DE102012106937A1

DE102012106937A1 - Verfahren zur Rekuperation ungenutzter optischer Strahlungsenergie einer optischen Bearbeitungsvorrichtung, Rekuperationsvorrichtung und optische Bearbeitungsvorrichtung

Info

Publication number: DE102012106937A1
Application number: DE102012106937.9A
Authority: DE
Inventors: Dr. Mitra Thomas
Original assignee: Limo Patentverwaltung GmbH and Co KG
Current assignee: Focuslight Germany GmbH
Priority date: 2012-07-30
Filing date: 2012-07-30
Publication date: 2014-01-30
Also published as: RU2611608C2; CN104619457B; WO2014019814A1; CN104619457A; US20150224601A1; KR20150033706A; EP2879834A1; RU2015106997A

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Rekuperation ungenutzter optischer Strahlungsenergie einer optischen Bearbeitungsvorrichtung (1) mit zumindest einer Lichtquelle, insbesondere einer Laserlichtquelle (2) oder einer Lichtquelle mit einer Anzahl von Leuchtdioden, umfassend die Schritte:
– Betreiben der zumindest einen Lichtquelle und Erzeugen von elektromagnetischer Strahlung (4),
– Beaufschlagen mindestens eines Werkstücks (5) mit der elektromagnetischen Strahlung (4) zur Bearbeitung des Werkstücks (5),
– Auffangen zumindest eines Teils des für die Bearbeitung des mindestens einen Werkstücks (5) ungenutzten elektromagnetischen Strahlung (4') in einem Strahlfallenmittel (7) zumindest einer Rekuperationsvorrichtung (6, 6a, 6b),
– Wandeln zumindest eines Teils der Strahlungsenergie der von dem Strahlfallenmittel (7) der zumindest einen Rekuperationsvorrichtung (6, 6a, 6b) aufgefangenen elektromagnetischen Strahlung (4') in elektrische Energie (14). Die Erfindung betrifft ferner eine Rekuperationsvorrichtung (6, 6a, 6b) zur Rekuperation ungenutzter elektromagnetischer Strahlungsenergie einer optischen Bearbeitungsvorrichtung (1) sowie eine optische Bearbeitungsvorrichtung (1).

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Rekuperation ungenutzter optischer Strahlungsenergie einer optischen Bearbeitungsvorrichtung, eine Rekuperationsvorrichtung sowie eine optische Bearbeitungsvorrichtung.
Die technische Bedeutung von optischen Bearbeitungsvorrichtungen, insbesondere von Laserbearbeitungsvorrichtungen, mittels derer unterschiedliche Arten von Werkstoffen durch Beaufschlagung mit elektromagnetischer Strahlung (insbesondere Laserlicht) bearbeitet werden können, hat in den vergangenen Jahren erheblich zugenommen. Bislang wurden in industriellen Laserbearbeitungsvorrichtungen relativ selten Laserlichtquellen mit deutlich mehr als 10 kW optischer Strahlungsleistung eingesetzt. Neuartige Bearbeitungsverfahren erfordern mittlerweile Laserlichtquellen mit deutlich höheren Leistungen. Zu nennen sind in diesem Zusammenhang zum Beispiel Laserbearbeitungsvorrichtungen zum thermischen Bearbeiten von Metallen, zur Anpassung von Materialeigenschaften in Funktionsschichten oder als Ergänzung zu klassischen Öfen bei der Herstellung von Solarzellen.
Als Laserlichtquellen kommen dabei insbesondere Diodenlaser mit einer Vielzahl von Einzelemittern zum Einsatz, die im Zusammenwirken mit optischen Mitteln so ausgeführt sind, dass sie in einem Arbeitsbereich, in dem das Werkstück mit Laserlicht beaufschlagt wird, eine linienförmige Intensitätsverteilung erzeugen können.
Bei allen Laserbearbeitungsvorrichtungen besteht das Problem, dass nur ein verhältnismäßig kleiner Teil der von der Laserlichtquelle zur Verfügung gestellten optischen (elektromagnetischen) Strahlungsenergie tatsächlich für die Bearbeitung des Werkstücks genutzt wird, so dass die Energiebilanz der aus dem Stand der Technik bekannten Laserbearbeitungsvorrichtungen relativ ungünstig ist. Gerade die oben genannten industriellen Anwendungen von Laserbearbeitungsvorrichtungen sind typische Beispiele, bei denen es technisch nicht möglich ist (und mitunter sogar nicht sinnvoll ist), einen Großteil der zur Verfügung gestellten optischen Strahlungsenergie für die Bearbeitung des Werkstücks zu nutzen. Metallische Werkstoffe reflektieren einen Großteil des eingestrahlten Laserlichts. Gläser und die für die Herstellung von Solarzellen eingesetzten Materialien transmittieren und reflektieren demgegenüber einen Großteil des eingestrahlten Laserlichts. Untersuchungen haben gezeigt, dass bei den aus dem Stand der Technik bekannten Laserbearbeitungsverfahren und -vorrichtungen lediglich zwischen 10% und 20% des eingestrahlten Laserlichts tatsächlich für den Laserbearbeitungsprozess genutzt werden. Bei einigen Bearbeitungsverfahren bleibt sogar mehr als 90% des eingestrahlten Laserlichts für den Laserbearbeitungsprozess ungenutzt.
Im Stand der Technik wird derzeit derjenige Anteil des Laserlichts, welcher nicht für den Laserbearbeitungsprozess genutzt werden kann, mit so genannten Strahlfallen aufgefangen. Diese Strahlfallen sind typischerweise so ausgebildet, dass sie das Laserlicht, welches durch das zu bearbeitende Werkstück transmittiert beziehungsweise von dem zu bearbeitenden Werkstück reflektiert wird, gezielt auffangen können. Derartige Strahlfallen sind so ausgebildet, dass das Laserlicht durch mindestens eine Lichteintrittsöffnung in einen Hohlraum der Strahlfalle gelangen kann. Der Hohlraum ist so gestaltet, dass ein Großteil des Laserlichts nicht durch Streu- und/oder Reflexionsprozesse aus der Lichteintrittsöffnung wieder aus der Strahlfalle heraustreten kann, sondern von Absorbermitteln (insbesondere von mindestens einer Absorberschicht) absorbiert wird. Um ein Überhitzen der Strahlfallen durch die Beaufschlagung der Absorbermittel mit Laserlicht zu verhindern, kann zum Beispiel eine Wasserkühlung vorgesehen sein.
Da ein Großteil der bei der Laserbearbeitung auf das Werkstück eingestrahlten optischen Strahlungsenergie ungenutzt bleibt, ist die Energiebilanz der aus dem Stand der Technik bekannten Laserbearbeitungsvorrichtungen vergleichsweise ungünstig.
An Stelle einer Laserlichtquelle können zum Beispiel auch (Hochleistungs-)Leuchtdioden verwendet werden, deren optische Leistung durch die technologischen Weiterentwicklungen in den vergangenen Jahren drastisch zugenommen hat und die somit ein vielversprechendes Potential haben, als Lichtquellen in optischen Bearbeitungsvorrichtungen verwendet zu werden.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein Verfahren zur Rekuperation ungenutzter optischer Strahlungsenergie einer optischen Bearbeitungsvorrichtung, eine Rekuperationsvorrichtung sowie eine optische Bearbeitungsvorrichtung zur Verfügung zu stellen, welche es erlauben, die Energiebilanz der optischen Bearbeitungsvorrichtung zu verbessern.
Hinsichtlich des Verfahrens wird diese Aufgabe durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1, hinsichtlich der Rekuperationsvorrichtung durch eine Rekuperationsvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 4 und durch eine Rekuperationsvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 8 sowie hinsichtlich der optischen Bearbeitungsvorrichtung durch eine optische Bearbeitungsvorrichtung mit den Merkmalen des kennzeichnenden Teils des Anspruchs 14 gelöst. Die Unteransprüche betreffen vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung.
Ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Rekuperation ungenutzter optischer Strahlungsenergie einer optischen Bearbeitungsvorrichtung mit zumindest einer Laserlichtquelle umfasst die Schritte:

