DE102016112176B4

DE102016112176B4 - Vorrichtung zum selektiven Einführen einer Optik in einen Laserstrahl eines Laserbearbeitungskopfes und Laserbearbeitungskopf mit derselben

Info

Publication number: DE102016112176B4
Application number: DE102016112176.2A
Authority: DE
Inventors: Andreas Rudolf; Georg Spörl; Fabian Becker
Original assignee: Precitec GmbH and Co KG
Current assignee: Precitec GmbH and Co KG
Priority date: 2016-07-04
Filing date: 2016-07-04
Publication date: 2021-08-12
Anticipated expiration: 2036-07-05
Also published as: DE102016112176A1; WO2018007344A3; EP3478443A2; CN109562488B; WO2018007344A2; CN109562488A

Abstract

Vorrichtung zum selektiven Einführen einer Optik (10) in einen Laserstrahl eines Laserbearbeitungskopfes, umfassend:eine Optik (10) mit einem offenen Umfangsbereich (11a),eine Fassung (12) zum Halten der Optik (10), wobei die Fassung (12) einen Umfang (11) der Optik (10) mit Ausnahme des offenen Umfangsbereichs (11a) umgibt, undeine Bewegungseinheit (20) zum Bewegen der Optik (10),wobei die Bewegungseinheit (20) dazu ausgerichtet ist, die Optik (10) um eine Rotationsachse zu bewegen, die in einer Ebene senkrecht zu einer optischen Achse (OA) der Vorrichtung liegt.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Einführen einer Optik, z.B. einer Strahlformungsoptik, in den Strahlengang eines Laserbearbeitungskopfes und einen Laserbearbeitungskopf mit derselben. Hierbei bezeichnet Laserbearbeitungskopf eine Vorrichtung zur Materialbearbeitung mittels eines Laserstrahls, vorzugsweise zum Laserschneiden oder -schneiden.
Bei der Materialbearbeitung mittels eines Laserstrahls, wie beispielsweise Laserschweißen oder Laserschneiden, wird der von einer Laserlichtquelle, beispielsweise dem Ende einer Laserleitfaser, austretende Laserstrahl mit Hilfe einer Strahlführungs- und Fokussierungsoptik auf das zu bearbeitende Werkstück fokussiert. Der Durchmesser des Fokus, also der Durchmesser des Bildes der Laserlichtquelle auf dem Werkstück, ergibt sich dann aus den optischen Daten der einzelnen optischen Elemente der Strahlführungs- und Fokussierungsoptik. Wird standardmäßig ein Laserbearbeitungskopf mit einer Kollimatoroptik und einer Fokussierungsoptik verwendet, wobei das Laserlicht über eine Lichtleitfaser zugeführt wird, so ergibt sich der Fokusdurchmesser aus dem Produkt von Faserkerndurchmesser und Fokussierbrennweite geteilt durch die Kollimationsbrennweite. Zum Laserschneiden werden - je nach Blechdicke - unterschiedliche Fokusdurchmesser, d.h. Laserstrahldurchmesser im Fokus, benötigt. Dabei sollte der Laserstrahldurchmesser umso größer sein, je größer die Dicke des zu schneidenden Materials ist. Beispielsweise wird bis zu einer Blechdicke von 5 mm ein Fokusdurchmesser von ca. 125 µm verwendet, während beim Schneiden von 5 mm bis 10 mm dicken Blechen ein doppelt so großer Fokusdurchmesser, also ein Fokusdurchmesser von ca. 250 µm gewünscht wird. Ab Blechdicken von 10 mm werden Führungs- und Fokussieroptiken eingesetzt, die einen Fokusdurchmesser von ca. 600 µm liefern. Bei großen Fokusdurchmessern kann es vorteilhaft sein, ein Ringprofil der Intensitätsverteilung im Fokus auszubilden, da sich hierdurch eine homogenere Temperaturverteilung in der Schnittfuge ergibt. In der Folge kann die Schmelze durch das Schneidgas wirksamer ausgetrieben werden.
Um ein möglichst großes Spektrum an Materialien und Blechdicken in hoher Qualität bearbeiten zu können, benötigen moderne Laserbearbeitungsköpfe eine Möglichkeit zum Einstellen einer jeweils optimal geeigneten Laserstrahlcharakteristik auf dem Werkstück, insbesondere zum Einstellen eines Fokusdurchmessers bzw. einer Laserleistungsdichteverteilung.
Zur Anpassung der Laserstrahlcharakteristik können Strahlformungsoptiken verwendet werden. Eine Strahlformungsoptik bezeichnet eine Optik oder mehrere Optiken, um eine Laserstrahlcharakteristik (beispielsweise eine Leistungsdichteverteilung, einen Fokusdurchmesser und/oder eine Form eines Laserstrahls) an die Dicke des zu bearbeitenden Werkstücks (Dünn-/Dickblech), an das Material des Werkstücks (Aluminium, Edelstahl, Baustahl, ...) oder an einen Prozessschritt (Einstechen, Kontur, Beschriftung, ...) anzupassen.
Aus der EP 2 711 121 A1 ist eine Laserbearbeitungsvorrichtung bekannt, bei der Strahldurchmesser und Rayleigh-Länge eines Laserstrahls durch selektives Einführen von verschiedenen Kollimationslinsen in den Strahlengang verändert werden kann. Hierfür können die in einer Linsenhalterung aufgenommenen Kollimationslinsen durch eine Schalteinheit entweder linear senkrecht zur optischen Achse oder drehend mit einer Rotationsache parallel zur optischen Achse in den bzw. aus dem Laserstrahl bewegt werden.
Üblicherweise sind Optiken, insbesondere Strahlformungsoptiken, vollumfänglich von einer Fassung umgeben. Daher muss vor Einführen bzw. Entfernen der Optik in den bzw. aus dem Strahlengang des Laserstrahls der Laserstrahl abgeschaltet werden, um unkontrollierte Reflexionen des Laserstrahls an der Fassung zu vermeiden und Lasersicherheit des Personals und Lebensdauer des Laserbearbeitungskopfes zu gewährleisten. Möglicherweise ist zudem die Laserstrahlcharakteristik nach dem Einschalten der Laseremission nicht sofort konstant, so dass eine gewisse Wartezeit nach dem Einschalten nötig sein kann. Die benötigte Unterbrechung der Laseremission während des Einführens bzw. Entfernens der Optik wirkt sich jedoch negativ auf die Bearbeitungsdauer aus und verkompliziert die Prozesssteuerung.
