DE102007056254A1 - Vorrichtung zur Bearbeitung eines Werkstücks mittels paralleler Laserstrahlen - Google Patents

Vorrichtung zur Bearbeitung eines Werkstücks mittels paralleler Laserstrahlen Download PDF

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung (1) zur Bearbeitung eines Werkstücks (2) mittels mehrerer zumindest annähernd paralleler Laserstrahlen (3', 3'', 4', 4''), die ein äußeres erstes Laserstrahlenpaar (3) und ein inneres zweites Laserstrahlenpaar (4) bilden. An mehreren Reflexionsflächen (8', 8'', 9', 9'', 10', 10'', 11', 11'', 12', 12'') werden die Laserstrahlen (3', 3'') des äußeren ersten Laserstrahlenpaares (3) genau dreimal und die Laserstrahlen (4', 4'') des inneren zweiten Laserstrahlenpaares (4) genau einmal abgelenkt. Dieses Reflexionsverhältnis von 3 : 1 führt dazu, dass der Abstand (a', a'') aller Laserstrahlen (3', 3'', 4', 4'') zu dem jeweils benachbarten Laserstrahl (3', 3'', 4', 4'') unabhängig von der absoluten, beliebig einstellbaren Position konstant bleibt. Zur Vermeidung einer Verlagerung der Fokussierebene (6) sind dabei auch die den Laserstrahlen (3', 3'', 4', 4'') jeweils zugeordneten Fokussierebenen (5) gemeinsam mit den Reflexionsflächen (10', 10'', 11', 11'', 12', 12'') des Reflektors (14', 14'') mittels eines einzigen Antriebs gemeinsam beweglich.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Bearbeitung eines Werkstücks mittels mehrerer zumindest annähernd paralleler Laserstrahlen, wobei die Vorrichtung mit zumindest einer Fokussieroptik zum Fokussieren jedes Laserstrahls in eine gemeinsame Fokussierebene ausgestattet ist.
  • Eine solche Vorrichtung dient in der Praxis der zeitgleichen, beispielsweise parallelen Bearbeitung des Werkstücks mittels der parallelen Laserstrahlen. Bei einer einfachen Bauform wird als Strahlteiler ein teildurchlässiger Spiegel eingesetzt, dem im Strahlengang zumindest eines Laserstrahls ein Reflektor nachgeordnet ist, um so einen parallelen Strahlengang zu erzeugen. Mittels einer Fokussieroptik wird jeder Laserstrahl in eine gemeinsame Fokussierebene auf das Werkstück fokussiert.
  • Eine gattungsgemäße Vorrichtung ist beispielsweise durch die US 61 03 990 A bekannt. Weiterhin sind Vorrichtungen mit einem Strahlteiler auch in der EP 06 24 424 A1 sowie in der US 69 27 109 B1 beschrieben.
  • Als problematisch erweist sich in der Praxis die gewünschte, insbesondere stufenlose Einstellbarkeit des Abstands der Laserstrahlen. Hierzu kann der Reflektor gegenüber dem Strahlengang des anderen Laserstrahls verfahrbar ausgeführt sein, um so den gewünschten Abstand zu erzeugen.
  • Als nachteilig erweist sich bei diesem Lösungsvorschlag die mit der Abstandsänderung zugleich verbundene Änderung der Mittellage der beiden Laserstrahlen, die durch eine überlagerte Bewegung der gesamten Vorrichtung ausgeglichen werden muss. Insbesondere müssen die Laserstrahlen um einen jeweils abweichenden Betrag verfahren werden, was in der Praxis entsprechende separate Antriebe erfordert.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine einfache Möglichkeit zur Änderung des Abstands der Laserstrahlen zu schaffen und dabei eine Änderung der Fokussierebene aufgrund der Abstandsänderung der parallelen Laserstrahlen zu vermeiden, sodass der Steuerungsaufwand gering gehalten werden kann. Insbesondere soll eine Abstandsänderung mit einem einzigen Antrieb realisierbar sein.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einer Vorrichtung gemäß den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Die Unteransprüche betreffen besonders zweckmäßige Weiterbildungen der Erfindung.