– Betreiben der mindestens einen Lichtquelle und Erzeugen von elektromagnetischer Strahlung,
– Beaufschlagen mindestens eines Werkstücks mit der elektromagnetischen Strahlung zur Bearbeitung des Werkstücks,
– Auffangen zumindest eines Teils der für die Bearbeitung des mindestens einen Werkstücks ungenutzten elektromagnetischen Strahlung in einem Strahlfallenmittel zumindest einer Rekuperationsvorrichtung,
– Wandeln zumindest eines Teils der optischen Strahlungsenergie der von dem Strahlfallenmittel der zumindest einen Rekuperationsvorrichtung aufgefangenen elektromagnetischen Strahlung in elektrische Energie.

Das erfindungsgemäße Verfahren hat den Vorteil, dass zumindest ein Teil der optischen Strahlungsenergie der zur Bearbeitung des Werkstücks ungenutzten und mit Hilfe des Strahlfallenmittels der mindestens einen Rekuperationsvorrichtung aufgefangenen elektromagnetischen Strahlung in elektrischen Strom und damit in nutzbare elektrische Energie umgewandelt wird. Dadurch kann die Energiebilanz der optischen Bearbeitungsvorrichtung wesentlich verbessert werden.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform wird vorgeschlagen, dass der Schritt des Wandelns zumindest eines Teils der optischen Strahlungsenergie in elektrische Energie das Beaufschlagen photovoltaischer Mittel mit zumindest einem Teil der von dem Strahlfallenmittel aufgefangenen elektromagnetischen Strahlung umfasst. Die photovoltaischen Mittel sind in vorteilhafter Weise dazu in der Lage, unmittelbar im Inneren des Hohlraums des Strahlfallenmittels zumindest einen Teil der Strahlungsenergie der aufgefangenen elektromagnetischen Strahlung direkt in elektrischen Strom und somit in elektrische Energie zu wandeln.
In einer alternativen Ausführungsform besteht die Möglichkeit, dass zum Wandeln eines Teils der optischen Strahlungsenergie in elektrische Energie

– mindestens ein Absorbermittel im Inneren des Strahlfallenmittels mit zumindest einem Teil der von dem Strahlfallenmittel aufgefangenen elektromagnetischen Strahlung beaufschlagt und dadurch erwärmt wird,
– ein Wärmeträgerfluid von dem Absorbermittel erwärmt wird,
– das Wärmeträgerfluid zu einer Wärmekraftmaschine, insbesondere zu einer Dampfturbine oder einem Stirling-Motor, gefördert wird, die an ein Generatormittel gekoppelt wird, so dass zumindest ein Teil der Wärmeenergie des Wärmeträgerfluids mittels der Wärmekraftmaschine in mechanische Energie gewandelt wird, mit der das Generatormittel betrieben wird, wobei zumindest ein Teil der mechanischen Energie in elektrische Energie gewandelt wird.

