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Die
Erfindung betrifft eine Anordnung zur Verstellung mindestens eines
Parameters eines über einem
Werkstück
fokussierten Strahls für
die Laserstrahlmaterialbearbeitung, nämlich in einer Laserschneidmaschine
oder Lasermarkiereinrichtung für Bleche
oder dergleichen Werkstücke
nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Bei
einer bekannten Anordnung zum Schneiden von dünnen Platten wird der von einer
Laserquelle über
eine konkave Linsen-/Spiegeleinheit ausgehende, divergierende Rohstrahl
durch einen von zwei an verschiedenen Stellen in den Strahlengang
einschiebbaren konvexen Linsen mit unterschiedlichem Durchmesser
kollimiert (JP-11058054-A). Das kollimierte Licht wird auf die Fokussiereinheit
gerichtet, die längs
des kollimierten Strahlengangs verschoben werden kann. Damit ist
es möglich,
den Fokusradius bzw. die Fokusgröße und die
Rayleighlänge,
die in einer festen Beziehung zueinander stehen, in allerdings nur
zwei Stufen zu ändern.
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Generell
ist eine Verstellung der Fokusgröße und Rayleighlänge für die Laserbearbeitung
wünschenswert,
da bei einer geringen Fokusgröße eine schmale
Schnittfuge und mit dieser eine hohe Schneidgeschwindigkeit erreicht
werden. Die dabei zwangsläufig
nur kurze Schärfentiefe
bzw. Rayleighlänge
ist bei dem Schneiden von dünnen
Blechen nicht nachteilig. – Wenn
für das
Schneiden dickerer Bleche eine größere Schärfentiefe erwünscht ist
und eingestellt werden kann, ergibt sich daraus ein größerer Fokusdurchmesser,
aus dem eine breite Schnittfuge, in der das Material nicht wieder
zusammenläuft,
resultiert. Allerdings ist in dem letztgenannten Fall die Schneidgeschwindigkeit
herabgesetzt.
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Die
Veränderung
des Fokusdurchmessers und der Schärfentiefe bzw. Rayleighlänge ist
durch Änderung
der Ausleuchtung der Fokussieroptik möglich bzw. des Durchmessers
des auf die Fokussieroptik treffenden Strahls.
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Nach
dem weiter zurückliegenden
Stand der Technik der Praxis wird in einer Anordnung zur Verstellung
der Fokusgröße und Rayleighlänge für die Laserbearbeitung,
insbesondere in einer Laserschneidmaschine für Bleche, ein Kassettensystem mit
automatisierter Wechseleinrichtung vorgesehen, wobei jede Kassette
eine Optik fester Brennweite beinhaltet. Damit können die Fokusgröße und Rayleighlänge, aber
auch die Lage des Fokus bezüglich des
Werkstücks
je nach der Materialdicke eingestellt werden. – Trotz der automatisierten
Wechseleinrichtung ist jedoch die Bedienung dieses Kassettensystems
umständlich,
zumal jede Kassette nur für
einen bestimmten Bereich der zu schneidenden Blechstärke geeignet
ist.
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Es
ist aber auch bekannt, die Position des Fokus bezüglich des
zu schneidenden Werkstücks mit
einer adaptiven Optik, insbesondere einem adaptiven Spiegel, zu ändern, der
in der Nähe
der Fokussiereinheit angeordnet ist. Damit kann jedoch nur ein bestimmter
Blechstärkenbereich
bearbeitet werden.
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Eine
bekannte Anordnung der eingangs genannten Gattung umfaßt außer einer
Mehrzahl von Laserresonatoren zum Erzeugen von Laserstrahlen eine
Strahlmischeinrichtung zum Angleichen der optischen Achsen und zum
Mischen der Laserstrahlen, eine Strahllenkeinrichtung zum Richten
der gemischten Laserstrahlen auf das Werkstück sowie Einrichtungen mit
je einem variablen Spiegel zum Variieren der Brennpunkte, nämlich Brennpunktpositionen,
die willkürlich
eingestellt werden können
(
DE 199 33 825 A1 ,
insbesondere
7). Insbesondere werden
von zwei Laserresonatoren ausgehende Laserstrahlen mittels der Strahlenmischeinrichtung
in Form eines dichroitischen Spiegels achsgleich vereint, um keine Trennung
der Laserstrahlen hervorzurufen, wenn sich die Position des Werkstücks ändert. Damit
soll ein Bearbeitungsloch ohne Veränderung der Schmelztiefe gemäß der Laserstrahlbewegung
stabilisiert werden.
