CN113677476A - 用于激光加工工件的加工设备、用于激光加工工件的加工设备的成套零件以及用于使用这种加工设备激光加工工件的方法 - Google Patents

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Abstract

提供了一种用于在加工区(13)中激光加工工件(12)的加工设备，该加工设备具有：用于加工激光源的第一接口(14)，加工激光源用于产生加工激光束(15)；用于加工激光束(15)的出口开口(18)；第一接口(14)与出口开口(18)之间的光学系统，该光学系统具有至少一个激光束导引装置(22)，该至少一个激光束导引装置具有至少一个可移动表面(24)和至少一个致动器(26)，可移动表面(24)利用至少一个致动器能够动态地调整；以及用于对至少一个致动器(26)进行冷却的冷却装置(28)，其中，冷却装置(28)具有至少一个初级回路(30)，第一冷却流体可以流动通过至少一个初级回路而不与致动器(26)接触。此外，还提供了用于激光加工工件(12)的加工设备的成套零件以及用于使用这种加工设备激光加工工件(12)的方法。

Description

用于激光加工工件的加工设备、用于激光加工工件的加工设 备的成套零件以及用于使用这种加工设备激光加工工件的 方法
技术领域
本发明涉及用于激光加工工件的加工设备、用于激光加工工件的加工设备的用途、用于激光加工工件的加工设备的成套零件以及用于激光加工工件的方法。
背景技术
激光加工设备用于对工件进行激光加工，特别是用于借助于激光辐射、比如激光切割对材料进行热分离的方法。在许多情况下，激光加工头用于将加工激光束导引至工件上，例如导引至待加工的板材上。例如，在平板切割系统中，利用激光束和气体射流对工件进行加工。加工头构造为切割头并以最佳方式将双光束导引至工件。根据工件(材料和厚度)和期望的工艺，不同的激光束可能是最佳的。
对于超过1kW的中等激光功率，大多数可用的切割头具有激光束在待加工工件上不可改变的光学投射。该投射表示折中。光束可以用于不同的材料以及用于薄工件和厚工件。相比之下，对于大多数材料和厚度来说，激光束的刚性光学投射伴随有切割质量和/或进给速率的损失。
因此，变焦光学器件已经发展成用于激光加工和用于切割头。具有这些，成像比、即光学的焦距可以在一定范围内改变，特别是根据工件的类型和厚度。在变焦光学器件中，通常可以设置至少两个光学元件，使得加工激光束的焦点位置平行于加工激光束的传播方向移位。
此外，存在用于激光加工的激光束成形的方法。光束成形可以理解为意味着改变激光束的光束参数乘积和/或改变电磁激光模式的混合和/或改变激光束的功率的横向分布。存在静态光束成形，其中一次或多个单数(孤立的)次调整光束参数乘积，如EP 3412400A1中所述。另外，还存在动态光束成形(dynamic beam shaping，DBS)，其中光束参数乘积通过激光束以平均或积分的方式——例如通过光束振荡——在一段时间内的连续动态移动来改变。该方向的各种解决方案是已知的，例如US 8781269 B2、US 9250390 B2、US9346126 B2、EP 2730363 A1、EP2762263 A1、DE 2821883 B1、DE 102015116033 A1、EP2778746 B1以及DE 102015101263 A1用于静态光束成形；DE 102008053397 B4用于动态光束成形。
在使用动态光束成形的激光加工中，激光束以例如100Hz至10kHz的频率、即，以明显高于激光束与材料之间的通常反应时间的频率移动越过待加工的工件。工件因此被加工，其中加工激光束的功率分布随时间平均或随按时间积分的。借助于动态光束成形，几乎任何功率分布和强度分布的激光束斑都可以产生。还已知，利用这种适合的激光束可以实现更好的切割效果，参见例如https://www.iws.fraunhofer.de/en/pressandmedia/press_releases/2016/press_release_2016-15.html。
自适应镜或可变形镜可以用于激光束的光束成形，比如这些可用的AOS(ActiveOptical Systems，主动光学系统、LLC)或Fraunhofer IOF(也参见“Fast adaptivefocusing mirrors for material processing”https://www.iof.fraunhofer.de/de/presse-medien/presse-mitteilungen/2019/LASER-Messe-Highlights.html)。如果镜的表面区域可以彼此独立地快速调整，例如在高于100Hz的频率的情况下，则可以利用这种镜执行动态光束成形。
此外，Fraunhofer IWS Dresden已经表明，翻转/倾斜压电扫描仪似乎适于动态光束成形，参见C.Goppold等，2019年6月慕尼黑LIM会议，“Tip-Tilt piezo platformscanner qualifies dynamic beam shaping for highlaser power in cuttingapplications”。为此，大约1英寸的镜联接至压电致动器，压电致动器以高度动态的方式移动镜。仅在短期的操作中因此实现了达到2kHz。商购可得的电流扫描仪(或电流计扫描仪)系统通常可以被使用达到kHz范围。
然而，已被证明的是，市场上可得的用于动态激光束成形的装置、例如翻转/倾斜压电扫描器在高热曝光/显影的情况下容易出故障，特别是在较高的振动频率(几个100Hz至几个kHz)的范围内和/或长期应用中。在产生的高振动幅度的情况下，高热显影本身可以由致动器确定，特别是在连续操作中。