Auch bei dieser alternativen Ausführungsform ist es möglich, die optische Strahlungsenergie zumindest eines Teils der von der Strahlfalle aufgefangenen, für die Bearbeitung des Werkstücks ungenutzten elektromagnetischen Strahlung für die Erzeugung elektrischen Stroms und somit für die Bereitstellung elektrischer Energie zu verwenden, um dadurch die Energiebilanz der optischen Bearbeitungsvorrichtung zu verbessern. Dabei erfolgt das Wandeln der optischen Strahlungsenergie im Gegensatz zur weiter oben erläuterten ersten Variante der Erfindung in einem mehrstufigen Prozess, bei dem zunächst zumindest ein Teil der Strahlungsenergie von dem Absorbermittel in Wärmeenergie umgewandelt wird, die das Wärmeträgerfluid erwärmen kann. Das Wärmeträgerfluid wird der Wärmekraftmaschine zugeführt, in der ein Teil der Wärmeenergie in mechanische Energie umgewandelt wird, die das Generatormittel antreiben kann. Das Generatormittel ist seinerseits dazu in der Lage, elektrischen Strom zu erzeugen und somit zumindest einen Teil der mechanischen Energie in elektrische Energie zu wandeln.
Eine erste Variante einer erfindungsgemäßen Rekuperationsvorrichtung zur Rekuperation ungenutzter elektromagnetischer Strahlungsenergie einer optischen Bearbeitungsvorrichtung, umfasst

– ein Strahlfallenmittel mit einem Hohlraum und mindestens einer Lichteintrittsöffnung, durch die elektromagnetische Strahlung in den Hohlraum eintreten kann, sowie
– photovoltaische Mittel, die innerhalb des Hohlraums des Strahlfallenmittels derart angeordnet sind, dass sie zumindest von einem Teil der in den Hohlraum eingetretenen elektromagnetischen Strahlung beaufschlagt werden können und zumindest einen Teil der Strahlungsenergie der elektromagnetischen Strahlung in elektrische Energie wandeln können.

Die photovoltaischen Mittel sind in vorteilhafter Weise dazu in der Lage, unmittelbar im Inneren des Hohlraums des Strahlfallenmittels zumindest einen Teil der Strahlungsenergie der aufgefangenen elektromagnetischen Strahlung direkt in elektrischen Strom und damit in elektrische Energie zu wandeln. Dadurch kann die Energiebilanz einer optischen Bearbeitungsvorrichtung, die zumindest eine erfindungsgemäße Rekuperationsvorrichtung aufweist, verbessert werden.
Vorzugsweise können die photovoltaischen Mittel eine Bandlücke umfassen, die so gewählt und eingestellt ist, dass sie an die Wellenlänge der elektromagnetischen Strahlung angepasst ist. Die photovoltaischen Mittel können durch diese Maßnahme speziell für den hier beschriebenen Einsatzzweck optimiert sein. Zum Beispiel kann die Bandlücke der photovoltaischen Mittel so eingestellt sein, dass der Wirkungsgrad bei der bekannten, spektral schmalen Wellenlänge der verwendeten Lichtquelle besonders hoch ist. Die beiden größten Verlustmechanismen von einfachen photovoltaischen Mitteln im Sonnenlicht (Thermalisieren bei großer Photonenenergie und keine Absorption von Photonen mit zu geringer Energie) können so wirksam vermieden werden. Um zum Beispiel bei einer Wellenlänge der elektromagnetischen Strahlung zwischen 900 nm und 1100 nm eine hohe Effizienz zu erhalten, sollten die photovoltaischen Mittel eine Bandlücke im Bereich von etwa 1,12715 eV (dieser Wert entspricht energetisch der Wellenlänge 1100 nm) aufweisen. Erreichbar ist dies zum Beispiel durch photovoltaische Mittel, die dünne Chalkopyritschichten auf Basis des I-III-VI Halbleiters Cu(In,Ga)Se₂ (kurz: CIGS) umfassen. Über eine Anpassung des Galliumanteils kann die Bandlücke zwischen 1,05 eV (CuInSe₂; somit vollständige Substitution von Gallium durch Indium) und 1,68 eV (CuGaSe₂) eingestellt werden. Photovoltaische Mittel auf Basis von GaInAs, wie sie zum Beispiel als Unterzellen in photovoltaischen Tandemzellen eingesetzt werden, ermöglichen eine Absorption elektromagnetischer Strahlung im Bereich von etwa 740 nm bis etwa 1050 nm.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform wird vorgeschlagen, dass die photovoltaischen Mittel als photovoltaische Konzentratormittel ausgebildet sind. Photovoltaische Konzentratormittel, wie sie in photovoltaischen Konzentratorzellen eingesetzt werden, zeichnen sich insbesondere dadurch aus, dass sie für hohe optische Leistungsdichten ausgelegt sind. Derartige Konzentratormittel haben den Vorteil, dass sie hohe Lichtintensitäten verarbeiten und hohe Wirkungsgrade erreichen können und damit besonders effizient die Strahlungsenergie der elektromagnetischen Strahlung in elektrische Energie umwandeln können. Um ein Überhitzen zu verhindern, besteht in einer vorteilhaften Ausführungsform die Möglichkeit, dass die photovoltaischen Konzentratormittel fluidgekühlt (zum Beispiel wassergekühlt) sind.
Gemäß Anspruch 8 umfasst eine alternative erfindungsgemäße Rekuperationsvorrichtung zur Rekuperation ungenutzter elektromagnetischer Strahlungsenergie einer optischen Bearbeitungsvorrichtung

– ein Strahlfallenmittel mit einem Hohlraum und mindestens einer Lichteintrittsöffnung, durch die elektromagnetische Strahlung in den Hohlraum eintreten kann,
– zumindest ein Absorbermittel, das innerhalb des Hohlraums des Strahlfallenmittels angeordnet ist und so ausgebildet ist, dass es zumindest einen Teil der in den Hohlraum eintretenden elektromagnetischen Strahlung absorbieren und in Wärmeenergie wandeln kann und ein Wärmeträgerfluid erwärmen kann,
– eine Wärmekraftmaschine, der das Wärmeträgerfluid zugeführt werden kann und die so ausgebildet ist, dass sie zumindest einen Teil der Wärmeenergie des Wärmeträgerfluids in mechanische Energie wandeln kann, sowie
– ein Generatormittel, das mit der Wärmekraftmaschine gekoppelt ist und so ausgebildet ist, dass es zumindest einen Teil der mechanischen Energie in elektrische Energie wandeln kann.

