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Technisches Anwendungsgebiet
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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Laserscanner mit einem rotatorisch angetriebenen Umlenkspiegel, durch den ein auftreffender Laserstrahl periodisch entlang einer Abtastbahn in einer Bearbeitungsebene geführt wird. Die Erfindung betrifft auch die Ausgestaltung des Umlenkspiegels eines derartigen Laserscanners.
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Bei Materialbearbeitungsverfahren mit Laserstrahlung werden für die Führung der Laserstrahlung unter anderem auch Scannersysteme mit beweglichen Spiegeln eingesetzt, auch als Galvanometerscanner bezeichnet. Diese Spiegel lenken die Strahlung so über das Werkstück, dass der gewünschte Bearbeitungspfad mit der gewünschten Geschwindigkeit mit dem Laserstrahl abgetastet wird. Dieses Verfahren findet in nahezu allen Materialbearbeitungsverfahren der Lasertechnik Anwendungsmöglichkeiten. Die Bewegung erfolgt dabei nicht mehr rein linear, sondern wird mit einer weiteren Bewegungsart überlagert. Dadurch wird der jeweilige Bearbeitungsort mehrfach mit dem Laserstrahl durchfahren (Ortsmodulation), was je nach Parametrisierung Vorteile für die Prozessführung mit sich bringt. Zur örtlichen Modulation der Laserleistung werden in einigen Anwendungsfällen die Umlenkspiegel mit sehr hoher Frequenz so bewegt, dass mit dem Laserstrahl geschlossene Konturen wie bspw. Lissajous-Figuren periodisch abgetastet werden.
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Stand der Technik
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Eine periodische Ablenkung der Laserstrahlung in einem Laserscanner, um dadurch den Laserstrahl mehrfach in kurzer Zeit über einen Bearbeitungsort zu führen, kann bspw. durch Rotation eines sog. Polygonspiegels erfolgen. Ein derartiger Polygonspiegel weist n Spiegelflächen auf, die in Form eines Polygons angeordnet sind. Dies ist schematisch in der Querschnittsdarstellung eines derartigen Polygonspiegels in 1 zu erkennen. In dieser Figur ist der Polygonspiegel 1 mit neun Spiegelflächen 2 dargestellt. Die Spiegelflächen 2 sind auf der Mantelfläche eines zylinderförmigen Spiegelkörpers ausgebildet. Der Polygonspiegel 1 wird mit Hilfe eines Motors mit sehr hoher Drehzahl um die Rotationsachse 3 in rotatorische Bewegung versetzt und lenkt dabei den auftreffenden Laserstrahl 4 so ab, dass er je Umdrehung n-fach eine geradlinige Bahn 5 in der Bearbeitungsebene abtastet. Allerdings lässt sich mit einem derartigen Polygonspiegel der Laserstrahl lediglich auf geradlinigen Bahnen führen.
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Für die periodische Erzeugung einer einfach oder mehrfach gekrümmten Abtastbahn werden derzeit Galvanometerscanner eingesetzt. Diese bestehen in der Regel aus zwei um senkrecht zueinander angeordnete Rotationsachsen kippbaren Spiegelelementen, die jeweils getrennt angetrieben werden. Durch geeignete Ansteuerung lässt sich dadurch der eintreffende Laserstrahl auf beliebig gekrümmten Abtastbahnen führen. Aufgrund physikalischer Grenzen können mit derartigen Galvanometerscannern allerdings keine ausreichend hohen Frequenzen einer periodischen Abtastung erzielt werden, wie sie für höhere Prozessgeschwindigkeiten in der Materialbearbeitung benötigt werden.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht daher darin, einen Laserscanner anzugeben, der eine Umlenkung bzw. Führung eines Laserstrahls periodisch entlang einer gekrümmten Abtastbahn mit hoher Frequenz ermöglicht.
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Darstellung der Erfindung
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Die Aufgabe wird mit dem Laserscanner gemäß Patentanspruch 1 gelöst. Patentanspruch 9 gibt einen zur Verwendung in dem Laserscanner speziell ausgebildeten Umlenkspiegel an. Vorteilhafte Ausgestaltungen des Laserscanners sowie des Umlenkspiegels sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche oder lassen sich der nachfolgenden Beschreibung sowie den Ausführungsbeispielen entnehmen.