EP 1 030 206 A2公开了用于激光束的可变形镜和具有冷却水通道的镜座。根据US5777807 A和US2001008469 A，提出了在激光加工机中对可变形镜的镜平台进行冷却。EP1104940 A1描述了设置有冷指的固态致动器。EP1104940 A1还指出，致动器的空气冷却技术上复杂并且不能设计为封闭系统。压电致动器的空气冷却在以下中描述：https://www.piezomechanik.com/fileadmin/filestorage/Kataloge/de/Piezomechanik_Katalog_D_2010-05-05_web.pdf中的第42页；https://static.physikinstrument.com/fileadmin/user_upload/physik_instrument/files/user_manuals/P-21x-Benutzeranleitung-PZ249D110.pdf中的第26页；http://www.dyneos.ch/pdf/Dyneos_Katalog_Piezoelektrische_Aktor.pdf中的第62页图48。
激光加工头必须满足高洁净度要求。在借助于镜进行激光束成形的通常的装置中，例如翻转/倾斜压电扫描仪，在镜后部的下方存在通向激光加工头的光学腔室的开口。气态的冷却介质可以用于对扫描仪进行主动冷却。为此，大量冷却介质(用于冷却空气的通常值＞100l/min)被引入到扫描仪壳体中。然而，冷却介质可以通过开口进入光学腔室并与镜表面及其他光学元件(例如偏转镜、透镜和防护玻璃)接触。然而，与激光束相互作用的污染可能导致损坏或甚至损毁这些光学元件。冷却介质本身因此可以是扫描仪壳体中和/或光学腔室中的污垢的来源，或者可以通过高流速使存在于光学腔室中的污垢旋转并且因此将污垢导引到光学元件中的激光束的有效范围内。
发明内容
本发明的目的是提供用于激光加工工件的一种加工设备和一种方法，该装置和方法允许可靠的和/或不易产生误差的激光束成形。
该目的是通过下述实现的：根据权利要求1的用于激光加工工件的加工设备、根据权利要求12的加工设备的用途、根据权利要求13的用于激光加工工件的加工设备的成套零件以及根据权利要求15的用于激光加工工件的方法。
在本发明的实施方式中，提供了一种用于在加工区中激光加工、特别地用于激光切割工件的加工设备、特别是激光加工头，该加工设备具有：用于加工激光源的第一接口，加工激光源用于产生加工激光束；用于加工激光束的出口开口；第一接口与出口开口之间的光学系统，该光学系统具有至少一个激光束导引装置，该至少一个激光束导引装置具有至少一个可移动表面和至少一个致动器，可移动表面利用至少一个致动器能够动态地调整；以及用于对至少一个致动器进行冷却的冷却装置，其中，冷却装置具有至少一个初级回路，第一冷却流体可以流动通过至少一个初级回路且不与致动器接触。
初级回路中的至少一个初级回路可以构造成由第一冷却流体主动流动通过，例如，初级回路中的至少一个初级回路可以包括用于使第一冷却流体主动流动通过初级回路的装置，比如泵送装置。加工设备的内部可以设置在第一接口与出口开口之间。激光束导引装置可以具有到加工设备的内部的开口。可移动表面可以布置在加工设备的内部中和/或到加工设备的内部的开口中。
加工设备使至少一个致动器能够被冷却且第一冷却流体不与致动器接触。因此避免了致动器和可移动表面的污染。以这种方式，也避免了来自致动器周围的第一冷却流体进入加工设备的内部——也称为光学腔室——并在那里与光学元件进一步接触或使污垢颗粒旋转。另外，致动器的冷却稳定激光束导引装置在高温下、甚至在长期运行中，例如在工业应用中的功能。因此，至少一个可移动表面能够由至少一个冷却致动器在期望的频率范围内并且甚至以从几个100Hz至几个kHz的高频可靠地调整，并且能可靠地工作且几乎没有干扰，特别是在高热曝光/显影的情况下。
因此，在实施方式的加工设备中，通过调整至少一个可移动表面，甚至在长期使用和在通常用于激光加工的热曝光/显影情况下，也可以可靠地修改按时间积分的加工激光束的光束参数乘积。此外，如果仅对可移动表面进行空间调整，则可以设置光束参数乘积并且可以进行加工激光束的静态光束成形。如果不仅在空间上而且在时间上对可移动表面进行调整，即在一个或更多个时间段期间，则可以设置或改变光束参数乘积，并且使加工激光束的动态光束成形成为可能。以这种方式，几乎可以提供任何强度分布的束斑和加工激光束的光束参数乘积。由于可移动表面，改变焦距的功能、轴向聚焦位置的调整以及静态和/或动态光束成形的功能也可以在单个部件中实现。因此，加工激光束的光束路径的节省空间布置还可以与冷却装置一起实现。另外，为了提供改变焦距的功能、焦点位置调整以及静态和/或动态光束成形的功能，不必使整个激光束导引装置移动或移位。至少一个激光束导引装置和/或至少一个致动器可以因此在加工设备中以固定的方式提供并且可以被冷却。
在一个实施方式中，冷却装置可以具有封闭的次级回路，第二冷却流体可以流动通过该次级回路且与致动器接触并且该第二冷却流体可以通过初级回路中的第一初级回路进行冷却。在冷却期间，第二冷却流体因此可以与至少一个致动器接触。另外，次级回路基本上是封闭的。在一些实施方式中，次级回路可以至少部分地包括加工设备(光学腔室)的内部。情况可以是这样，例如，当第二冷却流体可以进入光学腔室中时，特别地穿过激光束导引装置的到光学腔室的开口时。在这些实施方式中，同样，次级回路基本上是封闭的，因为仅有少量或数量微不足道的第二冷却流体从加工设备的出口开口流出并且因此从光学腔室流出。此外，第二冷却流体可以由初级回路冷却。次级回路可以构造成由第二冷却流体主动流动通过，例如，次级回路可以包括用于使第二冷却流体主动流动通过次级回路的装置，比如泵送装置。
