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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Bearbeitung von Werkstücken, insbesondere eine Vorrichtung zur Bearbeitung von Werkstücken mittels eines Laserstrahls.
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Aus dem allgemeinen Stand der Technik sind Vorrichtungen zur Bearbeitung von Werkstücken bekannt, bei denen mittels eines Laserstrahls beispielsweise Löten, Schweißen oder Schneiden von Werkstücken durchgeführt wird. Dabei kommen üblicherweise Laser mit einer Laserstrahlung im UV-Bereich zum Einsatz, die mittels eines geeigneten optischen Systems das Laserlicht auf das Werkstück projizieren. Um großflächige Werkstücke bearbeiten zu können bzw. um die Einsatzmöglichkeit einer solchen Laservorrichtung zu erweitern, erfolgt dabei die Abbildung des Laserstrahls auf das Werkstück oftmals nicht nur in einer Richtung sondern in einem Scanfeld. Demgemäß wird das Laserlicht innerhalb eines zweidimensionalen Bereichs auf die Oberfläche des Werkstücks geführt, so dass die entsprechenden Bearbeitungsschritte durchgeführt werden können.
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Um eine Ablenkung des Laserstrahls auf das Scanfeld vornehmen zu können, werden beispielsweise sogenannte Galvano-Scanner verwendete, wobei ein erster Spiegel eine Ablenkung beispielsweise in x-Richtung und ein zweiter Spiegel dementsprechend in y-Richtung hervorrufen. Die beiden Spiegel des Galvanoscanners werden entsprechend der gewünschten Position im Scanfeld mittels einer Steuereinheit in ihrer Bewegung gesteuert. Dadurch werden Laserstrahlen erzeugt, die einen unterschiedlichen Ablenkwinkel aufweisen. Da der Laserstrahl üblicherweise einen gewissen Strahldurchmesser aufweist, muß nachfolgend eine optische Korrektur erfolgen, um das gewünschte Scanbild zu erzeugen. Dabei wird üblicherweise auf eine sogenannte F-Theta-Linse zurückgegriffen, die die unter verschiedenen Winkeln einfallenden Laserstrahlen auf das Belichtungsfeld fokussiert.
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Eine etwas andere Vorgehensweise wird in der
WO 2012/131 015 A1 vorgeschlagen. Hier wird ein im Wesentlichen eindimensional arbeitendes Lasergerät beispielsweise zur Materialbearbeitung eingesetzt, wobei zwischen der Laserquelle und dem zu bearbeitenden Werkstück mehrere asphärische Spiegel angebracht sind. Eine Möglichkeit, das beschriebene optische System auf nahezu quadratische anstelle linienförmiger Belichtungsfelder zu erweitern, ist jedoch in dieser Patentanmeldung nicht beschrieben.
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Um eine oben beschriebene Laserbearbeitungsvorrichtung zuverlässig steuern und/oder kontrollieren zu können, ist es oftmals erforderlich, bestimmte Parameter am Ort des Auftreffens des Laserstrahls zu bestimmen. Bei der Verwendung von F-Theta-Linsen ist man jedoch an der Auswahl der zu bestimmenden Parameter beispielsweise auf die unmittelbar dem Laserlicht benachbarten Wellenlängen beschränkt, wie beispielsweise in der
WO 2013/038 263 A1 beschrieben ist.
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Die
DE 10 2013 004 371 B3 betrifft ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zur Bearbeitung einer Oberfläche mit einem Laserstrahl, bei denen der Laserstrahl über eine erste Strahlablenkeinheit durch eine Optik hindurch auf die Oberfläche gerichtet und entlang einer oder mehrerer Bahnen über eine Bearbeitungszone der Oberfläche geführt wird. Von der Bearbeitungszone emittierte oder reflektierte Strahlung wird durch die Optik hindurch mit einem Detektor erfasst. Ein durch chromatische Aberration der Optik verursachter seitlicher Versatz der emittierten oder reflektierten Beobachtungsstrahlung gegenüber der Laserstrahlachse wird mit einer zweiten Strahlablenkeinheit zumindest teilweise kompensiert, die die Beobachtungsstrahlung nach Durchgang durch die Optik auf den Detektor richtet. Mit dem Verfahren und der zugehörigen Vorrichtung werden durch die chromatische Aberration verursachte Abschattungsverluste bei der Prozessbeobachtung vermieden.
