DE102011085929B3

DE102011085929B3 - Strahlweiche und Laserbearbeitungsanlage damit

Info

Publication number: DE102011085929B3
Application number: DE201110085929
Authority: DE
Inventors: Jürgen Döttling; Robert Ganter; Bernd Armbruster; Michael Dittrich
Original assignee: Trumpf Laser GmbH
Current assignee: Trumpf Laser GmbH
Priority date: 2011-11-08
Filing date: 2011-11-08
Publication date: 2013-02-21
Anticipated expiration: 2031-11-09
Also published as: DE102011085929C5; WO2013068289A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Strahlweiche (1), umfassend: einen ersten optischen Eingang (3) zur Einkopplung eines ersten Laserstrahls, einen zweiten optischen Eingang (4) zur Einkopplung eines zweiten Laserstrahls, eine Schalteinrichtung mit einem Schaltelement (5), welches bewegbar ist zwischen einer ersten Stellung, in welcher ein erster Lichtweg (LW1) vom ersten optischen Eingang (3) zu einem optischen Ausgang (8) freigeschaltet ist und einer zweiten Stellung, in welcher ein zweiter Lichtweg vom zweiten optischen Eingang (4) zum optischen Ausgang (8) freigeschaltet ist. Die Strahlweiche (1) ist gekennzeichnet durch ein bevorzugt mit dem Schaltelement (5) bewegungsgekoppeltes Verschlusselement (10) zum lichtdichten Verschließen des zweiten optischen Eingangs (4) in der ersten Stellung des Schaltelements und zum lichtdichten Verschließen des ersten optischen Eingangs (3) in der zweiten Stellung des Schaltelements und/oder dadurch, dass das Schaltelement in einem Gehäuse (2) angeordnet ist, welches an den optischen Eingängen (3, 4) und am optischen Ausgang (8) jeweils mit einem für Laserstrahlung durchlässigen optischen Element (14a, 14b, 15) verschlossen ist. Die Erfindung betrifft auch eine Laserbearbeitungsanlage mit einer solchen Strahlweiche (1).

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Strahlweiche, umfassend: einen ersten optischen Eingang zur Einkopplung eines ersten Laserstrahls, einen zweiten optischen Eingang zur Einkopplung eines zweiten Laserstrahls, eine Schalteinrichtung mit einem Schaltelement, welches bewegbar ist zwischen einer ersten Stellung, in welcher ein erster Lichtweg vom ersten optischen Eingang zu einem optischen Ausgang freigeschaltet ist, und einer zweiten Stellung, in welcher ein zweiter Lichtweg vom zweiten optischen Eingang zum optischen Ausgang freigeschaltet ist.
Die US 2009/0283506 A1 offenbart eine Laserbearbeitungsmaschine mit einer Strahlweiche zum Schalten verschiedener Laserstrahlen auf einen gemeinsamen optischen Ausgang. Mittels einer beweglichen Einrichtung werden zwei Spiegelpaare so verschoben, dass jeweils ein Laserstrahl auf eine Messeinrichtung gelenkt wird, während der andere Laserstrahl zur Laserbearbeitung auf den optischen Ausgang gelenkt wird. In Abhängigkeit von der jeweiligen Wellenlänge des gerade zur Laserbearbeitung verwendeten Laserstrahls wird ein Objektiv mit einer geeigneten Vergrößerung ausgewählt.
Aus der US 5,166,493 ist eine Vorrichtung zum Laserbohren in einem zweistufigen Prozess bekannt geworden, bei dem Laserlicht mit unterschiedlicher Wellenlänge zum Einsatz kommt. Zum Schalten der Laser bzw. der Laserstrahlen auf einen gemeinsamen optischen Ausgang ist ein klappbarer Umlenkspiegel vorgesehen. Bei Bedarf können unterschiedliche Fokussierlinsen im Strahlengang positioniert werden.
In der JP 58 182 886 A ist eine Laserbestrahlungsvorrichtung beschrieben, die es ermöglichen soll, gleichzeitig oder selektiv Laserstrahlen mit unterschiedlicher Wellenlänge von zwei Lichtquellen zu einem Werkstück zu führen. Zu diesem Zweck werden zwei reflektierende Spiegel in unterschiedlichen Positionen angeordnet und die von den Lichtquellen ausgesandte Laserstrahlung kann mit Hilfe von Blenden auf Strahlfallen umgelenkt werden.