这些措施允许实现至少一个致动器的最佳且有效的冷却。同时，避免了第二冷却流体造成污染。第二冷却流体特别在封闭的冷却回路中循环，使得可以保持第二冷却流体或次级回路的洁净度。次级回路和第二冷却流体因此满足与应用于光学腔室相同的洁净度要求。如果第二冷却流体的一部分到达光学腔室，则这也适用，因为次级回路也形成系统，该系统基本上对外部封闭，包括光学腔室。另外，任何数量的第二冷却流体都可以流动通过次级回路。此外，由于基本上封闭的次级回路，避免了第二冷却流体的损失和/或需要相对少量的第二冷却流体。这确保了高的冷却效率。
在加工设备中，冷却装置可以具有从内部选取的至少一个元件以及冷却结构件，在内部中至少部分地布置有至少一个致动器和/或激光束导引装置。这些元件促进致动器的有效冷却。
内部因此可以是次级回路的一部分。如果至少一个致动器至少部分地布置在内部，则可以利用第二冷却流体对至少一个致动器进行冷却。如果激光束导引装置至少部分地布置在内部，则不仅至少一个致动器而且激光束导引装置的在激光加工过程期间暴露于热的其他元件也可以利用第二冷却流体进行冷却，例如借助于热传导。这优化了激光束导引装置的可靠性，特别是在高频下。
此外，冷却结构件可以是初级回路中的第一初级回路或第二初级回路的一部分。如果冷却结构件是第一初级回路的一部分，则第一冷却流体不仅可以对次级回路进行冷却，还可以对冷却结构件进行冷却。如果冷却结构件是第二初级回路的一部分，则次级回路和冷却结构件可以彼此独立地冷却。
在加工设备的实施方式中，冷却结构件可以具有冷却装置的壁，该壁可以被流动通过并且特别地至少部分地围绕冷却装置和/或激光束导引装置的内部。因此，内部、特别是包含在内部中的围绕致动器的气体、例如第二冷却流体可以被冷却。因此，布置在内部中的至少一个致动器也可以被冷却。另外地或替代性地，激光束导引装置可以被至少部分地冷却。例如，冷却装置的壁可以至少部分地与激光束导引装置的外壁抵接。以这种方式，激光束导引装置的外壁和激光束导引装置的其他部分两者都可以借助于热传导进行冷却。
替代性地或另外地，冷却结构件可以具有至少一个冷却翅片，该冷却翅片可以被流动通过并且特别布置在冷却装置的内部。因此，内部、特别是包含在内部中的围绕致动器的流体、例如空气，或绕致动器流动的流体、例如第二冷却流体可以被冷却。因此，布置在内部中的至少一个致动器也可以被冷却。
在实施方式中，加工设备可以具有第二接口，在该接口处以可互换的方式设置有冷却装置和/或激光束导引装置。因此，冷却装置或激光束导引装置或两者都可以附接至第二接口并且在必要时移除或更换。
此外，第一冷却流体可以是液态的和/或第二冷却流体可以是气态的。以这种方式，初级回路可以运行，例如，以H2O作为第一冷却流体。此外，气态的第二冷却流体、例如N2可以绕至少一个致动器流动。
此外，冷却装置、特别是冷却装置的壁可以以气密的方式设置在加工设备上。这使第一冷却流体的损失和/或第二冷却流体的损失最小化。
在加工设备的实施方式中，至少一个致动器可以从压电致动器、电流计扫描仪致动器、多个压电致动器或多个电流计扫描仪致动器及其组合中选取。上述致动器因此可以被有效地冷却并可靠地运行。
根据实施方式，至少一个可移动表面可以至少部分地反射加工激光束。至少一个可移动表面也可以是动态可定向的。此外，至少一个可移动表面可以是能够动态变形的连续表面。替代性地或另外地，可移动表面可以是动态可调整的，使得可移动表面改变按时间积分的加工激光束的光束参数乘积。至少一个可移动表面也可以是可调整的，使得至少一个可移动表面改变光学系统的焦距。此外，至少一个可移动表面可以是可调整的，使得改变加工激光束的轴向聚焦位置。通过这些措施，单独地或组合地，加工激光束可以以最佳形式导引至工件上，例如适于工件的材料和/或厚度，以及与期望的加工过程协调。
在实施方式中，激光束导引装置可以具有带有多个镜部段的至少一个分段镜作为至少一个可移动表面，多个镜部段中的每个镜部段均能够动态定向。此外，激光束导引装置可以具有至少一个能够动态变形镜作为至少一个可移动表面。这些措施实现了加工激光束的高度灵活和/或高频动态光束成形。替代性地或另外地，可以实现改变光学系统的焦距和/或加工激光束的焦点位置调整。
在实施方式的加工设备中，至少一个可移动表可以是可调整的，使得至少一个可移动表面至少垂直于传播方向动态地移动加工激光束。至少一个可移动表面可以是可调整的，使得至少一个可移动表面动态地移动加工激光束并且产生至少一个焦点振荡，该至少一个焦点振荡具有至少一个振荡幅度和至少一个振荡频率并且具有焦点振荡路径，该焦点振荡路径对应于二维或三维李萨如(Lissajous)图形或者二维或三维李萨如图形的组合。这些措施也实现了加工激光束的高度灵活和高度动态和/或高频光束成形。
在实施方式的加工设备中，至少一个致动器可以构造成以高频动态地调整可移动表面。此外，至少一个可移动表面可以能够以10Hz与15kHz之间、优选地100Hz与10kHz之间、更优选地400Hz与10kHz之间的频率调节。这便于加工激光束的动态光束成形。特别地，可以实现可移动表面的高频动态调整并且因此实现加工激光束的高频动态移动，例如加工激光束的光束振荡或焦点振荡。
在加工设备中，激光束导引装置、特别是至少一个可移动表面可以布置和构造成使得加工激光束以小于、等于或大于90°的角度偏转。这实现了加工设备的灵活的空间构型。此外，第一接口可以连接至或设置有用于产生加工激光束的加工激光源。另外，可以设置有用于控制激光束导引装置、特别是至少一个致动器的控制单元。另外，加工激光源可以提供至少1kW、优选地至少4kW、更优选地1kW至30kW之间、最优选地1kW至25kW之间的激光功率。
本发明还涉及根据前述实施方式中的任一项的用于激光加工、特别是用于激光切割工件的加工设备的用途。以这种方式，可以实现对加工设备进行说明的用于激光加工、特别是激光切割的措施和有益效果。
