-
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur effizienteren Nutzung von Lasern, sowie zugehörige Vorrichtungen.
-
Stand der Technik
-
Laser werden zunehmend zum Schneiden von Materialien eingesetzt.
-
In der Regel werden hierfür homogene Materialien mit einer klar definierten Oberfläche und Dicke als Werkstück eingesetzt. Die Werkstücke werden in einer klar definierten Art und Weise dem Laserschneideprozess zugeführt. In der Regel ist das Schneideprogramm exakt auf die klar definierten Parameter abgestimmt. Laserschneiden von organischen Materialien wie Holz ist bekannt.
-
Der Laser wird hinter der Fokusieroptik nur mit einer Strahlrichtung und ohne Verwendung von weiteren Spiegeln verwendet.
-
Um Schäden durch fehlgeleitete Laserstrahlen zu vermeiden werden strahlresistente Umhausungen eingesetzt.
-
Ein weiterer Einsatzzweck ist für die Unterhaltung, z.B. in Diskotheken.
-
In den Star Wars™ Filmen kommen Lichtschwerter, teilweise auch als Laserschwerter bezeichnet, zum Einsatz. Als Merchandise werden Lichtschwerter mit LEDs angeboten.
-
Aufgabe
-
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Verfügung zu stellen, mit der sich komplexe Laserschneideprojekte mit inhomogenen Materialien, Werkstücken mit Hohlräumen, ungleicher Beschaffenheit und sich während dem Laserschneidevorgang verändernden Rahmenbedingungen effizient realisieren lassen.
-
Es ist weiterhin eine Aufgabe der Erfindung, ein Verfahrung und eine Vorrichtung für einen mobilen Einsatz von Laserschneidegeräten zur Verfügung zu stellen.
-
Es ist eine weitere Aufgabe der Erfindung, ein Verfahrung und eine Vorrichtung für ein Lichtschwert zur Verfügung zu stellen, das die Funktionalität, insbesondere ,Schneiden‘, der Lichtschwerter aus Star Wars™ besser erfüllen kann als herkömmliche Lösungen.
-
Diese Aufgaben werden jeweils mit einem Verfahren und Vorrichtungen mit den Merkmalen gemäß den unabhängigen Patentansprüchen gelöst.
-
Vorteilhafte Ausführungsformen und Anwendungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
-
Offenbarung
-
Verfahren, das folgende Schritte beinhaltet, die sowohl in ihrer Gesamtheit, wie auch bezogen auf die einzelnen Schritte einmalig oder mehrmalig in dieser oder geänderter Reihenfolge ausgeführt werden:
- - Ein Laserstrahl wird erzeugt und dann auf einen Spiegel gelenkt, oder ein oder mehrere Lasterstrahlen erzeugt und mit einer Fokusieroptik gebündelt und dann auf einen Spiegel gelenkt.
- - Der Laserstrahl wird von dem Spiegel mit einer definierten Ausrichtung reflektiert und auf einen weiteren Spiegel gelenkt.
- - Der reflektierte Laserstrahl wird von diesem Spiegel mit einer definierten Ausrichtung reflektiert und auf einen weiteren Spiegel gelenkt.
-
Die individuelle Ausrichtung der Spiegel erfolgt über eine oder mehrere Vorrichtungen und ist so definiert, daß die Laserstrahlen auf einer gemeinsamen Ebene liegen.
-
Ebenfalls Bestandteil des Patents ist ein zweites Verfahren, das folgende Schritte beinhaltet, die sowohl in ihrer Gesamtheit, wie auch bezogen auf die einzelnen Schritte einmalig oder mehrmalig in dieser oder geänderter Reihenfolge ausgeführt werden:
- - Ein Laserstrahl wird erzeugt und dann auf einen Spiegel gelenkt, oder ein oder mehrere Lasterstrahlen erzeugt und mit einer Fokusieroptik gebündelt und dann auf einen Spiegel gelenkt.
- - Der Laserstrahl wird von dem Spiegel mit einer definierten Ausrichtung reflektiert und auf einen weiteren Spiegel gelenkt.