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Der vorgeschlagene Laserscanner weist einen rotatorisch angetriebenen Umlenkspiegel auf, durch den ein auftreffender Laserstrahl periodisch entlang einer Abtastbahn in der Bearbeitungsebene geführt wird. Unter einem rotatorisch angetriebenen Umlenkspiegel ist hierbei ein Spiegel zu verstehen, der während des Betriebs des Laserscanners mehrere vollständige Umdrehungen um eine Rotationsachse ausführt, die durch ein Zentrum des Spiegelkörpers verläuft. Die Spiegelfläche dieses Umlenkspiegels ist so dreidimensional geformt, dass der Laserstrahl aufgrund der Rotation periodisch auf einer einfach oder mehrfach gekrümmten Abtastbahn geführt wird. Bei der Spiegelfläche handelt es sich dabei vorzugsweise um eine Freiformfläche.
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Der vorgeschlagene Laserscanner weist daher in ähnlicher Weise wie ein Polygonscanner einen rotatorisch angetriebenen Umlenkspiegel auf. Der Umlenkspiegel ist jedoch nicht aus ebenen Spiegelflächen zusammengesetzt, sondern weist eine durchgehende oder mehrere zusammengesetzte Spiegelflächen auf, die nicht eben sondern gekrümmt geformt sind. Die Spiegelfläche(n) sind so geformt, dass ein auftreffender Laserstrahl, der die Fläche unter einem bestimmten Winkel trifft, bei der Rotation des Spiegels auf die gewünschte einfach oder mehrfach gekrümmte Bewegungs- bzw. Abtastbahn, d. h. eine zweidimensionale Abtastbahn, abgelenkt wird. Durch entsprechende Ausgestaltung der dreidimensionalen Form der Spiegelfläche(n) können dadurch unterschiedliche Konturen wie bspw. Kreise, 8-förmige Konturen oder ähnliches periodisch als Abtastbahn erzeugt werden. Die erzeugte Kontur ist durch die Oberflächenkrümmungen der Spiegelfläche(n) des vorgeschlagenen Umlenkspiegels bzw. Laserscanners festgelegt.
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Mit dem vorgeschlagenen Laserscanner und dem zugehörigen Umlenkspiegel lassen sich sehr hohe örtliche Modulationsfrequenzen wie auch bei einem Polygonscanner erzeugen. Der vorgeschlagene Laserscanner ermöglicht im Gegensatz zu einem Polygonscanner jedoch die Erzeugung beliebig zweidimensional geformter periodischer Abtastbahnen. Weiterhin ermöglicht die vorgeschlagene Ausgestaltung des Laserscanners auch sehr vorteilhaft einen Betrieb mit hoher Laserleistung, da die Spiegelfläche des Umlenkspiegels unempfindlich gegenüber hohen Strahlungsintensitäten ausgebildet werden kann.
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Vorzugsweise weist der Umlenkspiegel einen scheiben- oder zylinderförmigen Körper auf, durch dessen Mantelfläche die Spiegelfläche gebildet ist. Durch die Rotationssymmetrie eines derartigen Körpers kann dieser mit hoher Geschwindigkeit um seine Rotationsachse angetrieben werden. Eine eventuelle Unwucht aufgrund der besonderen Form der Spiegelfläche lässt sich durch Vorsehen oder Anbringen zusätzlichen Materials oder Entfernen von Material an den Stirnseiten des scheiben- oder zylinderförmigen Körpers korrigieren. Dies kann notwendig sein, wenn sehr hohe Drehzahlen bei der Rotation des Umlenkspiegels erreicht werden sollen.
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Die geeignete dreidimensional geformte Spiegelfläche des Umlenkspiegels lässt sich bspw. durch eine Fräsbearbeitung eines entsprechenden scheiben- oder zylinderförmigen Körpers erzeugen. Derartige Fräsbearbeitungen lassen sich heutzutage mit sehr hoher Präzision bspw. mit einer Fünf-Achs-Fräsmaschine durchführen, deren Präzision für die vorliegende Anwendung ausreichend ist. Die auf diese Weise erzeugte dreidimensional geformte Mantelfläche wird anschließend geeignet poliert, bspw. mittels Laserpolieren, und anschließend mit einer geeigneten reflektiven Beschichtung versehen.