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Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung zur Bearbeitung von Werkstücken zu schaffen, die eine Vielzahl von Parametern des zu bearbeitenden Werkstücks so bestimmen kann, dass auch Wellenlängen verwendet werden können, die sich von der Wellenlänge des Laserlichts unterscheiden.
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Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des unabhängigen Anspruchs 1 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind jeweils Gegenstand der Unteransprüche. Diese können in technologisch sinnvoller Weise miteinander kombiniert werden. Die Beschreibung, insbesondere im Zusammenhang mit der Zeichnung, charakterisiert und spezifiziert die Erfindung zusätzlich.
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Gemäß der Erfindung wird eine Vorrichtung zur Bearbeitung von Werkstücken geschaffen.
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Die Vorrichtung umfasst eine Laserquelle zur Abgabe eines gebündelten Laserstrahls mit einer ersten Wellenlänge, ein steuerbares zweidimensionales Ablenkungssystem zur Ablenkung des Laserstrahls und ein zwischen dem Ablenksystem und der Laserquelle angeordnetes Auskoppelelement. Das Auskoppelelement ist so angeordnet, dass eine Detektoreinheit wenigstens eine von der ersten Wellenlänge verschiedene zweite Wellenlänge eines von einem mit dem Laserstrahl bearbeiteten Werkstück abgegebenen Strahls detektieren kann, wobei zwischen dem Werkstück und dem Ablenksystem ein Spiegel angeordnet ist, dessen Oberfläche so ausgebildet ist, dass eine Planfeldkompensation bezüglich der ersten Wellenlänge und wenigstens einer zweiten Wellenlänge in einem zweidimensionalen Bearbeitungsfeld erfolgt.
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Die Erfindung macht sich zunutze, dass ein in Form eines Spiegels ausgebildetes optisches Element zur Fokussierung des Laserlichts auf das zu bearbeitende Werkstück keine Farbfehler aufweist. Demgemäß ist es möglich, über das optische System umfassend das Ablenksystem und den fokussierenden Spiegel sowohl das Laserlicht auf das zu bearbeitende Werkstück abzubilden, sowie gleichzeitig an der Stelle, an dem der Laserstrahl auf das Werkstück trifft, abgegebene Strahlung über das Auskoppelelement einer Detektoreinheit zuzuführen. Die Detektoreinheit kann dabei Wellenlängen oder Wellenlängenbereiche detektieren, die unterschiedlich zu der Wellenlänge des Laserlichts ausgewählt werden können. Dies ermöglicht die Bereitstellung einer Vielzahl unterschiedlicher Detektoreinheiten, die im Rahmen der Bearbeitung von Werkstücken mittels Laserstrahlung durch Steuerung herangezogen werden können. Vorgesehen sind hierbei beispielsweise die Detektion von Infrarotstrahlung, von sichtbarem Licht aber auch die Einkopplung beispielsweise eines zweiten Laserstrahls mit einer unterschiedlichen Wellenlänge, der als Führungsstrahl herangezogen werden kann. Ermöglicht wird dies durch die Bereitstellung des Spiegels als reflektive F-Theta-Optik, die im Gegensatz zu konventionellen Linsen keine Farbverzerrungen hervorruft. Demnach ist das vom Werkstück zurück in Richtung der Laserquelle abgebildete Licht und das vom Laserstrahl zur Oberfläche des Werkstücks übertragene Licht nahezu frei von Verzerrungen, so dass eine unmittelbare Rückkopplung der tatsächlichen Gegebenheiten an der Oberfläche des Werkstücks über die Detektoreinheit ermöglicht wird.
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Dabei ist es vorgesehen, dass die Bearbeitung des Werkstücks in dem zweidimensionalen Bearbeitungsfeld in einem Durchmesser von bis zu 200 mm erfolgen kann. Rechtwinklige oder quadratische Bearbeitungsfelder würden demgemäß über ihre Seitenlängen charakterisiert werden. Folglich ist es möglich, die Bearbeitung großflächig durchzuführen.
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In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung umfasst die Laserquelle eine Fokussiereinrichtung, wobei die Fokussiereinrichtung vorzugsweise vor dem Auskoppelelement angeordnet ist.
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Diese Vorgehensweise erweist sich insbesondere dann vorteilhaft, wenn zur Abbildung des Laserstrahls über das Ablenkelement und den fokussierenden Spiegel eine Vorfokussierung vorgenommen werden soll, um den Laserstrahl zu bündeln. Da die Vorfokussierung vor der Auskopplung zur Detektoreinheit erfolgt, sind eventuelle Farbverzerrungen an dieser Stelle nicht von Bedeutung. Demnach könnte beispielsweise eine fokussierende Linse verwendete werden, wobei es auch möglich ist, auch hier einen fokussierenden Spiegel einzusetzen.
