DE102008048323B3

DE102008048323B3 - Modulares Laserbearbeitungssystem und Funktionsmodul

Info

Publication number: DE102008048323B3
Application number: DE102008048323A
Authority: DE
Inventors: Bert Dr.-Ing. Schürmann; Ludwig Weber
Original assignee: Precitec KG
Current assignee: Precitec GmbH and Co KG
Priority date: 2008-09-22
Filing date: 2008-09-22
Publication date: 2009-12-17
Anticipated expiration: 2028-09-23
Also published as: US8415584B2; CN101683704A; US20100072180A1; CN101683704B

Abstract

Es wird ein modulares Laserbearbeitungssystem (10) zur Bearbeitung eines Werkstücks (20) mittels eines Bearbeitungslaserstrahls (14) beschrieben, welches eine Vielzahl von Funktionsmodulen (100) mit einem Strahldurchgangsbereich (102) aufweist, die entlang einem Bearbeitungslaserstrahlengang seriell miteinander verbindbar sind, mit einem als Faseranschlussmodul (104) ausgebildeten Funktionsmodul (100) zur Aufnahme eines Faserendes, aus welchem der Bearbeitungslaserstrahl (14) austritt, und einem als Kollimatormodul (106) ausgebildeten Funktionsmodul (100) mit einer Kollimatorlinse (16a, 16b, 16c), welche den Bearbeitungslaserstrahl (14) kollimiert, wobei die Kollimatorlinse (16a, 16b, 16c) aus einer Gruppe von Kollimatorlinsen mit unterschiedlichen Brennweiten ausgewählt ist, die einem Rastermaß (L1) oder einem ganzzahligen Vielfachen davon entsprechen, das dadurch gekennzeichnet ist, dass die Länge A des Strahldurchgangsbereichs (102) eines Funktionsmoduls (100) entlang dem Bearbeitungslaserstrahlengang dem Rastermaß (L1) oder einem ganzzahligen Vielfachen davon entspricht.

Description

Die Erfindung betrifft ein modulares Laserbearbeitungssystem zur Bearbeitung eines Werkstücks mittels eines Bearbeitungslaserstrahls und ein Funktionsmodul zum Aufbau desselben.
Modulare Laserbearbeitungssysteme, bei welchen ein Laserbearbeitungskopf aus einer Vielzahl von Funktionsmodulen aufgebaut wird, sind bereits bekannt. Hierbei erfüllt ein Funktionsmodul eine bestimmte Aufgabe an einer entsprechenden Position im Strahlengang des Bearbeitungslaserstrahls, wobei die Strahleintrittsseite und die Strahlaustrittsseite eines Funktionsmoduls so ausgestaltet ist, dass sie mit weiteren Funktionsmodulen gekoppelt werden kann, um somit ein Baukastensystem für den Aufbau eines Laserbearbeitungskopfs zu erhalten. Übliche Funktionen eines bekannten Funktionsmoduls sind hierbei die Aufnahme einer Glasfaser, die Halterung eines Kollimatorlinsenschutzglases, die Aufnahme einer Kollimatorlinse, die Justage von entsprechenden Funktionsmodulen in einer x- oder y-Richtung, also einer Verstellung in einer Ebene senkrecht zum Laserbearbeitungsstrahlengang, die Auskopplung eines Bearbeitungslaserstrahls zur Laserleistungsmessung, die Aufnahme einer Fokussierlinse, die Aufnahme eines Schutzglases zum Schutz der Fokussierlinse und gegebenenfalls das Vorsehen eines Crossjet-Moduls zum Abschirmen des Laserbearbeitungskopfs durch ein querströmendes Schutzgas.
Den bekannten Optikmodulbaukastensystemen für den Aufbau eines Laserbearbeitungskopfs ist jedoch gemein, dass die Funktionsmodule zwar an ihrer Strahlaustritts- und Strahleintrittsseite jeweils miteinander koppelbar sind, diese jedoch alle unterschiedliche Außenabmessungen aufweisen.
So kann an Stellen des Laserbearbeitungskopfs, in welchen der Laserbearbeitungsstrahl nicht kollimiert ist, ein Funktionsmodul aufgrund der entsprechenden Brennweiten der eingesetzten Linsenmodule nicht einfach eingesetzt oder ausgetauscht werden.
Die DE 20 2004 013 136 U1 beschreibt eine modulare Lichtwellenoptik, insbesondere ein modulares Laserstrahlbearbeitungssystem zur Laserstrahlbearbeitung von Werkstücken, das eine Vielzahl von seriell entlang einem Bearbeitungsstrahlengang miteinander verbindbare Funktionsmodule aufweist. Hierbei ist ein als Faseranschlussmodul ausgebildetes Funktionsmodul vorgesehen, das zur Aufnahme des Endes einer Lichtleitfaser dient. Außerdem umfasst das Laserbearbeitungssystem ein Optikmodul, das mit Kollimatorlinsen unterschiedlicher Brennweite ausgestattet sein kann.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein modulares Laserbearbeitungssystem und ein Funktionsmodul zu schaffen, bei welchem eine Anpassung des Laserbearbeitungssystems im Falle unterschiedlicher Brennweiten einer Kollimatorlinse vereinfacht wird.
