DE102004007541B4

DE102004007541B4 - Vorrichtung und Verfahren für eine Bearbeitung großflächiger Bearbeitungsbereiche von Werkstücken mittels Laserstrahlung

Info

Publication number: DE102004007541B4
Application number: DE102004007541A
Authority: DE
Inventors: Lothar Dr.-Ing. Morgenthal; Annett Dipl.-Ing. Klotzbach; Thomas Dr. rer.nat. Schwarz; Jan Dipl.-Ing. Hauptmann; Rüdiger Gnann; Axel van Dipl.-Ing. Spankeren
Original assignee: ARNOLD KARL H MASCH; Karl H Arnold Maschinenfabrik & Co KG GmbH; Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2004-02-11
Filing date: 2004-02-11
Publication date: 2006-11-09
Anticipated expiration: 2024-02-12
Also published as: DE102004007541A1

Abstract

Vorrichtung für Bearbeitung großflächiger Werkstücke mittels Laserstrahlung,
bei der ein Laserstrahl auf den jeweiligen Bearbeitungsbereich eines Werkstückes gerichtet und der Strahlfleck des Laserstrahls entlang mindestens einer Achse bewegt wird,
wobei die Ablenkung des Laserstrahls mittels verschwenkbarer reflektierender Elemente erfolgt,
dadurch gekennzeichnet, dass der Laserstrahl (1) auf ein erstes reflektierendes Element (2) gerichtet wird das zwischen mindestens zwei vorgegebenen Endstellungen mit vorgegebenen Winkelneigungen in Bezug zu jeweils einem weiteren zweiten verschwenkbaren reflektierendem Element (3, 4) hin und her schaltbar ist und
dabei der Laserstrahl (1) alternierend vom in einer Endstellung positionierten reflektierenden ersten Element (2) auf jeweils eines der weiteren zweiten reflektierenden Elemente (3) oder (4) gerichtet ist,
so dass mit dem jeweiligen zweiten reflektierenden Element (3) oder (4) durch Verschwenkung um eine Achse eine Bewegung des Strahlflecks mit hoher Geschwindigkeit in Bezug zur jeweiligen arbeitungsbereiches bewegt wird, bis eine vorgebbare Breite des Bearbeitungsbereiches überstrichen und...

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung sowie ein Verfahren gemäß den Oberbegriffen der Patentansprüche 1 und 16. Sie ist insbesondere für eine Bearbeitung großflächiger Bearbeitungsbereiche von Werkstücken mit gleichzeitig hoher Bearbeitungsgeschwindigkeit geeignet. So kann beispielsweise eine Bearbeitung von in Form von Platten oder bandförmigen Elementen ausgebildeten Werkstücken vorteilhaft erfolgen. Es können beispielsweise translatorisch bewegte plattenförmige Elemente, üblicherweise auch als Bänder bezeichnet, mittels eines oder auch mehrerer Laserstrahlen bearbeitet werden, wobei unterschiedliche Bearbeitungen durchgeführt werden können.
So kann mit der Energie einer Laserstrahlung eine Mo difikation des Werkstoffes der jeweiligen Werkstücke zumindest in einem oberflächennahen Bereich durchgeführt werden. Die erfindungsgemäße Lösung kann aber auch zum Fügen, Zertrennen oder die Ausbildung bestimmter Oberflächenstrukturen oder Durchbrechungen durch Werkstücke hindurch eingesetzt werden. So können im letztgenannten Fall beispielsweise Perforationen in Werkstücken oder an Werkstückoberflächen ausgebildet werden.
Besonders bevorzugt kann die erfindungsgemäße Lösung immer dann eingesetzt werden, wenn auch großflächige Bearbeitungsbereiche mit der Laserstrahlung beaufschlagt werden sollen, wobei dann beispielsweise durch entsprechende Auslenkung eines Laserstrahls benachbarte Spuren durch eine im Wesentlichen translatorische Bewegung eines Strahlflecks entlang einer Achse auf der Oberfläche eines Bearbeitungsbereichs eines jeweiligen Bearbeitungsbereichs ausgebildet werden und dann möglichst gleichzeitig eine translatorische Vorschubbewegung des jeweiligen Werkstücks zumindest in etwa orthogonal zur translatorischen Auslenkbewegung des Strahlflecks vorgenommen wird.
Prinzipiell wurden bisher zwei Lösungswege in solchen Fällen ausgewählt.

So wurde in einem Fall die eigentliche translatorische Auslenkbewegung eines Strahlflecks mittels sich um eine Rotationsachse drehender so genannter Polygonspiegel, wie dies u.a. in DE 37 11 905 C1 beschrieben worden ist, erreicht. Dabei sind mehrere im Wesentlichen plane reflektierende Elemente über den Umfang eines solchen rotierenden Polygonspiegels angeordnet. Bei der Drehung wird ein auf die einzelnen reflektierenden Elemente einfallender Laserstrahl entsprechend der jeweiligen Einfalls- und Drehwinkel des Polygonspiegels ausgelenkt, wobei die jeweilige Länge und der Außendurchmesser eines solchen Polygonspiegels den jeweils erreichbaren Auslenkweg beeinflussen können.