JP 2001 - 347 387 A offenbart einen Laserbearbeitungskopf mit einer Kollimatorlinse, einer Konvertierungslinse und einem Wellenlängenkonvertierungselement, welches zwischen der Kollimatorlinse und der Konvertierungslinse angeordnet ist.
EP 2 711 121 A1 offenbart eine Laserbearbeitungsvorrichtung mit mehreren Kollimatorlinsen mit unterschiedlichen Brennweiten und einer Schaltvorrichtung 10 zum Verändern der Position von jeder der Kollimatorlinsen, sodass der Mittelpunkt von einer der Kollimatorlinsen mit dem Mittelpunkt des Laserstrahls übereinstimmt.
DE 10 2014 200 633 B3 offenbart eine Bearbeitungsvorrichtung zur Laserbearbeitung einer Oberfläche.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zum selektiven Einführen einer Optik (insbesondere einer Strahlformungsoptik, z.B. zur Formung eines Ringprofils im Fokus) in einen Strahlengang eines Laserbearbeitungskopfes bereit zu stellen, sowie eine Vorrichtung für Materialbearbeitung mittels eines Laserstrahls (insbesondere für Laserschneiden, beispielsweise einen Laserbearbeitungskopf) mit derselben, wobei die Vorrichtung ein rasches Zu- und Abschalten der Optik in den Laserstrahl bzw. eine rasche Anpassung einer Laserstrahlcharakteristik bei Gewährleistung von Lasersicherheit und kompakter Bauweise ermöglicht.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Vorrichtung zum selektiven Einführen einer Optik gemäß Anspruch 1 und durch einen Laserbearbeitungskopf mit derselben gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben.
Der Erfindung liegt die Idee zugrunde, eine Optik mit teilseitiger Fassung zu verwenden, die einen sogenannten offenen Umfangsbereich der Optik ausspart. Dadurch kann die Optik bei eingeschaltetem Laser in den Strahlengang eingeführt werden, ohne dass Gefahr für Personal und Geräte durch unkontrollierte Reflexe an der Fassung besteht. Mit anderen Worten wird ein Dauerbetrieb eines Hochleistungslasers in einem Laserbearbeitungskopf ermöglicht, wobei mit schnellen Schaltzeiten gefahrlos eine Laserstrahlcharakteristik im laufenden Betrieb angepasst werden kann.
Erfindungsgemäß umfasst eine Vorrichtung zum selektiven Einführen einer Optik in einen Strahlengang eines Laserbearbeitungskopfes eine Optik, z.B. eine Strahlformungsoptik, mit einer Fassung zum Halten der Optik, wobei die Fassung die Optik nur teilweise mit Ausnahme eines offenen Umfangsbereichs umgibt, und eine Bewegungseinheit zum Bewegen der Optik. Die Bewegungseinheit kann an der Fassung befestigt sein. Die Bewegungseinheit ist vorzugsweise dazu ausgerichtet, die Optik von einer ersten Position außerhalb des Strahlengangs in eine zweite Position im Strahlengang zu bewegen, und/oder umgekehrt von der zweiten Position in die erste Position. Mit anderen Worten liegen die erste Position der Optik außerhalb der optischen Achse der Vorrichtung (bzw. des Laserbearbeitungskopfes) und die zweite Position der Optik in der optischen Achse. Die optische Achse der Vorrichtung entspricht dabei der optischen Achse des Laserbearbeitungskopfes, wenn die Vorrichtung im Laserbearbeitungskopf angebracht ist.
Der offene Umfangsbereich kann so gestaltet sein, dass der Laserstrahl beim Bewegen der Optik in den Laserstrahl (ausschließlich bzw. überwiegend) den offenen Umfangsbereich durchquert. Somit trifft der Laserstrahl bei Einführen bzw. Entfernen der Optik nicht auf die Fassung, sodass keine Laserreflexionen an der Fassung entstehen. Der offene Umfangsbereich kann hierfür mindestens einem Durchmesser des durch die Optik tretenden Laserstrahls entsprechen. Genauer gesagt kann eine Länge der von dem offenen Umfangsbereich gebildeten Kreissehne größer oder gleich dem Laserstrahldurchmesser sein, d.h. falls die Optik in einen kollimierten Strahl eingeführt wird, größer oder gleich dem Durchmesser des kollimierten Laserstrahls. Auf diese Weise kann die Optik aus dem Strahlengang entfernt bzw. darin eingefügt werden, ohne die Laseremission unterbrechen zu müssen, da keine Gefahr durch unkontrollierte Reflexe an der Fassung besteht.
Wenn die Optik einen kreisförmigen Umfang aufweist, kann die Fassung entlang eines Kreissektors am Umfang mit einem Öffnungswinkel bzw. Mittelpunktwinkel von kleiner 360°, z.B. kleiner 270° oder 180°, ausgebildet sein. Die Optik kann natürlich auch rechteckig, insbesondere quadratisch, geformt sein, wobei die Fassung entlang eines Teils des Umfangs der Optik ausgebildet ist. Vorzugsweise umgibt die Fassung den Umfang der Optik zumindest zur Hälfte, d.h. entsprechend einem Mittelpunktwinkel von 180°.
Die Bewegungseinheit kann manuell betreibbar sein und/oder ein Antriebselement umfassen. Das Antriebselement kann zumindest eines der folgenden Elemente enthalten: einen Motor, z.B. einen Rotationsmotor und/oder einen Linearmotor, einen Piezo, einen Pneumatikzylinder, einen Elektrozylinder und einen Magnetzylinder.
Die Bewegungseinheit kann dazu ausgerichtet sein, die Optik um eine Rotationsachse zu schwenken bzw. drehen, die in einer Ebene senkrecht zur optischen Achse der Vorrichtung bzw. des Laserbearbeitungskopfes liegt. Alternativ kann die Bewegungseinheit dazu ausgerichtet sein, die Optik linear in einer Ebene zu bewegen, die senkrecht zur optischen Achse liegt. Hier kann die Bewegungseinheit die Optik in den Strahlengang bzw. aus diesen hinaus schieben bzw. ziehen.