Diese Aufgabe wird durch das modulare Laserbearbeitungssystem nach Anspruch 1 und durch das Funktionsmodul nach Anspruch 13 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung werden in den Unteransprüchen dargelegt.
Erfindungsgemäß ist ein modulares Laserbearbeitungssystem zur Bearbeitung eines Werkstücks mittels eines Bearbeitungslaserstrahls vorgesehen, welches eine Vielzahl von Funktionsmodulen mit einem Strahldurchgangsbereich aufweist, die entlang eines Bearbeitungslaserstrahlengangs seriell miteinander verbandbar sind, mit einem als Faseranschlussmodul ausgebildeten Funktionsmodul zur Aufnahme eines Faserendes, aus welchem der Bearbeitungslaserstrahl austritt, und einem als Kollimatormodul ausgebildeten Funktionsmodul mit einer Kollimatorlinse, welche den Bearbeitungslaserstrahl kollimiert, wobei die Kollimatorlinse aus einer Gruppe von Kollimatorlinsen mit unterschiedlichen Brennweiten ausgewählt ist, die einem Rastermaß oder einem ganzzahligen Vielfachen davon entsprechen, wobei die Länge des Strahldurchgangsbereichs eines Funktionsmoduls entlang des Bearbeitungslaserstrahlengangs dem Rastermaß oder einem ganzzahligen Vielfachen davon entspricht.
Es ist also ein modulares Laserbearbeitungssystem vorgesehen, welches aus einer Vielzahl von Modulen aufgebaut ist, wobei ein Modul zum Halten einer Faser zur Auskopplung eines Laserbearbeitungsstrahls und ein anderes Modul zum Halten einer Kollimatorlinse vorgesehen ist, und wobei die Brennweiten der eingesetzten Kollimatorlinsen gerastert sind, also ein Vielfaches eines Rastermaßes aufweisen. Hierbei sind die Module so an die jeweiligen Brennweiten aufgrund des verwendeten Rastermaßes angepasst, dass bei einem Wechsel einer Kollimatorlinse einer Brennweite zu einer Kollimatorlinse mit einer nächstgrößeren Brennweite ein oder mehrere Module zwischen das Faserhaltemodul und das Kollimatormodul eingeschoben werden können, und damit der entsprechende Abstand zwischen Faserende und der neu eingesetzten Kollimatorlinse mit der nächstgrößeren Brennweite bis auf eine kleine Nachjustierung geschaffen wird.
Für eine kompakte Ausgestaltung der Module ist es vorteilhaft, wenn das Rastermaß in einem Bereich zwischen 20 mm und 35 mm liegt, und für eine einfache Berechnung des ganzzahligen Vielfachen des Rastermaßes ist es zweckmässig, wenn das Rastermaß insbesondere 25 mm ist.
Für eine vielseitige Verwendbarkeit des modularen Laserbearbeitungssystems ist es von Vorteil, wenn die Vielzahl von Funktionsmodulen ein Grundmodul umfasst, welches eine Halterung aufweist, die zur Aufnahme einer Kollimatorlinse, einer Fokussierlinse, einer Strahlfalle, eines Schutzglases, eines optischen Filters oder einer Aperturblende geeignet ist.
Um eine Justage in Laserstrahlrichtung zur entsprechenden Fokussierung oder Kollimation des Laserbearbeitungsstrahls im modularen Laserbearbeitungssystem zu erreichen, ist es von Vorteil, wenn die Vielzahl von Funktionsmodulen ein z-Justagemodul umfasst, welches eine in z-Richtung justierbare Halterung aufweist, die zur Aufnahme einer Faserbuchse, einer Kollimatorlinse oder einer Fokussierlinse geeignet ist.
Weiter ist es zweckmäßig, wenn für eine entsprechende Justage in einer Ebene senkrecht zur Laserstrahlrichtung der entsprechenden Funktionsmodule die Vielzahl von Funktionsmodulen ein x- oder y-Justagemodul umfasst, durch welches strahlaufwärts zum Justagemodul angeordnete Funktionsmodule gegenüber strahlabwärts zum Justagemodul angeordnete Funktionsmodule in einer x- oder y-Richtung justierbar sind.
Hierbei ist es zweckmäßig, wenn das x- oder y-Justagemodul in seinem strahleintrittssseitigen oder strahlaustrittsseitigen Teil eine Halterung aufweist, die zur Aufnahme einer Faserbuchse, einer Kollimatorlinse oder eine Fokussierlinse geeignet ist.
Bei einer Verwendung eines Bearbeitungsgases, welches durch den Laserbearbeitungsstrahlengang geführt wird, ist es von Vorteil, wenn die Vielzahl von Funktionsmodulen ein Gaszuführmodul umfasst, welches einen Anschluss für ein Bearbeitungsgas aufweist, welches dem Strahlendurchgangsbereich des Gaszuführmoduls zuleitbar ist.
Um eine optimale Kühlung des modularen Laserbearbeitungssystems, bei welchem die Funktionsmodule aufgrund ihrer thermisch gut leitenden Mate rialzusammensetzung in einem thermisch gekoppelten Zustand sind, zu erreichen, ist es von Vorteil, wenn die Vielzahl von Funktionsmodulen ein Kühlmodul umfasst, welches einen den Strahldurchgangsbereich des Kühlmoduls umgebenden Ringkanal aufweist, der für die Durchführung einer Kühlflüssigkeit zum Kühlen des Kühlmoduls geeignet ist.