Mit den an sich bekannten Polygonspiegeln ist aber generell nur eine translatorische Auslenkung des Strahlflecks eines so reflektierten Laserstrahls in eine Richtung einer Achse möglich.

Des Weiteren ist es bei diesen bekannten Lösungen nachteilig, dass infolge der Massenträgheit der eingesetzten Polygonspiegel eine gegebenenfalls erforderliche Beeinflussung, beispielsweise durch eine Regelung, der Auslenkgeschwindigkeit den reflektierenden Elementen reflektierten Laserstrahls und dementsprechend der Bewegungsgeschwindigkeit des Strahlflecks auf der Oberfläche von Werkstücken nur mit erhöhter Zeitkonstante erreichbar ist. Demzufolge können Schwankungen der Vorschubgeschwindigkeit eines bewegten Werkstücks nur bedingt ausgeglichen werden, so dass eine fehlerbehaftete Bearbeitung von Werkstücken in dieser Form nicht ausgeschlossen werden kann.

Der zweite an sich bisher häufig beschrittene weg besteht darin, die Auslenkung eines Laserstrahls mittels mehrerer zumindest um eine Rotationsachse verschwenkbarer reflektierender Elemente, den so genannten Scannerspiegel durchzuführen. Bei diesen Lösungen können relativ hohe Auslenk- und Bewegungsgeschwindigkeiten für Laserstrahl und Strahlfleck bei einer translatorischen Bewegung entlang einer Achse realisiert werden. Da aber die jeweiligen reflektierenden Elemente hierzu auch in jeweils entgegengesetzter Richtung hin und her verschwenkt werden müs sen, treten Probleme im Bereich der Umkehrpunkte, an denen ein Wechsel der Schwenkrichtung durchgeführt werden muss, ebenfalls durch die Massenträgheit der reflektierenden Elemente auf, so dass in diesen Bereichen Zeitverzögerungen und Diskontinuitäten auftreten, die einer homogenen Bearbeitung über den Bearbeitungsbereich entgegenstehen oder zu einer Reduzierung der Gesamtbearbeitungsgeschwindigkeit führen.

Alternativ könnte außerdem Anlagentechnik eingesetzt werden, bei denen zwei Laserstrahlquellen alternierend betrieben werden, so dass eine Bearbeitung mit dem Laserstrahl einer Laserstrahlquelle erfolgt, während die strahlauslenkenden Elemente für den Laserstrahl einer zweiten Laserstrahlquelle, während eines Zeitraumes, bei dem diese ausgeschaltet ist, rückgeführt werden. Eine solche Anlagentechnik scheidet aber häufig aus, da eine Laserstrahlquelle einen erheblichen Kostenfaktor einer solchen Anlage darstellt.

So ist aus DE 2214883 A ein Gerät und ein Verfahren zum optischen Bearbeiten von Werkstoffen bekannt, bei dem ein Laserstrahl auf einen rotierenden Polygonspiegel gerichtet wird. Der von den Einzelspiegeln reflektierte und bei der Rotation ausgelenkte Laserstrahl wird dann auf eine Anordnung mit in einer Reihenanordnung ausgebildeten Sammelspiegeln gerichtet, von denen dann der mittels des Polygonspiegels ausgelenkte Laserstrahl jeweils einzeln auf die Oberfläche eines Werkstückes fokussiert wird.

In US 6,037,968 ist eine weitere Lösung beschrieben, bei der ein Laserstrahl über mehrere reflektierende Elemente durch gezielte Ablenkung des Laserstrahles mittels eines akustooptischen Deflektors auf jeweils eine ausgewählte Bearbeitungsstation gerichtet werden kann.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, Möglichkeiten vorzuschlagen, um eine Bearbeitung großflächiger Werkstücke mit erhöhter Bearbeitungsgeschwindigkeit, bei reduzierten Kosten durchführen zu können.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit einer Vorrichtung, die die Merkmale des Anspruchs 1 sowie einem Verfahren gemäß Anspruch 16 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungsformen und Weiterbildungen der Erfindung können mit den in untergeordneten Ansprüchen bezeichneten Merkmalen erreicht werden.

