DE102017007939A1

DE102017007939A1 - Vorrichtung und Verfahren zur Rekuperation elektromagnetischer Strahlung

Info

Publication number: DE102017007939A1
Application number: DE102017007939.0A
Authority: DE
Inventors: Martin Stambke; René Schürer; Roman Kleindienst; Ronald Kampmann; Andreas Patschger; Markus Franz
Original assignee: ERNST ABBE HOCHSCHULE JENA; ERNST-ABBE-HOCHSCHULE JENA; Technische Universitaet Ilmenau
Current assignee: ERNST ABBE HOCHSCHULE JENA; ERNST-ABBE-HOCHSCHULE JENA; Technische Universitaet Ilmenau
Priority date: 2017-08-21
Filing date: 2017-08-21
Publication date: 2019-02-21

Abstract

Mit der vorliegenden Erfindung soll eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Rekuperation elektromagnetischer Strahlung, die an einer mit elektromagnetischer Strahlung zu bearbeitenden Oberfläche reflektiert und / oder gestreut wurde, bereitgestellt werden, mit denen es gelingt, die reflektierte Strahlung sowie auch die gerichtete Streustrahlung dem Bearbeitungsprozess mit hoher Effizienz wieder zu zuführen.Dazu umfasst die erfindungsgemäße Vorrichtung prinzipiell eine erste Strahlformungseinheit (1) mit mindestens einem diffraktiven und / oder refraktiven optischen Element, welche eine erste Intensitätsverteilung des Bearbeitungsstrahls am Werkstück realisiert, und eine zweite Strahlformungseinheit (2) mit mindestens einem zweiten diffraktiven und / oder refraktiven optischen Element, welche die reflektierte und gestreute elektromagnetische Strahlung dem Bearbeitungsprozess wieder zuführt.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Rekuperation elektromagnetischer Strahlung, die an einer mit elektromagnetischer Strahlung zu bearbeitenden Oberfläche reflektiert und / oder gestreut wurde.
Bei der Materialbearbeitung von hochreflektierenden Werkstoffen wie Aluminium(-legierungen) und Kupfer(-legierungen) sowie Gold, Silber, Molybdän und Wolfram mit elektromagnetischer Strahlung ist die Absorption der eingestrahlten Energie vergleichsweise sehr gering. Ursächlich hierfür sind die geringen Absorptionskoeffizienten, die mit wachsender Wellenlänge i.d.R. kleiner werden. Die Absorption kann nur durch Erhöhung der Intensität und der damit verbesserten Einkopplung der Strahlung durch die thermische Progressivität sowie der Oberflächengeometrieveränderung gesteigert werden. Die in diesem Zusammenhang auftretende anormale Absorption bewirkt erst bei höheren Leistungsdichten und einer Verdampfung des Materials einen sprunghaften Anstieg der Absorption und damit einen deutlich höheren nutzbaren Anteil der eingestrahlten Leistung. Währenddessen sind Materialbearbeitungsverfahren unter dieser Schwellintensität wie z.B. Aufheizen, Härten, Umschmelzen, Legieren, Dispergieren, Schmelzschweißen, Schneiden, selektives Lasersintern und Auftragsschweißen mit einem hohen Verlust durch reflektierte Strahlung behaftet. Dies führt zu einem geringen Prozesswirkungsgrad der genannten Verfahren und damit zu einer unwirtschaftlichen Bearbeitung.
Bei derartigen Materialbearbeitungsprozessen wird oft ein nicht senkrechter Einfall der elektromagnetischen Strahlung auf das Werkstück bevorzugt. Der Grund hierfür ist die Reflektion eines signifikanten Anteils der Strahlung und der damit verbundenen möglichen Beschädigung des optischen Systems sowie weiterer Komponenten. Für einen Einfallswinkel von 30° beträgt beispielsweise für Kupfer oder Aluminium der Reflexionsgrad nach den Fresnelschen Formeln ca. 60% oder gar 90% Prozent. Ein großer Teil dieser reflektierten Strahlung ist gerichtet, wobei dieser Anteil von der Beschaffenheit der Werkstückoberfläche, speziell seiner Rauheit, bestimmt wird.
