DE102006008060A1 - Laserstrahl-Maschine - Google Patents

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Syunichi Hamamatsu Gonda
Hirofumi Hamamatsu Miyajima
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Abstract

Es wird eine Laserstrahl-Maschine angegeben, bei der ein Drückteil eines optischen Führungsglieds einen Deckel gegen einen Körper eines Behälters drückt, wobei das optische Führungsglied einen durch eine optische Faser fortgepflanzten Laserstrahl führt und aus dem Drückteil ausgibt. Dadurch wird ein ringförmiger Verarbeitungsbereich des Körpers und des Deckels gleichzeitig vollständig mit dem Laserstrahl bestrahlt, sodass der Deckel mit dem Körper verbunden werden kann, wodurch die Arbeitseffizienz erhöht wird. Eine derartige Verbesserung der Arbeitseffizienz verkürzt die Verarbeitungszeit und die Produktionsausbeute. Weiterhin muss die Laserstrahl-Maschine nicht separat mit einem Drehmechanismus zum Führen des Laserstrahls und einem Drückmechanismus für den Körper und den Deckel versehen werden, wodurch der Aufbau der Maschine beträchtlich vereinfacht werden kann.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine Laserstrahl-Maschine zum Verbinden eines ersten Werkstückmaterials mit einem zweiten Werkstückmaterial durch das Ausstrahlen eines Laserstrahls.
  • Eine herkömmliche Technik auf diesem Gebiet ist zum Beispiel ein Laserstrahl-Schweißverfahren, das in der veröffentlichten und ungeprüften japanischen Patentanmeldung Nr. H06-106371 beschrieben ist. In diesem Schweißverfahren werden ein erstes und ein zweites Werkstückmaterial (zum Beispiel ein Körper und ein Deckel bei der Dosenherstellung), die einander überlappen, gedreht und durch das Führen eines Laserstrahls entlang des überlappenden Teils verschweißt.
  • Bei dem herkömmlichen Schweißverfahren muss ein Laserstrahl entlang des überlappenden Teils zwischen dem ersten und dem zweiten Werkstückmaterial geführt werden, sodass keine hohe Arbeitseffizienz erhalten werden kann. Außerdem sind ein Drückmechanismus für das erste und das zweite Werkstückmaterial sowie ein Drehmechanismus zum Führen eines Laserstrahl erforderlich, wodurch der Aufbau der Schweißvorrichtung kompliziert wird.
    •
  • Die Erfindung bezweckt, diese Probleme zu lösen, wobei es eine Aufgabe der Erfindung ist, eine Laserstrahl-Maschine anzugeben, die effizient ein erstes Werkstückmaterial mit einem zweiten Werkstückmaterial unter Verwendung eines einfachen Aufbaus verbinden kann.
  • Um die Probleme zu lösen, verbindet die Laserstrahl-Maschine der Erfindung ein erstes Werkstückmaterial mit einem zweiten Werkstückmaterial durch das Ausstrahlen eines Laserstrahls, wobei die Laserstrahl-Maschine eine optische Faser zum Fortpflanzen des Laserstrahls und ein optisches Führungsglied umfasst, das einen Verbindungsteil für eine optische Verbindung mit der optischen Faser und einen Drückteil zum Drücken des ersten Werkstückmaterials gegen das zweite Werkstückmaterial umfasst, den Laserstrahl ringförmig von dem Verbindungsteil zu dem Drückteil führt und den Laserstrahl aus dem Drückteil ausgibt.
  • Bei dieser Laserstrahl-Maschine drückt der Drückteil des optischen Führungsglied das erste Werkstückmaterial gegen das zweite Werkstückmaterial, wobei ein durch die optische Faser fortgepflanzter Laserstrahl ringförmig durch das optische Führungsglied geführt und durch den Drückteil ausgegeben wird. Dadurch wird der gesamte ringförmige Verarbeitungsbereich des ersten und zweiten Werkstückmaterials gleichzeitig durch den Laserstrahl bestrahlt, sodass das erste Werkstückmaterial mit dem zweiten Werkstückmaterial verbunden werden kann. Auf diese Weise kann die Arbeitseffizienz verbessert werden. Eine derartig verbesserte Arbeitseffizienz verkürzt die Verarbeitungszeit und erhöht die Produktionsausbeute. Weiterhin muss diese Laserstrahl-Maschine nicht mit einem separaten Drehmechanismus zum Führen des Laserstrahls und einem separaten Drückmechanismus für das erste und das zweite Werkstückmaterial versehen werden, wodurch der Aufbau der Maschine beträchtlich vereinfacht werden kann.
