15 Verfahren zur Anpassung der Fokuslage in einer laserbasierten Werkzeugmaschine (11) für den Ausgleich einer laserleistungsabhängigen

16 Fokuslagenverschiebung (Δf) in einem Strahlführungssystem (15) mit den

17 Schritten:

26 Werkzeugmaschine (11) mit:

40 Die form- und fristgerechte Beschwerde ist zulässig. In der Sache ist sie unbegründet, da das Verfahren nach Patentanspruch 1 gemäß Hauptantrag und die Vorrichtung nach dem nebengeordneten Patentanspruch 8 gemäß Hauptantrag ausführbar offenbart sind und jeweils eine patentfähige Erfindung im Sinne der §§ 1 bis 5 PatG darstellen.

41 Das Streitpatent betrifft gemäß der Patentschrift ein Verfahren zur Anpassung der Fokuslage in einer laserbasierten Werkzeugmaschine zur Materialbearbeitung sowie eine entsprechende Werkzeugmaschine.

42 Nach Angaben der Streitpatentschrift können beim Einsatz von Laser mit hoher Leistung und insbesondere hoher Strahlqualität optische Elemente im Strahlführungssystem aufgrund einer Teilabsorption von Laserstrahlung ihre Brennweiten verändern. Die Teilabsorption kann z. B. zu einer Erwärmung eines optischen Elements und dadurch zur Ausbildung einer thermischen Linse führen. So kann sich z. B. bei Quarzlinsen der Brennpunkt (d. h. die Fokuslage) und damit bei der laserbasierten Materialbearbeitung die Bearbeitungszone aus dem Werkstück heraus oder in das Werkstück hinein verschieben, so dass ein Bearbeitungsprozess zu stoppen oder ein Prozessfenster/-bereich, in dem eine qualitativ hochwertige Bearbeitung möglich ist, einzuschränken ist.

43 Aus dem Stand der Technik der D3 bzw. der D5 sei bekannt, thermisch induzierte Brennweitenänderungen zu kompensieren, indem ein Laserstrahl bei der Materialbearbeitung online in seiner Lage diagnostiziert wird, so dass regelungstechnisch einer Fokuslagenverschiebung gegengesteuert werden kann.

44 Weiterhin offenbare die D1 eine Prozesssteuervorrichtung, die eine Fokusposition eines Laserstrahls steuere, während eine Laserprozessierungsvorrichtung mit Strahlumlenkungselementen, insbesondere einer Fokuspositionssteuereinheit, eine Laserbearbeitung durchführe. Dabei werde ein Änderungsbetrag einer Positionsabweichung der Fokusposition basierend auf einer Größenordnung der Ausgabe des Laserstrahls anhand eines thermischen Linseneffekts berechnet. Ferner offenbare die D2 eine Fokuslagen-Stabilisierung, bei der eine notwendige Korrektur über eine momentane Leistung des Laserstrahls berechnet oder durch einen Autofokus-Sensor bestimmt werde. Weiterhin könnten in speziell ausgelegten Strahlengängen optische Elemente verwendet werden, die zumindest teilweise eine passive Kompensation der Fokuslagenverschiebung bewirkten (WO 2011/127356 A2).

45 Entsprechend der Streitpatentschrift, Absatz [0006], liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein einfaches und leicht zu implementierendes Konzept zur Anpassung der Fokuslage bereitzustellen. Des Weiteren soll die Nachrüstbarkeit eines derartigen Konzepts oder eine Anpassung an transientes Verhalten bei thermisch basierten Brennweitenänderungen ermöglicht werden.

46 Die Lösung dieser Aufgabe soll gemäß den Ausführungen in Absatz [0007] durch ein Verfahren zur Anpassung der Fokuslage mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und einer entsprechenden Werkzeugmaschine mit den Merkmalen des Anspruchs 8 gelöst werden.

47 Als Fachmann ist ein Diplomphysiker mit Hochschulabschluss und mehrjähriger Erfahrung im Bereich lasertechnischer Systeme anzusehen.