In dieser Ausführungsform der Rekuperationsvorrichtung erfolgt das Wandeln der optischen Strahlungsenergie im Gegensatz zur weiter oben erläuterten ersten Variante der Erfindung in einem mehrstufigen Prozess, bei dem zunächst zumindest ein Teil der Strahlungsenergie von dem Absorbermittel in Wärmeenergie umgewandelt wird, die das Wärmeträgerfluid erwärmen kann. Das Wärmeträgerfluid wird der Wärmekraftmaschine zugeführt, in der ein Teil der Wärmeenergie in mechanische Energie umgewandelt wird, die das Generatormittel antreiben kann. Das Generatormittel ist seinerseits dazu in der Lage, elektrischen Strom zu erzeugen und somit zumindest einen Teil der mechanischen Energie in elektrische Energie zu wandeln.
Um eine möglichst einfache Bauweise der Rekuperationsvorrichtung zu erreichen, kann in einer vorteilhaften Ausführungsform vorgesehen sein, dass die Wärmekraftmaschine in das Strahlfallenmittel integriert ist.
In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform wird vorgeschlagen, dass die Wärmekraftmaschine eine Dampfturbine oder ein Stirling-Motor ist. Ein Stirling-Motor zeichnet sich durch seinen hohen thermodynamischen Wirkungsgrad aus.
Um eine noch einfachere Bauweise der Rekuperationsvorrichtung zu erreichen, kann in einer besonders vorteilhaften Ausführungsform vorgesehen sein, dass das Generatormittel in das Strahlfallenmittel integriert ist.
Es besteht die Möglichkeit, dass die optische Leistungsdichte der in der Strahlfalle aufgefangenen elektromagnetischen Strahlung so hoch ist, dass die photovoltaischen Mittel beziehungsweise das Absorbermittel beschädigt werden können. In einer vorteilhaften Ausführungsform wird daher vorgeschlagen, dass das Strahlfallenmittel zumindest ein Mittel zur Abschwächung der optischen Leistungsdichte der elektromagnetischen Strahlung umfasst. Das zumindest eine Mittel zur Abschwächung der optischen Leistungsdichte kann insbesondere als reflektives oder transmittives Diffusormittel ausgebildet sein. Alternativ oder zusätzlich kann das zumindest eine Mittel zur Abschwächung der optischen Leistungsdichte zumindest ein Linsenmittel umfassen. Das Linsenmittel kann zum Beispiel ein Konkavlinsenmittel oder ein Konvexlinsenmittel sein.
Es besteht die Möglichkeit, dass die elektromagnetische Strahlung, die von dem zu bearbeitenden Werkstück zurückfällt oder transmittiert wird, sehr weiträumig ist, so dass die photovoltaischen Mittel eine große Fläche einnehmen müssten, um die elektromagnetische Strahlung wirksam auffangen zu können. In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform wird daher vorgeschlagen, dass das Strahlfallenmittel zumindest ein Mittel zur Konzentration der optischen Leistungsdichte der elektromagnetischen Strahlung umfasst.
Gemäß Anspruch 14 umfasst eine optische Bearbeitungsvorrichtung zur Bearbeitung eines Werkstücks

– zumindest eine Lichtquelle, insbesondere eine Laserlichtquelle oder eine Lichtquelle mit einer Anzahl von Leuchtdioden, die während des Betriebs elektromagnetische Strahlung emittieren kann,
– optische Mittel, die so ausgebildet sind, dass sie die von der Lichtquelle emittierte elektromagnetische Strahlung auf das zu bearbeitende Werkstück lenken können. Die erfindungsgemäße optische Bearbeitungsvorrichtung zeichnet sich dadurch aus, dass diese zumindest eine Rekuperationsvorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 13 umfasst. Die erfindungsgemäße optische Bearbeitungsvorrichtung weist somit eine im Vergleich zu den aus dem Stand der Technik bekannten optischen Bearbeitungsvorrichtungen, insbesondere Laserbearbeitungsvorrichtungen, verbesserte Energiebilanz aus, da zumindest ein Teil der für die Bearbeitung des Werkstücks ungenutzten optischen Energie in elektrische Energie gewandelt werden kann.

In einer bevorzugten Ausführungsform, die die Energiebilanz weiter verbessern kann, kann die optische Bearbeitungsvorrichtung

– eine erste Rekuperationsvorrichtung, die derart im optischen Strahlengang der optischen Bearbeitungsvorrichtung angeordnet ist, dass sie von dem Werkstück reflektierte Anteile der für die Bearbeitung des Werkstücks ungenutzten elektromagnetischen Strahlung auffangen und in elektrische Energie wandeln kann, sowie
– zumindest eine zweite Rekuperationsvorrichtung, die derart im optischen Strahlengang der optischen Bearbeitungsvorrichtung angeordnet ist, dass sie transmittierte Anteile des für die Bearbeitung des Werkstücks ungenutzten Laserlichts auffangen und in elektrische Energie wandeln kann,