Bei der erfindungsgemäßen Lösung für eine Bearbeitung großflächiger Werkstücke mittels Laserstrahlung wird ein von einer Laserstrahlquelle emittierter Laserstrahl gegebenenfalls auch nach mehrfacher vorheriger Umlenkung mittels reflektierender Elemente auf ein erstes reflektierendes Element gerichtet. Dieses erste reflektierende Element ist so ausgebildet, dass es zwischen mindestens zwei vorgegebenen Endstellungen hin und her verschwenkbar ist und quasi einen "Schalter" darstellt. Die jeweils vorgegebenen Winkelneigungen, in denen dieses erste reflektierende Element in die Positionen der jeweiligen Endstellungen gebracht werden kann, sind so ausgewählt, dass der von diesem ersten reflektierenden Element reflektierte Laserstrahl auf jeweils ein zweites reflektierendes Element auftrifft und von diesem unmittelbar gegebenenfalls aber auch über ein weiteres drittes reflektierendes Element und von dort auf die jeweilige Oberfläche des Bearbeitungsbereichs eines Werkstücks reflektiert werden kann.

Dabei sind die jeweiligen in Bezug zu den Winkelneigungen der jeweiligen Endstellung angeordneten zweiten reflektierenden Elemente so ausgebildet, dass sie um eine Achse schwenkt werden können. Bei der Schwenkbewegung der zweiten reflektierenden Elemente wird der auftreffende Laserstrahl in Abhängigkeit des Einfalls- und Schwenkwinkels auf das jeweilige zweite reflektierende Element, bei dessen Schwenkbewegung ausgelenkt, so dass auch der Strahlfleck des Laserstrahls auf der Oberfläche des Bearbeitungsbereichs eines Werkstücks eine entsprechende Bewegung entlang einer Achse vollzieht und dabei der jeweilige Bearbeitungsbereich des Werkstücks überstrichen wird, so dass die jeweilige Bearbeitung des Werkstücks erfolgen kann.

Ist dann ein jeweils vorgebbarer Weg des Strahlflecks auf der Oberfläche zurückgelegt worden, wird das erste reflektierende Element sprunghaft in eine andere Endstellung gebracht, die es ermöglicht, dass der Laserstrahl vom ersten reflektierenden Element nunmehr auf ein jeweils weiteres verschwenkbares reflektierendes Element reflektiert wird, so dass bei dessen Schwenkbewegung die Auslenkung des Laserstrahls und die Bewegung des Strahlflecks in analoger Form durchgeführt werden.

Zwischenzeitlich besteht die Möglichkeit, das jeweils andere vorab genutzte zweite reflektierende Element in seine Ausgangsvorabstellung zurückzuschwenken, so dass ein Ausgangszustand für einen neuen Zyklus hergestellt werden kann.

So können bei einer erfindungsgemäßen Vorrichtung mit zwei zweiten reflektierenden Elementen diese alternierend, durch die jeweilige Umschaltung des ersten reflektierenden Elementes in die jeweilige Endstellung für die Auslenkung des Laserstrahls und die Bewegung des Strahlflecks benutzt werden, so dass quasi jeweils mindestens ein zweites reflektierendes Element pausiert, während das andere zweite reflektierende Element in Betrieb ist.

Bei einer erfindungsgemäßen Lösung kann also in zwei Schritten 1) und 2) gearbeitet werden, wobei im Schritt 1) das erste reflektierende Element in eine Endstellung gebracht worden ist, in der eines der zweiten reflektierenden Elementen mit dem Laserstrahl beaufschlagt und geschwenkt wird, dabei der Strahlfleck entlang mindestens einer Achse auf der Oberfläche des Bearbeitungsbereichs bewegt wird, bis eine vorgebbare Breite des Bearbeitungsbereichs überstrichen worden ist. Dieser Weg kann auf einen Teilbe reich der gesamten Werkstückoberfläche begrenzt sein, die gesamte Breite eines Werkstücks sein, aber auch über die äußeren Ränder eines Werkstücks hinausgehen.

Dann erfolgt das Umschalten, also das Verschwenken des ersten reflektierenden Elementes in eine weitere Endstellung für die Durchführung eines Schrittes 2), bei dem der Laserstrahl vom ersten reflektierenden Element auf ein jeweils anderes zweites reflektierendes Element gerichtet, von diesem reflektiert und durch dessen Verschwenkung die Auslenkung des Laserstrahls mit gleichzeitiger Bewegung des Strahlflecks, wie vorab erläutert, durchgeführt wird.

Die Schritte 1) und 2) können dann sukzessive wiederholt werden.

Dabei kann die jeweilige Oberfläche eines Bearbeitungsbereichs sukzessive durch die stufenweise Beeinflussung abgerastert werden.

Die bei den herkömmlichen Lösungen Problem behafteten Umkehrpunktbereiche können so ausgeblendet werden, da eine sehr schnelle Verschwenkung eines ersten reflektierenden Elementes von einer Endstellung in eine andere möglich ist. Dieser Effekt kann weiter dadurch positiv beeinflusst werden, dass sehr kleine Winkel für die Verschwenkung des ersten reflektierenden Elementes von einer Endstellung in eine andere Endstellung ausreichend sind. Dabei kann mit vergleichbar sehr kleiner Winkelbeschleunigung die Verschwenkung des ersten reflektierenden Elementes in sehr kurzer Zeit erfolgen.

