DE10102969A1 - Gekühlte Spiegelvorrichtung - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine gekühlte Spiegelvorrichtung für Lasersysteme o. dgl., mit einem Spiegelgrundkörper und einem mit dem Spiegelgrundkörper starr verbundenen Spiegeldecke, wobei der Spiegelgrundkörper und/oder der Spiegeldeckel eine Kühleinrichtung aufweisen, wobei der Spiegeldeckel aus einem Aluminiummaterial hergestellt ist und zum Ausbilden einer reflexionserhöhenden Spiegelfläche mit Kupfer oder einem anderen reflexionserhöhenden Material beschichtet ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine gekühlte Spiegel­ vorrichtung für Lasersysteme nach dem Oberbegriff des Pa­ tentanspruchs 1. Derartige Spiegelvorrichtungen werden ty­ pischerweise als Reflexionselemente in industriellen Ferti­ gungsanlagen unter Nutzung eines (Leistungs-)Lasers, z. B. beim Schneiden oder Schweißen, eingesetzt.

Aufgrund einer Laserleistung, die im zweistelligen Kilo­ wattbereich liegen kann, ist es dabei notwendig, die Spie­ gelvorrichtung zu kühlen; selbst optimal physikalisch ge­ eignete und mechanisch vorbereitete Spiegeloberflächen (z. B. eine Kupfer-Oberfläche für die Wellenlänge 10,6 Mikrometer eines CO₂-Lasers) erreicht lediglich eine Reflexion von 99%, so dass die absorbierte Laserleistung durch ein mit der Kühleinrichtung verbundenes Kühlsystem abgeführt werden muss.

Kupfer ist aufgrund seiner günstigen Reflexionseigenschaf­ ten ein bekanntes Material zum Herstellen gattungsbildender Spiegelvorrichtungen; aus dem Stand der Technik ist es da­ her bekannt, sowohl den (die eigentliche Spiegelfläche aus­ bildenden) Spiegeldeckel, als auch den Spiegelgrundkörper aus massivem Kupfer auszubilden. Insbesondere im Hinblick auf einfache und preisgünstige Fertigung sowie Reparatur (etwa durch Nachbearbeiten einer abgenutzten Spiegelfläche) ist dies unproblematisch und im Stand der Technik eta­ bliert.

Gerade im Hinblick auf zukünftige, laserbasierte Bearbei­ tungsmaschinen, welche mit hochdynamischen Linearmotoren bewegt werden (bei Vorschubgeschwindigkeiten bis zu 20 m/min) erscheint dies jedoch problematisch: Das durch das hohe spezifische Gewicht von Kupfer begründete hohe Gewicht von gattungsgemäßen gekühlten Spiegelvorrichtungen bringt im Hinblick auf die hohen Geschwindigkeiten und entsprechend hohen Beschleunigungen nicht nur erhöhte Anforderun­ gen an Belastbarkeit und Ausführung der Stelleinrichtungen, auch ist aufgrund des dynamischen Schwingungsverhaltens derartiger Spiegelvorrichtungen mit einer Verlangsamung praktisch nutzbarer Arbeitstakte zu rechnen, da, nach jedem Stellvorgang, erst ein (letztendlich vom Gewicht der Spie­ gelvorrichtung abhängiges) Ausschwingen erfolgen muss, be­ vor die Laser-Bearbeitungseinheit nutzbar ist.

Ein weiterer Nachteil bekannter, gattungsbildender Spiegel­ vorrichtungen liegt darin, dass die Kühleinrichtung - ty­ pischerweise als in den Spiegelgrundkörper oder den Spie­ geldeckel eingefräster, spiralförmiger Kanal realisiert - ebenfalls ein Kupferelement ist. Bei Einsatz von Wasser als gängigem Kühlfluid führt dies dazu, dass in einem Kühl­ kreislauf (mit weiteren Spiegelvorrichtungen und anderen Aggregaten) ebenfalls nur reine Kupferleitungen bzw. -kanäle eingesetzt werden können, da ansonsten, etwa bei ei­ nem in den Kühlkreislauf eingekoppelten Aluminium- Kühlkanal, durch Kathoden- bzw. Anodeneffekt der ansonsten bekannten Materialfraß auftritt.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine gat­ tungsbildende Spiegelvorrichtung dahingehend zu verbessern, dass insbesondere die Eigenschaften einer solchen Spiegel­ vorrichtung im Zusammenhang mit hochdynamischen Stellmoto­ ren in einem Laser-System verbessert werden, ohne dass sich die Reflexionseigenschaften, etwa durch eine andere Mate­ rialwahl für eine Spiegelfläche, verschlechtern, und ohne dass in Herstellung und Fertigung ein wesentlich erhöhter Aufwand in Kauf genommen werden muss.

