DE102014012456A1 - Optical beam guiding unit and material processing device with an optical beam guiding unit - Google Patents

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Abstract

Bei einer optischen Strahlführungseinheit, bzw. bei einer Materialbearbeitungsvorrichtung mit einer derartigen optischen Strahlführungseinheit, sind zwei rotierende Spiegel vorgesehen, die jeweils um einen definierten Winkel zu ihrer Rotationsachse gekippt werden können. Ein einfallender Laserstrahl wird zunächst von dem ersten und dann von dem zweiten Spiegel reflektiert, bevor er auf das zu bearbeitende Werkstück trifft. Je nach Kippwinkel der beiden Spiegel wird der Ausgangsstrahl längs einer Kreislinie mit definiertem Radius und definiertem Neigungswinkel über die Werkstückoberfläche geführt. Je nach Neigungswinkel können so beispielsweise zylindrische Bohrungen oder konische Bohrungen mit positivem oder negativem Öffnungswinkel ausgeführt werden.In an optical beam guidance unit, or in a material processing device with such an optical beam guidance unit, two rotating mirrors are provided, which can each be tilted by a defined angle to its axis of rotation. An incident laser beam is first reflected by the first and then by the second mirror before it strikes the workpiece to be machined. Depending on the tilt angle of the two mirrors, the output beam is guided along a circular line with a defined radius and a defined angle of inclination over the workpiece surface. Depending on the angle of inclination, cylindrical bores or conical bores with a positive or negative opening angle can thus be carried out, for example.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Materialbearbeitung mit Laserstrahlen, insbesondere auf Strahlführungseinheiten für das Laserbohren und -schneiden und auf Materialbearbeitungsvorrichtungen mit derartigen Strahlführungseinheiten.The present invention relates to the field of material processing with laser beams, in particular to beam guiding units for laser drilling and cutting and to material processing apparatuses with such beam guiding units.

Die Verwendung von Laserstrahlen zum Bohren, insbesondere zum Trepanieren und Wendelbohren, ist überall dort von Bedeutung, wo sehr präzise Bohrungen ab einem Durchmesser von wenigen Mikrometern bis in den Millimeterbereich hochproduktiv, kostengünstig und reproduzierbar gefertigt werden sollen. Bedeutend ist sie weiterhin für das Schneiden von dünnen Blechen und Substraten. Ein überragender Vorteil ist die Möglichkeit, Bohrungen und Schnitte mit sich weitendem Querschnitt zu fertigen. Der Hauptanwendungsbereich liegt im Bohren und Schneiden von verschiedenen Substratmaterialien und Blechen bis etwa 1 mm Dicke. Die Wandungssteilheit der Bohrungen und Schnitte kann dabei definiert eingestellt werden. Typisch werden Schnitte mit senkrechten Kanten und senkrechte oder sich weitende Bohrungen gefordert, wie sie z. B. in der Uhrenindustrie oder für Einspritz- und Spinndüsen angewendet werden.The use of laser beams for drilling, in particular for trephining and helical drilling, is of importance everywhere where very precise bores from a diameter of a few micrometers down to the millimeter range are to be manufactured in a highly productive, cost-effective and reproducible manner. It is also important for the cutting of thin sheets and substrates. An outstanding advantage is the ability to produce holes and cuts with widening cross-section. The main field of application is drilling and cutting of various substrate materials and sheets up to about 1 mm thick. The wall steepness of the holes and cuts can be set defined. Typically, cuts are required with vertical edges and vertical or expanding holes, as z. As used in the watch industry or for injection and spinnerets.

Für die Mikrobearbeitung mit Laserstrahlen ist eine Reihe von Strahlführungswerkzeugen bekannt, die zur Herstellung der beschriebenen Strukturen verwendet werden. Es handelt sich dabei entweder um

  • • Systeme von refraktiven optischen Elementen wie Linsen, Keilen und Prismen, die motorisch in Rotation versetzt und vorher oder während der Rotation gegeneinander und zur Rotationsachse verkippt werden; oder um
  • • Scannersysteme, die optische Spiegel motorisch verkippen und so den erforderlichen Strahlversatz und die gewünschte Schrägstellung des Laserstrahls ermöglichen; oder um
  • • Spiegelsysteme, die motorisch in Rotation versetzt und vorher oder während der Rotation gegeneinander verdreht oder verkippt werden.
For laser beam micromachining, a number of beam-guiding tools are known which are used to fabricate the structures described. It is either about
  • • Systems of refractive optical elements such as lenses, wedges and prisms, which are rotated by the motor and tilted before or during the rotation against each other and to the axis of rotation; or to
  • • Scanner systems that motorically tilt optical mirrors to allow the required beam offset and the desired skew of the laser beam; or to
  • • Mirror systems, which are rotated by a motor and rotated or tilted before or during rotation.

Allen betrachteten System gemein ist, dass der Laserstrahl bezüglich seiner Achse versetzt und verkippt wird. Auf das Werkstück bezogen ergibt sich ein zur Werkstückoberfläche verkippter Strahl, der sich entlang des gewünschten Bohrungsdurchmessers oder der gewünschten Schnittbreite auf einer Kreisbahn dreht, wobei die Drehung eine tatsächliche Rotation des Strahlprofils oder eine Kreisschiebung sein kann. Die größte Verbreitung haben derzeit Scannersysteme.Common to all considered system is that the laser beam is offset and tilted with respect to its axis. Based on the workpiece results in a tilted to the workpiece surface beam, which rotates along the desired bore diameter or the desired cutting width on a circular path, wherein the rotation may be an actual rotation of the beam profile or a circular shift. The largest spread currently have scanner systems.