Mit der erfindungsgemäßen Lösung lassen sich ohne weiteres Bewegungsgeschwindigkeiten des Strahlflecks eines Laserstrahls über die Oberfläche eines Bearbeitungsbereichs von Werkstücken mit Geschwindigkeiten oberhalb 150 m/s realisieren.

Vorteilhafterweise sollten die zweiten reflektierenden Elemente im Bereich der Mittenachse des jeweiligen Bearbeitungsbereichs angeordnet sein, wobei zusätzlich eine versetzte Anordnung dieser zweiten reflektierenden Elemente zueinander gewählt werden sollte, so dass keinerlei Beeinflussung des jeweils reflektierten und ausgelenkten Laserstrahls auftreten kann. Eine Anordnung im Bereich der Mittenachse führt zu nahezu konstanten Bearbeitungsverhältnissen bei der Bewegung des Strahlflecks entlang einer Achse über die jeweilige Oberfläche des Bearbeitungsbereichs. So können dabei die Bewegungsgeschwindigkeit des Strahlflecks, die jeweilige Fläche des Strahlflecks und seine Geometrie zumindest nahezu konstant gehalten werden.

Bei der Auslenkung des Laserstrahls durch die Verschwenkung der jeweiligen zweiten reflektierenden Elemente sollte eine konstante Winkelgeschwindigkeit eingehalten werden.

Als zweite reflektierende Elemente können bevorzugt um eine Achse verschwenkbare Scannerspiegel eingesetzt werden.

Mit der erfindungsgemäßen Lösung kann so gearbeitet werden, dass der Laserstrahl unmittelbar von den zweiten reflektierenden Elementen auf die jeweilige zu bearbeitende Werkstückoberfläche gerichtet wird. Wie bereits angedeutet, besteht aber auch die Möglichkeit eine zusätzliche Umlenkung des mit den zweiten reflektierenden Elementen entlang einer Bahn aus gelenkten Laserstrahls vorzusehen. Hierzu kann mindestens ein drittes reflektierendes Element eingesetzt werden, auf das der durch die Verschwenkung ausgelenkte Laserstrahl auftrifft und in Richtung auf die Werkstückoberfläche durch Reflexion umgelenkt wird. Solche dritten reflektierenden Elemente sollten so dimensioniert sein, dass sie bevorzugt mindestens die gesamte Breite eines Bearbeitungsbereichs überdecken, so dass die jeweils gewünschte Bearbeitung mit lediglich einem dritten reflektierenden Element und einem Laserstrahl durchgeführt werden kann.

Bei der erfindungsgemäßen Lösung kann mit unterschiedlichen Laserstrahlquellen, die kontinuierlich, aber auch in gepulster Form betrieben werden können, gearbeitet werden. Die jeweilige Auswahl der Laserstrahlungsquelle und die Betriebsart können ohne weiteres unter Berücksichtigung der durchzuführenden Bearbeitung und auch der für die Laserbearbeitung spezifischen Werkstoffparameter des jeweiligen Werkstücks ausgewählt werden.

Die erfindungsgemäße Lösung kann auch dadurch weiter gebildet werden, dass Einfluss auf die geometrische Gestalt der Strahltaille eines Laserstrahls und dementsprechend auch auf die Geometrie des auf die jeweilige Werkstückoberfläche auftreffenden Strahlflecks genommen werden kann, was häufig für bestimmte Bearbeitungen gewünscht wird.

So ist häufig eine strichförmige oder auch ellipsenförmige Ausbildung von Strahlflecken vorteilhaft.

Hierzu können im Strahlengang des Laserstrahls für eine vorgebbare Formung von Laserstrahlquerschnitten geeignete optische Elemente angeordnet werden. Dies können bevorzugt unterschiedlich gestaltete reflektierende Elemente, wie beispielsweise Toroidspiegel sein.

Hierfür eingesetzte optische Elemente können an verschiedenen Orten im Strahlengang des Laserstrahls statisch angeordnet sein, was bedeutet, dass sie im Strahlengang des Laserstrahls möglichst vor dem ersten reflektierenden Element angeordnet sein sollten.

Insbesondere bei der Bearbeitung translatorisch in einer Richtung bewegter Werkstücke kann es vorteilhaft sein, ein drittes reflektierendes Element in einem schräg geneigten Winkel zur Achse der Vorschubbewegung des jeweiligen Werkstücks auszurichten, um eine orthogonale Bearbeitung bei der Bewegung des Strahlflecks in Bezug zur Vorschubbewegungsrichtung des jeweiligen Werkstücks zu ermöglichen. Dabei sollte dann der jeweilige Neigungswinkel des dritten reflektierenden Elementes die Vorschubgeschwindigkeit des Werkstücks berücksichtigen.