Für eine Umlenkung des Bearbeitungslaserstrahls bei einer entsprechend gewünschten räumlichen Struktur des Laserbearbeitungssystems oder für eine Auskopplung des Laserbearbeitungsstrahls zur Messung der Laserintensität ist es zweckmäßig, wenn die Vielzahl von Funktionsmodulen ein Strahlumlenkmodul umfasst, welches einen halbdurchlässigen Umlenkspiegel zum Auskoppeln eines Teils des Bearbeitungslaserstrahls oder einen spekulären Umlenkspiegel zum Umlenken des Bearbeitungslaserstrahls aufweist. Hierbei ist die Länge des Strahldurchgangsbereichs nicht zwingend gleich dem Rastermaß, sondern kann beispielsweise dem Doppelten oder Dreifachen des Rastermaßes entsprechen.
Um eine einfache Montage der einzelnen Funktionsmodule miteinander zu ermöglichen, ist es zweckmäßig, wenn die Vielzahl von Funktionsmodulen jeweils einen Schraubadapter an ihrer Strahleintrittsseite aufweisen, mit welchem ein Funktionsmodul mit einem weiteren Funktionsmodul an dessen Strahlaustrittsseite verbindbar ist.
Für die Verwirklichung eines dichten Gaskanals entlang dem Bearbeitungslaserstrahlengangs zur Durchführung eines Schutzgases oder Bearbeitungsgases ist es von Vorteil, wenn die Vielzahl von Funktionsmodulen entweder an ihrer Strahleintrittsseite oder an ihrer Strahlaustrittsseite jeweils ein Dichtungselement aufweisen, das einen Öffnungsbereich des Strahldurchgangsbereichs umgibt, um einen gasdichten Durchgangskanal der Vielzahl von Funktionsmodule im miteinander verbundenen Zustand zu bilden.
Erfindungsgemäß ist weiter ein Funktionsmodul mit einem Strahldurchgangsbereich zum Aufbau eines modularen Laserbearbeitungssystems zur Bearbeitung eines Werkstücks mittels eines Bearbeitungslaserstrahls durch serielles Verbinden mit weiteren Funktionsmodulen vorgesehen, die entlang einem Bearbeitungslaserstrahlengang seriell miteinander verbindbar sind, wobei das modulare Laserbearbeitungssystem ein als Faseranschlussmodul ausgebildetes Funktionsmodul zur Aufnahme eines Faserendes, aus welchem der Bearbeitungslaserstrahl austritt, und ein als Kollimatormodul ausgebildetes Funktionsmodul mit einer Kollimatorlinse umfasst, welche den Bearbeitungslaserstrahl kollimiert, und wobei die Kollimatorlinse aus einer Gruppe von Kollimatorlinsen mit unterschiedlichen Brennweiten ausgewählt ist, welche einem Rastermaß oder einem ganzzahligen Vielfachen davon entsprechen. Hierbei entspricht erfindungsgemäß die Länge des Strahldurchgangsbereichs des Funktionsmoduls entlang dem Bearbeitungslaserstrahlengang dem Rastermaß oder einem ganzzahligen Vielfachen davon.
Die Erfindung wird im Folgenden beispielsweise anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
1 eine stark vereinfachte schematische Ansicht von drei erfindungsgemäßen modularen Laserbearbeitungssystemen, die Kollimatorlinsen unterschiedlicher Brennweite einsetzen,
2A eine schematische perspektivische Ansicht eines Grundmoduls gemäß der Erfindung,
2B eine schematische Schnittansicht eines Grundmoduls gemäß der Erfindung,
2C eine schematische Draufsicht auf ein Grundmodul gemäß der Erfindung,
3 eine schematische Schnittansicht eines z-Justagemoduls gemäß der Erfindung,
4 eine schematische Schnittansicht eines x- oder y-Justagemoduls gemäß der Erfindung,
5 eine schematische Schnittansicht eines Gaszuführmoduls gemäß der Erfindung,
6 eine schematische Schnittansicht eines Kühlmoduls gemäß der Er findung und
7 eine schematische Seitenansicht eines Strahlumlenkmoduls gemäß der Erfindung.
In den verschiedenen Figuren der Zeichnungen sind einander entsprechende Bauelemente mit gleichen Bezugszeichen versehen.
In den 1(a), (b) und (c) sind stark vereinfachte schematische Ansichten von drei unterschiedlichen erfindungsgemäßen modularen Laserbearbeitungssystemen 10 gezeigt, wie sie mit Laserbearbeitungsmaschinen oder -anlagen verwendet werden. Hierbei wird ein von der Laserbearbeitungsmaschine durch eine Faser 12 geleiteter Bearbeitungslaserstrahl 14 aus der Faser 12 ausgekoppelt, durch eine entsprechende Kollimatorlinse 16a, 16b, 16c mit unterschiedlichen Brennweiten kollimiert und durch eine Optik 18 auf ein Werkstück 20 fokussiert, um das Werkstück 20 unter Verwendung des Bearbeitungslaserstrahls 14 zu bearbeiten, wobei zum Beispiel Schweiß- oder Schneidarbeiten durchgeführt werden können.