Dadurch wird die Möglichkeit geschaffen, die optische Strahlungsenergie der reflektierten und der transmittierten Anteile der für die Bearbeitung des Werkstücks ungenutzten elektromagnetischen Strahlung zumindest teilweise zu rekuperieren.
Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden deutlich anhand der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die beiliegenden Abbildungen. Darin zeigen
1 eine schematisch stark vereinfachte Darstellung, die das Grundprinzip der Rekuperation ungenutzter optischer Strahlungsenergie einer optischen Bearbeitungsvorrichtung mittels zumindest einer Rekuperationsvorrichtung veranschaulicht, welche gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ausgeführt ist,
2 eine schematisch stark vereinfachte Darstellung, die das Grundprinzip der Rekuperation ungenutzter optischer Strahlungsenergie einer optischen Bearbeitungsvorrichtung mittels zumindest einer Rekuperationsvorrichtung veranschaulicht, welche gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ausgeführt ist,
3 eine Schnittansicht der Rekuperationsvorrichtung gemäß 1,
4 eine schematisch vereinfachte Darstellung einer optischen Bearbeitungsvorrichtung, die zwei Rekuperationsvorrichtungen umfasst,
5 eine Einzelheit des Strahlengangs der elektromagnetischen Strahlung in der Laserbearbeitungsvorrichtung im Bereich des Werkstücks.
Unter Bezugnahme auf 1 und 3 sollen nachfolgend ein erstes Ausführungsbeispiel eines Verfahrens zur Rekuperation ungenutzter elektromagnetischer Strahlungsenergie einer optischen Bearbeitungsvorrichtung 1 zur Bearbeitung eines Werkstücks 5, die vorliegend eine Laserbearbeitungsvorrichtung ist, sowie der typische Aufbau einer optischen Bearbeitungsvorrichtung 1 mit einer Rekuperationsvorrichtung 6 näher erläutert werden. Die optische Bearbeitungsvorrichtung 1 umfasst eine Laserlichtquelle 2, die vorzugsweise ein Diodenlaser mit einer Vielzahl von Einzelemittern ist, die während des Betriebs elektromagnetische Strahlung (Laserlicht) 4 emittieren können. Alternativ kann auch ein CO₂-Laser als Laserlichtquelle 2 verwendet werden. An Stelle einer Laserlichtquelle können zum Beispiel auch (Hochleistungs-)Leuchtdioden verwendet werden, deren optische Leistung durch die technologischen Weiterentwicklungen in den vergangenen Jahren drastisch zugenommen hat und die somit ein vielversprechendes Potential haben, als Lichtquellen in optischen Bearbeitungsvorrichtungen 1 verwendet zu werden.
Die optische Bearbeitungsvorrichtung 1 umfasst ferner optische Mittel 3, die so ausgebildet sind, dass sie die von den Einzelemittern der Laserlichtquelle 2 emittierte elektromagnetische Strahlung 4 (Laserlicht) auf das mittels der optischen Bearbeitungsvorrichtung 1 zu bearbeitende Werkstück 5 lenken können. Die Laserlichtquelle 2 und die optischen Mittel 3 können vorteilhaft so ausgebildet sein, dass auf dem Werkstück 5 eine im Wesentlichen linienförmige Intensitätsverteilung der elektromagnetischen Strahlung 4 erzeugt werden kann.
Die auf das Werkstück 5 treffende elektromagnetische Strahlung 4 wird nur zu einem gewissen Teil für die eigentliche Bearbeitung des Werkstücks 5 genutzt. Üblicherweise ist dies nur ein verhältnismäßig kleiner Teil der von der Laserlichtquelle 2 zur Verfügung gestellten optischen Strahlungsenergie. Metallische Werkstoffe, aus denen das Werkstück 5 bestehen kann, reflektieren zum Beispiel einen Großteil der eingestrahlten elektromagnetischen Strahlung 4. Gläser und die für die Herstellung von Solarzellen eingesetzten Materialien, aus denen das Werkstück 5 bestehen kann, transmittieren und reflektieren einen Großteil der eingestrahlten elektromagnetischen Strahlung 4. Häufig werden nur etwa 10% bis 20% der eingestrahlten elektromagnetischen Strahlung 4 tatsächlich für den Laserbearbeitungsprozess genutzt. Bei einigen Bearbeitungsverfahren bleibt sogar mehr als 90% der elektromagnetischen Strahlung für den optischen Bearbeitungsprozess ungenutzt. Um die optische Strahlungsenergie der für die Bearbeitung des Werkstücks 5 ungenutzten elektromagnetischen Strahlung 4' ebenfalls nutzen zu können, umfasst die optische Bearbeitungsvorrichtung 1 zumindest eine Rekuperationsvorrichtung 6, die nachfolgend näher erläutert werden soll.