Für den Fall, dass ein drittes reflektierendes Element zum Umlenken des vom zweiten reflektierenden Elementen reflektierten Laserstrahls auf eine Oberfläche eingesetzt worden ist, kann eine Auslenkung eines Laserstrahls mit entsprechender Bewegung des Strahlflecks in eine Richtung entlang einer Achse unproblematisch realisiert werden. Wird aber auch eine Bewegung in entgegengesetzter Richtung gewünscht, sollten möglichst zwei dritte reflektierende Elemente miteinander kombiniert eingesetzt werden. So kann dann ein drittes Element für eine Auslenkung in eine Richtung und das jeweils andere dritte reflektierende Element für eine Auslenkung in die entsprechend entgegengesetzte Richtung genutzt werden, um durch eine Vor schubbewegung eines Werkstücks hervorgerufene Diskrepanzen zu vermeiden. So können die unterschiedlichen dritten reflektierenden Elemente in unterschiedlichen Winkeln in Bezug zur Vorschubrichtung des Werkstücks ausgerichtet und/oder die reflektierende Oberfläche der dritten reflektierende Elemente in unterschiedlicher Form gewölbt oder geneigt sein.

In diesen Fällen ist dann bei einem Richtungswechsel des ausgelenkten Laserstrahls eine Relativbewegung des Laserstrahls in Bezug zum jeweiligen dritten Element auszuführen, so dass der Laserstrahl auf das jeweilige geeignete dritte Element auftrifft und von diesem reflektiert wird.

Diese Relativbewegung kann durch eine Bewegung oder Verschwenkung der dritten reflektierenden Elemente, eine zusätzliche Verschwenkung des von den zweiten reflektierenden Elementen ausgehenden Laserstrahls oder eine zusätzliche Umlenkung des Laserstrahls zwischen den zweiten und dritten reflektierenden Elementen mittels eines weiteren reflektierenden Elementes, das dort in den Strahlengang des Laserstrahls je nach Bedarf eingeführt, bewegt oder verschwenkt wird.

Zwei dritte reflektierende Elemente können Einzelteile, aber auch als ein einheitliches Element ausgebildet sein.

Vorteilhaft sind dritte reflektierende Elemente als Fokussierspiegel ausgebildet, so dass der Querschnitt des Laserstrahls in Richtung auf die zu bearbeitende Oberfläche des Werkstücks dadurch nochmals reduziert werden kann.

Für die erfindungsgemäße Bearbeitung großflächiger Werkstücke ist es außerdem vorteilhaft, den Abstand zwischen den zweiten reflektierenden Elementen und dem Auftreffort des Strahlflecks auf einem Bearbeitungsbereich eines Werkstücks relativ groß zu wählen, um bereits mit relativ kleinen Verschwenkwinkeln einen großflächigen Bearbeitungsbereich abdecken zu können. So sollte der Abstand zwischen zweiten reflektierenden Elementen und dritten reflektierenden Elementen mindestens doppelt so groß sein, wie der Abstand zwischen dem ersten reflektierenden Element und den zweiten reflektierenden Elementen. Bei der erfindungsgemäßen Lösung besteht ohne weiteres die Möglichkeit, die zweiten reflektierenden Elemente in einem Abstand von ca. 2000 mm zum jeweiligen Auftreffort des Strahlflecks auf den Bearbeitungsbereich zu realisieren.

Wie bereits vorab angedeutet, besteht auch die Möglichkeit den Laserstrahl durch Verschwenkung der zweiten reflektierenden Elemente soweit auszulenken, dass der Strahlfleck über die gesamte Breite des jeweiligen Bearbeitungsbereichs, also auch über die gesamte Breite eines vom Laserstrahl überstrichenen Werkstücks hinausgehend vorzusehen. Dementsprechend kann der Strahlfleck auch Positionen einnehmen, die außerhalb des äußeren Randes eines Bearbeitungsbereichs bzw. eines Werkstücks liegen. Ist dies der Fall ist es sicher günstig, eine Abschaltung der Laserstrahlquelle vorzunehmen bzw. die Laserleistung zu reduzieren oder der Laserstrahl auf die Laserstrahlung absorbierende Elemente auftrifft, um Gefährdungen oder unerwünschte Beschädigungen zu verhindern.

Es besteht aber auch die Möglichkeit. eine zusätzliche Auslenkung des Laserstrahls mit entsprechender Bewegung seines Strahlflecks in einer orthogonal zur Aus lenk- bzw. Bewegungsrichtung gerichteten Achse vorzusehen. Dies kann in Form einer oszillierenden Bewegung, die der Auslenkung bzw. Bewegung überlagert ist, erfolgen. Hierfür kann eines der bezeichneten reflektierenden Elemente, bevorzugt ein erstes reflektierendes Element genutzt werden, das dann so ausgebildet ist, dass es um zwei orthogonal zueinander ausgerichtete Achsen verschwenkbar ist. Es besteht aber auch die Möglichkeit zur Ermöglichung einer solchen Überlagerungsbewegung ein zusätzliches entsprechend verschwenkbares reflektierendes Element im Strahlengang des Laserstrahls anzuordnen.