48 Der Anspruch 1 bedarf hinsichtlich einiger Merkmale einer Auslegung:

49 Gemäß Merkmal 1.1 wird eine vom Strahlführungssystem abhängige Kenngröße der Fokuslagenverschiebung als gemessene Größe für das Strahlführungssystem bereitgestellt.

50 und der Lastkoeffizient TLK definiert, welche anhand von systemspezifischen Parametern (Wellenlänge des Lasersystems, Beugungsmaßzahl, Rayleigh-Länge, Strahlparameterprodukt) und einer gemessenen Größe (gemessene Fokuslagenverschiebung) in Abhängigkeit von einer vorliegenden Leistungsänderung bestimmt werden.

51 Es handelt sich bei der Kenngröße nach M1.1 demnach nicht um einen direkt gemessenen Wert, sondern einen anhand der gemessenen Größe ΔP durch Verrechnung mit systemspezifischen Parametern errechneten Wert. Daher fließt in die Errechnung der Kenngröße mit der gemessenen Fokuslagenverschiebung eine gemessene Größe ein, deren Wert für das jeweils vorliegende Strahlführungssystem spezifisch ist und der in Kombination mit weiteren systemspezifischen Parametern zu einer der anspruchsgemäßen Kenngrößen (Strahlführungskonstante, Lastkoeffizient) kombiniert wird. Die anspruchsgemäße Kenngröße enthält also jedenfalls einen für ein spezifisches Strahlführungssystem ermittelten einzelnen Wert.

52 Entsprechend Merkmal 1.1 ist durch die Verwendung des Singulars „eine […] Kenngröße“ eindeutig und auch im Lichte der Gesamtoffenbarung jeweils für eine gegebene Konfiguration des Strahlführungssystems erkennbar nur von einer einzigen Kenngröße die Rede. Zwar schließt der Verfahrensanspruch 1 nicht aus, dass für unterschiedliche Konfigurationen des Strahlführungssystems in Abhängigkeit beispielsweise des einzustellenden Strahldurchmessers D⁰ oder eines eingestellten Abbildungsmaßstabes β mehrere Kenngrößen zur Verfügung gestellt werden. Diese Kenngrößen sind jedoch wiederum als Einzelkenngrößen für ihre jeweilige optische Konfiguration beschrieben, vgl. Abs. [0055] des Streitpatents: „einer oder mehrerer […] Kenngrößen […], die je nach optischer Konfiguration […]“. Daher handelt es sich bei der Kenngröße gemäß Merkmal 1.1 um einen einzelnen Wert, der eine spezifische Konfiguration des Strahlführungssystems widerspiegelt.

53 Den in den Merkmalen 1.1 und 1.2 verwendeten Begriff „Bereitstellen“ versteht der Fachmann derart, dass eine computerbasierte Steuerungseinheit, wie sie jede moderne Werkzeugmaschine umfasst, auf die entsprechenden Werte (Kenngröße und einzustellender Laserleistungswert) in beliebiger Art zugreifen kann. Dies ist beispielsweise durch Ablage in einer internen Speichereinheit oder per online-Zugriff auf entsprechende Daten auf einem Server möglich. Der Fachmann hat jedenfalls keine Probleme, eine Bereitstellung der entsprechenden Daten umzusetzen.

54 Merkmal 1.3 lässt für sich genommen zwar offen, wie die beanspruchte Bestimmung „einer vorzunehmenden Fokuslagenänderung (Δz) mit der vom Strahlführungssystem (15) abhängigen Kenngröße (TLK, DΔf) einer vorzunehmenden Fokuslagenänderung“ durchgeführt werden soll, der Fachmann erhält jedoch ausgehend von der Gesamtoffenbarung des Streitpatents Hinweise zur mathematischen Berechnung einer vorzunehmenden Fokuslagenänderung – wie beispielsweise in Anspruch 3 definiert – in Abhängigkeit von einer der anspruchsgemäßen Kenngrößen und wird diese entsprechend umsetzen, um eine anspruchsgemäße Bestimmung durchzuführen.