  • Vorzugsweise ist eine Vertiefung mit einem Boden, aus dem der Laserstrahl austritt, ringförmig in dem Drückteil ausgebildet. Dadurch kann der Drückteil von dem Verarbeitungsbereich getrennt werden, sodass ein Festschweißen des ersten Werkstückmaterials an dem verbundenen optischen Führungsglied verhindert werden kann. Auf diese Weise kann die Arbeitseffizienz beim Verbinden weiter verbessert werden.
  • Vorzugsweise ist das optische Führungsglied in der Form einer Kappe ausgebildet, die sich von dem Verbindungsteil zu dem Drückteil hin verbreitert. Bei einem derartigen Aufbau des optischen Führungsglieds kann einfach und zuverlässig realisiert werden, dass das erste Werkstückmaterial gegen das zweite Werkstückmaterial gedrückt wird und dass ein von der optischen Faser eingeführter Laserstrahl ringförmig zu dem Drückteil geführt wird.
  • Es ist zu beachten, dass die Erfindung anhand einer beispielhaften Ausführungsform detailliert beschrieben und gezeigt wird, wobei verschiedene Änderungen und Modifikationen vorgenommen werden können, ohne dass deshalb der Erfindungsumfang verlassen wird.
  • 1 ist eine schematische Ansicht einer Ausführungsform einer Laserstrahl-Maschine gemäß der Erfindung.
  • 2A ist eine perspektivische Ansicht eines optischen Führungsglieds, und 2B ist eine Längsschnittansicht desselben.
  • 3 ist ein Schnittansicht eines Hauptteils der Laserstrahl-Maschine von 1 während des Betriebs.
  • 4A ist eine perspektivische Ansicht eines modifizierten Beispiels des optischen Führungsglieds, und 4B ist eine perspektivische Ansicht eines anderen modifizierten Beispiels des optischen Führungsglieds.
    •
  • Im folgenden wird eine bevorzugte Ausführungsform der Laserstrahl-Maschine gemäß der Erfindung im Detail mit Bezug auf die Zeichnungen erläutert.
  • 1 ist eine schematische Ansicht einer Ausführungsform einer Laserstrahl-Maschine mit einem Aufbau gemäß der Erfindung. Die Laserstrahl-Maschine 1 von 1 ist vorgesehen, um einen Deckel an einem Körper eines Behälters bei der Dosenherstellung zu verbinden. Diese Laserstrahl-Maschine 1 umfasst eine Lichtquelle 2, die einen Laserstrahl ausgibt, ein optisches Kollimatorsystem 3, das den aus der Lichtquelle 2 ausgegebenen Laserstrahl formt, eine optische Faser 4, die den durch das optische Kollimatorsystem 3 geformten Laserstrahl fortpflanzt, und ein optisches Führungsglied 6, das den durch die optische Faser 4 fortgepflanzten Laserstrahl zu einem Verarbeitungsbereich ausgibt.
  • Als Lichtquelle 2 kann zum Beispiel eine Halbleiter-Laseranordnung verwendet werden. Ein mit einer vorbestimmten Leistung aus dieser Lichtquelle 2 ausgegebener Laserstrahl wird durch das optische Kollimatorsystem 3 gebündelt und verdichtet und mit dem Kern der optischen Faser 4 gekoppelt. Dann wird der Laserstrahl durch die optische Faser 4 fortgepflanzt, um in einem kreisförmigen Strahlenmuster in das optische Führungsglied 6 einzutreten. Die optische Faser 4 ist nicht auf eine einzelne optische Faser beschränkt, sondern kann ein Faserbündel mit einer Vielzahl von optischen Fasern sein.
  • Wie in 2A gezeigt, ist das optische Führungsglied 6 eine optische Komponente mit einem Hauptkörper 7 aus Quarz- oder Borkronglas. Dieses optische Führungsglied 6 umfasst einen Verbindungsteil 8 für eine optische Verbindung mit der optischen Faser 4 über einen mechanischen Kontakt, der zum Beispiel durch ein optisches Verbindungsglied hergestellt wird, und weiterhin einen Drückteil 9, der den Deckel des Behälters gegen den Körper drückt. Das optische Führungsglied 6 ist in der Form einer Kappe vorgesehen, die sich von dem Verbindungsteil 8 zu dem Drückteil 9 hin verbreitert. Das optische Führungsglied 6 weist eine hohle, im wesentlichen kopflose, kreisrunde Kegelform auf, die den Verbindungsteil 8 als Scheitel und den Drückteil 9 als Boden 9 verwendet, eine Höhe von ungefähr 100 mm und einen Durchmesser gleich oder kleiner 1 mm an dem Verbindungsteil 8 aufweist.