Die Rekuperationsvorrichtung 6, die in 1 lediglich schematisch stark vereinfacht dargestellt ist, umfasst ein Strahlfallenmittel 7, das in 3 im Detail gezeigt ist. Das Strahlfallenmittel 7 weist einen durch einen Basiskörper 72 und eine Anzahl von Seitenwänden 73 begrenzten Hohlraum 70 und mindestens eine Lichteintrittsöffnung 71 auf, durch die zumindest ein Teil der nicht für die Bearbeitung des Werkstücks 5 genutzten elektromagnetischen Strahlung 4' in den Hohlraum 70 eintreten kann. Innerhalb des Hohlraums 70 sind in diesem Ausführungsbeispiel im Basiskörper 72 photovoltaische Mittel 8 derart angeordnet, dass sie zumindest von einem Teil der in den Hohlraum 70 eingetretenen elektromagnetischen Strahlung 4' beaufschlagt werden können und zumindest einen Teil der optischen Strahlungsenergie der elektromagnetischen Strahlung 4' direkt in elektrischen Strom und damit in elektrische Energie 14 wandeln können. Die elektromagnetische Strahlung 4' trifft vorzugsweise leicht schräg auf die Lichteintrittsöffnung 71 (mit anderen Worten also nicht orthogonal zur Ebene der Lichteintrittsöffnung), um auf diese Weise zu vermeiden, dass gegebenenfalls aus dem Hohlraum 70 zurückreflektierte Anteile der elektromagnetischen Strahlung 4' wieder auf die Laserlichtquelle 2 fallen und diese unter Umständen beschädigen können. Typische Werkstoffe, aus denen der Basiskörper 72 und die Seitenwände 73 hergestellt sein können, sind zum Beispiel Aluminium, Aluminiumlegierungen oder Kupfer. In den Basiskörper 72 und die Seitenwände 73 können ein oder mehrere Kühlkanäle integriert sein, durch die während des Betriebs der mit der Rekuperationsvorrichtung 6 ausgestatteten optischen Bearbeitungsvorrichtung 1 ein Kühlmedium, insbesondere Wasser, fließen kann. Wie in 3 zu erkennen, weisen die Seitenwände Strukturierungen 730 auf, die in diesem Ausführungsbeispiel gezackt ausgebildet sind. Derjenige relativ kleine Anteil der in das Strahlfallenmittel 7 eintretenden elektromagnetischen Strahlung 4', der weder in Strom noch in Wärme umgewandelt wird, trifft auf die mit den Strukturierungen 730 versehenen und vorzugsweise schwarz eingefärbten Seitenwände 73. Dadurch kann (zumindest weitestgehend) verhindert werden, dass dieser Anteil der elektromagnetischen Strahlung 4' wieder aus der Lichtaustrittsöffnung 71 des Strahlfallenmittels 7 heraustreten kann.
Die photovoltaischen Mittel 8, die innerhalb des Hohlraums 70 der Strahlfalle 7 angeordnet sind, können zum Beispiel als photovoltaische Konzentratormittel ausgebildet sein, wie sie in photovoltaischen Konzentratorzellen eingesetzt werden. Photovoltaische Konzentratormittel zeichnen sich insbesondere dadurch aus, dass die einfallende elektromagnetische Strahlung 4' stark auf einen relativ kleinen lichtsensitiven Bereich konzentriert wird. Derartige photovoltaische Konzentratormittel haben den Vorteil, dass sie hohe Wirkungsgrade erreichen können, für hohe optische Leistungsdichten ausgelegt sind und damit besonders effizient die optische Strahlungsenergie der elektromagnetischen Strahlung 4' in elektrischen Strom und damit in nutzbare elektrische Energie umwandeln können. Um ein Überhitzen zu verhindern, können die photovoltaischen Mittel 8 vorzugsweise fluidgekühlt sein.
Die photovoltaischen Mittel 8 können speziell für den hier beschriebenen Einsatzzweck optimiert sein. Zum Beispiel kann die Bandlücke der photovoltaischen Mittel 8 so eingestellt sein, dass der Wirkungsgrad bei der bekannten, spektral schmalen Wellenlänge der verwendeten Laserlichtquelle 2 besonders hoch ist. Die beiden größten Verlustmechanismen von einfachen photovoltaischen Mitteln im Sonnenlicht (Thermalisieren bei großer Photonenenergie und keine Absorption von Photonen mit zu geringer Energie) können so wirksam vermieden werden.
Unter Bezugnahme auf 2 umfasst eine Rekuperationsvorrichtung 6 zur Rekuperation ungenutzter elektromagnetischer Strahlungsenergie einer optischen Bearbeitungsvorrichtung 1 gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wiederum ein Strahlfallenmittel 7 mit einem Hohlraum 70 und mindestens einer Lichteintrittsöffnung 71, durch die zumindest ein Teil der für die Bearbeitung des Werkstücks nicht genutzten elektromagnetischen Strahlung 4' in den Hohlraum 70 eintreten kann. Die elektromagnetische Strahlung 4' trifft vorzugsweise wiederum leicht schräg auf die Lichteintrittsöffnung 71 (also nicht orthogonal zur Ebene der Lichteintrittsöffnung 71), um auf diese Weise zu vermeiden, dass gegebenenfalls aus dem Hohlraum 70 zurückreflektierte Anteile der elektromagnetischen Strahlung 4' auf die Laserlichtquelle 2 fallen und diese unter Umständen beschädigen können. Der Hohlraum 70 des Strahlfallenmittels 7 wird vorzugsweise – wie im ersten Ausführungsbeispiel der Rekuperationsvorrichtung 6 – durch einen Basiskörper 72 und eine Anzahl von Seitenwänden 73 definiert, die wiederum Strukturierungen 730 aufweisen können.