  • Erfindungsgemäß ist also eine Vorrichtung vorgesehen, bei der vier Laserstrahlen zumindest zwei Laserstrahlenpaare bilden und jedes Laserstrahlenpaar durch zwei gegenüber einer Symmetrieachse gleich beabstandete Laserstrahlen gebildet ist, wobei zur Einstellung des relativen Abstands der benachbarten Laserstrahlen in der Fokussierebene jeder Laserstrahl an Reflexionsflächen von zumindest zwei in Richtung der Symmetrieachse gemeinsam mit der Fokussieroptik relativ zueinander, insbesondere translatorisch beweglichen Reflektoren ablenkbar ist, wobei die Anzahl der Reflexionen der Laserstrahlen des ersten Laserstrahlenpaares dem dreifachen der Anzahl der Reflexionen der Laserstrahlen des zweiten Laserstrahlenpaares auf dem beweglichen Reflektor entspricht. In überraschender Weise wird somit erstmals eine stufenlose Einstellung des relativen Abstands der benachbarten Laserstrahlen zueinander bei unveränderter Symmetrieachse erreicht. Dabei ist das erste Laserstrahlenpaar durch die äußeren Laserstrahlen in Bezug auf die Fokussierebene und das zweite Laserstrahlenpaar durch die inneren Laserstrahlen in Bezug auf die Fokussierebene gebildet. Aufgrund der mehrfachen Reflexion des äußeren Laserstrahlenpaares ist die Abstandsänderung der äußeren Laserstrahlen von der Symmetrieachse zur Einstellung des geänderten Relativabstands der Laserstrahlen untereinander dreimal so groß wie die Abstandsänderung der inneren Laserstrahlen von der Symmetrieachse. Auf diese Weise gelingt es, sowohl eine feste Symmetrieachse einzuhalten als auch einen übereinstimmenden Abstand aller Laserstrahlen untereinander sicherzustellen. Hierzu werden die Reflektoren in Richtung der Symmetrieachse relativ zueinander verschoben, indem zumindest die Reflexionsflächen eines Reflektors auf einer gemeinsamen, elektromotorisch verfahrbaren Plattform aufgebaut sind. Selbstverständlich können die Reflexionsflächen unabhängig voneinander justierbar ausgeführt sein. Weiterhin könnten die verschiedenen Reflexionsflächen eines Reflektors als separate Bauelemente zu einer den Reflektor bildenden Funktionseinheit zusammengefasst sein oder aber in einer Baueinheit miteinander verbunden sein.
  • Eine besonders vorteilhafte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird auch dadurch erreicht, dass die beweglichen Reflexionsflächen derart ausgeführt sind, dass jeder Laserstrahl des ersten Laserstrahlenpaares genau dreimal und jeder Laserstrahl des zweiten Laserstrahlenpaares genau einmal an den Reflexionsflächen der beiden Reflektoren reflektiert wird. Hierdurch wird in überraschend einfacher Weise aufgrund der mehrfachen Reflexion der Laserstrahlen eine Verdreifachung der Verlagerung quer zu der Symmetrieachse erreicht, die dem erforderlichen Betrag der Verlagerung zur Einhaltung übereinstimmender Abstände aller Laserstrahlen entspricht.
  • Eine weitere, besonders zweckmäßige Ausgestaltung der Erfindung wird dadurch erreicht, dass zumindest ein Reflektor mehrere sowohl dem ersten Laserstrahlenpaar als auch dem zweiten Laserstrahlenpaar zugeordnete Reflexionsflächen aufweist, die mittels eines Antriebs gemeinsam beweglich sind. Hierdurch erfolgt insbesondere die Ablenkung aller Laserstrahlen in die Fokussierebene an demselben Reflektor, welcher somit als eine Baueinheit und so zugleich mit einem vergleichsweise geringen Aufwand herstellbar ist.
  • Grundsätzlich könnte die Vorrichtung mit einer einzigen Fokussieroptik ausgestattet sein, wobei die Laserstrahlen mittels eines Strahlteilers aus einer gemeinsamen Strahlungsquelle erzeugt werden. Besonders praxisgerecht ist es hingegen, wenn jedem Laserstrahl eine Fokussieroptik zugeordnet ist, sodass die Fokuslage jedes einzelnen Laserstrahls unabhängig voneinander justierbar ist.
  • Dabei ist es zudem besonders zweckmäßig, wenn die Reflexionsflächen des Reflektors gemeinsam mit der den Laserstrahlen zugeordneten Fokussieroptik beweglich angeordnet sind, um so einen konstanten Strahlweg zwischen der Fokussieroptik und der Fokussierebene sicherzustellen. Dadurch ist die Fokuslage jedes Laserstrahls unverändert, sodass eine Abstandsänderung auch während des Bearbeitungsprozesses des Werkstücks problemlos möglich ist.
  • Eine andere, ebenfalls besonders Erfolg versprechende Abwandlung wird dann erreicht, wenn die Reflexionsflächen jedes Reflektors sowie die den Laserstrahlen zugeordnete Fokussieroptik zu einer Baueinheit zusammengefasst sind. Hierdurch wird die gemeinsame Bewegung der Reflexionsflächen zur Einstellung des jeweiligen Abstands wesentlich erleichtert.