Ein Vorteil rotierender Systeme gegenüber Scannersystemen ist, dass sie einmal in Schwung gebracht werden müssen und dann abgesehen von lagerungsbedingten Verlusten keine weitere Energiezufuhr erforderlich ist. Dadurch werden Anregungen aufgrund dynamischer Kräfte und Antriebsverluste minimal. Ein Nachteil ist, dass für die Verstellung der rotierenden optischen Elemente rotierende Mechanismen und/oder Antriebe erforderlich sind, die konstruktiv recht aufwendig sein können.One advantage of rotating systems over scanner systems is that they need to get going once and then, with the exception of storage-related losses, no further energy input is required. As a result, suggestions due to dynamic forces and drive losses are minimal. A disadvantage is that rotating mechanisms and / or drives are required for the adjustment of the rotating optical elements, which can be structurally quite complex.

Aus der Druckschrift DE 10 2012 003 536 A1 ist beispielsweise eine optische Anordnungen mit einem rotierenden Spiegel bekannt, bei der ein Spiegel auf einer schnell rotierenden Achse befestigt ist. Die erforderliche Trennung von Eingangs- zu Ausgangsstrahl erfolgt durch Polarisationsstrahlteiler und Verzögerungs- und Wellenplatten (λ/n-Plättchen). Über eine Kippung des rotierenden Spiegels gegen die Rotationsachse lässt sich der Versatz des Ausgangsstrahls gegenüber der optischen Achse einstellen. Die Neigung des Ausgangsstrahls kann in gewissen Grenzen über ein optisches Abbildungssystem beeinflusst werden. Nachteilig an dieser Anordnung sind jedoch die an dem Polarisationsstrahlteiler und den Wellenplatten auftretenden Verluste sowie die geringe Flexibilität für die Strahlkontrolle.From the publication DE 10 2012 003 536 A1 For example, an optical arrangement with a rotating mirror is known in which a mirror is mounted on a fast rotating axis. The required separation from input to output beam is made by polarization beam splitters and delay and wave plates (λ / n plates). By tilting the rotating mirror against the axis of rotation, the offset of the output beam relative to the optical axis can be adjusted. The inclination of the output beam can be influenced within certain limits via an optical imaging system. A disadvantage of this arrangement, however, are the losses occurring at the polarization beam splitter and the wave plates as well as the low flexibility for the beam control.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine verlustarme optische Strahlführungseinheit zu schaffen, bei der Strahlversatz und -neigung in flexibler Weise einstellbar sind. Der Erfindung liegt weiterhin die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte Materialbearbeitungsvorrichtung mit einer optischen Strahlführungseinheit zu schaffen.The invention is therefore based on the object to provide a low-loss optical beam guidance unit, are adjustable in the beam offset and inclination in a flexible manner. The invention is further based on the object to provide an improved material processing device with an optical beam guiding unit.

Dies wird durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche 1 bzw. 12 erreicht. Bevorzugte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.This is achieved by the features of independent claims 1 and 12, respectively. Preferred embodiments are subject of the dependent claims.

Es ist der besondere Ansatz der vorliegenden Erfindung, einen einfallenden Laserstrahl nacheinander an zwei rotierenden Spiegeln zu reflektieren, die jeweils um einen definierten Winkel zu ihrer Rotationsachse gekippt sind. Sofern die Rotation der beiden Spiegel synchronisiert ist, kann über den Kippwinkel des ersten Spiegels ein Strahlversatz eingestellt werden und über den Kippwinkel des zweiten Spiegels ein Neigungswinkel, mit dem der Strahl auf eine Werkstückoberfläche auftrifft.It is the particular approach of the present invention to successively reflect an incident laser beam on two rotating mirrors, each tilted at a defined angle to its axis of rotation. If the rotation of the two mirrors is synchronized, a beam offset can be set via the tilt angle of the first mirror and, via the tilt angle of the second mirror, an inclination angle with which the beam impinges on a workpiece surface.

Gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine optische Strahlführungseinheit zur Verfügung gestellt, die eine erste und eine zweite Drehspiegelanordnung aufweist. Die erste Drehspiegelanordnung umfasst einen um eine erste Achse rotierbaren ersten Spiegel, wobei ein erster Winkel zwischen der ersten Achse und einer Normalen des ersten Spiegels einstellbar ist. Gleichermaßen umfasst die zweite Drehspiegelanordnung einen um eine zweite Achse rotierbaren zweiten Spiegel, wobei ein zweiter Winkel zwischen der zweiten Achse und einer Normalen des zweiten Spiegels einstellbar ist. Die erste und die zweite Drehspiegelanordnung sind dabei so angeordnet, dass ein von dem ersten Spiegel reflektierter Laserstrahl auf den zweiten Spiegel trifft und von diesem auf ein Werkstück gerichtet werden kann.According to a first aspect of the present invention, there is provided an optical beam guiding unit having first and second rotary mirror assemblies. The first rotating mirror assembly includes a first mirror rotatable about a first axis, wherein a first angle between the first axis and a normal of the first mirror is adjustable. Likewise, the second rotating mirror assembly includes a second rotatable about a second axis Mirror, wherein a second angle between the second axis and a normal of the second mirror is adjustable. The first and the second rotating mirror arrangement are arranged such that a laser beam reflected by the first mirror hits the second mirror and can be directed by it onto a workpiece.