Beim Betrieb der erfindungsgemäßen Lösung an translatorisch bewegten Werkstücken sollte eine Möglichkeit zur Regelung/Anpassung der Auslenkgeschwindigkeit des Laserstrahls mit einhergehender Bewegungsgeschwindigkeit des Strahlflecke in Bezug zur momentanen Vorschubgeschwindigkeit eines Werkzeugs vorzusehen. Dadurch können Vorschubgeschwindigkeitsänderungen kompensiert werden.

Eine Regelung kann aber auch unter Berücksichtigung anderer Bearbeitungsparameter durchgeführt werden, was beispielsweise mittels einer Temperaturregelung erfolgen kann.

Außerdem kann eine gezielte Einflussnahme auf die jeweilige Bearbeitung auch durch Steuerung von Bearbeitungsparametern, wie beispielsweise die Beeinflussung der jeweiligen momentanen Laserleistung, Laserpulsdauer und/oder eine gezielte Formung des Laserstrahls erfolgen kann.

Nachfolgend soll die Erfindung beispielhaft näher erläutert werden.
Dabei zeigt:
1 in schematischer Form eine perspektivische Darstellung erfindungsgemäßer Vorrichtungen zur Oberflächenbearbeitung eines translatorisch bewegten bandförmigen Werkstücks.
In 1 ist ein Beispiel einer Anlage für eine Oberflächenbearbeitung mittels Laserstrahlung an einem relativ breiten, translatorisch bewegten Werkstück 6, mit einer Gesamtbreite von 1500 mm gezeigt. Infolge dieser großen Gesamtbreite wurden bei diesem Beispiel zwei erfindungsgemäße Vorrichtungen parallel nebeneinander eingesetzt.
Dementsprechend wurden zwei Laserstrahlen 1, von nicht dargestellten Laserstrahlquellen ausgehend, über mehrere reflektierende Umlenkelemente 9, jeweils einen Toroidspiegel 8, mit dem eine Beeinflussung der Querschnittsform der Laserstrahlen 1 erfolgte, auf jeweils ein erstes reflektierendes Element 2 gerichtet.
Die ersten reflektierenden Elemente 2 können zwischen zwei Endstellungen hin und her verschwenkt und in den Endstellungen positioniert werden.
In jeder Endstellung eines ersten reflektierenden Elementes 2 wird der Laserstrahl 1 so reflektiert, dass er auf eines von zwei zweiten reflektierenden Elementen 3 oder 4 auftrifft und von dort in Richtung auf ein drittes reflektierendes 5 umgelenkt wird. Gleichzeitig wird das jeweilige zweite reflektierend Element 3 oder 4 um eine orthogonal zur Oberfläche des Werkstücks 6 ausgerichtete Achse verschwenkt, so dass er ausgehend von einer Stirnseite seines ihm zugeordneten dritten reflektierenden Elementes 5 in Richtung auf die gegenüberliegende Stirnseite des dritten reflektierenden Elementes 5 mit möglichst konstanter Geschwindigkeit ausgelenkt wird.
Dementsprechend überstreicht der Strahlfleck, der am Fußpunkt des vom dritten reflektierenden Elementes 5 umgelenkten Laserstrahls auf der Werkstückoberfläche angeordnet ist, die gesamte Länge des dritten reflektierenden Elementes 5, was hier dem gesamten Bearbeitungsbereich über die jeweilige halbe Breite des Werkstücks 6 entspricht.
Erreicht der ausgelenkte Laserstrahl 1 die entgegengesetzte Stirnseite des dritten reflektierenden Elementes 5, erfolgt eine Umschaltbewegung des ersten reflektierenden Elementes 2 in eine jeweils andere Endstellung, so dass der auf die ersten reflektierenden Elemente 2 vom Toroidspiegel 8 auftreffende Laserstrahl 1 von diesen auf das jeweilige andere zweite reflektierende Element 4 reflektiert wird, wobei dieses reflektierende Element 4 vorab wieder in eine Ausgangsstellung geschwenkt worden ist, bei der der Laserstrahl 1 zuerst auf die jeweils andere Stirnseite seines ihm zugeordneten dritten reflektierenden Elementes 5 auftrifft und von dort der Strahlfleck auf die Werkstückoberfläche umgelenkt werden kann, wobei, eine Auslenkung des Laserstrahls durch Verschwenkung des zweiten reflektierenden Elementes 4 bis hin zur gegenüberliegenden Stirnseite des dritten reflektierenden Elementes 5 ausgeführt wird. Dieser Vorgang wiederholt sich dann sukzessive, solange die Anlage in Betrieb ist.
So wird mittels des vom zweiten reflektierten Elemen tes 3 auf die Werkstoffoberfläche gerichteten Laserstrahl 1 eine nahezu orthogonal zur Vorschubrichtung (mit Pfeil 7 gekennzeichnet) ausgerichtete Bearbeitungsspur und eine hierzu parallele nachfolgende Bearbeitungsspur mit vom jeweils anderen zweiten reflektierenden Element 4 reflektierten und ausgelenkten Laserstrahl 1 gelegt.
Bei dem in 1 gezeigten Beispiel sind die zweiten reflektierenden Elemente 3 und 4 jeweils im Mittenachsenbereich ihres Bearbeitungsbereichs angeordnet. Der Abstand der zweiten reflektierenden Elemente 3 und 4 zu den ihnen zugeordneten dritten reflektierenden Elemente 5 betrug bei diesem Beispiel 2000 mm, so dass der jeweilige Strahlfleck eines Laserstrahls 1 in etwa diesen gleichen Abstand aufweist, da mit den dritten reflektierenden Elementen 5 eine Umlenkung des Laserstrahls von ca. 90° erreichbar ist.