In der DE 197 37 094 A1 ist eine Vorrichtung zur Bearbeitung eines Werkstücks mittels eines Lasers bekannt geworden, der über eine Verbindungsstrecke mit einer Bearbeitungseinheit in Verbindung steht. Produktionsausfälle durch einen Laserdefekt sollen vermieden werden, indem ein weiterer Laser über eine weitere Verbindungsstrecke mit der Bearbeitungseinheit verbunden wird.
Aus der DE 10 2007 061 549 A1 ist ein Verfahren zur Änderung des Strahldurchmessers eines Laserstrahls in einer Bearbeitungsebene sowie eine dafür ausgebildete Anordnung bekannt geworden. Der zur Bearbeitung eingesetzte Laserstrahl wird über eine Lichtleitfaser zu einem optischen System geführt, mit dem der Laserstrahl über eine Fokussieroptik auf die Bearbeitungsebene gerichtet wird. Das Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass mindestens zwei Lichtleitfasern mit unterschiedlichen Faserkerndurchmessern eingesetzt werden, wobei der zur Bearbeitung eingesetzte Laserstrahl zur Änderung des Strahldurchmessers zwischen einer Führung über die erste der beiden Lichtleitfasern und das optische System zur Bearbeitungsebene und einer Führung über die zweite der beiden Lichtleitfasern und das optische System zur Bearbeitungsebene umgeschaltet wird.
Aufgabe der Erfindung
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Strahlweiche der eingangs genannten Art dahingehend weiterzubilden, dass eine Auswahl von Laserlicht von zwei Lichtquellen ohne Rückwirkung auf die jeweils inaktive Lichtquelle ermöglicht wird.
Gegenstand der Erfindung
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Strahlweiche der eingangs genannten Art, bei der ein bevorzugt mit dem Schaltelement bewegungsgekoppeltes Verschlusselement zum lichtdichten Verschließen des zweiten optischen Eingangs in der ersten Stellung des Schaltelements und zum lichtdichten Verschließen des ersten optischen Eingangs in der zweiten Stellung des Schaltelements vorgesehen ist.
Durch die erfindungsgemäße Strahlweiche wird ein Umschalten zwischen zwei oder mehr Lichtwegen bzw. die Freischaltung eines jeweiligen optischen Eingangs und somit die Wahl zwischen zwei oder mehr optischen Eingängen ermöglicht. Der Laserstrahl des jeweils freigeschalteten optischen Eingangs wird auf einen optischen Ausgang gelenkt. In einer sich an den optischen Ausgang anschließenden Baugruppe kann beispielsweise eine Strahlformung erfolgen.
Gemäß einem Aspekt der Erfindung wird derjenige optische Eingang, der gerade inaktiv ist, mit dem Verschlusselement lichtdicht verschlossen, sodass keine Streustrahlung bzw. keine rückreflektierte Strahlung aus der Strahlweiche durch den optischen Eingang entweichen kann und z. B. durch ein mit dem optischen Eingang verbundenes Lichtleitkabel in unerwünschter Weise in eine gerade inaktive Lichtquelle eingekoppelt wird.
Bevorzugt erfolgt eine Bewegungskopplung des Verschlusselements mit dem Schaltelement, so dass durch Betätigung des Schaltelements der optische Eingang des jeweils inaktiven Strahlpfads automatisch verschlossen wird. Es wird daher keine zusätzliche Ansteuerung für das Verschlusselement benötigt. Somit kann das Austreten von Streustrahlung aus der Strahlweiche vermieden werden, ohne dass es hierzu eines zusätzlichen Steuerungsaufwandes bedarf. Die Verwendung eines Verschlusselements ermöglicht auch eine Reduzierung der Strahlenschutzvorkehrungen außerhalb der Strahlweiche.
Die Bewegungskopplung kann dadurch realisiert werden, dass das Verschlusselement am Schaltelement mechanisch befestigt und mit diesem bewegbar, z. B. verschiebbar ist. Das Verschlusselement kann in Form eines beispielsweise plattenförmigen Schiebers (z. B. in Form eines metallischen Blechs) ausgebildet sein, der durch das Schaltelement vor den entsprechenden optischen Eingang geschoben wird, um dessen Öffnung zu verschließen.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Strahlweiche ist das Schaltelement als linear verschiebbarer Schlitten ausgebildet und das Verschlusselement ist an dem Schlitten angebracht. Der Schlitten kann zwischen den beiden optischen Eingängen hin- und her verfahren werden. Es können gegebenenfalls auch andere als lineare Bewegungen des Schlittens vorgesehen sein, eine lineare Bewegung ist jedoch besonders einfach realisierbar.