- - Der reflektierte Laserstrahl wird von diesem Spiegel mit einer definierten Ausrichtung reflektiert und auf einen weiteren Spiegel gelenkt.
-
Auch hier erfolgt die individuelle Ausrichtung der Spiegel über eine oder mehrere Vorrichtungen und ist so definiert, daß die Laserstrahlen nicht auf einer gemeinsamen Ebene liegen.
-
Die beiden Verfahren unterscheiden sich nur bei der Ausrichtung der Laserstrahlen, weshalb die kommenden Ausführungsformen für beide Verfahren relevant sind. Über die definierte Ausrichtung der Reflektion lässt sich die Orientierung des Laserstrahls steuern. Dies kann nicht nur ausgehend von der/den Laserdioden erfolgen, sondern auch bezogenen auf die einzelnen Spiegel, so daß sich komplexere Schneideprozesse realisieren lassen, beispielsweise mit einer horizontalen oder vertikalen Verschiebung. In einem gewissen Maße sind auch dreidimensionale Schnitte möglich.
-
In einer bevorzugten Ausführungsform erfolgt am Ende des beschriebenen Verfahrens ein weiterer Prozeßschritt, die teilweise oder komplette Diffusion des Laserstrahles.
-
In einer bevorzugten Ausführungsform erfolgt am Ende des beschriebenen Verfahrens ein weiterer Prozeßschritt, die teilweise oder komplette Absorption des Laserstrahles.
-
Die beiden letztgenannten Ausführungsformen dienen dazu, um die Restenergie des Lasers geordnet und kontrolliert zu überführen. Unter anderem wird hiermit der Operationsbereich vor Verschleiß geschützt.
-
Bei der Anwendung Lichtschwert dient die Diffusion auch dazu, das Licht sichtbar zu machen. Hierzu können beispielsweise Lightguides eingesetzt werden, wie sie aus dem Autoscheinwerferbereich, zum Beispiel beim Tagfahrlicht, bekannt sind. Eine Lichtquelle, in der bevorzugten Ausführungsform der Laserstrahl, wird in einen transparenten Kunststoff (beispielsweise PMMA oder PC) oder Glas eingekoppelt und wird gezielt an definierten Stellen teilweise oder vollständig ausgekoppelt und gestreut. In einer weiteren Ausführungsform wird hierzu eine oder mehrere LEDs als alleinige oder zusätzliche Lichtquelle eingesetzt.
-
In einer bevorzugten Ausführungsform wird eine Vorrichtung verwendet, die den Bereich in dem das Verfahren abläuft strahlresistent abschirmt.
-
In der bevorzugten Ausführungsform wird mittels einer Vorrichtung ermittelt, ob ein Laserstrahl fehlgeleitet ist und ob gegebenenfalls Maßnahmen einzuleiten sind.
-
In einer bevorzugten Ausführungsform erfolgt dies mittels Wärmemessung. In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform erfolgt dies mittels einer optischen Messung. In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform dies mittels eine Kombination aus Wärmemessung und optischer Messung.
-
In weiteren Ausführungsformen wird dies mit anderen Messmethoden ermittelt oder online simuliert.
-
Aufgrund der Tatsache, daß bei im Markt verfügbaren Spiegeln die Reflektivität weniger als 100% beträgt, wird der Laserstrahl bei jeder Reflektion schwächer. Ein Anteil des Verlustes entsteht durch die Umwandlung in Wärme.
-
In der bevorzugten Ausführungsform wird mittels Wärmemessung der Punkt des Auftreffens des Laserstrahls ermittelt und die Ausrichtung der Spiegel mit Hilfe dieser Informationen ermöglicht.
-
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird mittels optischer Messung der Punkt des Auftreffens des Laserstrahle ermittelt und die Ausrichtung der Spiegel mit Hilfe dieser Informationen ermöglicht.
-
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird mittels Kombination aus optischer Messung und Wärmemessung der Punkt des Auftreffens des Laserstrahls ermittelt und die Ausrichtung der Spiegel mit Hilfe dieser Informationen ermöglicht.