  • Eine andere, ebenfalls besonders praxisgerechte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird dann erreicht, wenn die Reflexionsflächen mit der Fokussierebene einen Winkel von 45° einschließen, sodass ein Verlauf der Laserstrahlen ausgehend von der Fokussieroptik abwechselnd parallel und senkrecht zur Fokussierebene bzw. zur Symmetrieachse erreicht wird.
  • Dabei weist jeder Reflektor zumindest zwei relativ zueinander einen Winkel von 90° einschließende Reflexionsflächen auf, sodass der aus der Fokussieroptik austretende Laserstrahl und der auf die Fokussierebene abgelenkte Laserstrahl parallelen Geraden folgen, um so den konstruktiven Aufwand sowie auch den Steuerungsaufwand vergleichsweise gering zu halten.
  • Eine andere, ebenfalls besonders sinnvolle Abwandlung der vorliegenden Erfindung wird dann erreicht, wenn die Reflektoren jeweils zumindest zwei Reflexionsflächen aufweisen, die zu Reflexionsflächen des jeweils anderen Reflektors parallel angeordnet sind, sodass die äußeren der auf die Fokussierebene auftreffenden Laserstrahlen in diesem Bereich zwischen den Reflexionsflächen mehrfach reflektiert werden, ohne dass sich dabei äußere Störeinflüsse bemerkbar machen könnten.
  • Die Reflexionsflächen sind während des Gebrauchs in ihrer jeweils vorbestimmten Stellung festgelegt, um so eine exakte Strahlführung zu gewährleisten. Dennoch sind die Reflexionsflächen derart ausgeführt, dass die im Gebrauch zueinander unbeweglichen Reflexionsflächen jedes Reflektors einstellbar sind.
  • Die beiden Reflektoren könnten mittels eines gemeinsamen Antriebs in entgegensetzten Richtungen beweglich angeordnet sein. Besonders vorteilhaft ist demgegenüber eine Ausführungsform, bei der ein Reflektor unbeweglich ausgeführt ist, um so den konstruktiven Aufwand, beispielsweise aufgrund der erforderlichen Schiebeführungen, zu verringern. Dabei werden zweckmäßigerweise zumindest die Reflexionsflächen des beweglichen Reflektors zu einer Baueinheit zusammengefasst.
  • Die Erfindung lässt verschiedene Ausführungsformen zu. Zur weiteren Verdeutlichung ihres Grundprinzips ist eine davon in der Zeichnung dargestellt und wird nachfolgend beschrieben. Diese zeigt in einer Prinzipskizze
  • 1 eine erfindungsgemäße Vorrichtung in einer ersten Funktionsstellung, in der vier parallele Laserstrahlen zueinander einen großen Abstand aufweisen
  • 2 die in der 1 gezeigte Vorrichtung in einer zweiten Funktionsstellung, in der die parallelen Laserstrahlen zueinander einen geringen Abstand aufweisen.
  • Die erfindungsgemäße Vorrichtung 1 zur Bearbeitung eines Werkstücks 2 wird anhand der 1 und 2 in zwei Funktionsstellungen näher dargestellt, in welchen die parallelen Laserstrahlen 3', 3'', 4', 4'' zueinander einerseits einen großen (1), andererseits einen geringen (2) Abstand a', a'' aufweisen. Die Vorrichtung 1 hat mehrere jeweils einem Laserstrahl 3', 3'', 4', 4'' zugeordnete Fokussieroptiken 5 zum Fokussieren jedes Laserstrahls 3', 3'', 4', 4'' in eine gemeinsame Fokussierebene 6 auf dem Werkstück 2. Die Laserstrahlen 3', 3'', 4', 4'' bilden ein äußeres erstes Laserstrahlenpaar 3 und ein inneres zweites Laserstrahlenpaar 4. Die Laserstrahlen 3', 3'', 4', 4'' jedes Laserstrahlenpaares 3, 4 sind unabhängig von dem jeweils eingestellten Abstand a', a'' gegenüber einer Symmetrieachse 7 gleich beabstandet. Bevor die Laserstrahlen 3', 3'', 4', 4'' ausgehend von der jeweiligen Fokussieroptik 5 auf das Werkstück 2 treffen wird jeder Laserstrahl 3', 3'', 4', 4'' an Reflexionsflächen 8', 8'', 9', 9'', 10', 10'', 11', 11'', 12', 12'' von zwei Reflektoren 13, 14', 14'' abgelenkt. Dabei bilden die Reflexionsflächen 