Alternativ zur Ausbildung als Schlitten kann das Schaltelement beispielsweise auch als (drehbarer) Klappspiegel ausgestaltet sein, der als Umlenkelement zum Umlenken mindestens eines der Laserstrahlen dient und der zwischen zwei Winkelstellungen schaltbar ist, um einen jeweiligen Lichtweg freizugeben. Der Klappspiegel ist in der Regel nicht mit dem Verschlusselement bewegungsgekoppelt, sondern es ist eine eigene Antriebseinrichtung vorgesehen, welche das z. B. plattenförmige Verschlusselement in einer typischerweise linearen Bewegung zwischen den beiden Stellungen zum Verschließen der optischen Eingänge hin- und herbewegt.
Bei einer Ausführungsform umfasst die Schalteinrichtung als Aktor zur Bewegung des Schlittens einen Pneumatikzylinder (mit Kolben), über den die Bewegung des Schlittens gesteuert werden kann. Um eine besonders toleranzunempfindliche Schaltbewegung in Bewegungsrichtung zu erreichen, sind vorzugsweise Festanschläge für den Schlitten vorgesehen, an denen der Schlitten in der ersten bzw. in der zweiten Stellung anliegt.
Zur Freischaltung der Lichtwege umfasst die Schalteinrichtung vorzugsweise Umlenkmittel zum Umlenken der Laserstrahlen innerhalb der Strahlweiche, insbesondere mindestens einen Umlenkspiegel. Durch Drehen bzw. Verschieben der Spiegel oder ggf. durch Verwendung von halbdurchlässigen Spiegeln können die Laserstrahlen innerhalb der Strahlweiche entlang eines gewünschten Lichtwegs geführt werden.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist mindestens ein Umlenkmittel an dem Schaltelement, insbesondere an dem Schlitten, angebracht. Das bzw. die Umlenkmittel sind an dem Schaltelement relativ zu dem Verschlusselement geeignet positioniert, so dass in einer jeweiligen Stellung ein Lichtweg freigegeben und der andere Lichtweg durch das Verschlusselement blockiert wird. Vorzugsweise verändert sich bei der Bewegung des Schlittens die relative Position der Umlenkmittel zum Verschlusselement nicht. Das Verschließen des inaktiven Strahlwegs und die Positionierung der Umlenkmittel kann in diesem Fall durch ein einfaches Verschieben des Schaltelements, z. B. in Form eines Schlittens, realisiert werden.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist am ersten optischen Eingang und/oder am zweiten optischen Eingang jeweils ein Anschluss zur Verbindung eines Lichtleitkabels (LLK) vorgesehen. Ein solches Lichtleitkabel dient der Führung von Laserstrahlung, typischer Weise bei einer vorgegebenen Wellenlänge. Ein solches Lichtleitkabel umfasst mindestens einen endseitig angebrachten Steckverbinder, welcher mit einem entsprechenden Anschluss, z. B. in Form einer Steckeraufnahme, an der Strahlweiche verbunden werden kann. Durch das Vorsehen von LLK-Anschlüssen an den beiden optischen Eingängen kann das Einkoppeln von Laserstrahlung in die Strahlweiche auf besonders einfache Weise erfolgen. Die optischen Eingänge können z. B. als rohrförmige Strahlführungen ausgebildet sein. Die beiden Laserstrahlen können in diesem Fall parallel in die Strahlweiche eingekoppelt werden, was beispielsweise bei der Verwendung eines quer zu den optischen Eingängen verschiebbaren Schaltelements, z. B. in Form des oben beschriebenen Schlittens, eine kompakte Bauweise der Strahlweiche ermöglicht.