此外，本发明涉及用于在加工区中激光加工、特别是用于激光切割工件的加工设备、特别是用于根据前述实施方式中的一项的加工设备的成套部件。成套部件包括激光加工头，该激光加工头具有第一接口、出口开口以及第二接口，该第一接口用于加工激光源，该加工激光源用于产生加工激光束，该出口开口用于加工激光束，该第二接口在第一接口与出口开口之间。因此，第二接口构造成接纳用于光学系统的至少一个激光束导引装置，该至少一个激光束导引装置具有至少一个可移动表面和至少一个致动器，可移动表面利用至少一个致动器能够动态地调整。另外，成套部件包含用于对至少一个致动器进行冷却的冷却装置，其中，冷却装置具有至少一个初级回路，第一冷却流体可以流动通过至少一个初级回路而不与致动器接触。激光束导引装置和冷却装置因此可以布置、特别地可以附接在第二接口口。成套部件因此实现了改装以及维修具有用于对至少一个致动器进行冷却的冷却装置的现有加工设备。
在上述实施方式的修改中，成套部件包含用于光学系统的至少一个激光束导引装置，该至少一个激光束导引装置具有至少一个可移动表面和至少一个致动器，可移动表面利用至少一个致动器可以动态地调整。加工设备因此不仅可以设置有用于致动器的冷却装置，而且可以设置有激光束导引装置。
此外本发明还涉及利用根据前述实施方式中的任一项的加工设备激光加工、特别是用于激光切割工件的方法，其中：利用来自加工激光源的加工激光束穿过加工设备的出口开口照射工件的加工区，该加工激光源设置在加工设备的第一接口处；借助于流动通过至少一个初级回路而不与致动器接触的第一冷却流体，对激光束导引装置的至少一个致动器进行冷却；以及利用冷却的至少一个致动器动态调整可移动表面。
在上述实施方式的方法中，对致动器进行冷却可以具有从下述选取的至少一个步骤：与致动器接触的第二冷却流体流动通过封闭的次级回路，其中，封闭的次级回路由流动通过初级回路中的第一初级回路的第一冷却流体冷却；以及第一冷却流体流动通过初级回路中的第一初级回路和/或第二初级回路、特别是冷却结构件。
在实施方式的方法中，可移动表面可以动态地调整成使得可移动表面改变按时间积分的加工激光束的光束参数乘积。替代性地或另外地，激光束导引装置、特别是至少一个可移动表面至少垂直于传播方向动态地移动加工激光束。此外，激光束导引装置、特别是至少一个可移动表面可以动态地移动加工激光束并且可以产生至少一个焦点振荡，该至少一个焦点振荡具有至少一个振荡幅度和至少一个振荡频率并且具有焦点振荡路径，该焦点振荡路径对应于二维或三维李萨如图形或者二维或三维李萨如图形的组合。
利用上述实施方式的用于激光加工工件的方法，可以实现与利用用于激光加工工件的加工设备的实施方式相同的优点、运行模式和功能，特别是具有相同和/或类似特征。
其他特征和优点从下面对实施方式、附图和从属权利要求的描述中变得明显。
附图说明
在此描述的实施方式的所有非相互排他性特征都可以彼此结合。在下面描述中，实施方式的相同元件被赋予了相同的附图标记。一个实施方式的单个或多个元件可以在其他实施方式中使用而无需进一步说明。现在参照附图使用下面的示例对本发明的实施方式进行更详细地描述，因此并非意在进行任何限制。在附图中：
图1示意性地示出了根据本发明的实施方式的作为第一示例的用于激光加工工件的加工设备100；
图2示意性地示出了根据本发明的实施方式的作为第二示例的用于激光加工工件的加工设备200；以及
图3示意性地示出了根据本发明的实施方式的作为第三示例的用于激光加工工件的加工设备300。
具体实施方式
下面描述了根据本发明的实施方式的加工设备，尤其通过具有加工头的示例，而不限制其发明。根据本发明的实施方式的加工设备和方法也可以在没有加工头的情况下实现。
此外，在此描述取值范围时，对具有较窄替代性范围或优选范围的宽范围的说明也被认为公开了可以由指定的范围下限和指定的范围上限的任何组合而形成的范围。
术语“按时间积分”或“按时间平均”是指在一段时间或一时间段内积分或平均。关于焦点振荡，这意味着在至少一个振荡周期内积分或平均，在至少一个振荡周期内关于光束振荡积分或平均。
术语激光束的“动态移动”或“动态地移动的”激光束及其变型意味着激光束以高频、例如以从10Hz至15kHz的频率移动。同理类似地适用于加工设备的“动态地”可移动的、可定向的和/或可调节的元件。
图1示意性地图示了用于在加工区13中激光加工工件12的根据本发明的实施方式的加工设备100的第一示例。在本示例中，加工设备100被设计为加工头。
加工设备100具有用于加工激光源16的第一接口14，加工激光源16用于产生加工激光束15，加工激光束15在图1中以虚线作为一个光束示出。加工激光源在图1中未示出。如图3的示例所示，加工激光源16或加工激光源16的传输光纤可以设置在第一接口14处、特别是以气密的方式。在本示例中，加工激光源16提供约6kW的激光功率并且产生包括1070nm波长的光谱范围内的加工激光束。然而，也可以使用功率小于6kW、例如大约1kW，或者功率大于6kW、例如大约20kw的加工激光源。
此外，加工设备100具有用于加工激光束15的出口开口18。在第一接口14与出口开口18之间、特别是在第一接口14与出口开口18前方的防护玻璃——例如如图3所示的防护玻璃40c——之间存在加工设备100的内部，也被称为光学腔室。
加工设备100具有带激光束导引装置22的光学系统，激光束导引装置22在图1中以横截面图的形式示出。激光束导引装置22布置在第一接口14与出口开口18之间的区域内的固定位置。激光束导引装置22具有到光学腔室的开口23。
在本示例中，激光束导引装置22具有对加工激光束15进行反射的可移动表面24，该可移动表面24在光学腔室中布置和对齐成使得可移动表面24将加工激光束15偏转90°。如图1中所示，加工激光束15在通过出口开口18被导引到工件上之前，可以在加工设备内再次偏转、例如再次偏转90°。为此，例如可以设置如图3中所示的偏转镜40d。
反射表面24借助于至少一个致动器26能够至少部分动态移动。在图1中和以下描述中，示出并且描述了具有致动器26的本示例，但也可能设置多个致动器26，利用多个致动器26可以对反射表面24进行至少部分地调整。