8', 8'', 9', 9'' des zentralen unbeweglichen Reflektors 13 eine Baueinheit, während der in Pfeilrichtung x bewegliche Reflektor 14', 14'' durch eine Funktionseinheit separater Reflexionsflächen 10', 10'', 11', 11'', 12', 12'' gebildet ist. An den Reflexionsflächen 8', 8'', 9', 9'', 10', 10'', 11', 11'', 12', 12'' werden die Laserstrahlen 3', 3'' des äußeren ersten Laserstrahlenpaares 3 genau dreimal und die Laserstrahlen 4', 4'' des inneren zweiten Laserstrahlenpaares 4 genau einmal abgelenkt. Dieses Reflexionsverhältnis von 3:1 führt dazu, dass eine Relativbewebung der Reflektoren 13, 14', 14'' um den Betrag Δx in Pfeilrichtung x parallel zu der Symmetrieachse 7 zu einer Verlagerung der äußeren Laserstrahlen 3', 3'' gegenüber den inneren Laserstrahlen 4', 4'' um den dreifachen Betrag führt mit der Folge, dass der Abstand a', a'' aller Laserstrahlen 3', 3'', 4', 4'' zu dem jeweils benachbarten Laserstrahl 3', 3'', 4', 4'' unabhängig von der absoluten Position in dem Verhältnis von a'' = a' + 2Δx immer konstant bleibt. Zur Vermeidung einer Verlagerung der Fokussierebene 6 sind dabei auch die den Laserstrahlen 3', 3'', 4', 4'' jeweils zugeordneten Fokussieroptiken 5 gemeinsam mit dem Reflexionsflächen 10', 10'', 11', 11'', 12', 12'' des Reflektors 14', 14'' mittels eines nicht gezeigten Antriebs gemeinsam beweglich. Dabei ist jeder Reflexionsfläche 10', 10'', 11', 11'', 12', 12'' des beweglichen Reflektors 14', 14'' eine zu dieser parallele Reflexionsfläche 8', 8'', 9', 9'' des anderen Reflektors 13 zugeordnet, die jeweils für sich mit der Fokussierebene 6 einen Winkel von 45° einschließen, wobei jeder Reflektor 13, 14', 14'' zumindest zwei relativ zueinander einen Winkel von 90° einschließende Reflexionsflächen aufweist.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
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    • - EP 0624424 A1 [0003]
    • - US 6927109 B1 [0003]

Claims (17)

  1. Vorrichtung (1) zur Bearbeitung eines Werkstücks (2) mittels mehrerer paralleler Laserstrahlen (3', 3'', 4', 4''), wobei die Vorrichtung (1) mit zumindest einer Fokussieroptik (5) zum Fokussieren jedes Laserstrahls (3', 3'', 4', 4'') in eine gemeinsame Fokussierebene (6) ausgestattet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Laserstrahlen (3', 3'', 4', 4'') zumindest zwei Laserstrahlenpaare (3, 4) bilden und jedes Laserstrahlenpaar (3, 4) durch zwei gegenüber einer Symmetrieachse (7) gleich beabstandete Laserstrahlen (3', 3'' und 4', 4'') gebildet ist, wobei zur Einstellung des relativen Abstands (a', a'') der benachbarten Laserstrahlen (3', 3'', 4', 4'') in der Fokussierebene (6) jeder Laserstrahl (3', 3'', 4', 4'') an Reflexionsflächen (8', 8'', 9', 9'', 10', 10'', 11', 11'', 12', 12'') von zumindest zwei in Richtung der Symmetrieachse (7) gemeinsam mit der Fokussieroptik (5) relativ zueinander, insbesondere translatorisch beweglichen Reflektoren (13, 14', 14'') ablenkbar ist, wobei die Anzahl der Reflexionen der Laserstrahlen (3', 3'') des ersten Laserstrahlenpaares (3) dem dreifachen der Anzahl der Reflexionen der Laserstrahlen (4', 4'') des zweiten Laserstrahlenpaares (4) auf dem beweglichen Reflektor (13, 14', 14'') entspricht, wobei die Reflexionsflächen (8', 8'', 9', 9'', 10', 10'', 11', 11'', 12', 12'') gegenüber der Symmetrieachse (7) einen Winkel von +45° oder –45° aufweisen.
  2. Vorrichtung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Laserstrahlenpaar (3) durch die äußeren Laserstrahlen (3', 3'') in Bezug auf die Fokussierebene (6) und das zweite Laserstrahlenpaar (4) durch die inneren Laserstrahlen (4', 4'') in Bezug auf die Fokussierebene (6) gebildet sind.