  • Wie in 2B gezeigt, ist in dem optischen Führungsglied 6 eine ringförmige Vertiefung 10 in dem Drückteil 9 ausgebildet und ist in dem Hauptkörper 7 ein Lichtführungsteil 11 in der Form einer Kappe ausgebildet, die sich von dem Verbindungsteil 8 zu Ende hin für die Verbindung mit dem Boden 10a der Vertiefung 10 verbreitert. Dieser Lichtführungsteil 11 ist aus einem Quarz ausgebildet, das zum Beispiel mit Germanium dotiert ist und einen höheren Brechungsindex als der Hauptkörper 7 aufweist. Deshalb wird der von der optischen Faser 4 über den Verbindungsteil 8 eingeführte Laserstrahl ringförmig in dem optischen Führungsglied 6 geführt und innerhalb des Lichtführungsteils 11 vollständig reflektiert, um dann ringförmig aus dem Boden 10a der Vertiefung 10 auszutreten.
  • Im folgenden wird ein Beispiel der Laserstrahl-Maschine 1 mit Bezug auf 3 erläutert. In diesem Beispiel wird die Verbindung eines kreisrunden Deckels 13 (erstes Werkstückmaterial) mit einem Körper 12 (zweites Werkstückmaterial) einer säulenförmigen Dose gezeigt.
  • Wie in 3 gezeigt, wird zuerst der Deckel 13 auf den Körper 12 gesetzt, wobei ein Flanschteil 12a des Körpers 12 und ein Flanschteil 13a des Deckels 13 einander überlappen. Dann wird das optische Führungsglied 6 auf dem Deckel 13 platziert. Dabei wird der Deckel 13 aufgrund des auf den Drückteil 9 einwirkenden Gewichts des optischen Führungsglieds 6 gleichmäßig gegen den Körper 12 gedrückt. Wenn dann die Lichtquelle 2 in diesem Zustand betrieben wird, bildet ein ringförmiger Laserstrahl, der aus dem Boden 10a der Vertiefung 10 des optischen Führungsglieds 6 austritt, einen ringförmigen Schweißteil (Verarbeitungsbereich) W an dem überlappenden Teil zwischen dem Körper 12 und dem Deckel 13 direkt unter der Vertiefung 10. Der Körper 12 und der Deckel 13 werden über diesen Schweißteil W miteinander verbunden. Diese Laserstrahl-Maschine 1 kann in gleicher Weise verschiedene andere Behälter neben der gezeigten Dose wie zum Beispiel Kunststoffflaschen und -taschen zum Aufnehmen von Medikamenten verarbeiten.
  • Wie oben beschrieben, drückt in der Laserstrahl-Maschine 1 der Drückteil 9 des optischen Führungsglieds 6 den Deckel 13 gegen den Körper 12 des Behälters, wobei gleichzeitig ein durch die optische Faser 4 fortgepflanzter Laserstrahl ringförmig durch das optische Führungsglied 6 geführt und aus dem Drückteil 9 ausgegeben wird. Dabei wird der gesamte ringförmige Verarbeitungsbereich des Körpers 12 und des Deckels 13 gleichzeitig durch den Laserstrahl bestrahlt, um den Deckel 13 mit dem Körper 12 zu verbinden, wodurch die Arbeitseffizienz verbessert wird. Eine derartige Verbesserung der Arbeitseffizienz verkürzt die Verarbeitungszeit und verbessert die Produktionsausbeute. Weiterhin muss die Laserstrahl-Maschine 1 nicht mit einem separaten Drehmechanismus für das Führen des Laserstrahls und einem separaten Drückmechanismus für den Körper 12 und den Deckel 13 versehen werden, wodurch der Aufbau der Maschine beträchtlich vereinfacht werden kann. Das optische Führungsglied 6 ist in der Form einer Kappe ausgebildet, die sich von dem Verbindungsteil 8 zu dem Drückteil 9 verbreitert, damit der Deckel 13 einfach und zuverlässig gegen den Körper 12 gedrückt wird und ein von der optischen Faser 4 eingeführter Laserstrahl ringförmig zu dem Drückteil 9 geführt wird.
  • Weiterhin ist in dem Drückteil 9 eine Vertiefung 10 mit einem Boden 10a, aus dem der Laserstrahl austritt, ringförmig ausgebildet. Indem also ein Laserstrahl aus dem Boden 10a der Vertiefung 10 ausgegeben wird, kann der Drückteil 9 von dem Schweißteil W als Verarbeitungsbereich getrennt werden, wodurch verhindert werden kann, dass der Deckel 13 beim Verbinden an dem optischen Führungsglied 6 festgeschweißt wird. Auf diese Weise kann die Schweißarbeit problemlos durchgeführt werden.