Gemäß einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Materialbearbeitungsvorrichtung zur Bearbeitung eines Werkstücks durch Laserstrahlen zur Verfügung gestellt. Die Materialbearbeitungsvorrichtung weist eine optische Strahlführungseinheit gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung auf.According to a second aspect of the present invention, there is provided a material processing apparatus for processing a workpiece by laser beams. The material processing apparatus has an optical beam guiding unit according to the first aspect of the invention.

In einer bevorzugten Ausführungsform weist die Strahlführungseinheit des Weiteren einen Antrieb auf, der dazu eingerichtet ist, den ersten Spiegel und/oder den zweiten Spiegel um die jeweilige Achse gleichförmig zu rotieren. Vorzugsweise umfasst die erste Drehspiegelanordnung des Weiteren einen ersten Antrieb, der dazu eingerichtet ist, den ersten Spiegel um die erste Achse gleichförmig zu rotieren. Alternativ oder zusätzlich umfasst die zweite Drehspiegelanordnung des Weiteren einen zweiten Antrieb, der dazu eingerichtet ist, den zweiten Spiegel um die zweite Achse gleichförmig zu rotieren. Vorteilhafterweise ist der erste und/oder der zweite Antrieb mit einem Encoder zur Überwachung des Rotationswinkels versehen.In a preferred embodiment, the beam guidance unit further comprises a drive which is adapted to uniformly rotate the first mirror and / or the second mirror about the respective axis. Preferably, the first rotating mirror assembly further comprises a first drive configured to uniformly rotate the first mirror about the first axis. Alternatively or additionally, the second rotating mirror assembly further includes a second drive configured to uniformly rotate the second mirror about the second axis. Advantageously, the first and / or the second drive is provided with an encoder for monitoring the rotation angle.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform umfasst die erste Drehspiegelanordnung des Weiteren einen ersten Kippaktor, der dazu eingerichtet ist, den ersten Winkel zwischen der ersten Achse und der Normalen des ersten Spiegels einzustellen. Alternativ oder zusätzlich umfasst die zweite Drehspiegelanordnung des Weiteren einen zweiten Kippaktor, der dazu eingerichtet ist, den zweiten Winkel zwischen der zweiten Achse und der Normalen des zweiten Spiegels einzustellen.In a further preferred embodiment, the first rotating mirror assembly further comprises a first tilt actuator configured to adjust the first angle between the first axis and the normal of the first mirror. Alternatively or additionally, the second rotating mirror assembly further includes a second tilting actuator configured to adjust the second angle between the second axis and the normal of the second mirror.

Vorteilhafterweise ist der erste Winkel und/oder der zweite Winkel ein spitzer Winkel und in einem Bereich einstellbar, der Winkel nicht größer als 45°, vorzugsweise nicht größer als 10°, umfasst. Bei Kippwinkeln größer als 45° ist nicht mehr sichergestellt, dass der Eingangsstrahl bei jedem Drehwinkel reflektiert werden kann. Bei kleinen Kippwinkeln sind zudem die geometrischen Verzerrungen minimal.Advantageously, the first angle and / or the second angle is an acute angle and adjustable in a range which does not include angle greater than 45 °, preferably not greater than 10 °. With tilt angles greater than 45 °, it is no longer possible to ensure that the input beam can be reflected at every angle of rotation. At small tilt angles, the geometric distortions are also minimal.

In einer bevorzugten Ausführungsform sind die erste und die zweite Achse parallel, da so in einfacher Weise sicher gestellt werden kann, dass sich der Ausgangsstrahl längs einer Kreiskurve über die Werkstückoberfläche bewegt.In a preferred embodiment, the first and the second axis are parallel, as it can be ensured in a simple manner that the output beam moves along a circular curve over the workpiece surface.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform umfasst die Strahlführungseinheit des Weiteren eine Synchronisationsvorrichtung, die dazu eingerichtet ist, eine Rotation des ersten Spiegels um die erste Achse und eine Rotation des zweiten Spiegels um die zweite Achse zu synchronisieren. Auf diese Weise kann über den Kippwinkel des ersten Spiegels der Strahlversatz und damit der Radius der Kreiskurve bestimmt werden, und über den Kippwinkel des zweiten Spiegels der Öffnungswinkel des Kegels, den der Ausgangsstrahl überstreicht. Insbesondere können die Kippwinkel auch so eingestellt werden, dass der Ausgangsstrahl eine Zylindermantelfläche überstreicht. Dies ist vor allem im Zusammenhang mit der Erstellung von zylindrischen oder konischen Bohrungen mit definiertem Öffnungswinkel von Bedeutung.In a further preferred embodiment, the beam guidance unit further comprises a synchronization device that is configured to synchronize a rotation of the first mirror about the first axis and a rotation of the second mirror about the second axis. In this way, the beam offset and thus the radius of the circular curve can be determined via the tilt angle of the first mirror, and the angle of tilt of the second mirror, the opening angle of the cone swept by the output beam. In particular, the tilt angles can also be adjusted so that the output beam sweeps over a cylinder jacket surface. This is particularly important in connection with the creation of cylindrical or conical holes with a defined opening angle of importance.

In einer Ausführungsform umfasst die Synchronisationsvorrichtung eine mechanische Kopplung des ersten und des zweiten Spiegels. Alternativ dazu kann die Synchronisationsvorrichtung eine elektronische Regelung des Antriebs des ersten Spiegels und/oder des Antriebs des zweiten Spiegels umfassen.In an embodiment, the synchronization device comprises a mechanical coupling of the first and the second mirror. Alternatively, the synchronization device may comprise an electronic control of the drive of the first mirror and / or the drive of the second mirror.