Weiterhin ist eine gattungsgemäße Spiegelvorrichtung dahin­ gehend weiterzubilden, dass die Kühleinrichtung nicht le­ diglich in einem Kühlkreislauf mit demselben Metall bzw. derselben Metallegierung betrieben werden kann, ohne dass Materialschädigungen auftreten.

Die Aufgabe wird durch die Spiegelvorrichtung mit den Merk­ malen des Patentanspruchs 1 sowie des Patentanspruchs 15 gelöst; vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben, wobei diese in äquivalen­ ter Weise auch auf den unabhängigen Patentanspruch 15 rück­ bezogen gelten sollen. Ferner wird Schutz für die Verwen­ dung nach den Ansprüchen 13 und 14 beansprucht.

In erfindungsgemäß vorteilhafter Weise ermöglicht es die vorliegende Erfindung, eine insbesondere auch für Hochlei­ stungs-Laser innerhalb eines Laser-Systems geeignete Spie­ gelvorrichtung bereitzustellen, die, durch ein deutlich verringertes Gewicht bei gegenüber einer massiven Kupfer- Spiegelvorrichtung unveränderten positiven Reflexionseigen­ schaften optimal geeignet für schnell bewegliche bzw. schnell beschleunigte Einheiten innerhalb moderner Ferti­ gungsanlagen ist.

Zudem wirkt sich die Verwendung des erfindungsgemäßen Alu­ miniummaterials sowohl günstig für die Herstellungskosten, als auch für die Wärmeabfuhr von der Spiegelfläche aus. Da­ bei ist als "Aluminiummaterial" im Rahmen der vorliegenden Erfindung nicht lediglich massives Aluminium zu verstehen; vielmehr sind von dieser Definition jegliche Aluminium­ basierte Legierungen umfasst, welche, mit überwiegendem An­ teil Aluminium gegenüber anderen Legierungselementen, eine Realisierung des spürbaren Gewichtsvorteils gegenüber Kup­ fer ermöglichen.

Je nach Dicke der reflexionserhöhenden Kupferschicht ist es zudem möglich, diese entweder (ohne erneutes Beschichten) nachzubearbeiten, z. B. durch ansonsten bekannten Einsatz von Diamant-Drehmaschinen mit Nanometerauflösung, oder aber, besonders geeignet durch elektrolytische Verfahren, eine neue Kupferschicht aufzubringen.

Von der vorliegenden Erfindung ist es zudem umfasst, statt Kupfer ein anderes (gegenüber dem Aluminiummaterial) eine reflexionserhöhende Wirkung besitzendes Material einzuset­ zen.

Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist es vorgesehen, die Spiegelfläche durch Vorsehen eines spiral­ förmigen Kupferkanals im Spiegeldeckel (wobei der Kanal dann von der gegenüberliegenden Flachseite des Spiegel­ grundkörpers verschlossen wird) zu kühlen; typischerweise fließt durch diesen Kanal destilliertes Wasser als Kühl­ fluid, wobei ein günstiger Abstand zwischen Kanalboden und Spiegelfläche zwischen 0,1 und 1 mm liegt, um die Wärmeab­ fuhr zu optimieren.

Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Er­ findung, für welche im Zusammenhang mit den Merkmalen gemäß unabhängigem Patentanspruch 15 auch unabhängiger Schutz be­ ansprucht wird, weist der Fluidkanal eine mittels eines Nickelmaterial realisierte Beschichtung (Vernickelung) auf. Im Rahmen der Erfindung betrifft diese Vernickelung zumin­ dest sämtliche mit dem Kühlfluid in Kontakt tretende Innen­ flächen des Fluidkanals; weiter bevorzugt erfolgt das Ver­ nickeln jedoch durch ganzflächiges Beschichten der innen­ seitigen Flachseite des Spiegelgrundkörpers sowie, weiter bevorzugt, der gegenüberliegenden Innenfläche des Spiegel­ deckels mit den darin vorgesehenen Kanälen. Als "Nickelmaterial" im Rahmen der Erfindung ist dabei nicht lediglich elementares Nickel zu verstehen, sondern sämtli­ che Legierungen sind umfasst, mit denen sich die erfin­ dungsgemäß günstige Wirkung, nämlich elektrochemische Neu­ tralität, erreichen lässt.