Dieser beträchtliche Anteil an gerichteter reflektierter Strahlung und folglich die damit verbundene Energie ist für den jeweiligen Materialbearbeitungsprozess verloren. Aufgrund der möglichen Beschädigung der Bearbeitungsanlagen wird dieser Strahlungsanteil im Normalfall durch Strahlfallen aufgefangen und in andere Energieformen, zumeist in Wärme, umgewandelt. So wird z.B. in der WO 2014/019814 A1 ein nicht optisches Energierückgewinnungssystem beschrieben, welches die Energie der vom Werkstück reflektierten und / oder gestreuten Strahlung über Photozellen in elektrische Energie umwandelt. Mit der DE 10 2008 013 816 B4 wird dagegen ein System zur Energierückgewinnung offenbart, bei dem die reflektierte oder gestreute Strahlung u.a. in einen Strahlfänger eingeleitet und zum Temperieren des Werkstückes genutzt wird. Die Rückführung kann ebenso über einen Lichtwellenleiter erfolgen. Allerdings ist hier nur die Leitung der sekundären Wärmestrahlung, jedoch nicht die der reflektierten und / oder gestreuten Primärstrahlung offenbart. Möglich ist auch die Umwandlung in andere Energieformen. Gleiches gilt für die in der US 2009/145887 A1 offenbarten Systeme zur Energierückgewinnung von Laserstrahlung.
Außerdem beschreibt die DE 10 2006 042 097 A1 eine Vorrichtung zur energetisch effizienteren Nutzung der Laserenergie bei der Bearbeitung von hochreflektierenden Werkstücken. Dies wird durch eine bestimmte Form des zu bearbeitenden Werkstückes erreicht. So ist z.B. eine Ausführungsform als Hohlspiegel ausgebildet. Die hier beschriebene Vorrichtung arbeitet optisch und dient vorrangig dem Überhitzungsschutz empfindlicher Bauteile in der Nähe des Bearbeitungsortes. Mit der EP 0 461 944 A1 wird ein weiteres optisches Rückgewinnungssystem vorgeschlagen. Die vom Werkstück nicht absorbierte Strahlung wird hier über verstellbare Spiegel auf das Werkstück lediglich zurückreflektiert, jedoch nicht den verschiedensten Anwendungsszenarien entsprechend geformt.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die aus dem Stand der Technik bekannten Nachteile zu überwinden und eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Rekuperation elektromagnetischer Strahlung, die an einer mit elektromagnetischer Strahlung zu bearbeitenden Oberfläche reflektiert und / oder gestreut wurde, bereitzustellen, mit denen es gelingt, die reflektierte Strahlung sowie auch die gerichtete Streustrahlung dem Bearbeitungsprozess mit hoher Effizienz wieder zu zuführen.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe vorrichtungsseitig mit den Merkmalen des ersten Patentanspruches und verfahrensseitig mit den Merkmalen des achten Patentanspruches gelöst. Bevorzugte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind in den Unteransprüchen 2 bis 7 aufgezeigt, während vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens in den Unteransprüchen 9 bis 11 angegeben sind.
Einzelheiten und Vorteile der Erfindung sind dem nachfolgenden Beschreibungsteil zu entnehmen, in dem die Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert wird. Es zeigt:

1- Prinzipdarstellung einer ersten Ausführungsform für eine erfindungsgemäße Rekuperation der reflektierten und gestreuten Strahlung
2- Prinzipdarstellung einer zweiten Ausführungsform für eine erfindungsgemäße Rekuperation der reflektierten und gestreuten Strahlung
3- Prinzipdarstellung einer dritten Ausführungsform für eine erfindungsgemäße Rekuperation der reflektierten und gestreuten Strahlung
4- Prinzipdarstellung einer vierten Ausführungsform für eine erfindungsgemäße Rekuperation der reflektierten und gestreuten Strahlung