Vorteilhafterweise umfasst die Strahlführungseinheit des Weiteren eine Fokussieroptik, die dazu eingerichtet ist, den Laserstrahl auf einen auf dem Werkstück liegenden Brennpunkt zu fokussieren.Advantageously, the beam guidance unit further comprises a focusing optics, which is adapted to focus the laser beam on a focal point lying on the workpiece.

Die Strahlführungseinheit kann vorteilhafterweise auch ein optisches Korrekturelement umfassen, das dazu eingerichtet ist, Verzerrungen in einem durch den Laserstrahl auf dem Werkstück beschriebenen Kreis zu korrigieren.The beam guidance unit can advantageously also comprise an optical correction element which is set up to correct distortions in a circle described by the laser beam on the workpiece.

Die Erfindung wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die beigefügte Abbildung beschrieben, wobeiThe invention will be described below with reference to the accompanying drawings, in which:

1 eine schematische Darstellung der Strahlführungseinheit gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt. 1 a schematic representation of the beam guiding unit according to an embodiment of the present invention shows.

Wie in 1 dargestellt ist, kann die erfindungsgemäße Strahlführungseinheit in einer Ausführungsform zwei baugleiche Spiegelbaugruppen umfassen, die antiparallel (d. h. parallel aber mit entgegengesetzter Orientierung) mit einem fixen Achsversatz zueinander angeordnet sind. Jede Spiegelbaugruppe umfasst einen Spiegel (3.1, 3.2) und einen Antrieb (5.1, 5.2), der den Spiegel um eine Achse (in der Figur durch die strichpunktierten Linien 7.1 bzw. 7.2 angedeutet) in Rotation versetzen kann. Die Rotation erfolgt dabei im Wesentlichen gleichförmig, also mit konstanter Drehzahl. Als Antrieb können alle geeigneten Elektromotoren verwendet werden, insbesondere Schrittmotoren oder DC-Motoren.As in 1 is shown, the beam guiding unit according to the invention in one embodiment may comprise two identical mirror assemblies, which are arranged antiparallel (ie parallel but with opposite orientation) with a fixed axis offset to each other. Each mirror assembly includes a mirror ( 3.1 . 3.2 ) and a drive ( 5.1 . 5.2 ), the mirror around an axis (in the figure by the dotted lines 7.1 respectively. 7.2 indicated) can set in rotation. The rotation is substantially uniform, ie at a constant speed. As drive all suitable electric motors can be used, in particular stepper motors or DC motors.

Jede der beiden Spiegelbaugruppen ist mit einem Kippaktor (4.1, 4.2) versehen, der den jeweiligen Spiegel um einen definierten Winkel zur Rotationsachse kippen kann. Die Oberflächennormale des Spiegels schließt dabei im Allgemeinen einen spitzen Winkel mit der Rotationsachse ein, so dass der in Rotation versetzte Spiegel eine taumelnde Bewegung um die Rotationsachse ausführt. Die Kippaktoren (4.1, 4.2) können in jeder geeigneten Weise implementiert sein und beispielsweise über eine Hebelmimik mit dem gelenkig gelagerten Spiegel verbunden sein. In einer Ausführungsform können die Kippaktoren den jeweiligen Spiegel mit der Achse des jeweiligen Antriebs verbinden und werden zusammen mit dem Spiegel rotiert.Each of the two mirror assemblies is equipped with a tilting actuator ( 4.1 . 4.2 ) provided the each mirror can tilt by a defined angle to the axis of rotation. The surface normal of the mirror generally includes an acute angle with the axis of rotation, so that the rotated mirror performs a tumbling motion about the axis of rotation. The tilting actuators ( 4.1 . 4.2 ) can be implemented in any suitable manner and be connected, for example via a lever mimic, to the articulated mirror. In one embodiment, the tilt actuators can connect the respective mirror to the axis of the respective drive and are rotated together with the mirror.

Die Spiegelbaugruppen sind relativ zueinander so angeordnet, dass ein Laserstrahl (1.1) von dem ersten Spiegel reflektiert wird, und der reflektierte Strahl (1.2) den zweiten Spiegel trifft. Der neuerlich von dem zweiten Spiegel reflektierte Strahl (1.3) bildet den Ausgangsstrahl, der schließlich auf das zu bearbeitende Werkstück (8) fällt. Die Größe der Spiegel, die Kippwinkel zur jeweiligen Rotationsachse und der Abstand der beiden Spiegel sind dabei vorzugsweise so eingerichtet, dass der von dem ersten Spiegel reflektierte Strahl in jedem Fall, d. h. bei jedem Rotationswinkel, den zweiten Spiegel trifft.The mirror assemblies are arranged relative to each other so that a laser beam ( 1.1 ) is reflected by the first mirror, and the reflected beam ( 1.2 ) hits the second mirror. The beam reflected again by the second mirror ( 1.3 ) forms the output beam, which finally reaches the workpiece ( 8th ) falls. The size of the mirrors, the tilt angle to the respective axis of rotation and the distance between the two mirrors are preferably set up so that the beam reflected by the first mirror hits the second mirror in every case, ie at each angle of rotation.

In einer Ausführungsform kann die Strahlführungseinheit eine feststehende Fokussieroptik (2) aufweisen, mit deren Hilfe der einfallende Laserstrahl (1.1) auf einen auf dem Werkstück (8) liegenden Punkt fokussiert wird.In one embodiment, the beam-guiding unit can have fixed focusing optics ( 2 ), with the aid of which the incident laser beam ( 1.1 ) on one on the workpiece ( 8th ) is focused.