55 Die geltenden Patentansprüche gemäß Hauptantrag sind zulässig.

56 Der Patentanspruch 1 enthält die Merkmale der ursprünglichen Ansprüche 1 und 3.

57 Die Merkmale der Patentansprüche 2 bis 7 sind in den ursprünglichen Ansprüchen 2, 4 bis 7 offenbart. Der nebengeordnete Patentanspruch 8 enthält die Merkmale der ursprünglichen Ansprüche 8 und 3. Zudem sind dessen Merkmale auch in den Absätzen [0008] und [0010] offenbart. Die Merkmale der Patentansprüche 8 und 9 sind in den ursprünglichen Ansprüchen 9 und 10 offenbart.

58 Die Gegenstände der Patentansprüche 1 und 8 sind so deutlich und vollständig offenbart, dass ein Fachmann sie ausführen kann.

59 Die Beschwerdeführerin führt aus, dem Fachmann sei nicht klar, auf welche Weise das „Bereitstellen“ der entsprechenden Parameter gemäß den Merkmalen 1.1 und 1.2 zu verstehen sei. So sei dem Fachmann nicht verständlich, welche Werte tatsächlich „gemessen“ und welche „konstant und bekannt“ seien und wie in diesem Zusammenhang ein „Bereitstellen“ zu verstehen sei, auch weil Merkmal 1.1 eben nicht den Schritt eines „Messens“ beanspruche.

60 Es kann dem Fachwissen des Fachmanns zugerechnet werden, welche der in Anspruch 1 angegebenen Werte von den Herstellern von Lasersystemen für ihre jeweiligen Produkte bereitgestellt werden und welche Werte im Sinne des Merkmals 1.1 tatsächlich gemessen oder vorgegeben werden müssen. Entsprechend den von der Beschwerdeführerin eingereichten Dokumenten D8 (EN ISO 11146-1:2005; Abschnitt 3) und z.B. D9c, Seite 3 ist davon auszugehen, dass der Fachmann die Wellenlänge des Lasersystems, die Beugungsmaßzahl, die Rayleigh-Länge und das Strahlparameterprodukt unproblematisch als Herstellerangaben erkennt. Dementsprechend ist die gemessene Fokuslagenverschiebung gemäß Merkmalskomplex 1.1, 1.1.a, 1.1.b als der tatsächlich gemessene Wert in Abhängigkeit von einer vorliegenden Leistungsänderung ΔP anzusehen. Dem Fachmann muss hier auch nicht der konkrete Versuchsaufbau zur Messung der Fokuslagenverschiebung an die Hand gegeben werden, da derartige Messungen im Bereich seines einschlägigen Fachwissens liegen.

61 Mit Bezug auf Fig. 2 wendet die Beschwerdeführerin weiterhin ein, es sei dem Fachmann nicht klar, wie der in Fig. 2 dargestellte Messverlauf in die Berechnung der Kenngröße einfließen solle, erforderten doch die Formeln gemäß den Merkmalen 1.1.a und 1.1.b für die „entsprechende Berechnung lediglich einen Messpunkt“.

62 Im Streitpatent wird zwar keine konkrete Leistungsänderung bzw. kein Leistungsbereich ΔP angegeben, für welche die Fokuslagenverschiebung Δf gemessen werden soll. Durch die in Fig. 2 offenbarte annähernd lineare Abhängigkeit der beiden Werte voneinander liegt es im Ermessen des Fachmanns, ausgehend vom konkret verwendeten Strahlführungs- und Lasersystem einen Messbereich für eine durchzuführende Messung auszuwählen, aufgrund dessen die anspruchsgemäßen Kenngrößen errechnet werden können.

63 Ferner beanstandet die Beschwerdeführerin eine vermeintliche Widersprüchlichkeit zwischen der Verwendung einer Leistungsänderung ΔP bei der Berechnung der Kenngrößen einerseits und eines Absolutwerts der Leistung P zur Berechnung der vorzunehmenden Fokuslagenänderung Δz andererseits, die für den Fachmann zu einer Nicht-Ausführbarkeit der technischen Lehre des Streitpatents führe. Bei der Bestimmung der Kenngröße gemäß Anspruch 1 und der Bestimmung der vorzunehmenden Fokuslagenänderung gemäß Anspruch 3 handelt es sich jedoch um zwei separate Verfahrensschritte, für die dem Fachmann durch die Gesamtoffenbarung des Streitpatents jeweils ausreichend Handlungsanweisungen zur Verfügung stehen, um diese nachvollziehen und wiederholen zu können, vgl. bspw. Abs. [0011], [0037], [0038] des Streitpatents.