在该示例中，激光束导引装置22包含由SiC(碳化硅)制成的动态可定向的平面镜，这提供了可移动表面24。平面镜设置有对激光束进行反射的表面涂层，例如电介质层、金属层(例如铜)或金属氧化物层。替代性地，可以使用由玻璃基板(例如熔融硅石、石英玻璃)或蓝宝石制成的镜，该镜设置有电介质层、金属层(例如铜)或金属氧化物层。选取镜的尺寸使得镜的尺寸与镜所在位置的加工激光束的直径相对应。压电致动器设置为致动器26，镜可以借助于致动器26被动态地移动并且因此可以被定向。由镜和至少一个致动器组成的装置也被称为压电扫描仪。在多个致动器的情况下，每个压电致动器26均可以借助于控制单元(图1中未示出)被单独地控制。在本示例中，存在基于改进的PZT(锆钛酸铅)陶瓷的压电致动器，典型驱动电压为120V。
冷却装置28设置在激光束导引装置22上。冷却装置28包含初级回路30，冷却流体、例如水可以通过初级回路30流动。在本示例中，冷却装置28设计为冷却壳体，该冷却壳体部分地封围具有壁37作为冷却结构件的激光束导引装置22，壁37以气密的方式附接至加工设备100，例如借助于凸缘或一体地。术语“气密”是指，例如，以<10^(-4)(mbar*l)/s的氦气密封。
在该示例中，冷却壳体的壁37、并且因此冷却装置的壁37具有内部管线，内部管线与冷却流体供给管线和冷却流体排放管线一起形成冷却装置28的初级回路30。
在运行期间，冷却流体、例如水穿过初级回路30和冷却壳体。这将围绕冷却壳体内的致动器26的流体、例如空气冷却。因此，致动器26也被冷却。由于冷却壳体的壁37至少部分地与激光束导引装置的外壁抵接，因此激光束导引装置的外壁和激光束导引装置的其他部分两者都借助于热传导进行冷却。
对于激光加工，具有可移动表面24的镜通过压电致动器26倾斜成使得加工激光束15被偏转。同时，镜24通过压电致动器26动态地移动，为偏转提供合适的倾斜角度，从而使加工激光束15动态地移动。以这种方式，针对用于激光加工的相应方法，可以对加工激光束15的光束参数乘积和工件12上激光束斑的强度分布进行优化设计，因为加工激光束15的焦点以例如10Hz与15kHz之间的频率动态地移动成至少垂直于其传播方向，并且因此对激光束斑进行成形。例如，在加工激光束15动态地移动时产生焦点振荡，焦点振荡具有至少一个振荡幅度和至少一个振荡频率并且具有焦点振荡路径，焦点振荡路径对应于二维或三维李萨如图形或者二维或三维李萨如图形的组合。
第一示例的加工设备100利用其冷却装置28使至少一个致动器26在加工激光束15的动态光束成形期间能够被冷却，而不与第一冷却流体接触。这防止了污染致动器和镜。以这种方式，还避免了第一冷却流体进入加工设备的光学腔室并且与其他光学元件接触或旋起污垢颗粒。另外，致动器的冷却使光束形成稳定，甚至在从几个100Hz至几个kHz的高频下。至少一个致动器因此也可以在高热曝光/显影和长期运行的情况下、例如在工业应用中可靠地使用。
在第一示例的修改(未示出)中，激光束导引装置22包含作为电流计扫描仪的一部分的两个可移动表面24。为此，电流计扫描仪可以包含两个镜，两个镜中的每个镜均提供可移动表面24。这些可移动表面24中的每个可移动表面24均可以作为致动器使用单独可控电流计进行单独和动态地移动。致动器由冷却装置28冷却，该冷却装置在结构上进行了相应的调整。电流计扫描仪例如设置有两个镜，该两个镜可定向成使得加工激光束15以大于90°的角度偏转至少一次并且以小于90°的角度偏转至少一次。在运行期间，两个镜相对于彼此定向和移动成使得加工激光束15偏转两次并且同时动态地移动。因此，借助于动态光束成形，几乎提供了任何强度分布的束斑和加工激光束15的光束参数乘积，特别地李萨如图形可以利用激光束书写在工件上。由于致动器的冷却，甚至在高热曝光/显影和长期运行的情况下，这也可以以稳定的方式进行。
图2示意性地示出了用于激光加工工件12的根据本发明的实施方式的加工设备200的第二示例。与第一示例相反，冷却装置28具有与加工设备200分开的初级回路32以及次级回路34。与第一示例的初级回路30类似，初级回路32可以由第一冷却流体、例如H2O经由供给管线和排放管线流动通过。次级回路34可以由气态的第二冷却流体、例如N2流动通过，第二冷却流体与至少一个致动器接触并且可以由第一初级回路32冷却。在本示例中，初级回路32包含热交换器，次级回路34通过热交换器也部分运行并且因此可以被冷却。
次级回路34具有进给管线进入冷却装置的内部36，在这种情况下，进给管线具有循环泵35(如图2中的圆圈中的箭头所示)。内部36相对于加工设备200的外部由冷却装置的壁以气密的方式密封。在这种情况下，壁设计为壳体。激光束导引装置22布置在壳体中。此外，次级回路具有来自内部36的排放管线。次级回路34的供给管线和排放管线在初级回路32的热交换器内彼此连接。以这种方式，次级回路34基本上是封闭的。因此，如从图2可以看出的，第二冷却流体可以被引入到内部36中并且也可以从内部排放。为此，本示例中的次级回路34包含循环泵35。替代性地或另外地，由于通过初级回路32进行冷却，第二冷却流体可以扩散回到排放管路中。两种措施、单独地或结合地导致第二冷却流体能够从内部36返回到次级回路34的排放而基本上没有损失。在本示例中，冷却装置28的内部36是次级回路34的一部分。
在该示例的修改中，次级回路34至少部分地还包括加工设备200(光学腔室)的内部。情况可以是这样，例如，当第二冷却流体穿过开口23进入光学腔室时。在这种修改中，次级回路也基本上是封闭的，因为仅有数量微不足道或少量的第二冷却流体从加工设备200的内部逸出、特别是从出口开口18逸出。
在运行中，第二冷却流体穿过次级回路34并且第一冷却流体穿过初级回路30，第二冷却流体在这种情况下为气态N2，第一冷却流体在这种情况下为H2O。以这种方式，第二冷却流体被冷却并进入到内部36中。对于激光加工，具有可移动表面24的镜借助于至少一个压电致动器26倾斜成使得加工激光束15被偏转。同时，镜24通过压电致动器26动态地移动，为偏转提供合适的倾斜角度，从而使加工激光束15动态地移动。用第二冷却流体对压电致动器26进行冷却，第二冷却流体在内部36中绕压电致动器26流动。加工激光束15的焦点以例如10Hz与15kHz之间的频率至少垂直于其传播方向动态地移动，并且对激光束斑进行成形。由于致动器的冷却，甚至在高热曝光/显影和长期运行的情况下，也因此可靠地提供加工激光束15的期望光束参数乘积和工件12上的激光束斑的期望强度分布。