In einer Ausführungsform können die Spiegelbaugruppen jeweils mit einem Encoder (6.1, 6.2) zur Überwachung des Drehwinkels versehen sein. Durch eine geeignete Ansteuerung und Regelung der Antriebe (5.1, 5.2) kann die Rotation der beiden Spiegel (3.1, 3.2) synchronisiert werden. Eine Synchronisation der beiden Spiegel kann aber auch durch eine mechanische Kopplung erreicht werden. Bei einer synchronen Rotation der beiden Spiegel können die Kippwinkel so eingestellt werden, dass der Ausgangsstrahl (1.3) eine Zylindermantelfläche überstreicht, also stets senkrecht auf eine senkrecht zur optischen Achse ausgerichtete Werkstückoberfläche trifft.In one embodiment, the mirror assemblies may each be provided with an encoder ( 6.1 . 6.2 ) be provided for monitoring the angle of rotation. Suitable control and regulation of the drives ( 5.1 . 5.2 ), the rotation of the two mirrors ( 3.1 . 3.2 ) are synchronized. A synchronization of the two mirrors can also be achieved by a mechanical coupling. In a synchronous rotation of the two mirrors, the tilt angles can be adjusted so that the output beam ( 1.3 ) sweeps over a cylindrical surface, so always perpendicular to a perpendicular to the optical axis aligned workpiece surface.

Eine Synchronisierung der Rotation der beiden Spiegel kann in manchen Anwendungsfällen vorteilhaft sein, ist aber nicht zwingend erforderlich. So kann es zum Beispiel wünschenswert sein, den Laser auf einer Bahn über die Werkstückoberfläche zu führen, die sich aus einer Überlagerung zweier unterschiedlicher Kreisbewegungen ergibt. Dies kann dadurch erreicht werden, dass einer der beiden Spiegel mit vergleichsweise großem Kippwinkel und kleiner Drehzahl rotiert wird, während der andere Spiegel mit kleinem Kippwinkel und großer Drehzahl rotiert wird. Ebenso ist es denkbar, die beiden Spiegel drehzahlsynchron, aber mit einem definierten und einstellbaren Phasenwinkel zueinander anzutreiben.Synchronizing the rotation of the two mirrors may be advantageous in some applications, but is not mandatory. For example, it may be desirable to guide the laser over the workpiece surface on a path resulting from a superposition of two different circular motions. This can be achieved by rotating one of the two mirrors with a comparatively large tilt angle and low rotational speed, while the other mirror is rotated with a small tilt angle and high rotational speed. It is also conceivable to drive the two mirrors in synchronism with each other, but with a defined and adjustable phase angle.

Aus der Verwendung von zwei baugleichen Spiegelbaugruppen können sich Vorteile für die Herstellung und den Betrieb der Strahlführungseinheit ergeben. Die Erfindung ist jedoch nicht auf baugleiche Spiegelbaugruppen beschränkt. So können sich die Spiegel beispielsweise in ihrer Größe oder in dem Einstellbereich der Kippwinkel unterscheiden. Die Spiegelbaugruppen müssen auch nicht über separate Antriebe für den jeweiligen Spiegel verfügen. In anderen Ausführungsformen können die beiden Spiegel (3.1) und (3.2) beispielsweise um die jeweilige Rotationsachse (7.1) bzw. (7.2) drehbar gelagert sein und mechanisch mit einem gemeinsamen Antrieb gekoppelt sein. Auf diese Weise kann auch ein Gleichlauf der beiden Spiegel mechanisch sichergestellt werden.The use of two identical mirror assemblies can result in advantages for the production and operation of the beam guidance unit. However, the invention is not limited to identical mirror assemblies. For example, the mirrors may differ in their size or in the adjustment range of the tilt angles. The mirror assemblies also need not have separate drives for the respective mirror. In other embodiments, the two mirrors ( 3.1 ) and ( 3.2 ), for example, about the respective axis of rotation ( 7.1 ) respectively. ( 7.2 ) and mechanically coupled to a common drive. In this way, a synchronization of the two mirrors can be mechanically secured.

Im Betrieb wird ein kollimierter Laserstrahl (1) zunächst durch die feststehende Fokussieroptik (2) gebündelt. Die Brennweite der Fokussieroptik ist dabei so gewählt, dass der Brennpunkt hinter allen im Strahlengang nachfolgenden Elementen auf dem Werkstück (8) liegt.In operation, a collimated laser beam ( 1 ) first by the fixed focusing optics ( 2 ). The focal length of the focusing optics is chosen so that the focal point behind all the elements following in the beam path on the workpiece ( 8th ) lies.

Danach trifft der Strahl unter einem Winkel auf den ersten Spiegel (3.1), der mit dem Antrieb (5.1) um seine Rotationsachse (7.1) gedreht wird. Die Oberflächennormale des Spiegels wird mit dem Aktor (4.1) leicht zu seiner Rotationsachse (7.1) verkippt. Dadurch ergibt sich eine Taumelbewegung des Spiegels und der reflektierte Strahl beschreibt im zeitlichen Verlauf je Umdrehung einen Strahlkegel (1.2), dessen Spitze bei ideal justierter Optik dem Auftreffpunkt des Laserstrahls auf dem erstem Spiegel (2.1) und dem Durchstoßpunkt der Rotationsachse (7.1) mit der Spiegeloberfläche entspricht.Then the beam hits the first mirror at an angle ( 3.1 ), with the drive ( 5.1 ) about its axis of rotation ( 7.1 ) is rotated. The surface normal of the mirror is measured with the actuator ( 4.1 ) slightly to its axis of rotation ( 7.1 ) tilted. This results in a tumbling motion of the mirror and the reflected beam describes in the time course per revolution a beam cone ( 1.2 whose tip is ideally adjusted to the point of impact of the laser beam on the first mirror ( 2.1 ) and the puncture point of the axis of rotation ( 7.1 ) corresponds to the mirror surface.