Im Folgenden werden verschiedene Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Vorrichtung näher erläutert. Sie umfasst prinzipiell eine erste Strahlformungseinheit (1), welche eine erste Intensitätsverteilung des Bearbeitungsstrahls am Werkstück realisiert, und eine zweite Strahlformungseinheit (2), welche die reflektierte und gestreute elektromagnetische Strahlung dem Bearbeitungsprozess mit einer zweiten Intensitätsverteilung wieder zuführt.
In 1 ist eine erste prinzipielle Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung dargestellt. Hierbei wird mit Hilfe der zweiten Strahlformungseinheit (2) eine zusätzliche Nutzintensitätsverteilung erzeugt und direkt auf die zu bearbeitende Oberfläche gerichtet. Aus der von der zu bearbeitenden Oberfläche reflektierten und gestreuten Strahlung wird zusätzlich zur Primärintensitätsverteilung des Bearbeitungsstrahls eine Sekundärintensitätsverteilung des Reflexionsstrahls erzeugt, welche sich in Ort und / oder Form (laterale Leistungsdichteverteilung) von der Primärintensitätsverteilung des Bearbeitungsstrahls unterscheidet. Der reflektierte und gestreute Leistungsanteil wird mit Hilfe der zweiten Strahlformungseinheit (2) so geformt, dass er zur Optimierung (z.B. Vor- und / oder Nachwärmen zur Rissreduktion beim Schweißen) und / oder Parallelisierung des Bearbeitungsprozesses (z.B. mehrere Schweißnähte nebeneinander) genutzt werden kann. Dabei umfasst die zweite Strahlformungseinheit (2) zumindest ein diffraktives optisches Element und / oder ein oder mehrere reflektierende und / oder refraktive optische Elemente. Ziel ist in jedem Fall die Formung der rekuperierten Strahlung zu einer sich von der Primärintensitätsverteilung des Bearbeitungsstrahls unterscheidenden Sekundärintensitätsverteilung des Reflexionsstrahls am Werkstück.
2 zeigt eine zweite Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung. Bei dieser Ausführung wird ein möglichst großer Anteil der am Werkstück reflektierten und gestreuten Strahlung von mindestens einem refraktiven optischen Element und einer Einheit zur Strahlführung (3) hoher numerischer Apertur eingefangen und mittels einer geeigneten Einheit zur Einkopplung in den Bearbeitungsstrahlengang (4) der ersten Strahlformungseinheit (1) zugeführt. Durch die Rückkopplung der reflektierten und teilweise gestreuten Strahlung in die erste Strahlformungseinheit (1) wird ein maximaler Wirkungsgrad der Vorrichtung und des Bearbeitungsprozesses erreicht. Leistungsverluste ergeben sich lediglich aufgrund nicht von der zweiten Strahlformungseinheit (2) eingefangener, vom Werkstück reflektierter Strahlung. Außerdem werden durch diese Anordnung Rückreflexe, die das gesamte optische Bearbeitungssystem und die Strahlungsquelle beschädigen könnten, vermieden. Bei dieser Ausführungsform umfasst die zweite Strahlformungseinheit (2) zumindest ein refraktives optisches Element und / oder ein oder mehrere reflektierende und / oder diffraktive optische Elemente, eine Einheit zur Strahlführung (optische Faser) (3) und eine optische Einheit zur Einkopplung der reflektierten und gestreuten Strahlung in die erste Strahlformungseinheit (1).