  • Die Erfindung nist nicht auf die oben beschriebene Ausführungsform beschränkt. Zum Beispiel kann in der oben beschriebenen Ausführungsform ein durch die optische Faser 4 fortgepflanzter Laserstrahl in einem annähernd kreisförmigen Strahlenmuster auf das optische Führungsglied 6 gerichtet werden. Es ist jedoch auch möglich, dass der Laserstrahl in einem Hüllmodus durch die optische Faser 4 fortgepflanzt und in einem kreisförmigen Strahlenmuster auf das optische Führungsglied 6 gerichtet wird. Ein derartiges Strahlenmuster kann erhalten werden, indem ein durch das optische Kollimatorsystem 3 verdichteter Laserstrahl mit einem Winkel, der größer als die numerische Apertur (NA) ist, zu dem Kern der optischen Faser 4 gekoppelt wird. Für den Verbindungsteil 8 zwischen der optischen Faser 4 und dem optischen Führungsglied 6 kann auch eine Fusionsverbindung ohne Beschränkung auf den mechanischen Kontakt über ein optisches Verbindungsglied verwendet werden. Um den Aufbau zu vereinfachen, müssen die Vertiefung 10 und der Lichtführungsteil 11 des Drückteils 9 nicht notwendigerweise in dem optischen Führungsglied 6 ausgebildet sein. In diesem Fall kann der Laserstrahl ringförmig zu dem Drückteil 9 geführt werden, wobei der Hauptteil 7 selbst als Lichtwellenleiter mittels einer vollständigen Reflexion unter Verwendung einer Differenz zu dem Brechungsindex der Luft verwendet wird.
  • Weiterhin kann als modifiziertes Beispiel für das optische Führungsglied eine FOP (Faseroptikplatte) verwendet werden. Zum Beispiel weist das optische Führungsglied 20 von 4A eine Hülle 21 in der Form einer Kappe auf, die sich von dem Verbindungsteil 8 zu dem Drückteil 9 verbreitert, wobei eine Vielzahl (zum Beispiel fünfzehn) von Kernen 22 innerhalb der Hülle 21 untergebracht sind und in ihrer Dicke von dem Verbindungsteil 8 zu dem Drückteil 9 zunehmen. Die vorderen Enden der entsprechenden Kerne 22 sind kreisförmig auf der Seite des Drückteils 9 angeordnet. Bei dem optischen Führungsglied 23 von 4B sind auch die vorderen Enden der entsprechenden Kerne 22 kreisförmig auf der Seite des Verbindungsteils 8 angeordnet. Auch durch die optischen Führungsgliedern 20 und 23 kann derselbe Effekt wie bei dem optischen Führungsglied 6 von 2A und 2B erhalten werden. Insbesondere wenn ein Laserstrahl in einem ringförmigen Strahlenmuster unter Verwendung der oben beschriebenen Hüllmodus-Fortpflanzung aus der optischen Faser 4 ausgegeben wird, kann durch das Verwenden des optischen Führungsglieds 23 von 4B eine weitere hervorragende optische Kopplung realisiert werden. Die Innenseiten der optischen Führungsglieder 20 und 23 der modifizierten Beispiele können hohl ausgebildet sein oder mit einem Glasmaterial mit einer extrem niedrigen optischen Transparenz gefüllt sein.
  • Wie oben beschrieben, kann bei der Laserstrahl-Maschine der Erfindung ein zweites Werkstückmaterial unter Verwendung eines einfachen Aufbaus effizient mit einem ersten Werkstückmaterial verbunden werden.
  • Aus der vorstehenden Beschreibung wird deutlich, dass die Erfindung auf verschiedene Weise realisiert werden kann. Durch derartige Variationen wird der in den beigefügten Ansprüchen definierte Erfindungsumfang nicht verlassen.

Claims (3)

  1. Laserstrahl-Maschine zum Verbinden eines ersten Werkstückmaterials mit einem zweiten Werkstückmaterial durch das Ausstrahlen eines Laserstrahls, die umfasst eine optische Faser (4) zum Fortpflanzen des Laserstrahls, und ein optisches Führungsglied (6), das einen Verbindungsteil (8) für eine optische Verbindung mit der optischen Faser (4) sowie einen Drückteil (9) zum Drücken des ersten Werkstückmaterials (12) gegen das zweite Werkstückmaterial (13) aufweist, den Laserstrahl ringförmig von dem Verbindungsteil (8) zu dem Drückteil (9) führt und den Laserstrahl aus dem Drückteil (9) ausgibt.
  2. Laserstrahl-Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Vertiefung (10) mit einem Boden (10a), aus dem der Laserstrahl austritt, ringförmig in dem Drückteil (9) ausgebildet ist.
  3. Laserstrahl-Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das optische Führungsglied (6) in der Form einer Kappe ausgebildet ist, die sich von dem Verbindungsteil (8) zu dem Drückteil (9) verbreitert.
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