Der reflektierte Strahlenkegel (1.2) trifft danach auf den zweiten Spiegel (3.2), der ebenfalls um eine Rotationsachse (7.2) rotiert und durch einen Aktor (4.2) leicht angekippt werden kann. Die Antriebe (5.1) und (5.2) laufen im Normalfall synchron zueinander, wobei der Gleichlauf mechanisch z. B. durch Getriebe oder Zahnriemen, oder elektronisch durch eine entsprechende Ansteuerung erreicht werden kann. Zu diesem Zweck können die Drehzahlen und Positionen der Antriebe (5.1) und (5.2) über die Encoder (6.1) und (6.2) erfasst werden, wie dies obenstehend beschrieben wurde.The reflected cone of rays ( 1.2 ) then hits the second mirror ( 3.2 ), which is also about an axis of rotation ( 7.2 ) and by an actuator ( 4.2 ) can be easily tipped. The drives ( 5.1 ) and ( 5.2 ) run normally synchronous with each other, the synchronization mechanically z. B. by gear or timing belt, or electronically can be achieved by a corresponding control. For this purpose, the speeds and positions of the drives ( 5.1 ) and ( 5.2 ) via the encoder ( 6.1 ) and ( 6.2 ), as described above.

Je nach Kippwinkel des zweiten Spiegels (3.2) wird der durch den ersten Spiegel (3.1) abgelenkte Strahl (1.2) erneut ausgelenkt. Durch geeignete Einstellung der beiden Kippwinkel und der Phasenlage der Rotationsbewegung kann so sowohl der Versatz als auch der Neigungswinkel des Ausgangsstrahls (1.3) gesteuert werden. Auf diese Weise kann der Laserstrahl längs einer Kreisbahn mit einstellbarem Radius auf der Oberfläche des Werkstücks (8) geführt werden. Durch Steuerung des Neigungswinkels des Ausgangsstrahls können sowohl zylindrische als auch konische Bohrungen mit positivem oder negativem Öffnungswinkel gefertigt werden.Depending on the tilt angle of the second mirror ( 3.2 ) through the first mirror ( 3.1 ) deflected beam ( 1.2 ) again deflected. By suitable adjustment of the two tilt angles and the phase position of the rotational movement, both the offset and the angle of inclination of the output beam ( 1.3 ) to be controlled. This way you can the laser beam along a circular path with adjustable radius on the surface of the workpiece ( 8th ). By controlling the angle of inclination of the output beam, both cylindrical and conical bores with positive or negative opening angle can be manufactured.

Sofern die beiden Kippwinkel gleich sind und die Phasenlage korrekt eingestellt ist, bildet das Ausgangsstrahlenbündel (1.3) im zeitlichen Verlauf einen Zylinder und zeichnet sich auf der Werkstoffoberfläche (8) als Kreis ab. Bei unterschiedlichen Kippwinkeln bildet das Ausgangsstrahlenbündel (1.3) im zeitlichen Verlauf einen Kegel mit definiertem Öffnungswinkel. Je nach Lage der Kegelspitze relativ zur Werkstückoberfläche können so konische Bohrungen mit positivem oder negativem Öffnungswinkel gefertigt werden.If the two tilt angles are the same and the phase angle is set correctly, the output beam ( 1.3 ) in the course of time a cylinder and is characterized on the material surface ( 8th ) as a circle. At different tilt angles forms the output beam ( 1.3 ) over time a cone with a defined opening angle. Depending on the position of the conical tip relative to the workpiece surface so conical holes can be made with positive or negative opening angle.

Die Einstellung der Bohrungs-/Schnittparameter geschieht durch eine übergeordnete Steuerung und/oder Regelungseinrichtung, die Bestandteil einer (nicht dargestellten) Materialbearbeitungsvorrichtung mit der oben beschriebenen Strahlführungseinheit sein kann. Als Stellgrößen dienen die Drehzahlen der Antreibe (5.1) und (5.2), deren Phasenlage zueinander sowie die Stellwinkel der Aktoren (4.1) und (4.2).The setting of the drilling / cutting parameters is done by a higher-level control and / or regulating device, which may be part of a (not shown) material processing device with the beam guiding unit described above. The manipulated variables used are the speeds of the drive ( 5.1 ) and ( 5.2 ), their phase relationship to one another and the actuating angle of the actuators ( 4.1 ) and ( 4.2 ).

Zur Überwachung der Strahljustage und für eine Prozessregelung in der Materialbearbeitungsvorrichtung werden optional Photodioden/-arrays und/oder Kameras als Detektoren in die Strahlführungseinheit integriert. Beobachtet werden können damit der Prozess oder verschiedene Strahlebenen, die über Strahlteiler und halbdurchlässige Fenster ausgekoppelt und auf die Detektoren projiziert werden. Die Strahljustage kann durch externe motorisch oder manuell betriebene Zusatzachsen erfolgen.For monitoring the beam adjustment and for a process control in the material processing device, photodiodes / arrays and / or cameras are optionally integrated as detectors in the beam guidance unit. It can be used to observe the process or different levels of radiation, which are decoupled via beam splitters and semi-transparent windows and projected onto the detectors. The beam adjustment can be done by external motor or manually operated additional axes.