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Durch geeignete Wahl der dreidimensionalen Form der Spiegelfläche des Umlenkspiegels kann in gewissen Grenzen auch eine 3D-Bearbeitung am Werkstück oder eine Strahlformung (z. B. Fokussierung) des Laserstrahls erreicht werden. Durch ausreichend große Höhenunterschiede der unterschiedlichen Bereiche der Spiegelfläche wird der Fokus des Laserstrahls im Bereich der Bearbeitungsebene verschoben, wodurch die gewünschte 3D-Bearbeitung erreicht werden kann. Weiterhin ist es möglich, die Fokussieroptik für den Laserstrahl entsprechend in Strahlrichtung mit einem Antrieb verstellbar zu gestalten, so dass auch dadurch eine entsprechende Verschiebung des Fokus erreicht werden kann. Diese Technik lässt sich auch nutzen, um bspw. eine unerwünschte periodische Verschiebung des Fokus aufgrund der Form der Spiegelfläche während der Rotation des Umlenkspiegels zu kompensieren. Die Fokussieroptik wird dabei synchron zur Rotation des Umlenkspiegels bewegt.
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Der vorgeschlagene Laserscanner lässt sich in allen Anwendungen einsetzen, bei denen ein Laserstrahl periodisch auf einer einfach oder mehrfach gekrümmten Abtastbahn in einer Bearbeitungsebene geführt werden soll. Dies betrifft vor allem Anwendungsgebiete in der Materialbearbeitung mit Laserstrahlung. Ein derartiger Laserscanner lässt sich dabei bspw. beim Abtragen, Löten, Schweißen oder Strukturieren von Werkstücken bzw. Werkstückmaterial einsetzen. Ähnliche Bearbeitungsverfahren finden sich auch in der Medizintechnik, in der der vorgeschlagene Laserscanner ebenfalls eingesetzt werden kann. Der Laserscanner lässt sich natürlich auch in anderen Bereichen bspw. in Gebieten der Messtechnik einsetzen, in denen ein zu vermessender Bereich mit Laserstrahlung abgetastet werden muss. In typischen Anwendungen wird der vorgeschlagene Laserscanner dabei von einem übergeordneten Achssystem über das Werkstück bewegt, um die für die Bearbeitung größerer Bereiche erforderliche Makrobewegung zu ermöglichen.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Der vorgeschlagene Laserscanner und der zugehörige Umlenkspiegel werden nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den Zeichnungen nochmals kurz erläutert. Hierbei zeigen:
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1 eine schematische Querschnittsdarstellung eines Polygonscanners gemäß dem Stand der Technik;
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2 ein Beispiel für einen Laserscanner gemäß der vorliegenden Erfindung in einer schematischen Darstellung;
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3 ein Beispiel für den Neigungswinkel der Spiegelfläche des vorgeschlagenen Umlenkspiegels in Abhängigkeit vom Bogenweg des rotierenden Umlenkspiegels;
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4 Beispiele für Abtastbahnen, wie sie mit dem vorgeschlagenen Laserscanner periodisch erzeugt werden können;
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5 einen Schnitt entlang A-A' durch den Spiegelkörper der 2; und
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6 weitere Beispiele für Abtastbahnen, wie sie mit dem vorgeschlagenen Laserscanner periodisch erzeugt werden können.
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Wege zur Ausführung der Erfindung
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1 zeigt in schematischer Darstellung ein Beispiel für einen Polygonscanner gemäß dem Stand der Technik, wie er in der Beschreibungseinleitung bereits näher erläutert wurde. Mit einem derartigen Polygonscanner lassen sich zwar hohe Modulationsfrequenzen erzeugen, der Laserstrahl lässt sich jedoch nur auf einer geradlinigen Abtastbahn periodisch führen.
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2 zeigt in schematischer Darstellung ein Beispiel für einen Laserscanner gemäß der vorliegenden Erfindung, wobei der Umlenkspiegel im Querschnitt dargestellt ist. Der Umlenkspiegel 7 wird hierbei ebenfalls rotatorisch um die Rotationsachse 3 des Spiegelkörpers angetrieben. Der Umlenkspiegel 7 weist einen zylinderförmigen Spiegelkörper auf, dessen Mantelfläche als Spiegelfläche 8 ausgebildet ist. Die Spiegelfläche 8 ist eine Freiformfläche, die zur periodischen Erzeugung der gewünschten gekrümmten Abtastbahnen 10 in der Bearbeitungsebene geformt ist. Die Spiegelfläche 8 weist in diesem Beispiel eine gekrümmte Form auf, die sich über den Umfang des Spiegelkörpers periodisch wiederholt. Dies ist in der Figur durch die wellige Querschnittsform mit den schraffierten Bereichen angedeutet. 5 zeigt hierzu einen Schnitt entlang A-A' der 2, in dem die unterschiedliche Neigung der Spiegelfläche 8 des Umlenkspiegels 7 zur Richtung der Rotationsachse 3 in der Ebene senkrecht zur Rotationsrichtung erkennbar ist. Der Winkel der Spiegelfläche 8 zur Rotationsachse kann in Umfangs- bzw. Rotationsrichtung beispielsweise sinusförmig variieren. Auch andere Variationen sind selbstverständlich möglich.