Das modulare Laserbearbeitungssystem 10 ist hierbei aus einer Vielzahl von Funktionsmodulen 100 aufgebaut, welche durch ein einheitliches Kopplungssystem, welches noch eingehend beschrieben wird, miteinander verbindbar sind. Das Funktionsmodul 100 weist hierbei einen Strahldurchgangsbereich 102 auf, durch welchen der Laserbearbeitungsstrahl 14 hindurchgeführt wird. Hierbei ist die Länge des Durchgangsbereichs entlang dem Laserbearbeitungsstrahl 14 gleich einer Länge A. Hierbei muss die Länge A nicht mit der tatsächlichen Höhe eines verwendeten Funktionsmoduls 100 zusammenfallen, sondern entspricht der Länge, die ein entsprechendes Funktionsmodul 100 zu dem Aufbau des Gesamtstrahlengangs beiträgt. Die Länge A kann also bei einem Strahlumlenkmodul (wie in 7 gezeigt) der Länge entsprechen, die der Bearbeitungslaserstrahl 14 beim Durchgang durch das entsprechende Modul zurücklegt.
Die Faser 12 wird innerhalb eines Faseranschlussmoduls 104 gehalten, wobei das Faserende der Faser 12 zentral hinsichtlich der Höhe des Faseranschlussmoduls 104 gezeichnet ist. Der aus dem Faserende der Faser 12 ausgekoppelte Bearbeitungslaserstrahl 14 wird durch die jeweilige Kollimator linse 16a, 16b, 16c in einem Kollimatormodul 106 kollimiert, wobei die Kollimatorlinse 16a, 16b, 16c ebenfalls als zentral hinsichtlich der Höhe des Kollimatormoduls 106 schematisch gezeichnet ist. Diese Anordnung der jeweiligen optischen Komponenten ist jedoch rein schematisch, da für die Verwirklichung der Erfindung nicht die Anordnung der optischen Komponente innerhalb eines Funktionsmoduls selbst wichtig ist, sondern nur die Anordnung der jeweiligen optischen Komponenten an einer gleichen Stelle in Strahlrichtung innerhalb der eingesetzten Funktionsmodule, wodurch ein Grundabstand zwischen dem Faserende der Faser 12 und der Kollimatorlinse 16a, 16b, 16c gleich einer Länge A erreicht wird.
In dem in 1(a) gezeigten Beispiel ist die Brennweite der Kollimatorlinse 16a gleich einem Rastermaß L₁ und gleich der Länge A. Das Rastermaß muß jedoch nicht gleich der im Kollimatorlinsensystem verwendeten niedrigsten Brennweite sein, so kann beispielsweise die Kollimatorlinse mit der geringsten Brennweite gleich dem dreifachen des Rastermaßes entsprechen. Eine genaue Anpassung und Fokussierung entsprechend der eingesetzten Brennweite erfolgt durch eine Justierung in Strahlrichtung, wie später noch genauer beschrieben wird.
Ziel der Erfindung ist nun, bei der Verwendung von unterschiedlichen Brennweiten der Kollimatorlinsen 16a, 16b, 16c einen einfachen Umbau des modularen Laserbearbeitungssystems 10 zu erreichen. Hierfür werden Kollimatorlinsen 16a, 16b, 16c verwendet, deren Brennweite gerastert ist, die also ein ganzzahliges Vielfaches des Rastermaßes L₁ sind. Bei einem Wechsel einer Kollimatorlinse 16a mit der Brennweite, die beispielsweise gleich dem Rastermaß L₁ (1(a)) ist, zu einer Kollimatorlinse 16b mit einer zweiten Brennweite L₂, die dem doppelten des Rastermaßes L₁ entspricht, wie in 1(b) gezeigt, kann also ein Funktionsmodul 100 einfach zwischen das Kollimatormodul 106 und das Faseranschlussmodul 104 eingeschoben werden, da die Länge A eines Strahldurchgangsbereichs eines Funktionsmoduls 100 dem Rastermaß L₁ entspricht. Hierbei sei darauf hingewiesen, dass ein Funktionsmodul 100 nicht zwingend eine Länge A gleich dem Rastermaß L₁ aufweisen muss, es ist beispielsweise auch vorstellbar, dass bestimmte Module wie beispielsweise ein Strahlumlenkmodul, eine Länge A hinsichtlich ihres Strahldurchgangsbereichs aufweisen können, die einem Vielfachen des Rastermaßes L₁ entsprechen.
Wie also in den 1(a) bis 1(c) gezeigt, kann durch die Verwendung der gerasterten Brennweiten der Kollimatorlinsen 16a, 16b und 16c gleich den Längen L₁, L₂ = 2L₁ und L₂ = 3L₁ das modulare Laserbearbeitungssystem 10 in einfacher Weise durch den Einbau von Funktionsmodulen 100 mit einer Länge A, die im vorliegenden Beispiel dem Rastermaß L₁ entspricht, umgebaut werden. Hierbei ergibt sich der besondere Vorteil, dass Funktionsmodule 100, die bei der Verwendung des Rastermaßes L₁ für die Brennweite der Kollimatorlinse 16a strahlabwärts montiert waren (1(a)), bei einer Verwendung einer Kollimatorlinse 16b mit einer Brennweite mit der Länge L₂ nun einfach zwischen dem Faseranschlussmodul 104 und dem Kollimatormodul 106 angeordnet werden können, wodurch die Gesamthöhe des modularen Laserbearbeitungssystems 10 nicht verändert und somit eine kompakte Bauweise des Laserbearbeitungssystems erreicht wird.