Gemäß einer Ausführungsform kann die Bewegungseinheit eine Achse bzw. eine Welle umfassen, die an der Fassung der Optik befestigt ist und um die die Optik schwenkbar ist. Die Achse ist vorzugsweise an einem Ende mit einem Antriebselement, z.B. einem Rotationsmotor, verbunden. An dem anderen Ende kann die Achse in einem Führungselement, wie beispielsweise einem Drehlager, gelagert sein.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann die Bewegungseinheit einen ersten und einen zweiten Knie- oder Scherenhebel umfassen. Der erste Kniehebel kann zwischen einem Motor, z.B. einem Rotationsmotor, und dem zweiten Kniehebel angeordnet sein. Der zweite Kniehebel kann mit der Fassung der Optik verbunden sein. Die Kniehebel können in einer Ebene senkrecht („horizontale Kniehebelanordnung“) oder in einer Ebene parallel zur optischen Achse („vertikale Kniehebelanordnung“) angeordnet sein.
Ferner umfasst die Bewegungseinheit vorzugsweise mindestens ein Führungselement zum Führen der Bewegung der Optik. Das Führungselement kann mit der Fassung der Optik gekoppelt sein. Als Führungselemente können beispielsweise Schienen, Schlitze, Gleitführungen, Kugelführungen, Rollenführungen, Kreuzrollenführungen, Drehlager oder ähnliches verwendet werden. Das Führungselement kann auf einer Seite der Optik vorgesehen sein, oder beidseitig, d.h. auf gegenüberliegenden Seiten der Optik. Das Führungselement kann geradlinig, z.B. parallel zu einer linearen Bewegungsrichtung, ausgebildet sein. Dadurch kann eine lineare Bewegung der Optik geführt werden. Bei einer Rotationsbewegung der Optik kann das Führungselement in einer Ebene senkrecht zu der Rotationsachse angeordnet sein. Insbesondere kann das Führungselement bogenförmig bzw. gekrümmt in einer Ebene parallel zur optischen Achse ausgebildet sein. Dadurch kann bei Verwendung von einem Kniehebelmechanismus eine Schwenkbewegung mit einer Rotationsachse senkrecht zur optischen Achse erzeugt werden. Alternativ kann das Führungselement mehrere Führungsabschnitte umfassen, die in einer Ebene senkrecht zur Rotationsachse angeordnet sind. Benachbarte Führungsabschnitte können dabei miteinander einen Winkel zwischen 90° und 180° bilden. Hierdurch kann die Optik entlang des Führungselements mit einer Rotationsachse senkrecht zur optischen Achse um diesen Winkel, beispielsweise durch Verwendung einer vertikalen Kniehebelanordnung, gedreht werden.
Die Bewegungseinheit enthält vorzugsweise mindestens ein Kopplungselement, z.B. eine Achse, ein Kniehebel-Paar, einen Schaft, einen Kolben, einen Magnetpolschlitten, eine Gewindespindel, einen Bandantrieb, oder eine Kurvenscheibe. Das Kopplungselement kann die Optik mit einem Antriebselement verbinden. Vorzugsweise ist das Kopplungselement mit der Fassung der Optik verbunden.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Laserbearbeitungskopf zur Materialbearbeitung mittels eines Laserstrahls angegeben, der eine Vorrichtung zum selektiven Einführen der Optik, z.B. einer Strahlformungsoptik, in den Laserstrahl des Laserbearbeitungskopfes gemäß einem der vorstehenden Ausführungsformen umfasst. Der Laserbearbeitungskopf kann ferner ein Gehäuse umfassen, das den Strahlengang des Laserbearbeitungskopfes umgibt. Die Vorrichtung kann in dem Laserbearbeitungskopf integriert sein. Beispielsweise kann die Vorrichtung in einem Gehäuse des Laserbearbeitungskopfes angeordnet oder daran befestigt sein. Die Vorrichtung kann eine Halterung umfassen, die einen Teil des Gehäuses bildet und eine Öffnung entsprechend dem Strahlengang des Laserbearbeitungskopfes aufweist. In diesem Fall kann die Optik so in der Halterung angeordnet sein, dass sie von der Bewegungseinheit in die Öffnung bewegt werden kann.
Um Einflüsse von Reflexionen an der Optik beim Ein- bzw. Ausführen weiter zu reduzieren, können ferner Absorptionsmittel zur Absorption der reflektierten Strahlung im Laserbearbeitungskopf vorgesehen sein. Beispielweise umfassen die Absorptionsmittel eine absorbierende Beschichtung einer Gehäuseinnenseite des Laserbearbeitungskopfes. Vorzugsweise sind die Absorptionsmittel in einem Gehäuse des Laserbearbeitungskopfes in jenem Bereich angeordnet, in dem eine bei Bewegung der Optik reflektierte Strahlung auftrifft. Insbesondere können die Absorptionsmittel in einem Bereich des Gehäuses vorgesehen sein, auf den ein Maximum der reflektierten Laserstrahlung auftrifft. In einem Beispiel sind die Absorptionsmittel benachbart zur Optik angeordnet. Alternativ oder zusätzlich kann der Laserbearbeitungskopf eine Kühleinheit zur Kühlung des Gehäuses (z.B. durch Wasser) aufweisen, um Wärme aufgrund von Absorption reflektierter Laserstrahlung aus dem Laserbearbeitungskopf abzuführen. Die Kühleinheit kann in einem Bereich des Gehäuses angeordnet sein, in dem eine an der Optik reflektierte Strahlung, insbesondere ein Maximum reflektierter Strahlung, auftrifft. Die Kühleinheit kann nahe dem Absorptionsmittel angeordnet sein. Dies ist insbesondere bei Verwendung einer Bewegungseinheit zur Bewegung der Optik mit Winkeln ungleich 90° zur optischen Achse vorteilhaft, z.B. bei Verwendung einer Bewegungseinheit zur Drehung der Optik mit einer Rotationsachse senkrecht zur optischen Achse.