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Eine
weitere zum Stand der Technik gehörende Laserstrahl-Bearbeitungsvorrichtung
weist eine Einrichtung zur Erzeugung einer prozeßangepaßten Intensitätsverteilung
am Werkstück
auf der Basis mindestens zweier Teil-Laserstrahlen auf, die aus
einem Laserstrahl erzeugt werden und mit unterschiedlichen Strahlradien überlagert
werden (
DE 196 19
339 A1 , insbesondere
4).
In dem Strahlengang des einen aus dem Laserstrahl reflektierten Teilstrahls
ist eine adaptive Optik angeordnet, mit der die Divergenz dieses
Teilstrahls und somit der Strahlradius auf einer Bearbeitungsoptik
verändert
wird. Damit wird auch der erzeugte Fokusradius in einer prozeßangepaßten Laserstrahlenintensitätsverteilung
verändert.
Im Strahlengang des Laserstrahls vor Auskopplung des reflektierten
Teilstrahls ist eine weitere adaptive Optik angeordnet, der nur
dazu dient, die Divergenz einer nachgeschalteten langbrennweitigen
Optik so zu ändern,
daß ein
gewünschter Strahlradius
an einem Ringspiegel entsteht, mit dem der reflektierte Teilstrahl
erzeugt bzw. ausgekoppelt wird. Damit kann das Verhältnis von
Leistungsanteilen des ausgekoppelten Teilstrahls zu einem transmittierten
Teilstrahl eingestellt werden.
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Der
vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine stufenlose
bzw. adaptive Einstellung des Fokusradius und der Rayleighlänge mit
einer Fokussieroptik konstanter Brennweite, die nicht ausgetauscht
und justiert zu werden braucht, zu schaffen.
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Mit
der erfindungsgemäßen Anordnung,
welche die beanspruchte Steuerung des ersten adaptiven Spiegels
und des zweiten adaptiven Spiegels umfaßt, können für jede Materialdicke des zu
schneidenden Werkstücks
der Fokusradius und die Rayleighlänge bzw. Schärfentiefe
optimal eingestellt werden. Insbesondere kann ohne Kompromisse die
Rayleighlänge
auf etwa die halbe Materialdicke eingestellt werden. Ein Auswechseln
oder eine mechanische Verstellung der Fokussiereinheit kann entfallen. Dies
wird im einzelnen durch die einfache Steuerung der adaptiven Spiegel
erreicht, die in bekannter Weise aus Piezomaterial bestehen können. Im
einzelnen läßt sich
der erste adaptive Spiegel stufenlos konkav oder konvex einstellen,
womit er aus dem Rohstrahl ein divergierendes oder konvergierendes
Strahlenbündel
erzeugt. Dieser trifft unmittelbar oder mittelbar auf den zweiten
adaptiven Spiegel, der aus dem divergierenden oder konvergierenden
Strahlenbündel wieder
ein Strahlenbündel
bzw. ein Strahlenbündel mit
vorgegebener Divergenz erzeugt, damit die Fokussiereinheit den Fokus
an die gleiche Stelle unabhängig
von der Strahlaufweitung legt, wenn dies nicht anders gewünscht wird.
Insbesondere wird in Verbindung mit den in Anspruch 2 angegebenen
Dimensionierungen erreicht, daß bei
einer Änderung
der optischen Weglänge
zwischen dem ersten adaptiven Spiegel und dem zweiten adaptiven
Spiegel keine störende
Variation des Fokusradius und der Rayleighlänge eintritt und daß letzteres
auch gilt, wenn der zweite adaptive Spiegel eingestellt wird, um
die gewünschte
Lage des Fokus beizubehalten.
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Als
Fokussiereinheit kann ein Fokussierspiegel oder eine Linse eingesetzt
werden.
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In
besonders vorteilhafter Weise beträgt der optische Weg zwischen
dem ersten adaptiven Spiegel und dem zweiten adaptiven Spiegel,
d.h. der optische Abstand zwischen diesen Spiegeln, 1 bis 3 m, während der
optische Weg zwischen dem zweiten adaptiven Spiegel und der Fokussiereinheit
0,2 bis 0,5 m beträgt.
Damit ist der Abstand zwischen dem ersten adaptiven Spiegel und
dem zweiten adaptiven Spiegel so groß, daß bei kleiner Divergenzänderung der
positiv oder negativ aufgeweiteten Rohstrahls ein ausreichend großer Strahldurchmesserunterschied, d.h.