Im Folgenden sollen nun verschiedene Ausgestaltungen eines Funktionsmoduls 100 aus 1 ausführlich erläutert werden.
In den 2A bis 2C ist ein als Grundmodul 200 ausgestaltetes Funktionsmodul 100 dargestellt.
Das Grundmodul 200 weist an seiner Oberseite, welche in einem mit anderen Funktionsmodulen verbundenem Zustand aufgrund der leichteren Montage vorzugsweise die Strahleintrittsseite ist, einen Schraubadapter 202 auf. Der Schraubadapter 202 besteht im vorliegenden Ausführungsbeispiel des Grundmoduls 200 aus vier Gewindestiften 204, die sich senkrecht von einer stirnseitigen Oberfläche 206 weg erstrecken und an den jeweiligen Ecken des in einer Draufsicht (2C) rechteckig geformten Grundmoduls 200 angeordnet sind. Das Grundmodul 200 weist an einer stirnseitigen Oberfläche 208 an der Unterseite Bohrungen 210 (nur in 2A gezeigt) auf, durch welche für eine Verbindung des Grundmoduls 200 mit einem weiteren beispielsweise als Grundmodul 200 ausgestalteten Funktionsmodul, die Gewindestifte 204 durchgesteckt werden und mittels Hutmuttern 212 befestigt werden können.
Auf der Oberfläche 206 der Oberseite des Grundmoduls 200 ist weiter ein ringförmiger Vorsprung 214 vorgesehen, der den Strahldurchgangsbereich 102 umgibt und welcher hinsichtlich seiner Abmessungen in eine Ausneh mung 216 in der Unterseite des Grundmoduls 200 passt, um somit bei einem Verbinden von mehreren Grundmodulen 200 eine Steckverbindung zwischen ringförmigem Vorsprung 214 und kreisrunder Ausnehmung 216 zu schaffen.
Der ringförmige Vorsprung 214 ist von einer ringförmigen Nut 218 umgeben, die in der Oberfläche 206 der Oberseite des Grundmoduls 200 ausgebildet ist. In der ringförmigen Nut 218 ist ein Dichtungsring 220 eingelegt, der bei einem Verbinden eines Grundmoduls 200 mit einem weiteren Grundmodul 200 an der stirnseitigen Oberfläche 208 der Unterseite des Grundmoduls 200 in Kontakt steht und somit den Strahldurchgangsbereich 102 einer Vielzahl von Funktionsmodulen gegenüber der Umgebung abdichtet.
Wie in 2A dargestellt, ist das Grundmodul 200 quaderförmig ausgebildet, wobei der Abstand zwischen der stirnseitigen Oberfläche 206 der Oberseite und der stirnseitigen Oberfläche 208 der Unterseite des Grundmoduls 200 der Länge A entspricht, die vorzugsweise 25 mm ist. Die Breite des Grundmoduls 200 ist vorzugsweise 50 mm.
An der Außenseite des Grundmoduls 200 sind Gewindebohrungen 222 und Passbohrungen 224 vorgesehen, um die Montage von weiteren Teilen an die Außenseite des modularen Laserbearbeitungssystems wie beispielsweise Wasserkühlungen, zu ermöglichen, oder um das modulare Laserbearbeitungssystem 10 an der Laserbearbeitungsmaschine zu befestigen.
Das Grundmodul 200 kann im Strahldurchgangsbereich 102 eine Halterung aufweisen, die zur Aufnahme eines optischen Bauteils geeignet ist. So kann beispielsweise eine Kollimatorlinse, eine Fokussierlinse, ein optischer Filter, eine Aperturblende oder ein Schutzglas in dem Grundmodul 200 befestigt werden, wobei dies beispielsweise über einen einschraubbaren Einsatz (nicht gezeigt) möglich ist. Hierbei sind die entsprechenden Linsen, Gläser oder Filter vorzugsweise kreisrund ausgebildet. Es ist jedoch auch vorstellbar, eine Halterung für eine Strahlfalle oder eine Aperturblende in dem Grundmodul 200 anzuordnen.
Im Folgenden soll ein als z-Justagemodul 300 ausgebildetes Funktionsmodul erläutert werden, dessen schematische Schnittansicht in 3 gezeigt ist. Hierbei sollen nur Bauteile erläutert werden, die unterschiedlich zu denen des Grundmoduls 200 sind.
Das z-Justagemodul 300 weist in seinem Strahldurchgangsbereich 102 einen in z-Richtung oder einer Richtung parallel zur Richtung des Bearbeitungslaserstrahlengangs frei beweglichen Einsatz 302 auf, der durch Arretierschrauben 304 fixiert werden kann, welche in Gewindebohrungen 306 eingeschraubt sind.
Der Einsatz 302 kann hierbei ein optisches Bauteil tragen, wobei die Verwendung des z-Justagemoduls 300 besonders bevorzugt für die Halterung einer Kollimatorlinse oder einer Faserbuchse zur Halterung des Faserendes der Faser 12 ist.
