eine erste Schicht (118) und eine zweite Schicht (120) aufweisenden Verbundmaterials (102) mittels eines Laserstrahls (108), wobei bei einem Auftreffen des Laserstrahls (108) auf einen Bearbeitungsbereich des Verbundmaterials (102) Material des Verbundmaterials (102) entfernt wird, und wobei das Verfahren (400) folgende Schritte umfasst: Ermitteln (410) einer Änderung, insbesondere einer Frequenzänderung und/oder einer Intensitätsänderung, unter Verwendung eines Sensorsignals (128), das eine aus dem Bearbeitungsbereich ausgesandte Detektionsstrahlung (122) repräsentiert; Vergleichen (420) der Änderung mit einer vorgegebenen Änderung, die bei einem Übergang des Bearbeitungsbereichs aus der ersten Schicht (118) in eine weitere Schicht (120; 300) erwartet wird; und Ausgeben (430) zumindest eines Steuersignals (134, 138, 140) zum Steuern der Bearbeitung abhängig von einem Ergebnis des Vergleichens der Änderung mit der vorgegebenen Änderung.
Verfahren (400) gemäß Anspruch 1, mit einem Schritt des Beleuchtens des Bearbeitungsbereichs mit einer sich von dem Laserstrahl (108) unterscheidenden Beleuchtungsstrahlung (144), um zumindest einen Anteil der Detektionsstrahlung (122) als aus dem Bearbeitungsbereich heraus reflektierten Anteil der Beleuchtungsstrahlung (144) zu erzeugen.
Verfahren (400) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, mit einem Schritt des Aussendens des Laserstrahls (108) in den Bearbeitungsbereich und einem Schritt des Erfassens des Sensorsignals (128), wobei der Schritt des Erfassens zeitgleich oder zeitlich versetzt zu dem Schritt des Aussendens ausgeführt wird.
Verfahren (400) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, bei dem das Sensorsignal (128) eine spektral aufgelöste und/oder integrierte Intensität der Detektionsstrahlung (122) repräsentiert.
Verfahren (400) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, mit einem Schritt des Bestimmens der vorgegebenen Änderung unter Verwendung des Sensorsignals (128).
Verfahren (400) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, mit einem Schritt des Auslesens eines die vorgegebene Änderung repräsentierenden Werts aus einer Verbundmaterialdatenbank (150).
Verfahren (400) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, bei dem im Schritt des Ausgebens (430) das Steuersignal (134, 138, 140) ausgegeben wird, um die Bearbeitung zu stoppen, wenn das Ergebnis des Vergleichens (420) anzeigt, dass ein Wert der Änderung einen Wert der vorgegebenen Änderung erreicht oder überschreitet.
Verfahren (400) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, bei dem zumindest ein Anteil des Sensorsignals (128) eine Infrarotstrahlung repräsentiert.
Verfahren (400) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, bei dem die vorgegebene Änderung, eine charakteristische Änderung repräsentiert, die bei einem Übergang des Bearbeitungsbereichs von der ersten Schicht (118) in eine zwischen der ersten Schicht (118) und der zweiten Schicht (120) angeordnete Indikatorschicht (300) erwartet wird.
Verbundmaterial (102) mit folgenden Merkmalen: zumindest einer ersten Schicht (118), die mittels zumindest eines Laserstrahls (108) zu bearbeiten ist; zumindest einer zweiten Schicht (120), die nicht mittels des Laserstrahls (108) zu bearbeiten ist; und zumindest einer zwischen der ersten Schicht (118) und der zweiten Schicht (120) angeordneten Indikatorschicht (300), die ausgebildet ist, um bei Kontakt mit dem Laserstrahl (108) eine Detektionsstrahlung (122) in einem Spektrum auszusenden, das für eine Grenzfläche zwischen der ersten Schicht (118) und der zweiten Schicht (120) charakteristisch ist.
Vorrichtung (100) zur Bearbeitung eines eine erste Schicht (118) und eine zweite Schicht (120) aufweisenden Verbundmaterials (102) mittels eines Laserstrahls (108), wobei die Vorrichtung Einheiten (106, 110, 112, 114, 126, 130, 132, 136, 142) aufweist, die ausgebildet sind, um das Verfahren (400) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8 auszuführen und/oder anzusteuern.
Vorrichtung (100) gemäß Anspruch 11, mit einem Gehäuse, in dem die Einheiten (106, 110, 112, 114, 126, 130, 132, 136, 142) integriert angeordnet sind.
Vorrichtung (100) gemäß Anspruch 11 oder 12, mit einem Strahlteiler (110), einer Laserquelle (106) zum Aussenden des Laserstrahls (108) und einem optischen Sensor (126) zum Erfassen des Sensorsignals (128), wobei der optische Sensor (126) in einem Transmissionskanal (104) und die Laserquelle (106) in einem Reflexionskanal (124) des Strahlteilers (110) angeordnet ist, oder wobei der optische Sensor (126) in dem Reflexionskanal (124) und die Laserquelle (106) in dem Transmissionskanal (104) des Strahlteilers (110) angeordnet ist.