Unterschied der Fokusgröße, erreicht
wird. Beispielsweise ist bei einer Strahllänge zwischen dem ersten adaptiven
Spiegel und dem zweiten adaptiven Spiegel von 1,80 m der Fokusdurchmesser
in dem Verhältnis
1:2 veränderbar,
was nach dem Stand der Technik einen Austausch der Fokussieroptik
mit doppelter Brennweite erfordert hat. Andererseits ist der Abstand
zwischen dem zweiten adaptiven Spiegel und der Fokussiereinrichtung
so klein, daß auch
bei relativ großer Änderung
der Divergenz mit dem zweiten adaptiven Spiegel kein merklicher
Unterschied des Fokusradius und der Rayleighlänge erzeugt wird, sondern praktisch
nur der Fokuslage.
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Insgesamt
ist durch die Anordnung gemäß Anspruch
1 in Verbindung mit der Steuerung gemäß Anspruch 2 die Anpassung
der Fokusgeometrie und – position
stufenlos und jederzeit ohne Gefährdung der
Umgebung oder von Bauteilen möglich,
wie sie sonst bei dem Entnehmen oder Einfügen von optischen Bauelementen
in den Laserstrahlengang auftreten könnte. Da nur eine Fokussiereinheit
erforderlich ist und ein Wechsel der Brennweite entfällt, werden
Nebenzeiten reduziert. Mit der Fokussiereinheit ist auch der in
Verbindung mit einem Mehrachsenkopf zur Strahllenkung auf das Werkstück trotz
des für
den Mehrachskopf typischen großen
mechanischen Abstandes zu dem Werkstück und der dafür erforderlichen
großen
Brennweite ein kleiner Fokus und damit eine große Vorschubgeschwindigkeit
bei dünnen
Blechen möglich.
Für das
Schneiden kann der Fokuspunkt hinsichtlich Anpassung an die erforderliche
Schnittfugenbreite und die Schärfentiefe
in der Schnittkante optimiert werden.
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Bei
einer Anordnung gemäß Anspruch
4 in einer Laserschneidmaschine oder Lasermarkiereinrichtung ist
die Laserquelle zweckmäßig auf
einem Portal der Maschine angeordnet, während der erste adaptive Spiegel,
der zweite adaptive Spiegel sowie die Fokussiereinheit an einem
quer an dem Portal in y-Richtung verfahrbaren Querwagen angebracht sind.
Dabei ist der zweite adaptive Spiegel ist in einem festen Abstand
zur Fokussiereinheit angeordnet. Infolge der in Anspruch 3 angegebenen
Dimensionierung ändert
sich der Abstand zwischen den beiden adaptiven Spiegeln bei Höhenverstellung
der Fokussiereinheit nur relativ wenig. Deswegen tritt durch eine
solche Abstandsänderung
nur eine geringe Veränderung
der Ausleuchtung der Fokussiereinheit ein.
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Vorteilhaft
ist nach Anspruch 5 in dem optischen Weg zwischen der Laserquelle
und dem ersten adaptiven Spiegel wenigstens ein erster Umlenkspiegel
dergestalt angeordnet, daß der
von der Laserquelle ausgehende Rohstrahl in einem spitzen Winkel
auf den ersten adaptiven Spiegel gelenkt wird. Damit wird Astigmatismus
durch den ersten adaptiven Spiegel weitgehend vermieden.
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Die
Anordnung der optischen Elemente gemäß Anspruch 6 läßt sich
insbesondere in Laserschneidmaschinen oder Lasermarkiereinrichtungen trotz
des verhältnismäßig großen optischen
Abstands zwischen dem ersten adaptiven Spiegel und dem zweiten adaptiven
Spiegel räumlich
kompakt realisieren.
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Die
Erfindung wird im folgenden anhand einer Zeichnung mit drei Figuren
erläutert,
aus der sich weitere Merkmale und Vorteile ergeben können. Es zeigt:
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1 einen
Ausschnitt aus einer Laserschneidmaschine, an der die erfindungsgemäße Anordnung
installiert ist,
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2 eine
Einzelheit des fokussierten Strahls bei einer ersten Ausleuchtung
der Fokussieroptik und
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3 die
Einzelheit gemäß 2,
jedoch bei einer größeren Ausleuchtung
der Fokussieroptik als gemäß 2.
