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1. (WO2019042581) APPARATUS AND METHOD FOR MATERIAL PROCESSING
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Patentansprüche

1. Vorrichtung zur Materialbearbeitung mit mindestens einer Strahlquelle (1 ) elektromagnetischer Strahlung, die Strahlung (2) mit einer definierten Leistungsdichteverteilung emittiert, und einer die Strahlung (2) der Strahlquelle

(1) variabel formenden und fokussierenden Strahlformungsoptik (5), wobei die optische Achse der fokussierten Strahlung (2), als Strahlachse (3) bezeichnet, auf eine Bearbeitungszone (10) gerichtet ist, und mit Einrichtungen, die die Strahlung (2) im Bereich der sich in der Bearbeitungszone (10) ausbildenden und bewegenden Wechselwirkungsfläche (14) von Strahlung

(2) und Material (9) hält, wobei die emittierte Strahlung (2) ein erstes Strahlparameterprodukt (beam parameter product - BPP1 ) aufweist und wobei die Strahlung (2) in der Bearbeitungszone (10), in der die Strahlung (2) mit dem Material (9) in Wechselwirkung steht, ein zweites Strahlparameterprodukt (BPP2) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass eine Stelleinrichtung (15) vorgesehen ist, die das zweite Strahlparameterprodukt (BPP2) durch Änderung der Position oder der optischen Eigenschaften mindestens eines optischen Elements (6; 7) variiert, wobei mindestens ein erstes optisches Element (6) der Strahlformungsoptik (5) den Betrag einer Aberration erzeugt und/oder vergrößert und mindestens ein zweites optisches Element (7) der Strahlformungsoptik (5) die betragsmäßig erzeugte oder vergrößerte Aberration durch die Einstellung der Stelleinrichtung (15) durch Änderung der Position oder der optischen Eigenschaften mindestens des ersten (6) oder des zweiten optischen Elements (7) so verändert, dass die Strahlung

(2) in der Bearbeitungszone (10) das einzustellende zweite Strahlparameterprodukt (BPP2) aufweist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine erste optische Element (6) der Strahlformungsoptik (5) den Betrag einer negativen Aberration erzeugt oder vergrößert und das mindestens eine zweite optische Element (7) der Strahlformungsoptik (5) die betragsmäßig erzeugte oder vergrößerte negative Aberration durch die Einstellung der Stelleinrichtung (15) durch Änderung der Position oder der optischen Eigenschaften mindestens des ersten (6) oder des zweiten optischen Elements (7) so verändert, dass die Strahlung (2) in der Bearbeitungszone (10) das einzustellende zweite Strahlparameterprodukt (BPP2) aufweist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das mit der Stelleinrichtung (15) minimal einstellbare zweite Strahlparameterprodukt (BPP2min) nicht den Wert des ersten Strahlparameterprodukts (BPP1) unterschreitet und vorzugweise identisch oder nur wenig größer als das erste Strahlparameterprodukt (BPP1) ist und dass das mit der Stelleinrichtung (15) maximal einstellbare zweite Strahlparameterprodukt

(BPP2max) mindestens das Doppelte, vorzugsweise das 5- bis 20-fache, des mit der Stelleinrichtung (15) minimal einstellbaren zweiten Strahlparameterprodukts (BPP2min) beträgt.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlformungsoptik (5), in Propagationsrichtung der Strahlung (2) gesehen, ausgangsseitig einer Strahlkollimationsoptik (4) angeordnet ist.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die in die Strahlformungsoptik (5) mit dem ersten Strahlparameterprodukt (BPP1) eintretende Strahlung eine nicht kollimierte Strahlung ist.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass ein Taillenabstand (12) einer Strahltaille (11) der fokussierten Strahlung (2) zu einer festen Referenzebene (13) der Strahlformungsoptik (5) bei einer Variation des zweiten Strahlparameterprodukts (BPP2) konstant ist oder in vorgegebenen Schranken (18) variiert.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer Variation des zweiten Strahlparameterprodukts (BPP2) bei einem variierenden Taillenabstand (12) der Strahltaille (11) der fokussierten Strahlung (2) zu einer festen Referenzebene (13) der Strahlformungsoptik (5) der Taillenabstand (12) dadurch in vorgegebenen Schranken (19) variiert, indem mindestens das erste (6) und das zweite optische Element (7) so ausgelegt sind, dass wenigstens bei Änderung der Position oder der optischen Eigenschaften mindestens eines des ersten (6) oder des zweiten optischen Elements (7) der Taillenabstand (12) innerhalb der vorgegebenen Schranken (18) verbleibt.

8. Vorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlformungsoptik (5) ein drittes optisches Element (8) aufweist, das in seiner Position oder seinen optischen Eigenschaften änderbar ist, so dass der Taillenabstand (12) in den vorgegebenen Schranken (18) variabel einstellbar oder konstant ist.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine erste (6) und/oder das mindestens eine zweite optische Element (7) der Strahlformungsoptik (5) sphärische Flächen aufweisen/aufweist.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine erste (6) und/oder das mindestens eine zweite optische Element (7) der Strahlformungsoptik (5) asphärische Flächen aufweisen/aufweist.

11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die optischen Eigenschaften des mindestens einen ersten optischen Elements (6) und/oder des mindestens einen zweiten optischen Elements (7) durch Änderung deren/dessen Brechungsindex, deren/dessen Brechungsindexgradienten oder deren/dessen Form variierbar sind.

2. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine erste optische Element (6) und/oder das mindes- tens eine zweite optische Element (7) eine negative optische Brennweite besitzen/besitzt.

13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass durch ein Steuerungsmodul (16) der Stelleinrichtung (15) das zweite Strahlparameterprodukt (BPP2) in Abhängigkeit eines geforderten Bearbeitungsergebnisses oder mindestens eines eingestellten oder sich einstellenden Prozessparameters entsprechend einer vorbestimmten Kennlinie oder eines vorbestimmten Kennlinienfelds (17) einstellbar ist.

14. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass durch das Steuerungsmodul (16) der Stelleinrichtung (15) das zweite Strahlparameterprodukt (BPP2) abhängig von der Bearbeitungszeit (zeitabhängig) und/oder abhängig von der Bearbeitungsposition (ortsabhängig) entsprechend einer vorbestimmten Kennlinie oder eines vorbestimmten Kennlinienfeldes (17) veränderbar ist.

15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass bei Änderung der Position oder der optischen Eigenschaften mindestens eines des ersten (6) oder des zweiten optischen Elements (7) entlang einer vorbestimmten Kennlinie oder in einem vorbestimmten Kennlinienfeld (17) der Taillenabstand (12) innerhalb der vorgegebenen Schranken (18) verbleibt.

16. Verfahren zur Materialbearbeitung das mindestens eine Strahlquelle elektromagnetischer Strahlung, insbesondere eine Laserstrahlquelle (1) einsetzt, wobei die Strahlquelle die Strahlung (2), die ein erstes Strahlparameterprodukt (beam parameter product - BPP1 ) aufweist, mit einer definierten Leistungsdichteverteilung emittiert und die Strahlung (2) der Strahlquelle (1 ) variabel durch eine Strahlformungsoptik (5) geformt und fokussiert wird, wobei die optische Achse der fokussierten Strahlung (2), als Strahlachse (3) bezeichnet, auf eine Bearbeitungszone (10) gerichtet wird, und die Strahlung (2) im Bereich der sich in der Bearbeitungszone (10) ausbildenden und bewegenden Wechselwirkungsfläche (14) von Strahlung (2) und Material (9) gehalten wird, wobei die Strahlung in der Bearbeitungszone (10), in der die Strahlung (2) mit dem Material (9) in Wechselwirkung steht, ein zweites Strahlparameterprodukt (BPP2) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Strahlparameterprodukt (BPP2) durch Änderung der Position oder der optischen Eigenschaften mindestens eines optischen Elements (6; 7) variiert wird, dass mit mindestens einem ersten optischen Element (6) der Strahlformungsoptik (5) der Betrag einer Aberration erzeugt oder vergrößert und mit mindestens einem zweiten optischen Element (7) der Strahlformungsoptik (5) die betragsmäßig erzeugte oder vergrößerte Aberration durch die Einstellung der Stelleinrichtung (15) verändert wird, indem die Position oder die optischen Eigenschaften mindestens des ersten (6) oder des zweiten optischen Elements (7) so geändert wird, dass die Strahlung (2) in der Bearbeitungszone (10) das einzustellende zweite Strahlparameterprodukt (BPP2) aufweist.

17. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass mit dem mindestens einen ersten optischen Element (6) der Betrag einer negativen Aberration erzeugt oder vergrößert wird und dass mit dem mindestens einen zweiten optischen Element (7) die betragsmäßig erzeugte oder vergrößerte negative Aberration durch Änderung der Position oder der optischen Eigenschaften mindestens des ersten (6) oder zweiten optischen Elements (7) so verändert wird, dass die Strahlung (2) in der Bearbeitungszone (10) das einzustellende zweite Strahlparameterprodukt (BPP2) aufweist.

18. Verfahren nach Anspruch 16 oder 17, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Strahlparameterprodukt (BPP2) in Abhängigkeit eines geforderten Bearbeitungsergebnisses oder mindestens eines eingestellten oder sich einstellenden Prozessparameters entsprechend einer vorbestimmten Kennlinie oder eines vorbestimmten Kennlinienfelds (17) eingestellt wird.

19. Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass Leistungsdichteverteilungen der fokussierten Strahlung (2) in Ebenen senkrecht zur optischen Achse, die bei Anwendung der fokussierten Strahlung (2) die Bearbeitungszone (10) durchdringen oder schneiden, bei freier Propagation, ohne ein Material (9) (Werkstück) im Strahlengang, jeweils durch einen nach der zweiten Momenten-Methode definierten ersten Radius r1 definiert werden und jeweils einen zweiten Radius r2 aufweisen, wobei innerhalb eines Kreises mit dem zweiten Radius r2 mindestens 90 %, vorzugsweise 95 %, und noch bevorzugter zwischen 99 % und 100 %, der Laserstrahlleistung eingeschlossen sind, wobei der zweite Radius r2 auf maximal den 1 ,5-fachen Wert und bevorzugt zwischen dem 1 ,1 -fachen und dem 1 ,3-fachen Wert des ersten Radius r1 eingestellt wird.

20. Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass Leistungsdichteverteilungen der fokussierten Strahlung (2), in Ebenen senkrecht zur optischen Achse, die bei Anwendung der fokussierten Strahlung (2) die Bearbeitungszone (10) durchdringen oder schneiden, bei freier Propagation, ohne ein Material (9) (Werkstück) im Strahlengang, jeweils durch eine maximale Leistungsdichte (lmax)definiert werden, die kleiner als der 5-fache Wert, vorzugweise kleiner als der 2-fache bis 3-fache Wert, der mittleren Leistungsdichte (lmean) in der jeweiligen Ebene senkrecht zur Strahlachse auf derjenigen Fläche ist, die von einem Kreis mit dem nach der zweiten Momenten-Methode definierten Radius r1 eingeschlossen ist.

21. Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass durch ein Steuerungsmodul (16) einer Stelleinrichtung (15) das zweite Strahlparameterprodukt (BPP2) in Abhängigkeit einer geforderten Bearbeitungstiefe (BT) entsprechend einer vorbestimmten Kennlinie oder eines vorbestimmten Kennlinienfelds (17) ab oder oberhalb einer vorbestimmten Bearbeitungsgrenztiefe (BGT) mit zunehmender, geforderter Bearbeitungstiefe (BT) sukzessive vergrößert wird.

22. Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 21 , dadurch gekennzeichnet, dass durch das Steuerungsmodul (16) der Stelleinrichtung (15) bei einer Variation des zweiten Strahlparameterprodukts (BPP2) auch die F-Zahl (Verhältnis aus Abstand der Strahltaille (11) zum letzten optischen Element am Austritt der Strahlformungsoptik und dem Strahldurchmesser auf diesem Element) der fokussierten Strahlung (2) anhand einer vorbestimmten Kennlinie oder eines vorbestimmten Kennlinienfelds (17) eingestellt wird.

Verfahren nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, dass die F-Zahl (Blendenzahl) der fokussierten Strahlung (2) anhand der vorbestimmten Kennlinie oder des vorbestimmten Kennlinienfelds (17) so eingestellt wird, dass mit größerem zweiten Strahlparameterprodukt (BPP2) die F-Zahl konstant bleibt oder vergrößert wird.