Von der ersten Strahlformungseinheit (1), welche zur Formung der Strahlung auf der zu bearbeitenden Oberfläche dient, wird ein erster Teil zur Formung des primären Bearbeitungsstrahls und ein zweiter Teil zur Formung des rekuperierten sekundären Reflexionsstrahls genutzt. Sie kann zum Beispiel so ausgelegt werden, dass die Intensitätsverteilung des Bearbeitungsstrahls mit einer möglichst identischen Intensitätsverteilung des Reflexionsstrahls überlagert wird (s. 2 und 3).
Dazu kann, wie in 2 gezeigt, die Formung des Bearbeitungs- und Reflexionsstrahls mit nur einem refraktiven optischen Element erfolgen, wobei dieses von dem Bearbeitungs- und dem Reflexionsstrahl an unterschiedlichen Stellen durchleuchtet wird. In diesem Fall ist das refraktive optische Element und / oder die diffraktiven und / oder reflektierenden optischen Elemente rotationssymmetrisch ausgeführt, so dass beide Strahlengänge trotz lateralem Versatz zueinander in eine identische Intensitätsverteilung am gleichen Ort in der Zielebene überführt werden. Im einfachsten Fall kommt eine sphärische oder asphärische Linse zum Einsatz, welche die beiden Strahlen fokussiert.
3 zeigt eine dritte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung. Im Gegensatz zu der in 2 gezeigten Ausführungsform werden hier die vom Bearbeitungs- und Reflexionsstrahl durchlaufenen Teile der Strahlformungseinheit (1) separat optimiert. Um identische Intensitätsverteilungen für beide Strahlen am gleichen Ort in der Zielebene zu erreichen, können stark unterschiedliche von der Strahlformungseinheit (1) zu realisierende Strahlformungsfunktionen notwendig sein. Dazu werden diese Strahlformungsfunktionen parallel oder getrennt voneinander in die diffraktive(-n) und/oder refraktive(-n) und/oder reflektierende(-n) optischen Elemente integriert.
Es ist aber auch eine Auslegung der ersten Strahlformungseinheit (1) denkbar, die zu einer Ergänzung bzw. Parallelisierung der Intensitätsverteilung des Bearbeitungsstrahls führt (s. 1 und 4). Ähnlich der in 3 dargestellten Ausführungsform werden in der Ausführungsform nach 4 die beiden vom Bearbeitungs- und Reflexionsstrahl durchlaufenen Teile der Strahlformungseinheit (1) separat optimiert. Allerdings werden hier jedoch unterschiedliche Intensitätsverteilungen für beide Strahlungen am gleichen Ort in der Zielebene realisiert, wodurch stark unterschiedliche von der Strahlformungseinheit (1) zu realisierende Strahlformungsfunktionen notwendig sind. Hierbei wird im Wesentlichen der Primärstrahl von der Strahlformungseinheit (1) fokussiert und der Sekundärstrahl zu einem divergenten Strahlenbündel umgeformt. Diese Strahlformungsfunktionen werden parallel oder getrennt voneinander in die diffraktive(-n) und/oder refraktive(-n) und/oder reflektierende(-n) optischen Elemente der ersten Strahlformungseinheit (1) integriert.
Bezugszeichenliste