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In 1 ist
mit 1 ein Portal einer Laserschneidmaschine im Ausschnitt
als Querschnitt dargestellt, welches in x-Richtung verfahrbar sein
kann. An dem Portal 1 ist ein bei 2 angedeuteter
Querwagen in y-Richtung verfahrbar. An dem Querwagen 2 ist – im einzelnen
nicht dargestellt – ein
Bearbeitungskopf 3 in z-Richtung
verschiebbar gelagert, der als Fokussiereinheit 4 einen
Fokussierspiegel umfaßt,
der über
einer Düse 5 angeordnet
ist. Unterhalb des Bearbeitungskopfes 3 kann ein angedeutetes Werkstück 13,
insbesondere eine Stahlplatte, gelegt sein.
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Die
Laserschneidmaschine umfaßt
eine nicht dargestellte Laserquelle, die an dem Portal 1 angebracht
ist. Der von der Laserquelle ausgehende Rohstrahl, der in y-Richtung
senkrecht zur Zeichenebene verläuft,
wird über
einen Umlenkspiegel 6 und einen Umlenkspiegel 7,
die an dem Querwagen 2 angebracht sind, in einem spitzen
Winkel auf einen ersten adaptiven Spiegel 8 gelenkt. Je
nach elektrischer Ansteuerung kann der erste adaptive Spiegel 8 aus einem
planen Zustand eine mehr oder wenige konvexe oder konkave Form annehmen,
um den Rohstrahl positiv oder negativ aufzuweiten. Der Ausgangsstrahl 9 wird
vertikal nach unten auf einen Umlenkspiegel 10 gelenkt,
der ihn auf einen zweiten adaptiven Spiegel 11 reflektiert.
Der zweite adaptive Spiegel 11 kann so angesteuert werden,
daß er
die Fokuslage des durch die Fokussiereinheit 4 fokussierten
Strahls trotz Divergenzänderung
des Ausgangsstrahls 9 des ersten adaptiven Spiegels 8 beibehält oder
gezielt einstellt, wobei aber wegen des kurzen Abstands zwischen
dem zweiten adaptiven Spiegel 11 und der Fokussiereinheit 4 der
Fokussierradius und die Rayleighlänge praktisch nicht verändert werden.
Die Lage des Fokus kann je nach den Erfordernissen beim Schneiden
oder Markieren verstellt werden, z.B. je nach Schneidart oder Materialdicke.
Durch Ansteuerung des zweiten adaptiven Spiegels 11 kann
auch bei einem Hub bzw. einer Höhenregelung des
Bearbeitungskopfes 3 die Fokuslage beibehalten werden.
Bei der Höhenregelung
des Bearbeitungskopfes verändert
sich der Abstand zwischen dem Umlenkspiegel 10, der ebenso
wie der zweite adaptive Spiegel 11 mit dem Bearbeitungskopf 3 verbunden ist,
und dem ersten adaptiven Spiegel 8, jedoch bezogen auf
die Länge
des optischen Wegs, den der Ausgangsstrahl 9 zwischen dem
ersten adaptiven Spiegel 8 und der Fokussiereinheit 4 zurücklegt,
nur relativ geringfügig.
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Es
sei noch bemerkt, daß der
fokussierte Strahl durch die Fokussiereinheit 4 durch die
Düse 5 gelenkt
wird, durch die in der Laserschneidmaschine das Schneidgas geleitet
wird.
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In 2 ist
bei einer ersten Ausleuchtung der Fokussiereinheit 4 der
fokussierte Strahl vereinfacht dargestellt, dessen Fokus sich im
Bereich der Raleighlänge
L1 nur unerheblich ändert.
Mit der Rayleighlänge
korrespondiert ein verhältnismäßig großer Fokus
bzw. Fokusdurchmesser D1. Dies wird bei einer verhältnismäßig geringen
Ausleuchtung der Fokussieroptik erreicht.
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In
der Situation gemäß 3 ist
jedoch die Ausleuchtung der Fokussiereinheit 4 vergrößert. Damit
reduziert sich der Fokus D2, in dem der Strahl eine verhältnismäßig große Intensität hat, und
die Rayleighlänge
ist zwangsläufig
verkürzt.
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Wesentlich
ist, daß in
den 2 und 3 nur die Auswirkungen von zwei
unterschiedlichen Ausleuchtungen der Fokussiereinheit dargestellt sind;
mit den adaptiven Spiegeln 8 und 11 in 1 wird
jedoch eine kontinuierliche Änderung
der Ausleuchtung erreicht.