由于至少一个致动器26至少部分地布置在内部36中，致动器26可以利用第二冷却流体进行冷却。此外，如上所述，在本示例中，激光束导引装置22布置在壳体中并且因此也至少部分地布置在内部36中。因此，不仅致动器26，而且在激光加工过程期间受热的激光束导引装置22的其他元件、例如镜，都可以利用第二冷却流体进行冷却。因此，另外增加了激光束导引装置22的可靠性。
初级回路32与次级回路34的组合不仅确保致动器26的最佳冷却。由于基本上封闭的次级回路34，这另外避免了加工设备的光学腔室中的第二冷却流体可能造成污染。此外，由于基本上封闭的次级回路34，第二冷却流体的损失被最小化和/或需要相对少量的第二冷却流体。
图3示意性地示出了用于激光加工工件12的根据本发明的实施方式的加工设备300的第三示例。在第三示例中，冷却装置28包括第一示例的初级回路30与第二示例的初级回路32和次级回路34的组合。
图3还示出了光学系统的可选光学元件40a、40b、40c和40d。这意味着在光学系统的所有示例和实施方式中，可以提供一个或更多个附加的透射光学元件(例如透镜40a、40b和防护玻璃40c)和/或反射光学元件(例如平面偏转镜40d)，例如以使加工激光束15偏转。此外，在图3中，通过示例的方式将加工激光源16的光纤端部附接至第一接口14。图3同样通过示例的方式示出了具有两个致动器26的激光束导引装置22。图3还示出了激光束导引装置22可以以有线或无线数据传导的方式连接至控制单元27以对致动器26进行控制。例如，27个李萨如图形可以存储在控制单元的数据库中，并且控制单元可以相应地对单独的致动器进行控制。也可以在图1的加工设备100和图2的加工设备200中提供上述修改。
第三示例的冷却装置28因此包括第一示例的初级回路30以及第二示例的初级回路32和次级回路34。冷却装置28因此设计成两级，其中，初级回路30形成第一级并且初级回路32和次级回路34形成第二级。第一初级回路30和第二初级回路32可以利用相同的冷却流体联接和运行。在第三示例中以类似的方式实现第一示例和第二示例的元件和功能。因此，冷却装置28的在第二示例中形成壳体并且部分地围绕激光束导引装置22的壁设计为如第一示例中的冷却壳体的壁37。冷却壳体具有内部管线，内部管线与冷却流体供给管线和冷却流体排放管线一起形成冷却装置28的第一初级回路30。
两级冷却装置28可以在加工设备300和激光束导引装置22的运行期间提供优良的冷却性能。也就是说，由次级回路34引入到内部36中并绕致动器26流动的第二冷却流体不仅由初级回路32冷却，而且由初级回路30冷却。致动器26因此在运行期间被特别有效地冷却和稳定。以这种方式，甚至在高热曝光/显影和长期运行的情况下，也可以可靠地提供加工激光束15的期望光束参数乘积和工件12上的激光束斑的期望强度分布。内部36中的由初级回路30引起的第二冷却流体的另外冷却也便于冷却流体保持在内部36中，并且仅示出流入到光学腔室中的轻微的倾向。以这种方式，基本上封闭的次级回路34是稳定的。避免了由第二冷却流体对光学腔室的污染并且使第二冷却流体的损失最小化。
在图3的示例的修改中，激光束导引装置22可以具有作为反射的可移动表面24的直径约为50mm的大致圆形的分段镜，其中41个镜部段彼此分开并且布置成彼此相邻，这形成同心图案。每个镜部段均具有镀金层用于反射加工激光束15，并且可以借助于压电致动器26被单独动态地定向。在该修改中，提供了根据镜部段的图案布置的若干压电致动器26。在本示例中，这些压电致动器26是基于改进的PZT陶瓷的压电致动器，典型工作电压为120V。激光束导引装置22因此提供了对加工激光束15进行反射的分段总表面，可以以高度动态的方式调整该分段总表面的表面几何形状、特别是该分段总表面的曲率。
具有分段镜的第三示例的上述修改的以下应用是可能的：激光束导引装置22可以用作变焦光学器件，其中，加工激光束15由具有期望可选择光束发散的分段镜进行偏转。光学系统的焦距也可以利用激光束导引装置22来修改。激光束导引装置22也可以用作静态光束成形光学器件。分段镜的表面24根据期望的像差假定适当可控制的表面曲率。对分段镜进行操作的致动器越多，表面就可以越随意。此外，激光束导引装置22可以用于动态光束成形。因此，以10Hz以上、特别是100Hz以上的足够高的频率改变分段镜的表面24，使得在工件12上产生的聚焦至少侧向于激光束传播执行期望的移动。这种移动可以根据期望进行构造，例如，所有可能的李萨如图形都可以书写在工件上，并且修改按时间积分的加工激光束的光束参数乘积。
在第三示例的其他变型中，激光束导引装置22具有可变形镜(DM，动态镜)以提供可移动的、反射的连续表面24。镜通过由可变形材料制成的膜构成，镜能够借助于致动器动态地变形。在本示例中，膜是圆形的，直径约为45mm。在膜的底面，存在均匀地分布在圆形图案中的独立可控的压电致动器26。该示例涉及基于改进的PZT(锆钛酸铅)陶瓷的压电致动器，典型工作电压为120V。例如，设置有32个压电致动器26，利用压电致动器26，32个单独的膜平面区域可以被单独调整。膜的顶部覆盖有可以包含铜的高度反射的多层介电涂层。因此设置的可变形的、反射的连续表面适于波长为1060nm至1090nm的功率达120kW的激光束。可变形镜(DM，动态镜)的可移动的、反射的连续表面24可以以与前述的分段镜相同的方式操作。