Besonders bei größeren Ablenkungen treten Prinzip bedingte Verzerrungen des Ablenkkreises auf, die sich z. B. als Ellipsen zeigen können. Aus diesem Grund können vorteilhaft optische Korrekturelemente (nicht dargestellt) in den Strahlengang eingebracht werden. Geeignet sind z. B. anamorph abbildende Elemente wie z. B. Zylinderlinsen und -spiegel.Especially with larger distractions occur principle conditional distortions of the deflection, which is z. B. can show as ellipses. For this reason, advantageously optical correction elements (not shown) can be introduced into the beam path. Suitable z. B. anamorphic imaging elements such. B. cylindrical lenses and mirrors.

Die vorliegende Erfindung stellt eine Strahlführungseinheit mit zwei rotierenden Spiegeln zur Verfügung, die jeweils um einen definierten Winkel zu ihrer Rotationsachse gekippt werden können. Ein einfallender Laserstrahl wird zunächst von dem ersten und dann von dem zweiten Spiegel reflektiert, bevor er auf das zu bearbeitende Werkstück trifft. Je nach Kippwinkel der beiden Spiegel wird der Ausgangsstrahl längs einer Kreislinie mit definiertem Radius und definiertem Neigungswinkel über die Werkstückoberfläche geführt. Je nach Neigungswinkel können so beispielsweise zylindrische Bohrungen oder konische Bohrungen mit positivem oder negativem Öffnungswinkel ausgeführt werden. Die vorliegende Erfindung stellt außerdem eine Materialbearbeitungsvorrichtung mit einer derartigen optischen Strahlführungseinheit zur Verfügung.The present invention provides a beam guiding unit with two rotating mirrors, which can each be tilted by a defined angle to its axis of rotation. An incident laser beam is first reflected by the first and then by the second mirror before it strikes the workpiece to be machined. Depending on the tilt angle of the two mirrors, the output beam is guided along a circular line with a defined radius and a defined angle of inclination over the workpiece surface. Depending on the angle of inclination, cylindrical bores or conical bores with a positive or negative opening angle can thus be carried out, for example. The present invention also provides a material processing apparatus having such an optical beam guiding unit.

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

  • DE 102012003536 A1 [0006] DE 102012003536 A1 [0006]

Claims (15)

