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Die
Erfindung betrifft ein modulares Laserbearbeitungssystem zur Bearbeitung
eines Werkstücks mittels
eines Bearbeitungslaserstrahls und ein Funktionsmodul zum Aufbau
desselben.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Die
Erfindung wird im Folgenden beispielsweise anhand der Zeichnungen
näher erläutert. Es zeigen:
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1 eine
stark vereinfachte schematische Ansicht von drei erfindungsgemäßen modularen
Laserbearbeitungssystemen, die Kollimatorlinsen unterschiedlicher
Brennweite einsetzen,
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2A eine
schematische perspektivische Ansicht eines Grundmoduls gemäß der Erfindung,
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2B eine
schematische Schnittansicht eines Grundmoduls gemäß der Erfindung,
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2C eine
schematische Draufsicht auf ein Grundmodul gemäß der Erfindung,
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3 eine
schematische Schnittansicht eines z-Justagemoduls gemäß der Erfindung,
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4 eine
schematische Schnittansicht eines x- oder y-Justagemoduls gemäß der Erfindung,
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5 eine
schematische Schnittansicht eines Gaszuführmoduls gemäß der Erfindung,
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6 eine
schematische Schnittansicht eines Kühlmoduls gemäß der Er findung
und
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7 eine
schematische Seitenansicht eines Strahlumlenkmoduls gemäß der Erfindung.
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In
den verschiedenen Figuren der Zeichnungen sind einander entsprechende
Bauelemente mit gleichen Bezugszeichen versehen.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Im
Folgenden sollen nun verschiedene Ausgestaltungen eines Funktionsmoduls 100 aus 1 ausführlich erläutert werden.
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In
den 2A bis 2C ist
ein als Grundmodul 200 ausgestaltetes Funktionsmodul 100 dargestellt.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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In 6 ist
ein als Kühlmodul 600 ausgestaltetes
Funktionsmodul 100 in schematischer Schnittansicht gezeigt.
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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.
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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.
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In 7 ist
eine Seitenansicht eines Strahlumlenkmoduls 700 gezeigt.
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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.
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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.
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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.
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Es
kann also neben der kompakten Bauweise des modularen Laserbearbeitungssystems
bei verschiedenen Kollimatorlinsenbrennweiten auch eine schnelle
Umrüstung
des modularen Laserbearbeitungssystems erreicht werden.