64 Auch in der Beschreibung des Kennfelds gemäß Fig. 3 des Streitpatents kann der Senat keinen Widerspruch zur Verwendung einer einzelnen spezifischen Kenngröße gemäß Merkmal 1.1 erkennen. Wie bereits die Patentabteilung in ihrem Beschluss ausführt, geben beispielsweise die Absätze [0043] und [0048] sowie Fig. 3 selbst offensichtlich eine Abhängigkeit des Kennfeldes von unterschiedlichen Strahldurchmessern D⁰) bedingt.

65 Der Gegenstand nach Anspruch 1 ist neu gemäß §3f PatG,

66 bzw. eines Lastkoeffizienten TLK sind im Stand der Technik nicht offenbart.

67 Die D2 zeigt ein Verfahren zur Anpassung der Fokuslage in einer laserbasierten Werkzeugmaschine für den Ausgleich einer laserleistungsabhängigen Fokuslagenverschiebung in einem Strahlführungssystem (M1 - Anspruch 1), wobei nach den Ausführungen in Absatz [0020] im Vorfeld die Abhängigkeit einer gemessenen Fokusposition von der momentanen Laserleistung zeitabhängig ermittelt und diese so ermittelte Vielzahl von Daten als Kalibrierungsdaten in der Steuerung abgelegt werden und die momentane Laserleistung an die Steuerung übertragen wird. Während des Betriebs ermittelt die Steuerung die momentane, zeitabhängige laserstrahlinduzierte Abweichung der Fokusposition zur Sollposition Δz anhand der Kalibrierungsdaten in Abhängigkeit von P (Anspruch 1, Punkt b). In Abhängigkeit der berechneten Abweichung der Fokusposition Δz von der gewünschten Fokusposition wird durch die Steuerung ein Stellmotor derart angesteuert, dass dadurch die Abweichung der Fokuslage kompensiert wird und die korrigierte Fokuslage z^korr bzw. eines Lastkoeffizienten TLK sind der D2 nicht zu entnehmen.

68 bzw. eines Lastkoeffizienten TLK der D2 nicht zu entnehmen.

69 bzw. eines Lastkoeffizienten TLK der D2 nicht zu entnehmen.

70 Die D4 liegt noch weiter ab. Die D4 offenbart zwar eine Formel zum Abschätzen eines sogenannten „Fokus-Shifts“ (Absatz [0031]). Prinzipiell geht die D4 jedoch einen anderen Weg, um den „Fokus-Shift“ (thermische Effekte aufgrund der teilweisen Absorption der Laserenergie in den beiden Spiegeln - Absatz [0037]) zu kompensieren. So werden besondere „Multi-Lager-Beschichtungen der Spiegel (Absatz [0030]), bevorzugte Spiegelanordnungen, Spiegelabstände und Krümmungsradien (Absätze [0038] und [0034]) vorgeschlagen. Weiterhin wird die Möglichkeit einer Feinjustierung eines Spiegels zur Änderung der Verkippung oder der Zentrierung eines Spiegels (Absatz [0042] oder die Kühlung der Laserstrahlvorrichtung (Absatz [0043]) als Lösungsmöglichkeit genannt. Die Änderung der Fokuslage in Abhängigkeit von der aktuellen Laserleistung wird nicht thematisiert.

71 Die D5 liegt ebenfalls weiter ab. Die D5 offenbart eine Laservorrichtung, bei der mittels einer Temperaturänderungs-Schätzeinrichtung die Temperaturänderung eines spezifizierten Komponentenelements der Laservorrichtung, z.B. der Laserlinse, basierend auf einem Laserausgabewert (abhängig von Laserleistung P, Pulsfrequenz), der durch eine Laserausgabewert-Berechnungseinrichtung berechnet wurde, und der verstrichenen Zeit abgeschätzt wird. Mittels der abgeschätzten Temperaturänderung können dann durch Einstellmittel ausgewählte Bedingungen für den Lasersteuerbetrieb des Laseroszillators und der Bedingungen für den Laserbearbeitungsbetrieb der Lasermaschine basierend auf einer ausgewählten Temperatur und der abgeschätzten Temperaturänderung eingestellt werden (Anspruch 1). Damit kann der Einfluss des thermischen Linseneffekts durch Ändern der Bearbeitungsbedingungen, z.B. auch der Brennweite, korrigiert werden ([0046], [0085]).