Optische Strahlführungseinheit, aufweisend eine erste Drehspiegelanordnung mit einem um eine erste Achse (7.1) rotierbaren ersten Spiegel (3.1), wobei ein erster Winkel zwischen der ersten Achse (7.1) und einer Normalen des ersten Spiegels (3.1) einstellbar ist, und eine zweite Drehspiegelanordnung mit einem um eine zweite Achse (7.2) rotierbaren zweiten Spiegel (3.2), wobei ein zweiter Winkel zwischen der zweiten Achse (7.2) und einer Normalen des zweiten Spiegels einstellbar ist, wobei die erste und die zweite Drehspiegelanordnung so angeordnet sind, dass ein von dem ersten Spiegel (3.1) reflektierter Laserstrahl (1.1, 1.2, 1.3) auf den zweiten Spiegel (3.2) trifft und von diesem auf ein Werkstück (8) gerichtet werden kann.Optical beam-guiding unit comprising a first rotating-mirror arrangement with one about a first axis ( 7.1 ) rotatable first mirror ( 3.1 ), wherein a first angle between the first axis ( 7.1 ) and a normal of the first mirror ( 3.1 ) is adjustable, and a second rotating mirror assembly with a about a second axis ( 7.2 ) rotatable second mirror ( 3.2 ), wherein a second angle between the second axis ( 7.2 ) and a normal of the second mirror is adjustable, wherein the first and the second rotary mirror arrangement are arranged so that one of the first mirror ( 3.1 ) reflected laser beam ( 1.1 . 1.2 . 1.3 ) on the second mirror ( 3.2 ) and from this to a workpiece ( 8th ) can be directed. Strahlführungseinheit nach Anspruch 1, des Weiteren aufweisend einen Antrieb, der dazu eingerichtet ist, den ersten Spiegel (3.1) und/oder den zweiten Spiegel (3.2) um die jeweilige Achse (7.1, 7.2) gleichförmig zu rotieren.A beam guiding unit according to claim 1, further comprising a drive adapted to move the first mirror (10). 3.1 ) and / or the second mirror ( 3.2 ) about the respective axis ( 7.1 . 7.2 ) to rotate uniformly. Strahlführungseinheit nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die erste Drehspiegelanordnung des Weiteren einen ersten Antrieb (5.1) umfasst, der dazu eingerichtet ist, den ersten Spiegel (3.1) um die erste Achse (7.1) gleichförmig zu rotieren, und/oder wobei die zweite Drehspiegelanordnung des Weiteren einen zweiten Antrieb (5.2) umfasst, der dazu eingerichtet ist, den zweiten Spiegel (3.2) um die zweite Achse (7.2) gleichförmig zu rotieren.Beam guiding unit according to one of the preceding claims, wherein the first rotating mirror arrangement further comprises a first drive ( 5.1 ), which is adapted to the first mirror ( 3.1 ) about the first axis ( 7.1 ), and / or wherein the second rotary mirror assembly further comprises a second drive ( 5.2 ), which is adapted to the second mirror ( 3.2 ) about the second axis ( 7.2 ) to rotate uniformly. Strahlführungseinheit nach Anspruch 3, wobei der erste und/oder der zweite Antrieb (5.1, 5.2) mit einem Encoder (6.1, 6.2) zur Überwachung des Rotationswinkels versehen ist.Beam guiding unit according to claim 3, wherein the first and / or the second drive ( 5.1 . 5.2 ) with an encoder ( 6.1 . 6.2 ) is provided for monitoring the rotation angle. Strahlführungseinheit nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die erste Drehspiegelanordnung des Weiteren einen ersten Kippaktor (4.1) umfasst, der dazu eingerichtet ist, den ersten Winkel zwischen der ersten Achse (7.1) und der Normalen des ersten Spiegels (3.1) einzustellen, und/oder wobei die zweite Drehspiegelanordnung des Weiteren einen zweiten Kippaktor (4.2) umfasst, der dazu eingerichtet ist, den zweiten Winkel zwischen der zweiten Achse (7.2) und der Normalen des zweiten Spiegels (3.2) einzustellen.Beam guiding unit according to one of the preceding claims, wherein the first rotating mirror arrangement further comprises a first tilting actuator ( 4.1 ), which is adapted to the first angle between the first axis ( 7.1 ) and the normals of the first mirror ( 3.1 ), and / or wherein the second rotating mirror assembly further comprises a second tilting actuator ( 4.2 ), which is adapted to the second angle between the second axis ( 7.2 ) and the normals of the second mirror ( 3.2 ). Strahlführungseinheit nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei der erste Winkel und/oder der zweite Winkel ein spitzer Winkel ist und in einem Bereich einstellbar ist, der Winkel nicht größer als 45°, vorzugsweise nicht größer als 10°, umfasst.Beam guide unit according to one of the preceding claims, wherein the first angle and / or the second angle is an acute angle and is adjustable in a range, the angle not greater than 45 °, preferably not greater than 10 °, comprising. Strahlführungseinheit nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die erste und die zweite Achse (7.1, 7.2) parallel sind.Beam guiding unit according to one of the preceding claims, wherein the first and the second axis ( 7.1 . 7.2 ) are parallel. Strahlführungseinheit nach einem der vorherigen Ansprüche, des Weiteren umfassend eine Synchronisationsvorrichtung, die dazu eingerichtet ist, eine Rotation des ersten Spiegels (3.1) um die erste Achse (7.1) und eine Rotation des zweiten Spiegels (3.2) um die zweite Achse (7.2) zu synchronisieren.Beam guiding unit according to one of the preceding claims, further comprising a synchronization device which is adapted to a rotation of the first mirror ( 3.1 ) about the first axis ( 7.1 ) and a rotation of the second mirror ( 3.2 ) about the second axis ( 7.2 ) to synchronize. Strahlführungseinheit nach Anspruch 8, wobei die Synchronisationsvorrichtung eine mechanische Kopplung des ersten und des zweiten Spiegels (3.1, 3.2) umfasst.Beam guiding unit according to claim 8, wherein the synchronization device comprises a mechanical coupling of the first and the second mirror (FIG. 3.1 . 3.2 ). Strahlführungseinheit nach Anspruch 8, wobei die Synchronisationsvorrichtung eine elektronische Regelung des Antriebs des ersten Spiegels (3.1) und/oder des Antriebs des zweiten Spiegels (3.2) umfasst.Beam guiding unit according to claim 8, wherein the synchronization device comprises an electronic control of the drive of the first mirror ( 3.1 ) and / or the drive of the second mirror ( 3.2 ). Strahlführungseinheit nach einem der vorherigen Ansprüche, des Weiteren umfassend eine Fokussieroptik (2), die dazu eingerichtet ist, den Laserstrahl (1.1, 1.2, 1.3) auf einen auf dem Werkstück (8) liegenden Brennpunkt zu fokussieren.Beam guiding unit according to one of the preceding claims, further comprising focusing optics ( 2 ), which is adapted to the laser beam ( 1.1 . 1.2 . 1.3 ) on one on the workpiece ( 8th ) Focus focus. Strahlführungseinheit nach einem der vorherigen Ansprüche, des Weiteren umfassend ein optisches Korrekturelement, das dazu eingerichtet ist, Verzerrungen in einem durch den Laserstrahl (1.3) auf dem Werkstück (8) beschriebenen Kreis zu korrigieren.Beam guiding unit according to one of the preceding claims, further comprising an optical correction element which is adapted to detect distortions in one by the laser beam ( 1.3 ) on the workpiece ( 8th ) to correct the circle described. Materialbearbeitungsvorrichtung zur Bearbeitung eines Werkstücks (8) durch Laserstrahlen mit einer optischen Strahlführungseinheit nach einem der vorherigen Ansprüche.Material processing device for processing a workpiece ( 8th ) by laser beams with an optical beam guiding unit according to one of the preceding claims. Materialbearbeitungsvorrichtung nach Anspruch 13, des Weiteren umfassend eine Steuereinheit, die dazu eingerichtet ist, einen Antrieb (5.1, 5.2) und/oder einen Kippaktor (4.1, 4.2) des ersten und/oder des zweiten Spiegels (3.1, 3.2) zu steuern.The material processing apparatus according to claim 13, further comprising a control unit configured to drive (FIG. 5.1 . 5.2 ) and / or a tilting actuator ( 4.1 . 4.2 ) of the first and / or the second mirror ( 3.1 . 3.2 ) to control. Materialbearbeitungsvorrichtung nach Anspruch 14, wobei die Steuereinheit des Weiteren dazu eingerichtet ist, eine Drehzahl des ersten und/oder des zweiten Spiegels (3.1, 3.2) und/oder eine Phasenlage der Rotation des ersten und des zweiten Spiegels (3.1, 3.2) zueinander zu steuern.The material processing apparatus according to claim 14, wherein the control unit is further configured to set a rotational speed of the first and / or the second mirror (FIG. 3.1 . 3.2 ) and / or a phase position of the rotation of the first and the second mirror ( 3.1 . 3.2 ) to each other to control.
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