In 4 ist ein x- oder y-Justagemodul 400 in schematischer Schnittansicht gezeigt. Das x- oder y-Justagemodul 400 ist hierbei dazu vorgesehen, Funktionsmodule 100, welche strahlaufwärts zum Justagemodul 400 angeordnet sind, gegenüber Funktionsmodulen 100, die strahlabwärts zum Justagemodul 400 angeordnet sind, in einer x- oder y-Richtung zu verstellen. Hierbei ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass das x- oder y-Justagemodul 400 jeweils nur in einer Richtung senkrecht zur Richtung des Bearbeitungslaserstrahlengangs verstellbar ist, wobei durch die Montage eines zweiten Justagemoduls 400, dessen Verstellrichtung senkrecht zur Verstellrichtung eines darunterliegenden Justagemoduls 400 liegt, eine Verstellung in zwei Richtungen in der Ebene senkrecht zur Richtung des Bearbeitungslaserstrahlengangs erreicht werden kann.
Das x- oder y-Justagemodul 400 weist einen oberen oder strahleintrittsseitigen Teil 402 und einen unteren oder strahlaustrittsseitigen Teil 404 auf, wobei der obere Teil 402 in einem sich senkrecht zur Strahldurchgangsrichtung erstreckenden Schienenelement 406 auf dem unteren Teil 404 gelagert ist. Das Schienenelement 406 besteht dabei aus einem langgestreckten Vorsprungselement 408 in dem oberen Teil 402, welches in einer langgestreckten Nut 410 läuft. In dem in 4 gezeigten Ausführungsbeispiel sind das langgestreckte Vorsprungselement 408 und die langgestreckte Nut 410 im Schnitt rechteckig, hier sind jedoch alle möglichen Formen vorstellbar, so ist beispielsweise eine Schwalbenschwanzverbindung auch denkbar. Der obere Teil 402 erstreckt sich mit einem Mittelteil 412 in den unteren Teil 404 hinein, wobei in dem unteren Teil 404 in Gewindelöchern 414 angeordnete Arretierschrauben 416 den oberen Teil 402 durch Kontakt mit dem Mittelteil 412 des oberen Teils 402 arretieren. Das Mittelteil 412 des oberen Teils 402 weist an seiner den Strahldurchgangsbereich umgebenden ringförmigen Innenseite ein Gewinde 416 auf, in welchem ein Einsatz 418 mit einem Außengewinde 420 einschraubbar ist. Der Einsatz 418 kann dabei dazu vorgesehen sein, eine Kollimatorlinse, eine Fokussierlinse oder eine Faserbuchse zur Aufnahme eines Faserendes der Faser 12 aufzunehmen.
In 5 ist eine schematische Schnittansicht eines als Gaszuführmodul 500 ausgestalteten Funktionsmoduls 100 gezeigt. Das Gaszuführmodul 500 weist in seiner den Strahldurchgangsbereich 102 umgebenden Innenwandung 502 ein Innengewinde 504 auf, in welches ein Gaszuführeinsatz 506 mit einem Außengewinde 508 eingeschraubt ist. Der Gaszuführeinsatz 506 ist buchsenförmig ausgebildet, wobei in der Wandung des Gaszuführeinsatzes 506 Zuführdüsen 510 ausgebildet sind, durch welche ein Bearbeitungsgas oder Schutzgas dem Strahldurchgangsbereich 102 zugeführt werden kann. Das zugeführte Gas wird dabei in den Raum zwischen der Außenwandung des buchsenförmigen Gaszuführeinsatzes 506 und der Innenwandung 502 des Gaszuführmoduls 500 über eine Gaszuführleitung (nicht gezeigt) eingeleitet und strömt dann durch die Gaszuführdüsen 510 in den Strahldurchgangsbereich 102.
In 6 ist ein als Kühlmodul 600 ausgestaltetes Funktionsmodul 100 in schematischer Schnittansicht gezeigt.
Das Kühlmodul 600 weist einen oberen oder strahleintrittsseitigen Teil 602 und einen unteren oder strahlaustrittsseitigen Teil 604 auf, wobei der obere Teil 602 eine buchsenförmige Ausnehmung aufweist und der untere Teil 604 einen buchsenförmigen Abschnitt 606 und einen Sockelabschnitt 608 aufweist. Der untere Teil 604 ist dabei mit seinem buchsenförmigen Abschnitt 606 in das Innere der buchsenförmigen Ausnehmung des oberen Teils 602 gesteckt, wobei der quaderförmige Sockelabschnitt 608 des unteren Teils 604 gegen eine Stirnseite des oberen Teils 602 stößt. Der obere Teil 602 weist wie das Grundmodul 200 einen ringförmigen Vorsprung 610 auf, wobei die Stirnseite des ringförmigen Vorsprungs 610 mit der Stirnseite des buchsenförmigen Abschnitts 606 des unteren Teils 604 im zusammengesteckten Zustand fluchtet. Der buchsenförmige Abschnitt 606 des unteren Teils 604 weist in seiner äußeren Wandung eine Vielzahl von Ringnuten 612 auf, die im in den oberen Teil 602 eingesteckten Zustand zusammen mit der Innenwandung des oberen Teils 602 Ringkanäle ausbilden.