在加工设备的实施方式中，至少一个可移动表面能够借助于至少一个经冷却致动器进行调节。此外，至少一个可移动表面可以提供激光束导引装置的表面单元，可以动态地调整该表面单元的表面几何形状、特别是该表面单元的曲率。因此，不仅加工激光束可以至少垂直于其传播方向被成形和/或移动，而且加工激光束的发散还可以被改变和/或加工激光束的聚焦位置可以平行于其传播方向被移位。
利用激光束导引装置和能够动态调整的可移动表面，加工设备的实施方式实现了对加工激光束的光束参数乘积的修改。利用加工激光束的静态或动态光束成形，可以对光束参数乘积进行修改，因此，可以提供其束斑的有益的强度分布和功率分布。
通过对至少一个致动器进行冷却，激光束导引装置的上述功能是稳定的，甚至在高热曝光/显影的情况下，特别是在长期运行中、例如在工业应用中。因此，至少一个可移动表面可以由至少一个经冷却致动器在期望的频率范围内并且甚至在从几个100Hz至几个kHz的高频、甚至在高热曝光/显影和长期运行的情况下可靠地调整。
根据实施方式的加工设备进一步使至少一个致动器能够在第一冷却流体不与至少一个致动器接触的情况下被冷却。因此避免了第一冷却流体对加工设备的致动器和光学腔室的污染。进一步的实施方式使与致动器接触并对致动器进行冷却的第二冷却流体能够流动通过基本上封闭的冷却回路。以这种方式，使对光学腔室中的光学元件的污染和损坏最小化。
最后，应当注意到，本发明的描述和示例性实施方式不应被理解为在本发明的特定物理实现方面进行限制。关于本发明的单独实施方式解释和示出的所有特征都可以根据本发明在主题中以不同的组合提供，以同时实现其有益效果。
本发明的保护范围由权利要求书给出并且不受说明书中图示或者附图中示出的特征的限制。
对于本领域技术人员特别明显的是，本发明不仅可以用于激光加工系统，还可以用于包括激光的其他装置。此外，用于激光加工工件的加工设备的部件可以被生产以便分布在几个物理产品上。
附图标记列表
12 Workpiece 工件
13 Machining zone 加工区
14 First interface 第一接口
15 Machining laser beam 加工激光束
16 Machining laser source 加工激光源
17 Second interface 第二接口
18 Outlet opening 出口开口
22 Laser beam guiding device 激光束导引装置
23 Opening 开口
24 Movable surface 可移动表面
26 Actuator 致动器
27 Control unit 控制单元
28 Cooling device 冷却装置
30 Primary circuit 初级回路
32 Primary circuit 初级回路
34 Secondary circuit 次级回路
35 Circulation pump 循环泵
36 Interior 内部
37 Cooling structure,wall 冷却结构件、壁
40a Lens 透镜
40b Lens 透镜
40d Deflecting mirror 偏转镜
40c Protective glass 防护玻璃
100 Machining apparatus 加工设备
200 Machining apparatus 加工设备
300 Machining apparatus 加工设备

Claims (17)

1.一种加工设备，所述加工设备用于在加工区(13)中对工件(12)进行激光加工、特别地用于对所述工件(12)进行激光切割，所述加工设备特别地为激光加工头，所述加工设备具有：
第一接口(14)，所述第一接口(14)用于加工激光源(16)，所述加工激光源(16)用于产生加工激光束(15)；
出口开口(18)，所述出口开口(18)用于所述加工激光束；
光学系统，所述光学系统在所述第一接口与所述出口开口之间，所述光学系统具有至少一个激光束导引装置(22)，所述至少一个激光束导引装置(22)具有至少一个可移动表面(24)和至少一个致动器(26)，利用所述至少一个致动器(26)，所述可移动表面(24)能够被动态地调整；以及
冷却装置(28)，所述冷却装置(28)用于对所述至少一个致动器进行冷却，其中，所述冷却装置具有至少一个初级回路(30；32)，第一冷却流体能够流动通过所述至少一个初级回路(30；32)且不与所述致动器接触。
2.根据权利要求1所述的加工设备，
其中，所述冷却装置具有封闭的次级回路(34)，第二冷却流体能够流动通过所述次级回路(34)且与所述致动器接触并且所述第二冷却流体能够通过初级回路(32)中的第一初级回路进行冷却。
3.根据前述权利要求中的任一项所述的加工设备，
其中，所述冷却装置具有从下述内部(36)选取的至少一个元件以及冷却结构件(37)：所述至少一个致动器和/或所述激光束导引装置至少部分地布置在所述内部(36)中。
4.根据权利要求3所述的加工设备，
其中，所述内部是所述次级回路的一部分；和/或
其中，所述冷却结构件是所述初级回路中的所述第一初级回路或第二初级回路的一部分。
5.根据权利要求3或4所述的加工设备，
其中，所述冷却结构件具有所述冷却装置的壁，所述壁能够被流动通过并且特别地至少部分地围绕所述冷却装置的所述内部和/或所述激光束导引装置；以及/或者
其中，所述冷却结构件具有至少一个冷却翅片，所述冷却翅片能够被流动通过并且特别地布置在所述冷却装置的所述内部中。
6.根据前述权利要求中的任一项所述的加工设备，
其中，所述加工设备具有第二接口(17)，所述冷却装置和/或所述激光束导引装置以可互换的方式设置在所述第二接口(17)处；以及/或者
其中，所述第一冷却流体是液态的和/或所述第二冷却流体是气态的；以及/或者
其中，所述冷却装置、特别是所述冷却装置的所述壁以气密的方式设置在所述加工设备上。
7.根据前述权利要求中的任一项所述的加工设备，
其中，所述至少一个致动器从压电致动器、电流计扫描仪致动器、多个所述压电致动器或多个所述电流计扫描仪致动器以及所述压电致动器和所述电流计扫描仪致动器的组合中选取；和/或