Vorzugsweise sind die Anschlüsse für die Lichtleitkabel parallel zueinander ausgerichtet, so dass auch die angeschlossenen Lichtleitkabel im Bereich der Einkopplung parallel zueinander verlaufen. Zur Kollimation der Laserstrahlen kann ein optisches Element (Kollimationslinse), dienen, welches an der Strahlweiche selbst angebracht ist. Gegebenenfalls kann jedoch auch in ein jeweiliges Lichtleitkabel ein kollimierendes optisches Element (z. B. eine Kollimationslinse) integriert werden, so dass bereits aus dem Lichtleitkabel ein kollimierter Laserstrahl austritt. In beiden Fällen verlaufen die (kollimierten) Laserstrahlen, die in der Strahlweiche auf das Schaltelement treffen, parallel zueinander.
Bei einer weiteren Ausführungsform ist das Schaltelement in einem Gehäuse angeordnet, welches an den optischen Eingängen und am optischen Ausgang jeweils mit einem für Laserstrahlung durchlässigen optischen Element verschlossen ist. Auf diese Weise kann das Verschmutzungsrisiko bei der Verwendung der Strahlweiche deutlich reduziert werden, wobei das Verschließen des Gehäuses nicht zwingend hermetisch, d. h. im Wesentlichen luftdicht erfolgen muss. Beispielsweise kann beim Wechsel der Lichtleitkabel das Verschmutzungsrisiko an den Eingängen durch eine Luftspülung von innen nach außen reduziert werden. Zu diesem Zweck kann eine Druckluftquelle im Inneren des Gehäuses angeordnet werden, die z. B. nur während des Wechsels der Lichtleitkabel aktiviert wird. Gegebenenfalls kann das Verschmutzungsrisiko auch durch ein Schwenken der gesamten Strahlformung in die Horizontale reduziert werden.
Im einfachsten Fall handelt es sich bei den optischen Elementen um für die Strahlung der jeweils verwendeten Laserwellenlänge durchsichtige Komponenten, z. B. aus Quarzglas, die nicht zur Strahlformung dienen (z. B. Planplatten).
Bei einer bevorzugten Ausführungsform sind die optischen Elemente an den optischen Eingängen Kollimationslinsen, um die aus den Lichtleitkabeln divergent austretende Laserstrahlung zu kollimieren. Die Umlenkung der Laserstrahlen innerhalb der Strahlweiche erfolgt im kollimierten Strahlengang. Die Umlenkung im kollimierten Strahlengang ist besonders vorteilhaft, da dies die Verwendung von Linsen gleicher Brennweite in beiden Eingängen ermöglicht, obwohl die Lichtwege für beide Eingänge innerhalb der Weiche deutlich unterschiedlich sind. Die Kollimationslinsen sind vorzugsweise in allen drei Raumrichtungen (x-, y- und z-Richtung) justierbar, um einen möglichst identischen (kollinearen) Strahlengang der beiden Laserstrahlen am optischen Ausgang bzw. nach der Strahlweiche zu erhalten. Mittels einer Justage der Kollimationslinsen in z-Richtung am jeweiligen optischen Eingang kann der jeweilige Abstand der Linse in Bezug auf das Faserende der Lichtleitkabel genau eingestellt und somit unter Ausgleich der Bauteiltoleranzen jeweils ein kollimiertes Strahlenbündel erzeugt werden.
Um den austretenden Laserstrahl vor einer nachfolgenden Baugruppe (z. B. einem variablen Kollimator) zu fokussieren, ist es vorteilhaft, wenn das optische Element am optischen Ausgang der Strahlweiche eine Fokussierlinse ist. Als nachfolgende Baugruppe kann insbesondere ein einstellbarer Kollimator, z. B. in Form einer Teleskopanordnung, dienen, der eine Einstellung der Fokusgröße des aus der Strahlweiche austretenden Laserstrahls vor der abschließenden Fokussierung auf ein Werkstück ermöglicht.
Die Erfindung betrifft auch eine Laserbearbeitungsanlage mit einer zuvor beschriebenen Strahlweiche. Die Strahlweiche kann in diesem Fall über zwei oder mehr Lichtleitkabel mit entsprechenden Laserquellen verbunden sein, die der Zuführung von Laserlicht mit identischen oder ggf. unterschiedlichen Wellenlängen zu einem gemeinsamen Laserbearbeitungskopf dienen. Die Strahlweiche erlaubt eine schnelle programmgesteuerte, prozesssichere Umschaltung zwischen zwei oder mehr Lichtwegen. Hierdurch wird eine flexiblere Nutzung von Laserquellen ermöglicht, die eine Strahlführung mittels Lichtleitkabeln erlauben. Bei den Laserquellen kann es sich z. B. um Festkörperlaser handeln.
Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der Zeichnung.
Es zeigen:
1 eine dreidimensionale Schnittdarstellung einer Strahlweiche mit einem freigeschalteten ersten Strahlweg;
2 eine dreidimensionale Schnittdarstellung der Strahlweiche von 1 mit einem freigeschalteten zweiten Strahlweg;
3 eine schematische Darstellung von Spiegeln und Linsen in einer Strahlweiche;
4 einen Ausschnitt einer Laserbearbeitungsanlage mit einem Laserbearbeitungskopf und mit einer Strahlweiche.
Eine in 1 und 2 gezeigte Strahlweiche 1 umfasst ein Gehäuse 2 mit einem ersten optischen Eingang 3 und einem zweiten optischen Eingang 4, die im vorliegenden Beispiel als röhrenförmige Strahlführungskanäle ausgebildet sind und an denen Laserstrahlen über (nicht gezeigte) Lichtleitkabel eingekoppelt werden. Die optischen Eingänge 3, 4 bzw. die Strahlführungskanäle verlaufen im vorliegenden Beispiel parallel, um zwei parallel zueinander ausgerichtete Laserstrahlen in die Strahlweiche 1 einzukoppeln.
Die Strahlweiche 1 umfasst eine Schalteinrichtung mit einem beweglichen Schlitten 5, an dem zwei Umlenkspiegel 6, 7 montiert sind. Der Schlitten 5 ist zwischen einer ersten Stellung (1) und einer zweiten Stellung (2) verfahrbar und dient als Schaltelement für die Strahlweiche 1.
In der ersten, in 1 gezeigten Stellung befindet sich der Schlitten 5 an einem rechten Endanschlag und der durch den ersten optischen Eingang 3 eintretende Laserstrahl wird über das Spiegelpaar 6, 7 zweimal um 90° umgelenkt und tritt parallel zur Strahleintrittsrichtung am ersten optischen Eingang 3 durch einen optischen Ausgang 8 der Strahlweiche 1 aus, der ebenfalls als röhrenförmiger Strahlführungskanal ausgebildet ist. In der ersten Stellung des Schlittens 5 ist somit ein erster Lichtweg LW1 freigeschaltet, d. h. es sind in der ersten Stellung des Schlittens 5 zwischen dem ersten Eingang 3 und dem Ausgang 8 keine Bauelemente angeordnet, welche den ersten Lichtweg LW1 blockieren.
In der zweiten, in 2 gezeigten Stellung befindet sich der Schlitten 5 an einem linken Endanschlag und der durch den zweiten optischen Eingang 4 eintretende Laserstrahl kann ungehindert durch den optischen Ausgang 8 austreten, d. h. es ist ein zweiter Lichtweg LW2 freigeschaltet. Durch die Freischaltung eines der Lichtwege LW1, LW2 kann wahlweise jeweils einer der Laserstrahlen an einer nachfolgenden (in 1 und 2 nicht gezeigten) Baugruppe, z. B. einer Strahlformungseinheit, bereitgestellt werden. Durch die Strahlweiche 1 wird somit ein Umschalten der Lichtwege LW1, LW2 bzw. die Freischaltung jeweils eines der optischen Eingänge 3, 4 und somit die Auswahl zwischen zwei Laserstrahlen ermöglicht, die typischer Weise von unterschiedlichen Lichtquellen stammen und von diesen über zwei mit den Eingängen 3, 4 verbundene Lichtleitkabel der Strahlweiche 1 zugeführt werden.
Am Schlitten 5 ist ein Verschlusselement 10 in Form eines Verschlussschiebers (plattenförmiges Blech) angebracht und derart positioniert, dass es in der ersten Stellung des Schlittens 5 den zweiten optischen Eingang 4 und in der zweiten Stellung des Schlittens 5 den ersten optischen Eingang 3 lichtdicht verschließt. Das Verschlusselement 10 ist zu diesem Zweck in geringem Abstand zur Austrittsöffnung eines jeweiligen optischen Eingangs 3, 4 angeordnet, typischer Weise in einem Abstand von weniger als 1 mm. Die erfindungsgemäße Strahlweiche 1 sorgt somit zwangsweise dafür, dass eine jeweilige Öffnung des optischen Eingangs 3, 4 des momentan nicht verwendeten Lichtweges LW1, LW2 abgedeckt bzw. verschlossen wird.