72 Die D10 liegt ebenfalls weiter ab und beschreibt eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Laserbearbeitung von Bauteilen mit einer definierten ringförmigen Intensitätsverteilung entlang eines Bereichs der Kaustik bzw. der Geometrie des Laserstrahls, um den Anteil der von einer metallischen Oberfläche reflektierten Strahlung zu reduzieren. Die Änderung der Fokuslage in Abhängigkeit von der aktuellen Laserleistung wird ebenfalls nicht thematisiert.

73 Im Artikel „Process observation in fiber laser-based selective laser melting" (D6) ist zwar in Fig. 8 ein linearer Zusammenhang bzw. lineare Regressionsgerade zwischen der Fokusposition („Absolut defocus") und der Laserleistung („Laser power") erkennbar. Die D6 offenbart aber kein Verfahren und keine Vorrichtung zur Anpassung der Fokuslage in einer laserbasierten Werkzeugmaschine für den Ausgleich einer laserleistungsabhängigen Fokuslagenverschiebung entsprechend der Ansprüche 1 und 8.

74 Die D8 (DIN EN ISO 11146 betrifft Prüfverfahren für Laserstrahlabmessungen, Divergenzwinkel und Beugungsmaßzahlen für Stigmatische und einfach astigmatische Strahlen und offenbart ebenfalls kein Verfahren und keine Vorrichtung zur Anpassung der Fokuslage in einer laserbasierten Werkzeugmaschine für den Ausgleich einer laserleistungsabhängigen Fokuslagenverschiebung entsprechend der Ansprüche 1 und 8.

75 Die Dokumente D9a bis D9h offenbaren nur Unterlagen zu verschiedenen Strahlvermessungsvorrichtungen, die nach dem Prinzip der D8 arbeiten und daher auch kein Verfahren und keine Vorrichtung zur Anpassung der Fokuslage in einer laserbasierten Werkzeugmaschine für den Ausgleich einer laserleistungsabhängigen Fokuslagenverschiebung entsprechend der Ansprüche 1 und 8 zeigen.

76 Die mit der Beschwerdebegründung eingeführte nachveröffentlichte Entgegenhaltung D7 lehrt die Anwendung einer Korrekturfunktion, die auf einer linearen Regressionsanalyse beruht (Abs. [0037], Fig. 2 der D7). Diese Korrekturfunktion wird im Speicher einer Steuereinheit 36 abgelegt (Abs. [0037] der D7). Auch wenn der D7 entnommen werden kann, dass die vorzunehmende Kalibrierung mittels einer Vermessung der Strahlkaustik eines Strahlführungssystems vonstattengeht (Abs. [0036] der D7), so lehrt die D7 jedenfalls nicht, dass eine einzelne Kenngröße zur Bestimmung einer vorzunehmenden Fokuslagenänderung genutzt wird. Die konkreten Definitionen gemäß den Merkmalen 1.1.a und 1.1.b jedenfalls offenbart die D7 nicht.

77 Der Gegenstand des Verfahrensanspruchs 1 beruht auch auf einer erfinderischen Tätigkeit. Gleiches gilt für den erteilten Vorrichtungsanspruch 8.

78 Bei der Prüfung der erfinderischen Tätigkeit sind die Merkmale 1.1.a. und 1.1.b. zu berücksichtigen. Denn es handelt sich dabei entgegen der Auffassung der Beschwerdeführerin um technische Merkmale.