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Der von dem mit dem Laserstrahl bearbeiteten Werkstück abgegebene Strahl kann mit einer Vielzahl von zweiten Wellenlängen im Detektor detektierbar sein, so dass der Detektor einen Wellenlängenbereich erfasst, wobei die erste Wellenlänge des Laserstrahls außerhalb des Wellenlängenbereichs liegt.
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Demnach ist es vorgesehen, völlig unterschiedliche erste und zweite Wellenlängen mit dem optischen System zu übertragen. Die erste Wellenlänge wird dabei vorzugsweise im UV-Bereich gewählt, für die zweite Wellenlänge oder den Wellenlängenbereich umfassend die zweite Wellenlänge können beliebig andere Bereiche des optischen Spektrums gewählt werden, insbesondere der Infrarotbereich oder der optisch sichtbare Bereich.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist die Detektoreinheit als ein optisches System zur Abstandsmessung mittels Laserlicht, als eine Kamera zur Detektion von Licht im sichtbaren Bereich oder als ein Pyrometer zur Temperaturmessung ausgebildet.
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Demnach können unterschiedliche Parameter während der Bearbeitung oder auch unabhängig von der Bearbeitung des Werkstücks mittels der Detektoreinheit überprüft werden. Vorgesehen sind u. a. die Abstandsmessung mittels eines Laserstrahls, die Qualitätskontrolle mittels einer Kamera oder die Bestimmung der Temperatur bei der Bearbeitung des Werkstücks am Ort des auftreffenden Laserstrahls.
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Das Ablenksystem kann als Galvano-Scanner oder als Piezo-Scaner ausgebildet sein. Für das Auskoppelelement ist eine halbdurchlässige Platte, beispielsweise in Form eines Spiegels, vorgesehen. Diese Komponenten werden oftmals in Laserbearbeitungsvorrichtungen eingesetzt, so dass sich die Erfindung ohne weiteres auf bereits vorhandene Bearbeitungsvorrichtungen anwenden läßt.
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Der Spiegel zur Planfeldkompensation weist einen nach außen hin sich stetig verändernden Fokus auf, um das gewünschte Abbildungsverhalten zu erzeugen. Falls das Ablenksystem in Form eines Galvano-Scanners ausgebildet ist, werden die Ablenkungen in x-Richtung und die Ablenkung in y-Richtung an verschiedenen Stellen im optischen System vorgenommen, so dass für beide Ablenkungen unterschiedliche fokussierende Eigenschaften bei der Geometrie des Spiegels berücksichtigt werden müssen. Dies geschieht beispielsweise dadurch, dass der Spiegel entlang einer ersten Richtung eine andere Krümmung aufweist als entlang einer zweiten Richtung. Falls das Ablenkelement als Piezo-Element ausgebildet ist, kann die Krümmung des Spiegels entsprechend anders gewählt werden.
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Die Erfindung erweist sich als besonders vorteilhaft bei der Bearbeitung von Werkstücken aus Kunststoff, kann aber im Allgemeinen auch bei Metallen eingesetzt werden. Löten, Schneiden oder Schweißen stellen die häufigsten Anwendungsmöglichkeiten dar.
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Nachfolgend werden einige Ausführungsbeispiele anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
- 1 schematisch eine Vorrichtung zur Bearbeitung von Werkstücken gemäß der Erfindung,
- 2 schematisch einen Strahlengang an einem Spiegel gemäß der Erfindung.
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In den Figuren sind gleiche oder funktional gleich wirkende Bauteile mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
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In 1 ist schematisch eine Ansicht einer Vorrichtung zur Bearbeitung von Werkstücken WS gemäß der Erfindung gezeigt. Die Vorrichtung umfasst eine Laserquelle LQ, die einen Laserstrahl mit einer ersten Wellenlänge beispielsweise im UV-Bereich abgibt. Der Laserstrahl ist in 1 mit dem Bezugszeichen LS gekennzeichnet.