其中，所述至少一个可移动表面至少部分地反射所述加工激光束；和/或
其中，所述至少一个可移动表面能够动态地定向；和/或
其中，所述至少一个可移动表面是能够动态变形的连续表面；和/或
其中，所述可移动表面(24)能够被动态地调整成使得所述可移动表面(24)改变按时间积分的加工激光束的光束参数乘积；和/或
其中，所述至少一个可移动表面能够调整成使得所述至少一个可移动表面改变所述光学系统的焦距；和/或
其中，所述至少一个可移动表面能够调整成使得所述至少一个可移动表面改变所述加工激光束的轴向聚焦位置。
8.根据前述权利要求中的任一项所述的加工设备，
其中，所述激光束导引装置具有作为所述至少一个可移动表面的带有多个镜部段的至少一个分段镜，所述至少一个分段镜中的每个分段镜均能够动态地定向；和/或
其中，所述激光束导引装置具有作为所述至少一个可移动表面的至少一个能够动态变形的镜。
9.根据前述权利要求中的任一项所述的加工设备，
其中，所述至少一个可移动表面能够调整成使得所述至少一个可移动表面至少垂直于传播方向动态地移动所述加工激光束；和/或
其中，所述至少一个可移动表面能够调整成使得所述至少一个可移动表面动态地移动所述加工激光束并且产生至少一个焦点振荡，所述至少一个焦点振荡具有至少一个振荡幅度和至少一个振荡频率并且具有焦点振荡路径，所述焦点振荡路径对应于二维或三维李萨如图形或者二维或三维李萨如图形的组合。
10.根据前述权利要求中的任一项所述的加工设备，
其中，所述至少一个致动器构造成以高频动态地调整所述可移动表面；和/或
其中，所述至少一个可移动表面能够以10Hz与15kHz之间、优选地100Hz与10kHz之间、更优选地400Hz与10kHz之间的频率被调节。
11.根据前述权利要求中的任一项所述的加工设备，
其中，所述激光束导引装置、特别是所述至少一个可移动表面布置和构造成使得所述加工激光束以小于、等于或大于90°的角度偏转；和/或
其中，所述第一接口(14)连接或设置有用于产生所述加工激光束(15)的加工激光源(16)；和/或
其中，设置有用于控制所述激光束导引装置、特别是所述至少一个致动器的控制单元(27)；和/或
其中，所述加工激光源提供至少1kW、优选地至少4kW、更优选地1kW至30kW之间、最优选地1kW至25kW之间的激光功率。
12.一种根据前述权利要求中的任一项所述的加工设备的用于对工件进行激光加工、特别地用于对工件进行激光切割的用途。
13.一种成套部件，所述成套部件用于在加工区(13)中对工件(12)进行激光加工、特别是用于对所述工件(12)进行激光切割的加工设备、特别是根据权利要求1至11中的任一项所述的加工设备，所述成套部件包括：
激光加工头(100；200；300)，所述激光加工头(100；200；300)具有第一接口(14)、出口开口(18)以及第二接口(17)，所述第一接口(14)用于加工激光源(16)，所述加工激光源(16)用于产生加工激光束(15)，所述出口开口(18)用于所述加工激光束，所述第二接口(17)在所述第一接口与所述出口开口之间；
其中，所述第二接口构造成接纳用于光学系统的至少一个激光束导引装置(22)，所述至少一个激光束导引装置(22)具有至少一个可移动表面(24)和至少一个致动器(26)，利用所述至少一个致动器(26)，所述可移动表面(24)能够被动态地调整；以及
冷却装置(28)，所述冷却装置(28)用于对所述至少一个致动器进行冷却，其中，所述冷却装置具有至少一个初级回路(30；32)，第一冷却流体能够流动通过所述至少一个初级回路(30；32)而不与所述致动器接触；
其中，所述激光束导引装置和所述冷却装置能够布置、特别地能够附接在所述第二接口处。
14.根据权利要求13所述的成套部件，具有用于光学系统的至少一个激光束导引装置(22)，所述至少一个激光束导引装置(22)具有至少一个可移动表面(24)和至少一个致动器(26)，利用所述至少一个致动器(26)，所述可移动表面(24)能够被动态地调整。
15.一种用于利用根据权利要求1至11中的任一项所述的加工设备对工件进行激光加工、特别地对所述工件进行激光切割的方法，所述方法包括：
利用来自加工激光源(16)的加工激光束(15)穿过所述加工设备的出口开口(18)照射工件(12)的加工区(13)，所述加工激光源(16)设置在所述加工设备(100；200；300；400)的第一接口(14)处；
借助于流动通过所述至少一个初级回路(30；32)而不与所述致动器接触的所述第一冷却流体，对所述激光束导引装置的所述至少一个致动器(26)进行冷却；以及
利用经冷却的所述至少一个致动器(26)动态调整所述可移动表面(24)。
16.根据权利要求15所述的方法，其中，对所述致动器进行冷却包括从下述各者选取的至少一个步骤：
与所述致动器接触的所述第二冷却流体流动通过所述封闭的次级回路(34)，其中，所述封闭的次级回路由流动通过所述初级回路(32)中的第一初级回路的所述第一冷却流体冷却；以及
所述第一冷却流体流动通过所述初级回路(32)中的所述第一初级回路和/或第二初级回路、特别地流动通过所述冷却结构件(37)。
17.根据权利要求15或16所述的方法，
其中，所述可移动表面(24)被动态地调整成使得所述可移动表面(24)改变按时间积分的加工激光束的光束参数乘积；和/或
其中，所述激光束导引装置、特别是所述至少一个可移动表面(24)至少垂直于传播方向动态地移动所述加工激光束；和/或
其中，所述激光束导引装置、特别是所述至少一个可移动表面动态地移动所述加工激光束并且产生至少一个焦点振荡，所述至少一个焦点振荡具有至少一个振荡幅度和至少一个振荡频率并且具有焦点振荡路径，所述焦点振荡路径对应于二维或三维李萨如图形或者二维或三维李萨如图形的组合。
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