Claims

Vorrichtung für Bearbeitung großflächiger Werkstücke mittels Laserstrahlung, bei der ein Laserstrahl auf den jeweiligen Bearbeitungsbereich eines Werkstückes gerichtet und der Strahlfleck des Laserstrahls entlang mindestens einer Achse bewegt wird, wobei die Ablenkung des Laserstrahls mittels verschwenkbarer reflektierender Elemente erfolgt, dadurch gekennzeichnet, dass der Laserstrahl (1) auf ein erstes reflektierendes Element (2) gerichtet wird das zwischen mindestens zwei vorgegebenen Endstellungen mit vorgegebenen Winkelneigungen in Bezug zu jeweils einem weiteren zweiten verschwenkbaren reflektierendem Element (3, 4) hin und her schaltbar ist und dabei der Laserstrahl (1) alternierend vom in einer Endstellung positionierten reflektierenden ersten Element (2) auf jeweils eines der weiteren zweiten reflektierenden Elemente (3) oder (4) gerichtet ist, so dass mit dem jeweiligen zweiten reflektierenden Element (3) oder (4) durch Verschwenkung um eine Achse eine Bewegung des Strahlflecks mit hoher Geschwindigkeit in Bezug zur jeweiligen arbeitungsbereiches bewegt wird, bis eine vorgebbare Breite des Bearbeitungsbereiches überstrichen und eine parallele nachfolgende Bearbeitungsspur gelegt worden ist, und die Schritte 1) und 2) wiederholt werden.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die zweiten reflektierenden Elemente (3, 4) im Bereich der Mittenachse des Bearbeitungsbereichs in versetzter Anordnung zueinander angeordnet sind.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die zweiten reflektierenden Elemente (3, 4) mit konstanter Winkelgeschwindigkeit schwenkbar sind.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zweiten reflektierenden Elemente (3, 4) jeweils um eine Achse schwenkbare Scannerspiegel sind.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der von einem der zweiten reflektierenden Elemente (3) oder (4) reflektierte Laserstrahl (1) auf mindestens ein drittes reflektierendes Element (5) und vom dritten reflektierenden Element (5) auf die Oberfläche des Bearbeitungsbereichs gerichtet wird.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das dritte reflektierende Element (5) mindestens die gesamte Breite eines Bearbeitungsbereichs überdeckt.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Werkstück (6) eine Platte oder ein bandförmiges Element ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Werkstück (6) und Strahlfleck eine zweiachsige Relativbewegung zueinander ausführen.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Strahlengang des Laserstrahls (1) ein optisches Element (8) zur vorgebbaren Formung des Laserstrahlquerschnittes angeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das optische Element (8) ein Toroidspiegel ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das dritte reflektierende Element (5) schräg geneigt unter einem Winkel, der die Vorschubgeschwindigkeit eines translatorisch bewegten Werkstückes (6) berücksichtigt, ausgerichtet ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwei dritte reflektierende Elemente (5) vorhanden sind, auf die ein von einem der zweiten reflektierenden Elemente (3) oder (4) einmal bei einer Bewegung in einer Richtung entlang einer Achse und einmal in der jeweils entgegengesetzten Richtung entlang dieser Achse reflektierter Laserstrahl (1) auftrifft und dort reflektiert wird.
Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden dritten reflektierenden Elemente (5) in unterschiedlichen Winkeln in Bezug zur Vorschubrichtung des Werkstückes (6) ausgerichtet und/oder die reflektierende Oberfläche in unterschiedlicher Form gewölbt oder geneigt ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das/die dritte(n) reflektierende(n) Element(e) (5) als Fokussierspiegel ausgebildet ist/sind.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand zwischen zweiten reflektierenden Elementen (3, 4) und dem Auftreffort des Strahlflecks auf dem Bearbeitungsbereich mindestens doppelt so groß, wie der Abstand zwischen dem ersten reflektierenden Element (2) und den zweiten reflektierenden Elementen (3, 4) ist.