Vorzugsweise ist die Vorrichtung zum selektiven Einführen der Optik vor der Fokussieroptik, beispielsweise einer Fokussierlinse, in dem Strahlengang des Laserbearbeitungskopfes angeordnet. Vorzugsweise ist die Vorrichtung im kollimierten Laserstrahl angeordnet. Insbesondere ist bevorzugt, dass die Optik zwischen einer Kollimatoroptik zur Aufweitung des Laserstrahls und der Fokussieroptik angeordnet ist.
Die Erfindung wird im Folgenden beispielsweise anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

1 eine schematische Ansicht eines Strahlengangs in einem Laserbearbeitungskopf mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zum selektiven Einführen einer Optik,
2A bis 2C Optiken mit teilseitiger Fassung,
3A eine schematische Seitenansicht einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zum selektiven Einführen einer Optik mit einer Rotationsachse senkrecht zur optischen Achse (ohne Halterung),
3B eine schematische Draufsicht der Vorrichtung aus 3A,
3C eine schematische 3D Ansicht der Vorrichtung aus 3A mit Halterung zur Befestigung an einem Laserbearbeitungskopf,
3D eine schematische Darstellung von Reflexionen beim Einführen bzw. Entfernen der Vorrichtung aus 3A in einen bzw. aus einem Strahlengang eines Laserkopfs,
3E ein Graph zur Darstellung von Reflexionsverlusten in einem Laserkopf beim Einführen bzw. Entfernen der Vorrichtung aus 3A in einen bzw. aus einem Strahlengang eines Laserkopfs,
4A eine schematische Draufsicht einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zum selektiven Einführen einer Optik in einer linearen Bewegung senkrecht zur optischen Achse unter Verwendung einer horizontalen Kniehebelanordnung,
4B eine schematische Draufsicht einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zum selektiven Einführen einer Optik in einer linearen Bewegung senkrecht zur optischen Achse unter Verwendung einer vertikalen Kniehebelanordnung,
5A eine schematische Seitenansicht eines Führungselements einer erfindungsgemäßen Vorrichtung mit zwei Führungsabschnitten zum selektiven Einführen einer Optik mit einer Rotationsachse senkrecht zur optischen Achse,
5B eine schematische Seitenansicht eines kurvenförmigen Führungselements einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zum selektiven Einführen einer Optik mit einer Rotationsachse senkrecht zur optischen Achse,
6 eine schematische Draufsicht einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zum selektiven Einführen einer Optik in einer linearen Bewegung senkrecht zur optischen Achse unter Verwendung eines Piezos oder eines Linearmotors,
7A eine schematische Draufsicht einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zum selektiven Einführen einer Optik in einer linearen Bewegung senkrecht zur optischen Achse unter Verwendung eines Pneumatik- oder Elektrozylinders,
7B eine schematische Draufsicht einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zum selektiven Einführen einer Optik in einer linearen Bewegung senkrecht zur optischen Achse unter Verwendung eines Magnetzylinders,
8 eine schematische Draufsicht einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zum selektiven Einführen einer Optik in einer linearen Bewegung senkrecht zur optischen Achse unter Verwendung einer Gewindespindel,
9 eine schematische Draufsicht einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zum selektiven Einführen einer Optik in einer linearen Bewegung senkrecht zur optischen Achse unter Verwendung eines Bandantriebs, und
10 eine schematische Draufsicht einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zum selektiven Einführen einer Optik in einer linearen Bewegung senkrecht zur optischen Achse unter Verwendung einer Kurvenscheibe.

In den Figuren werden einander entsprechende Bauteile mit gleichen Bezugszeichen versehen.
In 1 ist eine Vorrichtung 100 zum selektiven Einführen einer Optik 10 in den Strahlengang eines Laserbearbeitungskopfes in einem eingebauten Zustand im Laserbearbeitungskopf gezeigt. In dieser beispielhaften Anordnung ist die Vorrichtung 100 im kollimierten Laserstrahl 14 zwischen einer Kollimatoroptik 17 und einer Fokussierlinse 15 angeordnet. Ein aus einer Lichtleitfaser 16 austretender divergenter Laserstrahl wird von der Kollimatoroptik 17 in einen parallelen bzw. kollimierten Laserstrahl 14 umgeformt, der von der Fokussierlinse 15 auf ein Werkstück 18 fokussiert wird. Alternativ kann die Vorrichtung 100 mit der Optik 10 auch im Strahlengang hinter der Fokussierlinse 15 angeordnet sein. Allgemein kann die Vorrichtung 100 auch im divergenten oder konvergenten Laserstrahl angeordnet werden.
Die Vorrichtung 100 umfasst eine Optik 10, wie eine Strahlformungsoptik, beispielsweise eine Linse, eine Linsengruppe, ein Linsenarray, einen Homogenisierer, ein diffraktives optisches Element, ein Axikon, ein Axikonarray, eine facettierte Optik und ähnliches, und eine Bewegungseinheit 20, durch die die Optik 10 zwischen einer ersten Position und einer zweiten Position hin und her bewegt werden kann. Die Bewegungseinheit 20 kann ein Antriebselement 210 und optional ein Kopplungselement 220 enthalten, das das Antriebselement 210 und die Optik 10 miteinander koppelt. Die Vorrichtung 100 kann ferner eine Halterung 30 aufweisen, in der die Optik 10 und möglicherweise weitere Elemente der Vorrichtung 100, z.B. die Bewegungseinheit 20 bzw. Teile davon, angeordnet sind. In der Halterung 30 ist eine Öffnung 40 ausgebildet, die einen Strahlengang der Vorrichtung definiert. Eine optische Achse OA bzw. ein Strahlengang der Vorrichtung 100 geht vorzugsweise durch einen Mittelpunkt der Öffnung 40. Im eingebauten Zustand der Vorrichtung 100 entspricht der Strahlengang der Vorrichtung dem Strahlengang des Laserbearbeitungskopfes, d.h. der Laserstrahl tritt durch die Öffnung 40. Somit entspricht im eingebauten Zustand der Vorrichtung 100 die optische Achse OA der Vorrichtung 100 der optischen Achse des Laserbearbeitungskopfes. Die Halterung 30 kann ferner Befestigungsmittel aufweisen, um die Vorrichtung an einem Gehäuse des Laserbearbeitungskopfes zu befestigen, sodass die optischen Achsen der Vorrichtung und des Laserbearbeitungskopfes entsprechend aufeinander ausgerichtet sind.