Als besonders geeignete Form einer Aufbringung des Nic­ kelmaterials für die Vernickelung hat es sich zudem erwie­ sen, Stromlos-Nickel einzusetzen, wobei hier typische Schichtstärken im Bereich zwischen 10 und 100 Mikrometern liegen. Stromlos-Nickel besitzt den Vorteil, dass es geome­ triegenau auftragbar ist und daher insbesondere für eine leicht herstellbare, gleichmäßig und homogene Beschichtung sorgt.

Während es einerseits besonders geeignet ist, die erfin­ dungsgemäß gekühlte Spiegelvorrichtung in ansonsten bekann­ ter Weise unter Zuhilfenahme einer abnehmbaren Justierplat­ te am Spiegelgrundkörper auf oder mit Führungsaggregaten zu versehen, sieht eine besonders günstige Ausführungsform der Erfindung vor, die Funktionalität einer (traditionell ge­ trennten) Justierplatte intergral als Bestandteil des Spiegelgrundkörpers selbst vorzusehen. Hierdurch lassen sich der Herstellungsaufwand und mithin die Fertigungsko­ sten deutlich reduzieren, ohne dass die praktische Handha­ bung einer solchen Einheit, insbesondere bei Austausch ohne die Notwendigkeit einer Nachjustage, erschwert wird.

Insbesondere bei dieser Ausführungsform ist es daher auch vorteilhaft, die Kühleinrichtung im Spiegelgrundkörper selbst (statt im Spiegeldeckel) vorzusehen, so dass im Er­ gebnis der Spiegeldeckel auf eine dünne Scheibe reduziert werden kann.

Während bevorzugte Anwendungsgebiete der erfindungsgemäßen Spiegelvorrichtungen den Wellenlängenbereich von 10,6 Mi­ krometern (entsprechend Kohlendioxydlasern) betreffen und dabei die hier besonders günstige Reflexionseigenschaften von Kupfer ausnutzen, ist die vorliegende Erfindung nicht auf diesen Anwendungsbereich beschränkt, sondern eignet sich prinzipiell für jegliche Anwendungen, bei welchen es auf günstige Gewichtseigenschaften und/oder günstige elek­ trochemische Eigenschaften in der Kühleinrichtung im Ver­ bund mit weiteren Aggregaten entlang eines Kühlstranges an­ kommt.

Eine besonders geeigneter Anwendungsfall liegt zudem im Einsatz zusammen mit ansonsten bekannten Laserfokussierköp­ fen, wie sie auch von der Anmelderin hergestellt werden. Insbesondere hier bietet es sich an, die Spiegelfläche asphärisch auszugestalten, ansonsten sind jedoch beliebige Spiegelformen (plan, sphärisch od. dgl.) denkbar.

Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnung; diese zei­ gen in

Fig. 1: eine geschnittene Perspektivansicht der gekühlten Spiegelvorrichtung gemäß einer ersten Ausfüh­ rungsform der vorliegenden Erfindung;

Fig. 2: eine Detailansicht der Schnittfläche gemäß Fig. 1;

Fig. 3: eine Draufsicht auf die Bodenfläche der Spiegel­ vorrichtung gemäß Fig. 1, Fig. 2;

Fig. 4: eine perspektivische, geschnittene Ansicht einer gekühlten Spiegelvorrichtung gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;

Fig. 5: eine Detailansicht der Schnittfläche gemäß Fig. 4 und

Fig. 6: eine Draufsicht auf die Vorrichtung gemäß Fig. 4, Fig. 5.

Wie in der Fig. 1 gezeigt, weist eine für einen Laser- Wellenlängenbereich von 10,6 Mikrometern optimierte, ge­ kühlte Spiegelvorrichtung 10 einen eine Spiegelfläche 12 ausbildenden Spiegeldeckel 14 auf, welcher durch Verkleben oder Verlöten mit einem Spiegelgrundkörper 16 verbunden ist, so dass sich eine flachzylindrische Gesamtanordnung ergibt.

An seiner dem Spiegelgrundkörper zugewandten Flachseite weist der Spiegeldeckel 14 eine Spiralnut 18 auf, welche, im Zusammenwirken mit einer gegenüberliegenden planen Innenfläche 20 des Spiegelgrundkörpers 16, einen Kühlkanal ausbildet, der wiederum einends von einem im Spiegelgrund­ körper 16 gebildeten ersten Einlasskanal 22 mit Einlassboh­ rung 24 sowie andernends mittels eines zweiten Einlasska­ nals 26 mit Einlassbohrung 28 gespeist wird.