Auf diese Weise wird der entsprechende optische Eingang 3, 4 vor Streustrahlung bzw. Rückreflexen geschützt, die vom jeweils anderen, aktiven Lichtweg LW1, LW2 herrühren. Durch die gemeinsame Anordnung der Umlenkelemente (hier: Spiegelpaar 6, 7) und des Verschlusselements 10 auf dem Schlitten 5 wird eine Bewegungskopplung realisiert, so dass sowohl das Freischalten eines der Lichtwege LW1, LW2 als auch das Verschließen des nicht aktiven (nicht freigeschalteten) optischen Eingangs 3, 4 allein durch die Bewegung des Schlittens 5 ermöglicht wird. Zur Aktivierung eines Lichtweges LW1, LW2 und zum Verschließen des jeweils anderen Lichtwegs LW2, LW1 ist daher lediglich eine einzige (elektronische) Steuerung notwendig.
Im vorliegenden Beispiel wird die Bewegung des Schlittens 5 durch einen Pneumatikzylinder 9 mit einem (nicht gezeigten) Kolben realisiert, der mit dem Schlitten 5 über eine flexible Kupplung verbunden ist und der über ein (nicht gezeigtes) Steuerventil, das Teil der Steuereinrichtung ist, ansteuerbar ist. Zum Schutz vor Ausgasungen können die Kolbenstange und die Kupplung mit einem Faltenbalg (vgl. 1 u. 2) abgedeckt werden, dessen inneres Luftvolumen mit dem Raum außerhalb der Strahlweiche 1 Verbindung hat. Auf diese Weise kann ein Druckausgleich einer beim Verfahren des Schlittens 5 erzeugten Veränderung des Luftvolumens in dem Gehäuse 2 erfolgen. Der Kolben des Pneumatikzylinders 9 ist in der ersten Stellung ausgefahren (rechter Anschlag, vgl. 1) und in der zweiten Stellung eingefahren (linker Anschlag, vgl. 2). Der Pneumatikzylinder 9 ist ebenfalls Teil der Steuereinrichtung und dient als Aktor zur Linearverschiebung des Schlittens 5 entlang einer in dem Gehäuse 2 vorgesehenen (nicht gezeigten) Linearführung.
An der Umfangsfläche des Pneumatikzylinders 9 ist ein Sensorpaar 11 angeordnet, welches für die Umschaltung des Ansteuerventils des Zylinders verwendet wird, d. h. das Sensorpaar 11 wird durch die Position der Kolbenstange angesteuert. Dabei wird bei Erreichen der jeweiligen Endlage der Kolbenstange (ein- oder ausgefahren) das Pneumatikventil geschaltet. Ein jeweiliger Sensor des Sensorpaars 11 kann beispielsweise durch den Boden der Kolbenstange bei Erreichen der jeweiligen Endlage induktiv betätigt werden.
Die (nicht gezeigten) Lichtleitkabel werden mit der Strahlweiche 1 an einen jeweiligen Anschluss 19 verbunden, der im vorliegenden Beispiel als Steckverbindung ausgebildet ist und zur rastenden Verbindung mit einem (nicht gezeigten) Anschluss-Stecker eines jeweiligen Lichtleitkabels dient. An den beiden optischen Eingängen 3, 4 sind Kontaktringe 13 vorgesehen, die mittels einer (nicht gezeigten) externen Beschaltung kontaktiert werden können, so dass je nach Stellung des Kolbens des Pneumatikzylinders 9 die (nicht gezeigten) Laserquellen an- oder ausgeschaltet werden.