Der buchsenförmige Abschnitt 606 des unteren Teils 604 weist an der dem ringförmigen Vorsprung 610 des oberen Teils 602 zugewandten Seite einen Dichtungsring 614 auf, um die durch die Ringnuten 612 gebildeten Ringkanäle zu einer Oberseite des Kühlmoduls 600 hin abzudichten. Die Ringkanäle werden weiter in Richtung des unteren Teils 604 durch einen Dichtungsring 616 abgedichtet, der in einer in einer dem unteren Teil 604 zugewandten Stirnseite des oberen Teils 602 befindlichen Ringnut 618 angeordnet ist, wobei im zusammengesteckten Zustand des unteren Teils 604 mit dem oberen Teils 602 der Dichtungsring 616 die Verbindung der beiden Teile 602 und 604 abdichtet. Zur Kühlung des Kühlmoduls 600, das vorzugsweise wie die anderen Funktionsmodule 100 aus Metall gefertigt ist und somit einen guten thermischen Kontakt mit dem Gesamtsystem gewährleistet, wird vorzugsweise eine Kühlflüssigkeit wie Wasser, verwendet. Dieses wird durch einen Zuführkanal (nicht gezeigt) dem Ringkanal, der durch die Ringnuten 612 gebildet ist, zugeführt. Hierbei ist es beispielsweise möglich, mehrere Ringkanäle zu bilden oder einen spiralförmigen Ringkanal vorzusehen, wobei in diesem Fall das Wasser an einem Ende zugeführt und an einem anderen Ende abgeführt wird.
In 7 ist eine Seitenansicht eines Strahlumlenkmoduls 700 gezeigt.
Das Strahlumlenkmodul 700 weist zusätzlich zu dem bereits bei der Beschreibung des Grundmoduls 200 erläuterten Schraubadapter 202 einen im Seitenbereich befindlichen Schraubadapter 702 auf, dessen Funktionsweise der des Schraubadapters 202 entspricht. Das Strahlumlenkmodul weist einen oberen Teil 704 und einen unteren Teil 706 auf, die jeweils in Schnittansicht Bereiche in Form eines rechtwinkligen Dreiecks aufweisen. Hierbei sind der obere Teil 704 und der untere Teil 706 mit den entsprechenden Hypotenusenabschnitten verbunden, sodass sie in der Gesamtheit einen in Schnittansicht rechteckigen Körper bilden. Hierbei kann an dem Hypotenusenabschnitt des oberen Teils 704 ein Spiegel montiert werden, durch wel chen ein von einer Seite kommender Laserbearbeitungsstrahl rechtwinklig abgelenkt wird. Es ist jedoch auch vorstellbar, einen teildurchlässigen Spiegel zu montieren, wodurch ein von der Unterseite des Strahlumlenkmoduls 700 kommender Laserbearbeitungsstrahl durch den halbdurchlässigen Spiegel zu einer Oberseite hindurchgeht und ein Teil des Laserbearbeitungsstrahls zu einer Seite hin ausgekoppelt wird.
Die Länge A des durch das Strahlumlenkmodul 700 gehenden Bearbeitungslaserstrahls ist wiederum auf das Rastermaß L₁, wie in 1 gezeigt, abgestimmt. Hierbei ist es besonders vorteilhaft, beispielsweise das Doppelte des Rastermaßes L₁, also beispielsweise 50 mm, zu wählen. Somit ist es vorstellbar, ein Umlenkmodul zwischen das Faserhaltemodul 104 und das Kollimatormodul 106 bei großen Brennweiten der Kollimatorlinse 16a, 16b, 16c einzufügen.
Durch die Erfindung kann also durch die Abstimmung der Durchgangslänge A der verwendeten optischen Module auf gerasterte Brennweiten der verwendeten Kollimatorlinsen eines modularen Laserbearbeitungssystems erreicht werden, dass ein kompakter Aufbau durch einfache Ummontierung einzelner Funktionsmodule 100 erreicht wird. Hierbei müssen die Funktionsmodule 100 nicht unbedingt eine Funktion erfüllen, sondern können auch einfach als Abstandshaltermodule verwendet werden. Somit kann beispielsweise der Übergang von einer niedrigen zu einer hohen Brennweite der Kollimatorlinse einfach durch Einfügen von zwei Abstandshaltermodulen 100 umgerüstet werden, wobei lediglich eine geringe oder gar keine Nachjustierung nötig ist.
Es kann also neben der kompakten Bauweise des modularen Laserbearbeitungssystems bei verschiedenen Kollimatorlinsenbrennweiten auch eine schnelle Umrüstung des modularen Laserbearbeitungssystems erreicht werden.

Claims

Modulares Laserbearbeitungssystem (10) zur Bearbeitung eines Werkstücks (20) mittels eines Bearbeitungslaserstrahls (14), welches eine Vielzahl von Funktionsmodulen (100) mit einem Strahldurchgangsbereich (102) aufweist, die entlang einem Bearbeitungslaserstrahlengang seriell miteinander verbindbar sind, mit – einem als Faseranschlussmodul (104) ausgebildeten Funktionsmodul (100) zur Aufnahme eines Faserendes, aus welchem der Bearbeitungslaserstrahl (14) austritt, und – einem als Kollimatormodul (106) ausgebildeten Funktionsmodul (100) mit einer Kollimatorlinse (16a, 16b, 16c), welche den Bearbeitungslaserstrahl (14) kollimiert, wobei die Kollimatorlinse (16a, 16b, 16c) aus einer Gruppe von Kollimatorlinsen mit unterschiedlichen Brennweiten ausgewählt ist, die einem Rastermaß (L₁) oder einem ganzzahligen Vielfachen davon entsprechen, wobei die Länge (A) des Strahldurchgangsbereichs (102) eines Funktionsmoduls (100) entlang dem Bearbeitungslaserstrahlengang dem Rastermaß (L₁) oder einem ganzzahligen Vielfachen davon entspricht.