-
In weiteren Ausführungsformen wird mittels anderer Messmethoden der Punkt des Auftreffens des Laserstrahls ermittelt und die Ausrichtung der Spiegel mit Hilfe dieser Informationen ermöglicht.
-
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird mit Hilfe der Spiegelpositionen unter Berücksichtigung von physikalischen Einflußgrößen wie beispielsweise Abstand und Temperatur der Punkt des Auftreffens des Laserstrahle berechnet und die Ausrichtung der Spiegel mit Hilfe dieser Informationen ermöglicht. In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird mittels einer Kombination der vorher genannten Methoden der Punkt des Auftreffens des Laserstrahle ermittelt und die Ausrichtung der Spiegel mit Hilfe dieser Informationen ermöglicht.
-
Die Spiegel werden dann sukzessive oder gleichzeitig mit Hilfe der Informationen ausgerichtet.
-
In einer bevorzugten Ausführungsform wird die Funktion eines oder mehrerer Spiegel jeweils mit Vorrichtung oder Vorrichtungen zur Ausrichtung durch ein oder mehrere Digital Micromirror Devices wahrgenommen. Damit lassen sich sehr enge Strukturen erzeugen und die Ausrichtung der Spiegel schnell und präzise steuern.
-
In einer weiteren Ausführungsform werden herkömmliche Spiegel und/oder Spiegelfolie und/oder reflektierende Beschichtungen verwendet.
-
In einer weiteren Ausführungsform sind die Spiegel fixiert und werden während des Betriebs nicht ausgerichtet.
-
In der bevorzugten Ausführungsform wird mittels Wärmemessung ermittelt, ob ein Laserstrahl fehlgeleitet ist und/oder sich eine oder mehrere Wärmequellen im oder in der Nähe des Operationsbereichs befinden.
-
Dies ist vor allem beim Einsatz in offener Fläche zur Erhöhung der Sicherheit wichtig. Sobald sich jemand dem Operationsbereich nähert oder im Falle eines mobilen Einsatzes sich das Laserschneidegerät einer Wärmequelle, wie Mensch oder Tier nähert, erfolgen Sicherheitsmaßnahmen wie beispielsweise Warnmeldungen oder die automatische Abschaltung.
-
Zwar wird der Laserstrahl aufgrund der Reflektivität der Spiegel über den Prozessverlauf schwächer. Dennoch verbleibt falls der Laserstrahl nicht auf das Werkstück trifft am Ende eine Restenergie, die ab einer gewissen Leistung kontrolliert überführt werden sollte.
-
In der bevorzugten Ausführungsform erfolgt die Absorption der Restenergie mittels aktiver und/oder passiver Kühlung.
-
Hierbei können (Liste nicht abschließend) unterschiedlichste Vorrichtungen alleine oder in Kombination zum Einsatz kommen: Kühlkörper aus Metall, Kunststoff oder Keramik, Heatpipes, Becken mit Flüssigkeit, Heatspreader, Ventilatoren.
-
Der Anwendungsbereich für Laserschneidegeräte wird durch die Erfindung deutlich erweitert. Mobile Anwendungen und Anwendungen mit nicht-vorhersagbaren Rahmenbedingungen können realisiert werden.
-
Beispielsweise im Bereich der Landwirtschaft.
-
Hier ist zum Beispiel ein Einsatz von Laserschneidegeräten im Bereich von Mäharbeiten denkbar. Die Rahmenbedingungen sind hier sehr inhomogen: Höhe der Pflanzen, Länge der Fruchtstände, Abstand der Halme, Dicke der zu schneidenden Halme/Stängel, Konsistenz der Halme/Stängel, ...
-
Aufgrund der Möglichkeit die Spiegel individuell und sehr schnell auszurichten kann der Schneidevorgang optimal auf die jeweiligen Rahmenbedingungen angepasst werden. Konkrete Beispiele:
- • Ein Sensor erkennt, daß der Fruchtstand der nächsten Pflanzen tiefer beginnt. Die Spiegel werden so ausgerichtet, daß sie unterhalb des Fruchtstandes schneiden.