Folglich kann durch die Vorrichtung 100 die Optik 10 in dem Laserbearbeitungskopf beweglich gelagert werden, sodass beispielsweise eine Strahlformung des Intensitätsprofils in der Fokusebene wahlweise zu- und abgeschaltet werden kann. Um einen Schaltvorgang bei eingeschaltetem Laser zu ermöglichen, weist die Optik 10 wie in 2A bis 2C gezeigt eine Fassung 12 auf, die nur einen Teil eines Umfangs 11 der Optik 10 umgibt und einen freien oder offenen Umfangsbereich 11a ausspart. Die Fassung 12 der Optik 10 ist also nur teilseitig entlang eines Umfangs 11 der Optik 10 ausgebildet. Vorzugsweise ist die Fassung 12 halbseitig entlang des Umfangs 11 der Optik 10 ausgebildet. Somit weist die Optik 10 den offenen Umfangsbereich 11a auf, der nicht von der Fassung 12 umgeben ist. Die Optik 10 kann aus einem Substrat mit beliebiger Form bestehen, und beispielsweise einen kreisförmigen, ovalen, rechteckigen, quadratischen, dreieckigen oder polygonalen Umfang 11 aufweisen. Bei einem kreisförmigen Umfang 11 kann die Fassung 12 beispielsweise entlang eines Kreissektors mit einem Mittelpunktwinkel von < 360° ausgebildet sein. Der entstehende freie oder offene Umfangsbereich 11a ist vorzugsweise mindestens so breit wie der Laserstrahl an der Position, an der die Optik 10 in den Laserstrahl eingeführt wird, d.h. in dem in 1 gezeigten Beispiel so breit wie der kollimierte Laserstrahl 14.
Dies hat den Vorteil, dass die Optik 10 aus dem Strahlengang entfernt oder darin eingefügt werden kann, ohne die Laseremission unterbrechen zu müssen. Denn es besteht keine Gefahr von unkontrollierten Reflexen an der Fassung 12. Auch wenn der Laserstrahl dabei jene Randflächen der Optik 10 beleuchtet, die nicht zur sogenannten Clear Aperture gehören, stellen eventuelle Rückreflexe für moderne Hochleistungslaserquellen dennoch keine Gefahr dar. Auch besteht nur eine geringe Gefahr, die Optik 10 zu beschädigen, wenn der Laserstrahl über den Rand der Optik 10 hinweg bewegt wird, da die Optik 10 vorzugsweise aus Hochleistungslaser-geeignetem Glas gefertigt ist. Insbesondere soll die Optik 10 mit ausreichend hoher Geschwindigkeit in den bzw. aus dem Laserstrahl bewegt werden können, so dass die Wechselwirkungsdauer mit der Laserstrahlung hinreichend kurz ist.
Selbst wenn die Laseremission während des Schaltvorgang unterbrochen wird, ergibt sich der Vorteil einer reduzierten Totzeit, da der Laser nur ausgeschaltet sein muss, während er einen qualitativ ungenügenden Randbereich der Optik 10 beleuchtet. Die radiale Ausdehnung R dieses Randbereichs ergibt sich in der Regel aus den Spezifikationen der Optik 10 gemäß der Formel: R = (D - CA)/2 mit: R radiale Ausdehnung des Randbereichs, D Optiksubstratdurchmesser und Ca Durchmesser der Clear Aperture.
In einem Beispiel ist die Optik 10 senkrecht zu der optischen Achse OA der Vorrichtung 100 bzw. des Laserbearbeitungskopfes beweglich und kann so beispielsweise durch eine lineare Bewegung in den Strahlengang bzw. aus demselben geschoben werden. Alternativ kann die Optik 10 durch eine Drehung mit einer Rotationsachse parallel oder senkrecht zur optischen Achse OA in den Strahlengang bewegt bzw. aus diesem entfernt werden. Die Optik 10 kann manuell oder automatisiert, z.B. durch einen Motor betrieben, beweglich sein.
In 3 bis 10 sind Ausführungsbeispiele für eine erfindungsgemäße Vorrichtung 100 zum selektiven Einführen der Optik 10 in einem Strahlengang der Vorrichtung 100 gezeigt. Zur Vereinfachung der Darstellung ist die Fassung 30 zumeist nicht gezeigt. Der offene Umfangsbereich 11a der Optik 10 ist hierbei in Bewegungsrichtung ausgebildet, so dass der Laserstrahl beim Einführen bzw. Entfernen der Optik 10 durch den offenen Umfangsbereich 11a tritt.
Die Vorrichtung 100 gemäß 3A bis 3C ist dazu ausgerichtet, die Optik 10 mit einer Rotationsachse senkrecht zur optischen Achse OA der Vorrichtung 100 zu drehen, vorzugsweise um einen Winkel > 90°. 3A zeigt eine schematische Seitenansicht, wobei die Optik 10 von einer ersten Position A außerhalb des Strahlengangs (gestrichelte Linien) in eine zweite Position B im Strahlengang bzw. auf der optischen Achse OA bewegt ist. Eine Achse oder Welle 221 ist an der Fassung 12 der Optik 10 befestigt, um die die Optik 10 gedreht bzw. geklappt oder gekippt werden kann. Die Achse 221 erstreckt sich senkrecht zur optischen Achse OA der Vorrichtung 100. In 3B ist eine Draufsicht dieser Anordnung gezeigt. Die Achse 221 ist an einem Ende mit einem Antriebselement 210, beispielsweise einem Rotationsmotor, verbunden. Der Rotationsmotor kann mit einem zusätzlichen Getriebe realisiert sein. Die Achse 221 fungiert also als Kopplungselement 220 in diesem Ausführungsbeispiel. An einem anderen Ende kann die Achse 221 in einem Führungselement 230, wie beispielsweise einem Drehlager, gelagert sein. Die Optik 10 wird in Richtung des gekrümmten Pfeils geschwenkt. Für eine dauerstabile Rotation können auch auf beiden Seiten der Achse 221 Führungselemente 230, bzw. Drehlager, eingesetzt werden. Das zweite Führungselement 230 kann hierbei zwischen der Achse 221 und dem Antriebselement 210 angeordnet sein.