79 Nach der Rechtsprechung des Bundesgerichtshofs (BGH GRUR 2015, 983 - 985 – Flugzeugzustand) dürfen bei der Prüfung, ob der Gegenstand der Anmeldung auf erfinderischer Tätigkeit beruht, nur diejenigen Anweisungen berücksichtigt werden, die die Lösung des technischen Problems mit technischen Mitteln bestimmen oder zumindest beeinflussen. Daher dürfen als solche gemäß § 1 Abs. 3 Nr. 1 PatG von der Patentierung ausgeschlossene mathematische Methoden nicht berücksichtigt werden. Allerdings kann eine mathematische Methode nicht ohne weiteres als nicht-technisch angesehen werden. Denn die Gesetzmäßigkeiten für technisches Handeln, also Arbeiten mit den Mitteln der Naturkräfte, werden in aller Regel mit Hilfe mathematischer Methoden beschrieben. Als nicht-technisch kann deshalb eine mathematische Formel nur dann angesehen werden, wenn sie im Zusammenhang mit der beanspruchten Lehre keinen Bezug zur gezielten Anwendung von Naturkräften aufweist. Ein solcher Bezug ist im vorliegenden Fall aber gegeben.

80 Der Verfahrensschritt „Bereitstellen einer vom Strahlführungssystem (15) abhängigen Kenngröße (TLK, D beschreibt eine mathematische Methode in Form von Formeln, in denen technische Größen, wie die Wellenlänge λ des Lasersystems, die Beugungsmaßzahl M² sowie die Rayleigh-Länge Z^R) des Strahlführungssystems reale Größen von Naturkräften, nämlich Laserstrahlparameter, ein, so dass auch bereits die Kenngröße (TLK, D„Bestimmen (31) einer vorzunehmenden Fokuslagenänderung (Δz) mit der vom Strahlführungssystem (15) abhängigen Kenngröße (TLK, D) auch einer gezielten Anwendung von Naturkräften, um schließlich eine korrigierte Fokuslage einzustellen.

81 bzw. TLK zumindest ein technischer Zusammenhang zwischen der gemessenen Fokuslagenverschiebung Δf und der vorliegenden Leistungsänderung ΔP angegeben, welcher einen Einfluss auf die Bestimmung einer konkreten vorzunehmenden Fokuslagenänderung Δz hat, der sich in einer konkreten technischen Auswirkung, nämlich der konkreten Lage des Laserfokus nach Durchführung des anspruchsgemäßen Verfahrens, manifestiert.

82 , TLK) entgegen den Ausführungen der Einsprechenden keine nicht-technischen Merkmale dar, sondern beschreiben eine technische, mathematische Methode mit Bezug zur gezielten Anwendung von Naturkräften, womit diese Formeln und damit auch die definierte Kenngröße bei der Prüfung auf erfinderische Tätigkeit und damit auch Patentfähigkeit berücksichtigt werden müssen.

83 Dem Stand der Technik ist kein Hinweis auf die Verwendung einer einzelnen Kenngröße, die für ein konkretes Strahlkonfigurationssystem spezifisch ist, zu entnehmen. Die Entgegenhaltungen D1 bis D5 zeigen daher wenigstens den Merkmalskomplex 1.1 nicht und es ist auch nicht erkennbar, wie oder weshalb der Fachmann ausgehend von jeder der genannten Druckschriften zum Gegenstand des erteilten Verfahrensanspruchs 1 hätte gelangen können.

84 Da die speziellen streitpatentgemäßen Definitionen gemäß den Merkmalen 1.1.a und 1.1.b auch in keiner der weiteren Entgegenhaltungen offenbart oder nahegelegt werden, führen auch beliebige andere Kombinationen des im Verfahren genannten Standes der Technik nicht ohne eine erfinderische Tätigkeit zum Gegenstand der geltenden Ansprüche 1 und 8.

85 Mit diesen tragenden Patentansprüchen 1 und 8 sind auch die jeweiligen auf diese Ansprüche rückbezogenen Ansprüche 2 bis 7, 9 und 10 patentfähig, da ihre Gegenstände über selbstverständliche Maßnahmen hinausgehen und eine weitere Ausgestaltung des Gegenstands des Patentanspruchs 1 betreffen.

86 Bei dieser Sachlage war die Beschwerde zurückzuweisen.