- • Wenn ein Halm geschnitten ist, geht der Laserstrahl auf den Spiegel und ein weiter vorne liegender Halm wird geschnitten. Die Energie wird optimal ausgenutzt. Die Umhausung wird nicht belastet.
- • Mittels Bilderkennung wird der Anwachsbereich einer Weintraube/Rispe identifiziert. Der Laserstrahl wird mittels Spiegel so darauf ausgerichtet, daß sich dahinter direkt ein Spiegel befindet mit dem der reflektierte Laserstrahl auf den Anwachsbereich der nächsten Weintraube/Rispe gelenkt wird oder sich zwischen Laserquelle und nächstem Spiegel nur Blätter (keine Äste) befinden. Der Schneidevorgang erfolgt ohne Beschädigung des Weinstocks.
- • Nach Abschneiden und Ernten des Fruchtstandes, wird der Halm von oben herab in kurze Stücke geschnitten, um die ungeschützte Oberfläche für Zersetzungsvorgänge zu erhöhen und Humusbildung zu beschleunigen.
- • Absägen und Zerteilen von Bäumen lässt sich Verschleißfrei realisieren.
-
In einer bevorzugten Ausführungsform wird mit einer Vorrichtung unter Verwendung von Phosphor die Farbe des Lasers gezielt verändert. Damit kann beispielsweise bei der Anwendung Lichtschwert die Farbe der Teamzugehörigkeit angepasst werden. In der bevorzugten Ausführungsform kommt ein Schutzanzug zum Einsatz, der mittels optischen Sensoren und Wärmesensoren zusätzlich zu weiteren Sicherheitseinrichtungen fehlgeleitete Laserstrahlen detektiert und dann die sofortige Abschaltung veranlasst. In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird bei der optischen Messung die Lichtwellenlänge gemessen, um so Fehlbedienungen und Manipulation auszuschließen.
-
Vorteile:
-
Aufgrund der weitgehenden Ausnutzung der Energie des Laserstrahls, höhere Effizienz und geringerer Energieverbrauch.
-
Effizientes Laserschneiden von inhomogenen Materialien, Werkstücken mit Hohlräumen und ungleicher Beschaffenheit.
-
Effizientes Laserschneiden auch bei sich verändernden Rahmenbedingungen. Möglichkeit eines mobilen Einsatzes von Laserschneidegeräten.
-
Möglichkeit zur Realisierung von komplexeren Schneideprozessen, beispielsweise mit einer horizontalen oder vertikalen Verschiebung und dreidimensionale Schnitte. Bessere Erfüllung der Funktionalität, insbesondere ,Schneiden‘, der Lichtschwerter aus Star Wars™ als herkömmliche Lösungen.
-
Beim Einsatz von einem erfindungsgemäßen Laserschneidesystem als Substitut zu einem herkömmlichen Schneidesystem liegen die Vorteile bei der Verschleißfreiheit, höherer Flexibilität (die beispielsweise genutzt werden kann um den Verschnitt zu reduzieren), bei der Möglichkeit zu „mikroinvasiven“ Schnitten und bei der Möglichkeit der Integration von mehreren Funktionen und/oder neuen Funktionen.
-
Es zeigt:
- 1 ein Verfahren zur effizienteren Nutzung von Lasern in einem exemplarischen Aufbau.
-
Erläuterung einer Ausführungsform
-
1 zeigt schematisch eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens mit Vorrichtungen. Die Laserquelle (10) erzeugt einen Laserstrahl der am Spiegel (30) mit einer definierten Ausrichtung reflektiert wird. Der reflektierte Laserstrahl (21) wird an einem Spiegel (31) mit einer definierten Ausrichtung reflektiert und zum reflektierten Laserstrahl (22). Weitere Verfahrensschritte sind in der Figur nicht aufgeführt (Der Laserstrahl endet entgegen dem Eindruck der Darstellung dort nicht).
-
Die Figur ist nicht maßstabs- und winkeltreu.