Verfahren für eine Bearbeitung großflächiger Werkstücke mittels Laserstrahlung, bei der ein Laserstrahl auf den jeweiligen Bearbeitungsbereich eines Werkstückes gerichtet und der Strahlfleck des Laserstrahls entlang mindestens einer Achse bewegt wird, wobei die Ablenkung des Laserstrahls mittels verschwenkbarer reflektierender Elemente erfolgt, dadurch gekennzeichnet, dass der Laserstrahl (1) in einem ersten Schritt 1) auf ein erstes reflektierendes Element (2), das in einer ersten Endstellung positioniert ist, gerichtet und von diesem auf ein zweites reflektierendes Element (3) reflektiert wird, das zweite reflektierende Element (3) um eine Achse verschwenkt wird, so dass der Strahlfleck entlang mindestens einer zumindest nahezu orthogonal zur Vorschubrichtung des Werkstückes (6) ausgerichteten Achse auf der Oberfläche eine vorgebbare Breite des Bearbeitungsbereiches überstreicht und eine ausgerichtete Bearbeitungsspur legt; dann in einem Schritt 2) das erste reflektierende Element (2) von der ersten Endstellung in eine weitere Endstellung durch Verschwenkung um einen konstanten Winkelbetrag gebracht wird, so dass der Laserstrahl (1) dann auf ein anderes zweites reflektierendes Element (4) auftrifft, das wieder um eine Achse verschwenkt wird, so dass der Strahlfleck (1) entlang mindestens einer zumindest nahezu orthogonal zur Vorschubrichtung des Werkstückes (6) ausgerichteten Achse auf der Oberfläche des Be- Fläche des Bearbeitungsbereichs zumindest nahezu orthogonal zur Vorschubrichtung des Werkstückes (6) realisierbar ist.
Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Verschwenkbewegung der zweiten reflektierenden Elemente (3, 4) bei den Schritten 1) und 2) so erfolgt, dass der Laserstrahl (1) jeweils über die Breite des Bearbeitungsbereiches hinausgehend ausgelenkt wird.
Verfahren nach Anspruch 16 oder 17, dadurch gekennzeichnet, dass der Laserstrahl (1) bei Überschreitung des Strahlfleckes über einen äußeren Rand des Bearbeitungsbereiches abgeschaltet, die Laserleistung reduziert oder der Laserstrahl dort auf Laserstrahlung absorbierende Elemente gerichtet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Winkelgeschwindigkeit beim Verschwenken der zweiten reflektierenden Elemente (3, 4) in Bezug zur Vorschubge schwindigkeit eines translatorisch bewegten Werkstückes (6) und/oder in Bezug zu Bearbeitungsparametern geregelt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass der von zweiten reflektierenden Elementen (3, 4) reflektierte Laserstrahl (1) auf ein drittes reflektierendes Element (5) gerichtet und von diesem umgelenkt wird, so dass der Strahlfleck auf dem Bearbeitungsbereich ausgebildet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass mittels eines im Strahlengang des Laserstrahls (1) angeordneten optischen Elementes (8) ein strich- oder ellipsenförmiger Strahlfleck (1) ausgebildet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass durch ein zusätzliches Verschwenken um eine weitere in einem Winkel von 90° geneigten Achse der zweiten reflektierenden Elemente (3, 4), der von diesen reflektierte Laserstrahl (1) auf ein weiteres drittes optisches Element (5) gerichtet und von diesem auf den Bearbeitungsbereich reflektiert wird, wobei dann eine Auslenkung des Laserstrahls (1) mit dem jeweiligen zweiten reflektierenden Element (3, 4) in eine jeweils entgegengesetzte Achsrichtung erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass ein zusätzliches drittes optisches Element (5) verschwenkt oder bewegt wird, so dass bei einer Auslenkbewegung eines Laserstrahls (1) in eine entgegengesetzte Achsrichtung durch Verschwenken eines der zwei ten reflektierenden Elemente (3, 4), die Bewegungsrichtung des so ausgelenkten Laserstrahls (1) in Bezug zur Richtung der Vorschubbewegung des Werkstückes (6) berücksichtigt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass der Laserstrahl (1) und der Strahlfleck zusätzlich in einer orthogonal zur Auslenkbewegung ausgerichteten Achse ausgelenkt und bewegt werden.
Verfahren nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, dass Auslenkung und Bewegung oszillierend durchgeführt werden.