Das Gehäuse 2 ist an den optischen Eingängen 3, 4 und am optischen Ausgang 8 mittels optischer Elemente verschlossen. Als optische Elemente an den optischen Eingängen 3, 4 werden im vorliegenden Beispiel Kollimationslinsen 14a, 14b verwendet. Eine hier nicht näher beschriebene Justiereinrichtung ermöglicht es, die Kollimationslinsen 14a, 14b in x- und y-Richtung (senkrecht zur Strahlrichtung) zu verschieben, um die beiden durch die optischen Eingänge 3, 4 in die Strahlweiche 1 eintretenden, parallel verlaufenden aber divergenten Laserstrahlen nach der Weiche zur Deckung zu bringen (Konzentrizität). Durch eine Justiereinrichtung für die Kollimationslinsen 14a, 14b in z-Richtung (Strahlrichtung) ist es darüber hinaus möglich, die Fokuslage im Zwischenfokus zur Deckung zu bringen. Zu diesem Zweck können die Fassungen der Kollimationslinsen 14a, 14b in z-Richtung verfahren werden, während die Position der Lichtleitkabel und die der Fokussierlinse 15 ortsfest bleiben. Ein axiales Verfahren der Kollimationslinsen 14a, 14b kann hierbei so lange erfolgen, bis eine scharfe Abbildung eines Justierlaserstrahls erfolgt (ggf. unter Zuhilfenahme von Justagehilfsmitteln).
Die Verwendung von Kollimationslinsen 14a, 14b an den optischen Eingängen 3, 4 ermöglicht eine Strahlführung innerhalb der Strahlweiche im kollimierten Zustand. Am optischen Ausgang wird als optisches Element eine Fokussierlinse 15 verwendet, um die Laserstrahlen auf einen gemeinsamen Zwischenfokus zu fokussieren. Die Brennweiten bzw. die Abbildungsverhältnisse der Kollimationslinsen 14a, 14b und der Fokussierlinse 15 sind je nach Anforderung wählbar, vorzugsweise sind die Brennweiten der drei Linsen 14a, 14b, 15 jedoch identisch.
Bei dem in 1 und in 2 gezeigten Ausführungsbeispiel der Strahlweiche 1 wird das Umschalten zwischen den beiden Lichtwegen LW1, LW2 mittels zweier parallel ausgerichteter 90°-Umlenkspiegel 6, 7 realisiert, die auf dem Schlitten 5 befestigt und mit diesem verfahrbar sind. Es versteht sich, dass auch andere Konzepte zum Schalten zwischen mehreren Laserstrahlen verwendet werden können.
Beispielsweise ist in 3 eine Strahlweiche 1 zum Schalten von Laserstrahlen aus drei verschiedenen Lichtleitkabeln LLK1, LLK2, LLK3 gezeigt, wobei die Laserstrahlen aus dem ersten und zweiten Lichtleitkabel LLK1, LLK2 parallel zueinander und der Laserstrahl aus dem dritten Lichtleitkabel LLK3 senkrecht dazu in die Strahlweiche 1 eingestrahlt werden. Beim Eintritt in die Strahlweiche 1 werden die Laserstrahlen durch Kollimationslinsen 14a, 14b, 14c kollimiert und mit Hilfe von Spiegeln 16a, 16b auf den optischen Ausgang 8 gelenkt. Die beiden Spiegel 16a, 16b aus dem jeweiligen Strahlengang heraus gefahren bzw. verschoben werden, so dass ein Umschalten zwischen verschiedenen Strahlwegen realisiert werden kann. Bei der in 3 gezeigten Stellung der Spiegel 16a, 16b wird der Laserstrahl aus dem zweiten Lichtleitkabel LLK2 auf den optischen Ausgang 8 gelenkt, während die anderen (in 3 ebenfalls eingezeichneten) Lichtwege inaktiv sind.
Durch Verschieben des ersten, oberen Spiegels 16a aus dem Strahlengang des ersten Lichtleitkabels LLK1 (z. B. in Richtung auf das dritte Lichtleitkabel LLK3) wird der Laserstrahl aus dem ersten Lichtleitkabel LLK1 auf den optischen Ausgang 8 gelenkt. Der erste Spiegel 16a dient also als Schaltelement zwischen den optischen Eingängen des ersten und zweiten Lichtleitkabels LLK1, LLK2. Durch Schalten bzw. Verschieben des zweiten, unteren Spiegels 16b aus dem Strahlengang des dritten Lichtleitkabels LLK3 wird der Laserstrahl aus dem dritten Lichtleitkabel LLK3 zum optischen Ausgang 8 umgelenkt. Der zweite Spiegel 16b dient somit als Schaltelement zwischen den optischen Eingängen des zweiten und dritten Lichtleitkabels LLK2, LLK3. Der jeweils aus den optischen Ausgang 8 austretende Laserstrahl wird durch die Fokussierlinse 15 in einem Zwischenfokus 18 fokussiert und zur weiteren Strahlformung zu einer nachfolgenden Baugruppe, z. B. einer (variablen) Kollimator-Einrichtung durchgelassen. Die Strahlweiche 1 bzw. der Bereich, in dem der kollimierte Strahlengang verläuft, wird durch die optischen Elemente 14a, 14b, 14c, 15 von der Umgebung getrennt. Es versteht sich, dass an Stelle der Umlenkung bzw. des Umschaltens zwischen den Lichtwegen im kollimierten Strahlengang auch eine Umschaltung im von den Lichtleitkabeln LLK1, LLK2, LLK3 ausgehenden divergenten Strahlengang erfolgen kann.
