[发明专利]使用具有有限自由度的集成远心光学检测器的激光处理系统的自动校准

说明书

本发明涉及一种激光处理系统(10)，激光处理系统(10)包括：框架结构(12)；用于支撑加工材料(16)的加工基座(14)，其中加工基座(14)在加工平面(18)中限定加工场(28)，其中，加工平面(18)平行于加工基座(14)；用于当加工材料(16)设置在加工基座(14)上时将加工光投射到加工平面(18)上和/或加工材料(16)上的至少一个激光装置(20)，其中，至少一个激光装置(20)附接到框架结构(12)，其中，每个激光装置(20)配置为在相应的激光场(30)内的加工材料(16)上和/或加工平面(18)上生成一个或多个参考标记(24)，其中，激光场(30)与加工场(28)的至少部分相对应；用于扫描加工场(28)以检测由每个激光装置(20)生成的一个或多个参考标记(24)的至少部分的光学检测器(40)，其中，光学检测器(40)可相对于框架结构(12)以不超过两个(优选地不超过一个)自由度移动；以及功能性地连接到光学检测器(40)和至少一个激光装置(20)的控制单元(50)，其中，控制单元(50)配置为基于由光学检测器(40)检测到的参考标记(24)来校准至少一个激光装置(20)。本发明还涉及校准激光处理系统的一个或多个激光装置的相关方法。

技术领域

本发明属于增材制造领域，并涉及激光处理系统以及用于校准激光处理系统的方法。

背景技术

增材制造工艺是激光处理工艺的示例。在增材制造工艺中，添加加工材料并逐层激光处理，以用加工材料制造目标加工件。与其中去除材料以生产加工件的传统的减材制造工艺(诸如，铣削、钻孔和车削)相比，增材制造在工业生产中变得越来越重要。作为增材制造工艺的特征的基于层的构造使得能够生产减材工艺不能实现的具有高度设计空间的高度复杂几何结构。

增材制造工艺的工业意义的增加是用于激光处理材料的激光源的增加的效率驱动的。因此，市场目前正经历从仅用于生产原型(“快速制造原型”)的增材制造工艺的最初使用到用于系列生产(“快速制造”)的这种技术的大量工业使用的转变。这种发展在许多工业部门(诸如，航空航天工业、汽车工业、医疗技术和假肢学)中都有观察到。

一种特殊类型的增材制造涉及基于粉末床的工艺，其中将粉末状起始材料逐层施加到待制造的加工件上，并通过受控的激光进行热处理或熔化。粉末层通常具有微米范围内的厚度。

由多个激光装置并行或同时处理一个或多个加工件的可能性在提高用于基于粉末床的加工件的增材制造的激光处理系统的效率方面起重要作用，其中，通过该激光装置可获得更高的输出速率。

在其它激光处理工艺(例如，塑料激光处理、纸板激光处理、激光微加工、激光标记、激光光伏处理、激光晶圆生产、玻璃器皿和显示器的激光处理、ITO和LDS的激光结构化，以及激光焊接等)中还可包括多个激光装置。

在任何情况下，组合使用多个激光装置来同时生产一个或多个加工件或同时执行一个或多个激光工艺需要对各个激光装置进行精确校准和调整以及使激光装置彼此精确同步。例如，需要确保由第一激光装置覆盖的第一激光场与由第二激光装置覆盖的第二激光场之间的过渡是足够平滑和精确，以使过渡在激光工艺的最终产品(例如，最终加工件、激光处理塑料，最终激光生产晶圆等)中不会被察觉到。

在操作期间，任何激光处理系统都受到热驱动的波动的影响，热驱动的波动由例如激光装置或系统的电子加工件产生的热量导致。这些波动可例如以偏移漂移和增益漂移的形式影响激光装置的精度。当加工场的由激光装置瞄准的点相对于系统的几何形状移动时，发生偏移漂移，使得激光装置发射的光实际到达的点可能与瞄准的点不同。当系统尺寸和/或激光装置的加工距离(即，激光装置与加工场之间的距离)的波动引起相应激光场的虚拟尺寸和/或系统中使用的激光束的所谓“光点尺寸”变化时，发生增益漂移。增益漂移也可能与激光器发射的光相对于加工平面的入射角的波动有关。增益漂移通常表现为沿着相应激光场的一个像场轴或两个像场轴挤压或拉伸。