  3. Vorrichtung (1) nach den Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die beweglichen Reflexionsflächen (8', 8'', 9', 9'', 10', 10'', 11', 11'', 12', 12'') derart ausgeführt sind, dass jeder Laserstrahl (3', 3'') des ersten Laserstrahlenpaares (3) genau dreimal und jeder Laserstrahl (4', 4'') des zweiten Laserstrahlenpaares (4) genau einmal an den Reflexionsflächen (8', 8'', 9', 9'', 10', 10'', 11', 11'', 12', 12'') der beiden Reflektoren (13, 14', 14'') reflektiert wird.
  4. Vorrichtung (1) nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Reflektor (13, 14', 14'') mehrere sowohl dem ersten Laserstrahlenpaar (3) als auch dem zweiten Laserstrahlenpaar (4) zugeordnete Reflexionsflächen (8', 8'', 9', 9'', 10', 10'', 11', 11'', 12', 12'') aufweist, die mittels eines Antriebs gemeinsam beweglich sind.
  5. Vorrichtung (1) nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass den Laserstrahlen (3', 3'', 4, 4'') jeweils eine Fokussieroptik (5) zugeordnet ist.
  6. Vorrichtung (1) nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Reflexionsflächen (8', 8'', 9', 9'') des Reflektors (13) mit der den Laserstrahlen (3', 3'', 4', 4'') zugeordneten Fokussieroptik (5) verbunden und gemeinsam mit dieser beweglich angeordnet sind.
  7. Vorrichtung (1) nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Reflexionsflächen (10', 10'', 11', 11'', 12', 12'') des Reflektors (14', 14'') mit der den Laserstrahlen (3', 3'', 4', 4'') zugeordneten Fokussieroptik (5) verbunden und gemeinsam mit dieser beweglich angeordnet sind.
  8. Vorrichtung (1) nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Reflexionsflächen (8', 8'', 9', 9'', 10', 10'', 11', 11'', 12', 12'') jedes Reflektors (13, 14', 14'') sowie die den Laserstrahlen (3', 3'', 4', 4'') zugeordnete Fokussieroptik (5) zu einer Baueinheit zusammengefasst sind.
  9. Vorrichtung (1) nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Reflexionsflächen (8', 8'', 9', 9'', 10', 10'', 11', 11'', 12', 12'') mit der Fokussierebene (6) einen Winkel von +45° oder –45° einschließen.
  10. Vorrichtung (1) nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Reflektor (13, 14', 14'') zumindest zwei relativ zueinander einen Winkel von 90° einschließende Reflexionsflächen (8', 8'', 9', 9'', 10', 10'', 11', 11'', 12', 12'') aufweist.
  11. Vorrichtung (1) nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Reflektor (13, 14', 14'') zumindest eine Reflexionsfläche (8'', 9', 10', 11', 12'') mit einem Winkel von +45° und zumindest eine Reflexionsfläche (8', 9'', 10'', 11'', 12') mit einem Winkel von –45° relativ zur Symmetrieachse (7) aufweist.
  12. Vorrichtung (1) nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Reflexionsflächen derart ausgeführt sind, dass ein erster Laserstrahl (3') des ersten Laserstrahlenpaares (3) genau einmal an der um –45° geneigten Reflexionsfläche (8', 12') und genau zweimal an der um +45° geneigten Reflexionsfläche (9', 11') der Reflektoren (13, 14', 14'') reflektiert wird.
  13. Vorrichtung (1) nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Reflexionsflächen (8, 9) derart ausgeführt sind, dass ein zweiter Laserstrahl (3'') des ersten Laserstrahlenpaares (3) genau einmal an der um +45° geneigten Reflexionsfläche (8'', 12'') und genau zweimal an der um –45° geneigten Reflexionsfläche (9'', 11'') der Reflektoren (13, 14', 14'') reflektiert wird.
  14. Vorrichtung (1) nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Reflektoren (13, 14', 14'') jeweils zumindest zwei Reflexionsflächen (8', 8'', 9', 9'') aufweisen, die zu Reflexionsflächen (10', 10'', 11', 11'', 12', 12'') des jeweils anderen Reflektors (13, 14', 14'') parallel angeordnet sind.
  15. Vorrichtung (1) nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die im Gebrauch zueinander unbeweglichen Reflexionsflächen (8', 8'', 9', 9'', 10', 10'', 11', 11'', 12', 12'') jedes Reflektors (13, 14', 14'') einstellbar sind.
  16. Vorrichtung (1) nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Reflektor (13, 14', 14'') unbeweglich ausgeführt ist.
  17. Vorrichtung (1) nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Symmetrieachse (7) senkrecht zur Bearbeitungsfläche (6) angeordnet ist.
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