Innerhalb des Hohlraums 70 ist mindestens ein Absorbermittel 9 angeordnet, welches so ausgebildet ist, dass es zumindest einen Teil der in den Hohlraum 70 eintretenden elektromagnetischen Strahlung 4' absorbieren und dessen optische Strahlungsenergie wenigstens teilweise in Wärmeenergie wandeln kann und dadurch ein Wärmeträgerfluid 12 erwärmen kann. Die Rekuperationsvorrichtung 6 umfasst ferner eine Wärmekraftmaschine 10, der das von dem mindestens einen Absorbermittel 9 erwärmte Wärmeträgerfluid 12 zugeführt wird.
Die Wärmekraftmaschine 10 ist so ausgebildet, dass sie zumindest einen Teil der Wärmeenergie des Wärmeträgerfluids 12 in mechanische Energie 13 wandeln kann. Die Wärmekraftmaschine 10 kann zum Beispiel eine Dampfturbine oder ein Stirling-Motor sein. Gerade Stirling-Motoren zeichnen sich typischerweise durch hohe Wirkungsgrade aus. Die Wärmekraftmaschine 10 kann – wie in 2 angedeutet – in das Strahlfallenmittel 7 integriert sein. Alternativ kann die Wärmekraftmaschine 10 auch außerhalb des Strahlfallenmittels 7 angeordnet sein.
Darüber hinaus umfasst die Rekuperationsvorrichtung 6 ein Generatormittel 11, das mit der Wärmekraftmaschine 10 gekoppelt ist und so ausgebildet ist, dass es zumindest einen Teil der mechanischen Energie 13 in elektrischen Strom und damit in nutzbare elektrische Energie 14 wandeln kann. Das Generatormittel 11 kann – wie in 2 angedeutet – ebenfalls in das Strahlfallenmittel 7 integriert sein. Alternativ kann das Generatormittel 11 auch außerhalb des Strahlfallenmittels 7 angeordnet sein.
Während des Betriebs der optischen Bearbeitungsvorrichtung 1 kann das Problem auftreten, dass die optische Leistungsdichte der in der Strahlfalle 7 der Rekuperationsvorrichtung 6 aufgefangenen elektromagnetischen Strahlung 4' so hoch ist, dass die photovoltaischen Mittel 8 beziehungsweise das mindestens eine Absorbermittel 9 beschädigt werden können. Um diesem Problem abzuhelfen, besteht die Möglichkeit, dass das Strahlfallenmittel 7 zumindest ein hier nicht explizit dargestelltes Mittel zur Abschwächung der optischen Leistungsdichte der elektromagnetischen Strahlung 4' umfasst. Das zumindest eine Mittel zur Abschwächung der optischen Leistungsdichte kann insbesondere als reflektives oder transmittives Diffusormittel ausgebildet sein. Alternativ oder zusätzlich kann das zumindest eine Mittel zur Abschwächung der optischen Leistungsdichte zumindest ein Linsenmittel umfassen. Dieses Linsenmittel kann zum Beispiel ein Konkavlinsenmittel oder ein Konvexlinsenmittel sein.
In 4 und 5 ist der optische Strahlengang einer optischen Bearbeitungsvorrichtung 1 (Laserbearbeitungsvorrichtung) zur Bearbeitung eines Werkstücks 5 schematisch stark vereinfacht dargestellt. Das Werkstück 5 ist zumindest teilweise transparent ausgeführt und besteht aus Glas oder aus für die Herstellung von Solarzellen verwendeten Materialien. Das Werkstück 5 transmittiert und reflektiert einen Großteil der eingestrahlten elektromagnetischen Strahlung 4. Um die für die Bearbeitung des Werkstücks 5 ungenutzte transmittierte und reflektierte elektromagnetische Strahlung 4' nutzen und zumindest teilweise rekuperieren zu können, weist die optische Bearbeitungsvorrichtung 1 eine erste Rekuperationsvorrichtung 6a für den reflektierten Anteil und eine zweite Rekuperationsvorrichtung 6b für den transmittierten Anteil der ungenutzten elektromagnetischen Strahlung 4' auf. Die beiden Rekuperationsvorrichtungen 6a, 6b sind in der oben beschriebenen Weise ausgeführt und können zumindest einen Teil der optischen Strahlungsenergie der ungenutzten elektromagnetischen Strahlung 4' in elektrischen Strom und damit in nutzbare elektrische Energie 14 wandeln.
Das hier beschriebene Verfahren zur Rekuperation ungenutzter optischer Strahlungsenergie einer optischen Bearbeitungsvorrichtung 1 (insbesondere einer Laserbearbeitungsvorrichtung) sowie die Rekuperationsvorrichtung 6 eignen sich zum Beispiel für Laserbearbeitungsvorrichtungen, bei denen Laserlichtquellen 2 mit deutlich mehr als 10 kW optischer Strahlungsleistung eingesetzt werden. Zu nennen sind in diesem Zusammenhang zum Beispiel Laserbearbeitungsvorrichtungen zum thermischen Bearbeiten von Metallen, zur Anpassung von Materialeigenschaften in Funktionsschichten oder als Ergänzung zu klassischen Öfen bei der Herstellung von Solarzellen. Die Energiebilanz derartiger optischer Bearbeitungsvorrichtungen 1 kann dadurch wesentlich verbessert werden.