In 3C ist die Vorrichtung 100 perspektivisch dargestellt, wobei auch eine Halterung 30 dargestellt ist. Die Halterung 30 weist Befestigungsmittel 31 auf, die zur Befestigung der Vorrichtung an dem Laserbearbeitungskopf dienen. In 3C ist die Halterung 30 auf einer Seite offen und weist auf einer gegenüberliegenden Seite eine Öffnung 40 auf, durch die die optische Achse OA der Vorrichtung führt. Die in 3A bis 3C gezeigte Vorrichtung 100 ist insbesondere aufgrund des geringen horizontalen Platzbedarfs vorteilhaft. Dieses Ausführungsbeispiel mit einem Klappmechanismus weist sich durch eine kurze Dauer des Schaltvorgangs zwischen der ersten Position A und der zweiten Position B, eine kompakte und leichte Bauweise, geringen Verschleiß und geringe Kosten aus.
Bei einer Vorrichtung 100 gemäß der vorliegenden Erfindung, in denen die Optik 10 während des Ein-/Ausführens gekippt bzw. geklappt wird, währenddessen die Optik also keinen rechten Winkel mit der optischen Achse bildet, besteht die Gefahr von Reflexionsverlusten.
Typischerweise ist eine Optik 10, z.B. eine Strahlformungsoptik, mit einer Anti-Reflex-Beschichtung versehen. Solche Beschichtungen sind nie perfekt und haben eine gewisse Rest-Reflektivität, typischerweise <0,5% im spezifizierten Wellenlängen- und Einfallswinkelbereich. Falls die Optik im kollimierten Strahl positioniert ist, kann eine Optik 10 mit einer auf kleine Winkel um 0° optimierten Reflektivität gewählt werden.
Im eingeführten Zustand erzeugt die Optik 10 einen Rückreflex entlang der optischen Achse OA, d.h. in Richtung der Lichtleitfaser 16. Dieser Reflex stellt i.d.R. keine Gefahr für die Faser oder den Laser dar. Wird die Optik 10 jedoch während des Aus-/Einführens geklappt, so trifft der Reflex auf Innenteile oder die Innenwand des Gehäuses des Laserbearbeitungskopfes. In 3D ist die Reflexion an der Optik 10 bei verschiedenen Klappwinkeln gezeigt. In 3E ist eine grafische Darstellung der Reflexionsverluste in Abhängigkeit des Klappwinkels dargestellt. Da mit dem Klappwinkel der Einfallswinkel steigt, nimmt auch die Reflektivität der Anti-Reflex-Beschichtung zu, wenn diese für kleine Winkel um 0° optimiert ist. Darüber hinaus sinkt je nach Durchmesser der Optik 10 ab einem gewissen Klappwinkel auch die Reflexionsfläche der Optik, in 3D ab ca. 40°. Folglich gibt es einen Winkel bei der ein Maximum der reflektierten Leistung erreicht wird. Das Maximum der reflektieren Leistung wird in dem in 3D und 3E gezeigten Beispiel bei einem Klappwinkel von ca. 65° erreicht. Die maximalen Verluste betragen demzufolge ca. 11%.
Um Streulicht und/oder Schäden im Bearbeitungskopf durch das reflektierte Licht zu vermeiden, werden vorzugsweise Absorptionsmittel zur Absorption der reflektierten Strahlung im Kopf platziert, z.B. in jenem Bereich, wo das Leistungsmaximum auftrifft. Dies kann beispielweise durch eine absorbierende Beschichtung der Gehäuseinnenseite des Laserbearbeitungskopfes erfolgen. Die reflektierte Leistung wird damit effizient in eine Aufwärmung des Gehäuses überführt. Um diese Wärme aus dem Kopf abzuführen kann ferner eine Kühlung (z.B. durch Wasser) des Gehäuses erfolgen, die insbesondere nahe des Absorptionsmittels zirkuliert.
In 4A und 4B sind Vorrichtungen 100 gezeigt, in denen die Optik 10 durch eine Kniehebel- bzw. Scherenhebelanordnung in einer geradlinigen translatorischen Bewegung senkrecht zur optischen Achse OA verschoben werden kann. In 4A ist eine so genannte horizontale Kniehebel- bzw. Scherenhebelanordnung gezeigt, bei der ein erster Kniehebel 222 und ein zweiter Kniehebel 223 in einer Ebene senkrecht zur optischen Achse OA bzw. in einer Ebene parallel zur Bewegungsrichtung angeordnet sind. Der erste Kniehebel 222 ist an seinem ersten Ende mit einem Antriebselement 210, z.B. einem Rotationsmotor, verbunden und an seinem zweiten Ende mit einem ersten Ende des zweiten Kniehebels 223. Das zweite Ende des zweiten Kniehebels 223 ist mit der Optik 10 bzw. mit der Fassung 12 verbunden. An einer Seite oder auf zwei gegenüberliegenden Seiten der Fassung 12 ist ein geradliniges Führungselement 230 vorgesehen, wie beispielsweise eine Kreuzrollenführung. Wenn nun durch das Antriebselement 210 der erste Kniehebel 222 gedreht wird, wird die Drehung über den zweiten Kniehebel auf die Optik 10 übertragen und durch das mindestens eine Führungselement 230 in eine gradlinige Bewegung umgewandelt.
4B zeigt eine so genannte vertikale Kniehebel- bzw. Scherenhebelanordnung, bei der ein erster Kniehebel 222 und ein zweiter Kniehebel 223 in einer Ebene parallel zur optischen Achse OA bzw. in einer Ebene senkrecht zur Bewegungsrichtung angeordnet sind. Wieder ist der erste Kniehebel 22 an seinem ersten Ende mit einem Antriebselement 210, z.B. ein Rotationsmotor, verbunden und an seinem zweiten Ende mit einem ersten Ende des zweiten Kniehebels 223. Der zweite Kniehebel 223 ist wiederum mit seinem zweiten Ende mit der Optik 10 bzw. der Fassung 12 verbunden. Auch hier kann ein Führungselement 230 auf einer Seite oder auf beiden Seiten der Fassung 12 vorgesehen sein, um eine gradlinige Bewegung zu führen, beispielsweise eine Kreuzrollenführung. Dieses Ausführungsbeispiel mit einer vertikalen Kniehebelanordnung (siehe 4B), insbesondere in Kombination mit der Führung gemäß den in 5A oder 5B gezeigten Ausführungsbeispielen, ist hinsichtlich einer kurzen Dauer des Schaltvorgangs zwischen der ersten Position A und der zweiten Position B, einer kompakten und leichten Bauweise und aufgrund geringen Verschleißes und geringen Kosten vorteilhaft.