Eine mit ihren Wänden parallel zur Spiegelfläche 12 verlau­ fende Ringnut 30 im Spiegelgrundkörper 16 grenzt einen bo­ denseiten Ringflansch 32 ab, welcher mittels darin vorgese­ hener Befestigungsbohrungen 34 zum (für die Spiegelfläche 12 weitgehend spannungsfreien) Befestigen auf ansonsten be­ kannten Justierplatten vorgesehen ist.

Die Spiegelfläche 12 ist durch ein elektrolytisches Verfah­ ren mit Kupfer einer Stärke von ca. 0,1 mm beschichtet. Ferner ist die durch die Paare von Einlassbohrungen 24, 28, Einlasskanälen 22, 26 sowie die Spiralnut 18 realisierte Kühleinheit vollflächig vernickelt, und zwar durch span­ nungslos aufgebrachtes Nickelmaterial, im beschriebenen Ausführungsbeispiel ganzflächig auf der Innenfläche 20 des Spiegelgrundkörpers 16 sowie der gegenüberliegenden, die Spiralnut 18 aufweisenden Innenfläche des Spiegeldeckels 14.

Die Fig. 3 verdeutlicht die so entstehende Geometrie von der Bodenseite her.

Es entsteht damit eine fluidgekühlte Vorrichtung, welche gegenüber einer äquivalenten Vorrichtung aus massivem Kup­ fermaterial ein um etwa 50% reduziertes Gewicht aufweist. Insbesondere für einen Einsatz in schnell beweglichen bzw. schnell beschleunigten Maschinenumgebungen eignet sich da­ mit die beschriebene Vorrichtung in herausragender Weise. Zudem wird durch den vernickelten Kühlkanal mit entspre­ chend vernickelten Zuführungen erreicht, dass, elektroche­ misch neutral, die Anordnung im Rahmen eines geschlossenen, wasserbasierten Kühlkreislaufes mit praktisch beliebigen anderen Einheiten (also z. B. auch mit Cu- bzw. Al-Kanälen) zusammenwirken kann, ohne dass es durch anodische bzw. ka­ thodische Effekte zu einer Materialschädigung der beschrie­ benen Baugruppe kommt.

Unter Bezug auf die Fig. 4 bis 6 wird nachfolgend eine al­ ternative Realisierungsform der vorliegenden Erfindung be­ schrieben, welche, gegenüber der vorbeschriebenen Ausfüh­ rungsform, im Hinblick auf die zur Befestigung benötigten Baugruppen sowie die mechanische Dicke weiter optimiert ist.

Wie in Fig. 4 und Fig. 5 gezeigt, nimmt hier ein Spiegel­ grundkörper 36 eine aus Lamellenelementen 38 gebildete Kühlstruktur auf und bietet über ein Paar von Einlässen 40, 42 die Anschließbarkeit an ansonsten bekannte Zuführungs- bzw. Abführungsleitungen für fluides Kühlmittel.

Der Spiegelgrundkörper 36 wird, wie in den Fig. 4, 5 ge­ zeigt, von einem Spiegeldeckel 44 in Form eines flachen, scheibenförmigen Elements abgedeckt, welcher im beschriebe­ nen Ausführungsbeispiel, analog dem Ausführungsbeispiel der Fig. 1 bis 3, zum Ausbilden einer Spiegelfläche 46 elektro­ lytisch verkupfert ist. Ebenso ist das Kühlsystem, einge­ schlossen eine Innenfläche des Spiegeldeckels 44, mit Hilfe von Stromlos-Nickel allseits vernickelt, wobei, wie auch im vorbeschriebenen Ausführungsbeispiel, eine Schichtdicke von ca. 15 bis 20 Mikrometern gewählt wurde.

Unterschiedlich zum ersten Ausführungsbeispiel ist ein ra­ dial über die Spiegelfläche 46 hinausstehender, umfangssei­ tig quadratischer Flanschabschnitt 48, einstückig angeformt an den Spiegelgrundkörper 46, vorgesehen, wobei der Flan­ schabschnitt 48 in der Art und Funktionalität einer (für die erste Ausführungsform separat vorzusehenden) Justier­ platte geeignete Justierbohrungen 50 aufweist.

Während eine besonders geeignete Realisierungsform der zweiten Ausführungsform gemäß Fig. 4 bis Fig. 6 eine Realisierung aus Aluminium vorsieht, ist hier prinzipiell jedes beliebige andere Grundmaterial möglich, da bereits durch die sehr flache, integrierte Bauform beachtliche Gewichts­ ersparnisse erreichbar sind.

Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die konkret be­ schriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt; so ist es prinzipiell auch möglich, das erfindungsgemäß zum Ausbilden der Spiegelflächen verwendete Kupfermaterial durch ein an­ deres, Reflexionseigenschaften des Grundmaterials deutlich verbesserndes Material zu ersetzen. Genauso ist die erfin­ dungsgemäß eingesetzte, elektrochemisch neutrale Beschich­ tung des Kühlkanals nicht auf den Einsatz von Nickel be­ schränkt, sondern es können sich auch andere, entsprechend neutrale Materialien anbieten.

Claims (15)

1. Gekühlte Spiegelvorrichtung (10) für Lasersysteme od. dgl., mit
einem Spiegelgrundkörper (16; 36) und einem mit dem Spiegelgrundkörper starr verbundenen Spiegeldeckel (14; 44), wobei der Spiegelgrundkörper und/oder der Spiegeldeckel eine Kühleinrichtung (30) aufweisen,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Spiegeldeckel aus einem Aluminiummaterial hergestellt ist und
zum Ausbilden einer reflexionserhöhenden Spiegelflä­ che (12; 46) mit Kupfer oder einem anderen refle­ xionserhöhenden Material beschichtet ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Spiegelgrundkörper (16) aus dem Aluminiumma­ terial hergestellt ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, dass die Kühleinrichtung eine mittels eines bevorzugt spiralförmigen Fluidkanals (18) im Spiegel­ deckel realisierte Fluidkühlung, insbesondere Wasser­ kühlung, ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Fluidkanal im Spiegeldeckel (14) in Richtung auf eine mit dem Spiegeldeckel zusammenwirkende in­ nenseitige Flachseite (20) des Spiegelgrundkörpers (16) geöffnet und in einem Verbindungszustand von Spiegelgrundkörper und Spiegeldeckel durch die Flach­ seite verschlossen ist, wobei der Fluidkanal eine Vernickelung aufweist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Vernickelung sich i. w. über die gesamte in­ nenseitige Flachseite (20) des Spiegelgrundkörpers erstreckt.

6. Vorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekenn­ zeichnet, dass die Vernickelung durch Einsatz von stromlos aufgebrachtem Nickelmaterial, insbesondere einer Dicke zwischen 10 und 100 Mikrometern, reali­ siert ist.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Fluidkanal durch im Spiegel­ grundkörper gebildete, vernickelte Strukturen (22, 24; 26, 28) mit Kühlfluid beschickbar ausgebildet ist.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die reflexionserhöhende Spiegel­ fläche durch eine elektrolytische Kupferschicht einer Dicke zwischen 0,1 und 1,0 mm, bevorzugt zwischen 0,1 und 0,5 mm, realisiert ist.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die reflexionserhöhende Spiegelfläche herge­ stellt wird, nachdem der Spiegelgrundkörper und der Spiegeldeckel miteinander, insbesondere durch Verlö­ ten oder Verkleben, verbunden worden sind.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, gekenn­ zeichnet durch eine mit dem Spiegelgrundkörper ab­ nehmbar verbindbare Justierplatte, die zum Befestigen der Spiegelvorrichtung auf einer zugeordneten Träge­ reinheit vorgesehen ist.

11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Spiegelgrundkörper (36)einen als Justierplatte ausgebildeten, einstückig ansitzenden Flanschabschnitt (48) aufweist, der zum Befesti­ gen der Spiegelvorrichtung auf einer zugeordneten Trägereinheit vorgesehen ist.

12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühleinrichtung im Spiegelgrundkörper (36) vorgesehen ist.

13. Verwendung der Spiegelvorrichtung nach einem der An­ sprüche 1 bis 12 in einem Lasersystem bei einer Wel­ lenlänge im Bereich zwischen 10 und 11 Mikrometern, insbesondere bei 10,6 Mikrometern.

14. Verwendung der Spiegelvorrichtung nach einem der An­ sprüche 1 bis 12 als Bestandteil einer Strahl- Umlenkeinheit eines Lasersystems und/oder als Be­ standteil eines Laser-Fokussierkopfes.

15. Gekühlte Spiegelvorrichtung (10) für Laser-Systeme od. dgl. mit
einem Spiegelgrundkörper (16; 36) und einem mit dem Spiegelgrundkörper starr verbundenen Spiegeldeckel (14; 44), wobei der Spiegelgrundkörper und/oder der Spiegeldeckel eine Kühleinrichtung aufweisen und die Kühleinrichtung (30) eine mittels eines bevorzugt spiralförmigen Fluidkanals im Spiegeldeckel reali­ sierte Fluidkühlung, insbesondere Wasserkühlung, ist,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Fluidkanal eine Vernickelung oder eine Be­ schichtung aus einem anderen, elektrochemisch neutra­ len Material aufweist.