Claims

Verfahren zur Rekuperation ungenutzter optischer Strahlungsenergie einer optischen Bearbeitungsvorrichtung (1) mit zumindest einer Lichtquelle, insbesondere einer Laserlichtquelle (2) oder einer Lichtquelle mit einer Anzahl von Leuchtdioden, umfassend die Schritte: – Betreiben der zumindest einen Lichtquelle und Erzeugen von elektromagnetischer Strahlung (4), – Beaufschlagen mindestens eines Werkstücks (5) mit der elektromagnetischen Strahlung (4) zur Bearbeitung des Werkstücks (5), – Auffangen zumindest eines Teils der für die Bearbeitung des mindestens einen Werkstücks (5) ungenutzten elektromagnetischen Strahlung (4') in einem Strahlfallenmittel (7) zumindest einer Rekuperationsvorrichtung (6, 6a, 6b), – Wandeln zumindest eines Teils der Strahlungsenergie des von dem Strahlfallenmittel (7) der zumindest einen Rekuperationsvorrichtung (6, 6a, 6b) aufgefangenen elektromagnetischen Strahlung (4') in elektrische Energie (14).
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Schritt des Wandelns zumindest eines Teils der optischen Strahlungsenergie in elektrische Energie das Beaufschlagen photovoltaischer Mittel (8) mit zumindest einem Teil der von dem Strahlfallenmittel (7) aufgefangenen elektromagnetischen Strahlung (4') umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zum Wandeln eines Teils der optischen Strahlungsenergie in elektrische Energie – mindestens ein Absorbermittel (9) im Inneren des Strahlfallenmittels (7) mit zumindest einem Teil der von dem Strahlfallenmittel (7) aufgefangenen elektromagnetischen Strahlung (4) (4') beaufschlagt und dadurch erwärmt wird, – ein Wärmeträgerfluid (12) von dem Absorbermittel (9) erwärmt wird, – das Wärmeträgerfluid (12) zu einer Wärmekraftmaschine (10), insbesondere einer Dampfturbine oder einem Stirling-Motor, gefördert wird, die an ein Generatormittel (11) gekoppelt wird, so dass zumindest ein Teil der Wärmeenergie des Wärmeträgerfluids (12) mittels der Wärmekraftmaschine (10) in mechanische Energie (13) gewandelt wird, mit der das Generatormittel betrieben wird, wobei zumindest ein Teil der mechanischen Energie (13) in elektrische Energie (14) gewandelt wird.
Rekuperationsvorrichtung (6, 6a, 6b) zur Rekuperation ungenutzter optischer Strahlungsenergie einer optischen Bearbeitungsvorrichtung (1), umfassend – ein Strahlfallenmittel (7) mit einem Hohlraum (70) und mindestens einer Lichteintrittsöffnung (71), durch die elektromagnetische Strahlung (4') in den Hohlraum (70) eintreten kann, – photovoltaische Mittel (8), die innerhalb des Hohlraums (70) des Strahlfallenmittels (7) derart angeordnet sind, dass sie zumindest von einem Teil der in den Hohlraum (70) eingetretenen elektromagnetischen Strahlung (4') beaufschlagt werden können und zumindest einen Teil der Strahlungsenergie der elektromagnetischen Strahlung (4') in elektrische Energie (14) wandeln können.
Rekuperationsvorrichtung (6, 6a, 6b) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die photovoltaischen Mittel (8) eine Bandlücke umfassen, die so gewählt und eingestellt ist, dass sie an die Wellenlänge der elektromagnetischen Strahlung (4') angepasst ist.
Rekuperationsvorrichtung (6, 6a, 6b) nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die photovoltaischen Mittel (8) als photovoltaische Konzentratormittel ausgebildet sind.
Rekuperationsvorrichtung (6, 6a, 6b) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die photovoltaischen Konzentratormittel fluidgekühlt sind.
Rekuperationsvorrichtung (6, 6a, 6b) zur Rekuperation ungenutzter optischer Strahlungsenergie einer optischen Bearbeitungsvorrichtung (1), umfassend – ein Strahlfallenmittel (7) mit einem Hohlraum (70) und mindestens einer Lichteintrittsöffnung (71), durch die elektromagnetische Strahlung (4') in den Hohlraum (70) eintreten kann, – Absorbermittel (9), die innerhalb des Hohlraums (70) des Strahlfallenmittels (7) angeordnet sind und so ausgebildet sind, dass sie zumindest einen Teil der in den Hohlraum (70) eintretenden elektromagnetischen Strahlung (4') absorbieren und in Wärmeenergie wandeln können und ein Wärmeträgerfluid (12) erwärmen können, – eine Wärmekraftmaschine (10), insbesondere eine Dampfturbine oder ein Stirling-Motor, der das Wärmeträgerfluid (12) zugeführt werden kann und die so ausgebildet ist, dass sie zumindest einen Teil der Wärmeenergie des Wärmeträgerfluids (12) in mechanische Energie (13) wandeln kann, – ein Generatormittel (11), das mit der Wärmekraftmaschine (10) gekoppelt ist und so ausgebildet ist, dass es zumindest einen Teil der mechanischen Energie (13) in elektrische Energie (14) wandeln kann.
Rekuperationsvorrichtung (6, 6a, 6b) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmekraftmaschine (10) in das Strahlfallenmittel (7) integriert ist.
Rekuperationsvorrichtung (6, 6a, 6b) nach einem der Ansprüche 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Generatormittel (11) in das Strahlfallenmittel (7) integriert ist.
Rekuperationsvorrichtung (6, 6a, 6b) nach einem der Ansprüche 4 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Strahlfallenmittel (7) zumindest ein Mittel zur Abschwächung der optischen Leistungsdichte der elektromagnetischen Strahlung (4') umfasst, wobei das Mittel vorzugsweise als reflektives oder transmittives Diffusormittel ausgebildet ist.
Rekuperationsvorrichtung (6, 6a, 6b) nach Anspruch 11 dadurch gekennzeichnet, dass das Mittel zur Abschwächung der optischen Leistungsdichte zumindest ein Linsenmittel umfasst.
Rekuperationsvorrichtung (6, 6a, 6b) nach einem der Ansprüche 4 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Strahlfallenmittel (7) zumindest ein Mittel zur Konzentration der optischen Leistungsdichte der elektromagnetischen Strahlung (4') umfasst.
Optische Bearbeitungsvorrichtung (1) zur Bearbeitung eines Werkstücks (5), umfassend – zumindest eine Lichtquelle, insbesondere eine Laserlichtquelle (2) oder einer Lichtquelle mit einer Anzahl von Leuchtdioden, die während des Betriebs elektromagnetische Strahlung (4) emittieren kann, – optische Mittel (2), die so ausgebildet sind, dass sie die von der Lichtquelle (2) emittierte elektromagnetische Strahlung (4) auf das zu bearbeitende Werkstück (5) lenken können, dadurch gekennzeichnet, dass die optische Bearbeitungsvorrichtung (1) zumindest eine Rekuperationsvorrichtung (6, 6a, 6b) nach einem der Ansprüche 4 bis 13 umfasst.
Optische Bearbeitungsvorrichtung (1) nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die optische Bearbeitungsvorrichtung (1) – eine erste Rekuperationsvorrichtung (6a), die derart im optischen Strahlengang der optischen Bearbeitungsvorrichtung (1) angeordnet ist, dass sie von dem Werkstück (5) reflektierte Anteile der für die Bearbeitung des Werkstücks (5) ungenutzten elektromagnetischen Strahlung (4') auffangen und in elektrische Energie (14) wandeln kann, sowie – zumindest eine zweite Rekuperationsvorrichtung (6b), die derart im optischen Strahlengang der optischen Bearbeitungsvorrichtung (1) angeordnet ist, dass sie transmittierte Anteile der für die Bearbeitung des Werkstücks (5) ungenutzten elektromagnetischen Strahlung (4') auffangen und in elektrische Energie (14) wandeln kann, umfasst.