Modulares Laserbearbeitungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Rastermaß (L₁) in einem Bereich zwischen 20 mm und 35 mm liegt.
Modulares Laserbearbeitungssystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Rastermaß (L₁) 25 mm ist.
Modulares Laserbearbeitungssystem nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Vielzahl von Funktionsmodulen (100) ein Grundmodul (200) umfasst, welches eine Halterung aufweist, die zur Aufnahme einer Kollimatorlinse, einer Fokussierlinse, einer Strahlfalle, eines Schutzglases, eines optischen Filters oder einer Aperturblende geeignet ist.
Modulares Laserbearbeitungssystem nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vielzahl von Funktionsmodulen (100) ein z-Justagemodul (300) umfasst, welches eine in z-Richtung justierbare Halterung (302) aufweist, die zur Aufnahme einer Faserbuchse, einer Kollimatorlinse oder einer Fokussierlinse geeignet ist.
Modulares Laserbearbeitungssystem nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vielzahl von Funktionsmodulen (100) ein x- oder y-Justagemodul (400) umfasst, durch welches strahlaufwärts zum Justagemodul (400) angeordnete Funktionsmodule (100) gegenüber strahlabwärts zum Justagemodul (400) angeordneten Funktionsmodulen (100) in einer x- oder y-Richtung justierbar sind.
Modulares Laserbearbeitungssystem nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das x- oder y-Justagemodul (400) in seinem strahleintrittsseitigen oder strahlaustrittsseitigen Teil eine Halterung (418) aufweist, die zur Aufnahme einer Faserbuchse, einer Kollimatorlinse oder einer Fokussierlinse geeignet ist.
Modulares Laserbearbeitungssystem nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vielzahl von Funktionsmodulen (100) ein Gaszuführmodul (500) umfasst, welches einen Anschluss für ein Bearbeitungsgas aufweist, welches dem Strahldurchgangsbereich (102) des Gaszuführmoduls (500) zuleitbar ist.
Modulares Laserbearbeitungssystem nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vielzahl von Funktionsmodulen (100) ein Kühlmodul (600) umfasst, welches einen den Strahldurchgangsbereich (102) des Kühlmoduls (600) umgebenden Ringkanal aufweist, der für die Durchführung einer Kühlflüssigkeit zum Kühlen des Kühlmoduls (600) geeignet ist.
Modulares Laserbearbeitungssystem nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vielzahl von Funktionsmodulen (100) ein Strahlumlenkmodul (700) umfasst, welches einen halbdurchlässigen Umlenkspiegel zum Auskoppeln eines Teils des Bearbeitungslaserstrahls (14) oder einen spekulären Umlenkspiegel zum Umlenken des Bearbeitungslaserstrahls (14) aufweist.
Modulares Laserbearbeitungssystem nach einem der vorstehenden An sprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vielzahl von Funktionsmodulen (100) jeweils einen Schraubadapter (202) an ihrer Strahleintrittsseite aufweisen, mit welchem ein Funktionsmodul (100) mit einem weiteren Funktionsmodul (100) an dessen Strahlaustrittsseite verbindbar ist.
Modulares Laserbearbeitungssystem nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vielzahl von Funktionsmodulen entweder an ihrer Strahleintrittsseite oder an ihrer Strahlaustrittsseite jeweils ein Dichtungselement (220) aufweisen, das einen Öffnungsbereich des Strahldurchgangsbereichs (102) umgibt, um einen gasdichten Durchgangskanal der Vielzahl von Funktionsmodule (100) im miteinander verbundenen Zustand zu bilden.
Funktionsmodul (100) mit einem Strahldurchgangsbereich (102) zum Aufbau eines modularen Laserbearbeitungssystems (10) zur Bearbeitung eines Werkstücks (20) mittels eines Bearbeitungslaserstrahls (14) durch serielles Verbinden mit weiteren Funktionsmodulen (100), die entlang einem Bearbeitungslaserstrahlengang seriell miteinander verbindbar sind, wobei das modulare Laserbearbeitungssystem (10) ein als Faseranschlussmodul (104) ausgebildetes Funktionsmodul (100) zur Aufnahme eines Faserendes, aus welchem der Bearbeitungslaserstrahl (14) austritt, und ein als Kollimatormodul (106) ausgebildetes Funktionsmodul (100) mit einer Kollimatorlinse (16a, 16b, 16c) umfasst, welche den Bearbeitungslaserstrahl (14) kollimiert, und wobei die Kollimatorlinse (16a, 16b, 16c) aus einer Gruppe von Kollimatorlinsen mit unterschiedlichen Brennweiten ausgewählt ist, die einem Rastermaß (L₁) oder einem ganzzahligen Vielfachen davon entsprechen, dadurch gekennzeichnet, dass die Länge (A) des Strahldurchgangsbereichs (102) des Funktionsmoduls (100) entlang dem Bearbeitungslaserstrahlengang dem Rastermaß (L₁) oder einem ganzzahligen Vielfachen davon entspricht.