In 5A und 5B ist ein weiteres Ausführungsbeispiel für eine Vorrichtung 100 gezeigt, bei der die Optik 10 mit einer Rotationsachse senkrecht zur optischen Achse OA zwischen der ersten Position A und der zweiten Position B hin und her bewegt werden kann. Die Bewegungseinheit 20 selbst ist nicht dargestellt, sondern nur das Führungselement 230 und die Optik 10. Die in 5A und 5B gezeigten Ausführungsformen können mit einer der oben beschriebenen Kniehebelanordnungen kombiniert werden, vorzugsweise mit der vertikalen Kniehebelanordnung aus 4B. Anstelle der beidseitig angeordneten gradlinigen Führungselemente 230, die in 4A und 4B gezeigt sind, können also Führungselemente 230 mit mehreren Führungsabschnitten 231 und 232, wie in 5A gezeigt, oder gekrümmte Führungselemente 230, wie in 5B gezeigt, verwendet werden, um eine Rotationsbewegung der Optik 10 senkrecht zur optischen Achse OA zu ermöglichen.
In 5A ist eine Seitenansicht der Bewegung der Optik 10 entlang einem L-förmigen Führungselement 230 gezeigt. Das Führungselement 230 besteht aus einem ersten Führungsabschnitt 321 und einem senkrecht dazu angeordneten zweiten Führungsabschnitt 232. Die beiden Führungsabschnitte 231 und 232 müssen jedoch nicht senkrecht zueinander angeordnet sein, sondern können beispielsweise einen Winkel zwischen 90° und 180° miteinander bilden. Ein solches Führungselement 230 kann auf einer Seite oder auf zwei gegenüber liegenden Seiten der Optik 10 angeordnet sein, um die Optik 10 sicher zu führen. In 5B ist eine alternative Ausführungsform des Führungselements 230 gezeigt. Das Führungselement 230 ist hier bogenförmig bzw. gekrümmt, um die Optik 10 entlang dieser Krümmung zu führen. Die in 5A und 5B gezeigten Vorrichtungen können eine lineare Bewegung in eine Rotationsbewegung der Optik 10 umwandeln. Hierbei wird das Volumen, welches während der Bewegung durchkreuzt wird, im Vergleich zu der in 3A bis 3C gezeigten Ausführungsform minimiert. Daher können andere Bauteile des Laserbearbeitungskopfes näher an der Optik 10 positioniert werden. Das Antriebselement 210 kann platzsparend neben oder unter der in Position A geparkten Optik 10 positioniert werden. Außerdem ist etwa im Vergleich zu der in 3A bis 3C gezeigten Ausführungsform ein Luftwiderstand bzw. eine Luftverwirbelung beim Schaltvorgang reduziert.
In 6 ist eine Vorrichtung 100 mit Direktantrieb gezeigt, bei der die Optik 10 mittels eines Piezos mit Linearmotor entlang eines Schafts 224, der in der Halterung 30 (in 6 nicht dargestellt) verankert ist, in einer geradlinigen translatorischen Bewegung senkrecht zur optischen Achse verschoben wird. Auf einer Seite der Optik 10 kann ein Führungselement 230 vorgesehen sein, wie beispielsweise eine Kreuzrollenführung.
In 7A ist eine ähnliche Anordnung wie in 6 gezeigt, jedoch mit einem Pneumatik- oder Elektrozylinder mit Linearmotor als Antriebselement 210, der die Optik 10 über einen Kolben 225 als Kopplungselement 220 mit einer geradlinigen Bewegung senkrecht zur optischen Achse OA hin und her bewegt. In 7B ist eine weitere Ausführungsform gezeigt, in der als Antriebselement 210 ein Rotationsmotor und als Kopplungselement 220 ein Magnetzylinder 229a mit Magnetpolschlitten 229b verwendet wird. Der Magnetzylinder 229a wird durch den Motor in Rotation versetzt, wobei aufgrund der Poländerung der an der Optik 10 befestigter Magnetpolschlitten 229b zusammen mit der Optik 10 verschoben wird. In den in 7A und 7B gezeigten Ausführungsbeispielen kann zusätzlich auf zumindest einer Seite der Optik 10, d.h. auf der dem Antriebselement 210 und dem Kopplungselement 220 gegenüberliegenden Seite der Optik 10, ein Führungselement 230 wie eine Kreuzrollenführung vorgesehen sein.
In 8 ist eine Vorrichtung 100 gezeigt, bei der die Optik 10 mit Hilfe einer Gewindespindel 226 als Kopplungselement 220 und einem Rotationsmotor als Antriebselement 210 in geradliniger translatorischer Bewegung senkrecht zur optischen Achse OA bewegt wird. Durch Drehung der Gewindespindel 226 wird die Optik 10 entlang einem geradlinigen Führungselement 230, z.B. einer Kreuzrollenführung, geführt.
In 9 ist eine Vorrichtung 100 gezeigt, bei der die Optik 10 mit Hilfe eines Bandantriebs bewegt wird. Hierbei wird eine Drehbewegung eines Rotationsmotors 210 durch ein an einer Rolle 227a befestigtes Band 227b in eine Translationsbewegung umgewandelt, so dass die Optik 10 in einer geradlinigen Bewegung senkrecht zur optischen Achse in den bzw. aus dem Strahlengang geschoben wird. Hierbei wickelt sich das Band 227b auf der mit dem Motor 210 gekoppelten Rolle 227a auf und ab, wodurch die Drehbewegung des Motors 210 in eine geradlinige Bewegung der Optik 10 umgewandelt wird (siehe auch Patentanmeldung DE 10 2014 101 477 ). Auf einer Seite der Optik 10 kann die Fassung 12 in einem Führungselement 230, wie beispielsweise einer Kreuzrollenführung, geführt werden.