4 zeigt einen Ausschnitt einer Laserbearbeitungsanlage 17 mit einer Strahlweiche 1 entsprechend 1 und 2, bei der divergente Laserstrahlung von zwei Lichtleitkabeln LLK1, LLK2 einem Laserbearbeitungskopf 19 zugeführt wird. Die in einem jeweiligen Schaltzustand der Strahlweiche 1 am optischen Ausgang 8 austretenden Laserstrahlen verlaufen entlang einer gemeinsamen optischen Achse, so dass beide Laserstrahlen an derselben Stelle und an einem gemeinsamen Zwischenfokus 18 der nachfolgenden optischen Baugruppe bereitgestellt werden.
Es versteht sich, dass die Laserbearbeitungsanlage 17 auch mit einer anderen Strahlweiche 1, beispielsweise mit der in 3 dargestellten Strahlweiche 1, ausgestattet sein kann. Auch bei der in 3 gezeigten Strahlweiche 1 kann mindestens ein Verschlusselement vorgesehen sein, das den bzw. die jeweils inaktiven Lichtwege am entsprechenden optischen Eingang lichtdicht verschließt. Bei dem Verschlusselement kann es sich bspw. um eine verschiebbare Platte handeln.

Claims

Strahlweiche (1), umfassend: einen ersten optischen Eingang (3) zur Einkopplung eines ersten Laserstrahls, einen zweiten optischen Eingang (4) zur Einkopplung eines zweiten Laserstrahls, eine Schalteinrichtung mit einem Schaltelement (5), welches bewegbar ist zwischen einer ersten Stellung, in welcher ein erster Lichtweg (LW1) vom ersten optischen Eingang (3) zu einem optischen Ausgang (8) freigeschaltet ist, und einer zweiten Stellung, in welcher ein zweiter Lichtweg (LW2) vom zweiten optischen Eingang (4) zum optischen Ausgang (8) freigeschaltet ist, gekennzeichnet durch ein Verschlusselement (10) zum lichtdichten Verschließen des zweiten optischen Eingangs (4) in der ersten Stellung und zum lichtdichten Verschließen des ersten optischen Eingangs (3) in der zweiten Stellung.
Strahlweiche nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Schaltelement als linear verschiebbarer Schlitten (5) ausgebildet ist, und dass das Verschlusselement (10) an dem Schlitten (5) angebracht ist.
Strahlweiche nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Schalteinrichtung als Aktor zur Bewegung des Schlittens (5) einen Pneumatikzylinder (9) umfasst.
Strahlweiche nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schalteinrichtung Umlenkmittel umfasst.
Strahlweiche nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eines der Umlenkmittel (6, 7, 16a, 16b) an dem Schaltelement angebracht ist.
Strahlweiche nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass am ersten optischen Eingang (3) und/oder am zweiten optischen Eingang (4) jeweils ein Anschluss (19) zur Verbindung mit einem Lichtleitkabel (LLK1, LLK2) vorgesehen ist.
Strahlweiche nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Anschlüsse (19) für die Lichtleitkabel (LLK1, LLK2) parallel zueinander ausgerichtet sind.
Strahlweiche nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Schaltelement in einem Gehäuse (2) angeordnet ist, welches an den optischen Eingängen (3, 4) und am optischen Ausgang (8) jeweils mit einem für Laserstrahlung durchlässigen optischen Element (14a, 14b, 15) verschlossen ist.
Strahlweiche nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die optischen Elemente an den optischen Eingängen (3, 4) Kollimationslinsen (14a, 14b) sind.
Strahlweiche nach einem der Ansprüche 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass das optische Element am optischen Ausgang (8) eine Fokussierlinse (15) ist.
Laserbearbeitungsanlage (17) mit einer Strahlweiche (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.