1 -: erste Strahlformungseinheit
2 -: zweite Strahlformungseinheit
3 -: Einheit zur Führung von der zu bearbeitenden Oberfläche reflektierten und gestreuten elektromagnetischen Strahlung
4 -: Einheit zu deren Einkopplung in den Bearbeitungsstrahlengang

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

WO 2014/019814 A1 [0004]
DE 102008013816 B4 [0004]
US 2009145887 A1 [0004]
DE 102006042097 A1 [0005]
EP 0461944 A1 [0005]

Claims

Vorrichtung zur Rekuperation elektromagnetischer Strahlung, die an einer mit elektromagnetischer Strahlung zu bearbeitenden Oberfläche reflektiert und / oder gestreut wurde, umfassend eine erste Strahlformungseinheit (1) im Bearbeitungsstrahlengang und eine zweite Strahlformungseinheit (2) im Reflexionsstrahlengang, wobei die erste und die zweite Strahlformungseinheiten (1, 2) jeweils zumindest ein diffraktives und / oder ein refraktives optisches Element aufweisen.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die erste Strahlformungseinheit (1) zumindest ein rotationssymmetrisches refraktives optisches Element umfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 2, wobei die zweite Strahlformungseinheit (1) zumindest ein diffraktives optisches Element umfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Vorrichtung eine Einheit zur Führung der von der zu bearbeitenden Oberfläche reflektierten elektromagnetischen Strahlung (3) und eine Einheit zu deren Einkopplung in den Bearbeitungsstrahlengang (4) umfasst und die zweite Strahlformungseinheit (2) zumindest ein refraktives optisches Element aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die erste Strahlformungseinheit (1) zumindest ein diffraktives optisches Element und die zweite Strahlformungseinheit (2) zumindest ein refraktives optisches Element umfasst und die Vorrichtung eine Einheit zur Führung der von der zu bearbeitenden Oberfläche reflektierten elektromagnetischen Strahlung (3) und eine Einheit zu deren Einkopplung in den Bearbeitungsstrahlengang (4) aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, wobei die Einheit zur Führung der von der zu bearbeitenden Oberfläche reflektierten elektromagnetischen Strahlung (3) eine optische Faser mit einer hohen numerischen Apertur ist.
Vorrichtung nach Anspruch 4, wobei die erste Strahlformungseinheit (1) ein erstes diffraktives optisches Element zur Fokussierung des Bearbeitungsstrahls und ein zweites diffraktives optisches Element zur Formung des Reflexionsstrahls aufweist.
Verfahren zur Rekuperation elektromagnetischer Strahlung, die an einer mit elektromagnetischer Strahlung zu bearbeitenden Oberfläche reflektiert oder gestreut wurde, mit einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der Bearbeitungsstrahl mit Hilfe des refraktiven optischen Elements der ersten Strahlformungseinheit (1) auf die zu bearbeitende Oberfläche mit einer ersten Intensitätsverteilung fokussiert wird und der Reflexionsstrahl mit Hilfe des diffraktiven optischen Elements der zweiten Strahlformungseinheit (2) mit einer zweiten Intensitätsverteilung auf die zu bearbeitende Oberfläche reflektiert wird, wobei die Intensitätsverteilung des Bearbeitungsstrahls und die Intensitätsverteilung des Reflexionsstrahls verschieden sind.
Verfahren zur Rekuperation elektromagnetischer Strahlung, die an einer mit elektromagnetischer Strahlung zu bearbeitenden Oberfläche reflektiert oder gestreut wurde, mit einer Vorrichtung nach Anspruch 4, wobei der Bearbeitungsstrahl mit Hilfe des refraktiven optischen Elements der ersten Strahlformungseinheit (1) auf die zu bearbeitende Oberfläche fokussiert und der Reflexionsstrahl mit Hilfe des refraktiven optischen Elements der zweiten Strahlformungseinheit (2) fokussiert wird und über die Einheit zur Führung der von der zu bearbeitenden Oberfläche reflektierten elektromagnetischen Strahlung (3) und die Einheit zu deren Einkopplung in den Bearbeitungsstrahlengang (4) auf die erste Strahlformungseinheit (1) rückgeführt wird.
Verfahren zur Rekuperation elektromagnetischer Strahlung, die an einer mit elektromagnetischer Strahlung zu bearbeitenden Oberfläche reflektiert oder gestreut wurde, mit einer Vorrichtung nach Anspruch 5, wobei der Bearbeitungsstrahl mit Hilfe des diffraktiven optischen Elements der ersten Strahlformungseinheit (1) auf die zu bearbeitende Oberfläche fokussiert und der Reflexionsstrahl mit Hilfe des refraktiven optischen Elements der zweiten Strahlformungseinheit (2) fokussiert wird und über die Einheit zur Führung der von der zu bearbeitenden Oberfläche reflektierten elektromagnetischen Strahlung (3) und die Einheit zu deren Einkopplung in den Bearbeitungsstrahlengang (4) auf die erste Strahlformungseinheit (1) rückgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, wobei der Reflexionsstrahl auf die zu bearbeitende Oberfläche mit der gleichen Intensitätsverteilung wie der Bearbeitungsstrahl fokussiert wird.
Verfahren nach Anspruch 9, wobei der Reflexionsstrahl auf die zu bearbeitende Oberfläche mit einer zweiten Intensitätsverteilung, die ungleich der ersten Intensitätsverteilung des Bearbeitungsstrahls ist, gelenkt wird.