In 10 ist eine Vorrichtung 100 gezeigt, bei der eine Drehbewegung des Antriebselements 210 mittels einer Kurvenscheibe 228a und beidseitig vorgesehenen Führungselementen 230 in eine geradlinige Bewegung der Optik 10 senkrecht zur optischen Achse OA umgewandelt wird. Ein an der Fassung 12 angebrachtes Federelement 228b kann so angeordnet sein, dass es beim Zurückdrehen der Kurvenscheibe 228a ein Herausbewegen der Optik 10 aus dem Strahlengang sicherstellt.
Erfindungsgemäß wird daher eine Vorrichtung zum Einführen einer Optik in einen Strahlengang eines Laserbearbeitungskopfes angegeben, die gefahrloses Schalten während Hochleistungslaseremission, schnelle Schaltzeiten, geringen Abrieb, kompakte Bauweise und geringes Gewicht ermöglicht. Aufgrund der geringen Schaltzeit sind hohe Taktgeschwindigkeiten möglich und die Lasersicherheit und der Dauerbetrieb/Lebensdauer des Kopfs gewährleistet. Für den Anwender erfolgt der Einsatz der Optik wahlweise, automatisiert, schnell und sicher, so dass der Anwender je nach Bedarf die Laserstrahlcharakteristik anpassen, und die Umschaltung elektronisch schalten und programmieren kann.

Claims

Vorrichtung zum selektiven Einführen einer Optik (10) in einen Laserstrahl eines Laserbearbeitungskopfes, umfassend: eine Optik (10) mit einem offenen Umfangsbereich (11a), eine Fassung (12) zum Halten der Optik (10), wobei die Fassung (12) einen Umfang (11) der Optik (10) mit Ausnahme des offenen Umfangsbereichs (11a) umgibt, und eine Bewegungseinheit (20) zum Bewegen der Optik (10), wobei die Bewegungseinheit (20) dazu ausgerichtet ist, die Optik (10) um eine Rotationsachse zu bewegen, die in einer Ebene senkrecht zu einer optischen Achse (OA) der Vorrichtung liegt.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Bewegungseinheit (20) dazu ausgerichtet ist, die Optik (10) von einer ersten Position (P1) außerhalb eines Strahlengangs der Vorrichtung in eine zweite Position (P2) im Strahlengang zu bewegen.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei der offene Umfangsbereich (11a) der Optik (10) mindestens einem Durchmesser des Strahlengangs der Vorrichtung entspricht.
Vorrichtung nach einem der vorausgehenden Ansprüche, wobei die Optik (10) einen kreisförmigen Umfang (11) aufweist und die Fassung (12) entlang eines Kreissektors des Umfangs (11) mit einem Mittelpunktwinkel von kleiner 360° ausgebildet ist.
Vorrichtung nach einem der vorausgehenden Ansprüche, wobei die Bewegungseinheit (20) ein Antriebselement (210) umfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 5, wobei die Bewegungseinheit (20) mindestens ein Kopplungselement (220) umfasst, das die Optik (10) mit dem Antriebselement (210) koppelt und ausgewählt ist aus einer Achse (221), einem Kniehebelpaar (222, 223), einem Schaft (224), einem Kolben (225a), einem Magnetzylinder (229a) mit Magnetpolschlitten (229b), einer Gewindespindel (226), einem Band (227), und einer Kurvenscheibe (228a).
Vorrichtung nach einem der vorausgehenden Ansprüche, wobei die Bewegungseinheit (20) eine Achse (220) umfasst, die sich senkrecht zur optischen Achse (OA) der Vorrichtung erstreckt und um die die Optik (10) klappbar ist.
Vorrichtung nach einem der vorausgehenden Ansprüche 1 bis 6, wobei die Bewegungseinheit (20) einen ersten und einen zweiten Kniehebel (222, 223) umfasst, wobei ein erstes Ende des ersten Kniehebels (222) mit einem Antriebselement (210) gekoppelt ist, ein zweites Ende des ersten Kniehebels (222) mit einem ersten Ende des zweiten Kniehebels (223) und ein zweites Ende des zweiten Kniehebels (223) mit der Optik (10) verbunden ist.
Vorrichtung nach Anspruch 8, wobei die Kniehebel (222, 223) in einer Ebene senkrecht oder in einer Ebene parallel zur optischen Achse (OA) der Vorrichtung angeordnet sind.
Vorrichtung nach einem der vorausgehenden Ansprüche, wobei die Bewegungseinheit (20) mindestens ein Führungselement (230) zum Führen der Bewegung der Optik (10) umfasst, das mit der Optik (10) gekoppelt ist.
Vorrichtung nach Anspruch 10, wobei das Führungselement (230) geradlinig parallel zu einer Bewegungsrichtung oder bogenförmig in einer Ebene parallel zur optischen Achse (OA) der Vorrichtung ausgebildet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 10, wobei das Führungselement (230) mindestens zwei Führungsabschnitte (231, 232) umfasst, die miteinander einen Winkel zwischen 90° und 180° bilden, wobei die Optik (10) entlang des Führungselements (230) mit diesem Winkel gedreht wird.
Vorrichtung nach einem der vorausgehenden Ansprüche, ferner umfassend eine Halterung (30), die an einem Gehäuse des Laserbearbeitungskopfes befestigbar ist und eine Öffnung (40) entsprechend dem Strahlengang der Vorrichtung aufweist, wobei die Bewegungseinheit (20) dazu ausgerichtet ist, die Optik (10) in die Öffnung zu bewegen.
Laserbearbeitungskopf zur Materialbearbeitung mittels eines Laserstrahls, umfassend eine Vorrichtung zum selektiven Einführen der Optik (10) in den Laserstrahl des Laserbearbeitungskopfes nach einem der vorstehenden Ansprüche.
Laserbearbeitungskopf nach Anspruch 14, ferner umfassend: ein Gehäuse; und Absorptionsmittel an einer Innenwand des Gehäuses zur Absorption reflektierter Laserstrahlung und/oder eine Kühleinheit zur Kühlung des Gehäuses.