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Bei geeigneter Ausgestaltung der dreidimensionalen Form dieser Spiegelfläche 8 kann ein durch einen Laser 6 auf die Spiegelfläche 8 gerichteter Laserstrahl 4 bei Rotation des Umlenkspiegels 7 um seine Rotationsachse 3 während einer vollständigen Rotation mehrfach auf einer ein- oder mehrfach gekrümmten Abtastbahn 10 in der Bearbeitungsebene geführt werden. Der motorische Antrieb für die Rotation des Umlenkspiegels 7 um die Rotationsachse 3 ist in dieser Figur nicht dargestellt. Die Figur zeigt jedoch schematisch eine Fokussieroptik 9, die den eintreffenden Laserstrahl 4 auf die Bearbeitungsebene fokussiert. Wie mit dem Doppelpfeil angedeutet, kann diese Fokussieroptik 9 in Ausbreitungsrichtung des Laserstrahls 4 durch einen bspw. motorischen Antrieb verschoben werden, um ein Werkstück mit einer nicht ebenen Oberflächenform durch entsprechende Verschiebung des Fokus bearbeiten zu können, das zur Bearbeitung relativ zum Laserscanner bewegt wird. Auch eine Kompensation einer eventuell durch die Oberflächenform des Spiegels 8 erzeugten periodischen Verschiebung des Fokus kann durch entsprechende Gegenbewegung der Fokussieroptik 9 kompensiert werden.
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Durch Ausbildung der Spiegelfläche 8 als Freiformfläche lassen sich mit einem derartigen Umlenkspiegel bei entsprechender Gestaltung der Freiformfläche nahezu beliebige einfach oder mehrfach gekrümmte, vorzugsweise in sich geschlossene Abtastbahnen in der Bearbeitungsfläche periodisch abfahren. 3 zeigt ein einfaches Beispiel für eine Ausgestaltung einer derartigen Spiegelfläche. In der Figur ist die Abhängigkeit des Neigungswinkels der Spiegelfläche in der Ebene senkrecht zur Umfangsrichtung gegenüber der Rotationsachse gegen den Bogenweg l des rotierenden Spiegelkörpers aufgetragen, wie er in 2 angedeutet ist. Die Neigung der Spiegelfläche in Umfangsrichtung kann in vergleichbarer Weise verlaufen. Neben der hier dargestellten Sinusform lassen sich selbstverständlich beliebige andere periodische Neigungsverläufe nutzen, wie sie für die jeweils gewünschte Abtastfigur erforderlich sind.
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4 zeigt hierzu drei Beispiele für Abtastbahnen 10, eine Kreisbahn und zwei Lissajous-Figuren, wie sie mit dem vorgeschlagenen Laserscanner generiert werden können. 6 zeigt drei weitere Beispiele, ein Beispiel für eine Abtastbahn 10 in Form eines Kreises mit unstetiger Ablenkung, ein Beispiel für eine Abtastbahn 10 mit beliebiger, stetiger Kontur und ein Beispiel für eine Abtastbahn 10 mit beliebiger, unstetiger Kontur. Die insgesamt sechs Beispiele zeigen hierbei jeweils eine Draufsicht auf die Bearbeitungsebene.
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Derartige Figuren lassen sich beim vorgeschlagenen Laserscanner und zugehörigen Umlenkspiegel auch durch Aneinanderreihung von n Spiegelflächen entlang des Umfangs des Umlenkspiegels ähnlich einem Polygonscanner erzeugen, wobei dann die einzelnen Spiegelflächen entsprechend gekrümmt ausgeführt sind.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Polygonspiegel
- 2
- plane Spiegelflächen
- 3
- Rotationsachse
- 4
- Laserstrahl
- 5
- geradlinige Abtastbahn
- 6
- Laser
- 7
- Umlenkspiegel
- 8
- Spiegelfläche
- 9
- Fokussieroptik
- 10
- gekrümmte Abtastbahn