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Der Laserstrahl LS wird über eine Fokussiereinrichtung FE, die beispielsweise als Linse oder Spiegel ausgebildet ist, auf ein Ablenkelement AB geführt. Zwischen der Fokussiereinheit FE und dem Ablenkelement AB ist eine Auskoppeleinheit AU angeordnet, die beispielsweise als halbdurchlässiger Spiegel im Strahlengang angeordnet ist. Das Ablenkelement AB kann beispielsweise als Galvano-Scanner ausgeführt sein, wie in 1 mittels der Bezeichnungen x und y angedeutet ist. Dabei sind jeweils Spiegel für jede Ablenkrichtung vorgesehen, die so gesteuert werden, dass der Laserstrahl LS die gewünschte Ablenkung erfährt. Das Ablenkelement AB kann aber auch als Piezo-Scanner ausgeführt sein.
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Nach dem Ablenkelement AB trifft der Laserstrahl LS auf einen fokussierenden Spiegel SP, der den Laserstrahl auf eine Oberfläche eines Werkstücks WS innerhalb eines Bearbeitungsfeldes SF ablenkt. Das Bearbeitungsfeld SF ist dabei zweidimensional ausgeführt, wobei in der Darstellung gemäß 1 schematisch die Grenze des Bearbeitungsfeldes anhand der Bezugszeichen SF1 und SF2 angedeutet ist.
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Der Spiegel SP weist eine Oberfläche auf, die so ausgebildet ist, dass eine Planfeldkompensation erfolgt. Vom Werkstück WS wird ein Strahl ST über den Spiegel SP und dem Ablenkelement AB auf das Auskoppelelement AU geführt, so dass der Strahl ST in der Detektoreinheit DE nachweisbar ist. Der Strahl ST und der Laserstrahl LS folgen dabei dem gleichen optischen Pfad, da unabhängig von ihrer Wellenlänge der Spiegel SP keine Farbverzerrungen bei der Abbildung des Laserstrahls LS bzw. des Strahls ST hervorruft. Folglich kann der Laserstrahl LS eine erste Wellenlänge aufweisen, die von der zweiten Wellenlänge oder einem Wellenlängenbereich umfassend die zweite Wellenlänge des Strahls ST verschieden ist.
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Die Detektoreinheit DE wird dem zu detektierenden Signal, das mittels des Strahls ST bereit gestellt wird, entsprechend ausgewählt. So kann es vorgesehen sein, eine Temperaturmessung an der Position des Werkstücks WS durchzuführen, in dem die Detektoreinheit DE als Pyrometer bereitgestellt wird. Der Strahl ST umfasst in diesem Fall einen Wellenlängenbereich der im Infrarot-Licht liegt. Eine optische Inspektion beispielsweise im sichtbaren Bereich ist ebenfalls möglich, wobei die Detektoreinheit DE in diesem Fall als Kamera ausgeführt sein kann. Die Detektoreinheit DE kann aber auch weiteres Laserlicht, das in den Strahlengang eingespiegelt wird detektieren, um beispielsweise eine Abstandsmessung zwischen der Vorrichtung VO und dem Werkstück WS durchzuführen. Ebenso möglich ist die Bereitstellung eines Hilfs- oder Führungsstrahls, der als weiterer Laserstrahl zusammen mit dem Laserstrahl LS dem Werkstück WS zugeführt wird.
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Je nach verwendeter Ausgestaltung des Ablenkelements AB muss der Spiegel SP unterschiedliche reflektierende Eigenschaften aufweisen. Im Falle eines Piezo-Scanners wäre es möglich, den Spiegel SP mit einer Krümmung bereit zu stellen, die im Wesentlichen in allen Richtungen gleich ist. Bei einem Galvano-Scanner als Ablenkelement AB müßte der Spiegel zwei unterschiedliche Krümmungsradien aufweisen. Generell weist der Spiegel SP eine Oberfläche auf, die kontinuierlich sich verändernde Fokalpositionen ermöglicht.
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Das optische Übertragungsverhalten des Spiegels ist beispielhaft in 2 gezeigt. Hier ist ein erster Laserstrahl LS1 gezeigt, der unter einem anderen Winkel auf den Spiegel SP trifft wie ein zweiter Laserstrahl LS2. Die jeweils abgelenkten Strahlen LS1' und LS2' werden so abgebildet, dass sie auf der Oberfläche des Werkstücks WS fokussiert sind.
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Die beschriebene Vorrichtung eignet sich zur Bearbeitung unterschiedlicher Werkstücke, beispielsweise zum Schweißen, Löten oder Schneiden. Das Werkstück kann dabei aus Metall oder Kunststoff oder anderen Materialien gefertigt sein.
