DE102018107663A1

DE102018107663A1 - Werkstückbearbeitung mittels Laserstrahlung

Info

Publication number: DE102018107663A1
Application number: DE102018107663.0A
Authority: DE
Inventors: Andreas Brötzner; Daniel Riedel; Georg Meyndt
Original assignee: ALPHA LASER GmbH
Current assignee: ALPHA LASER GmbH
Priority date: 2018-03-29
Filing date: 2018-03-29
Publication date: 2019-10-02

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Bearbeiten von Werkstücken, insbesondere zum Strukturieren von Werkstückoberflächen, mittels Laserstrahlung, mit einer Laserstrahlquelle zur Erzeugung und/oder einer Einrichtung zur Einkoppelung eines Laserstrahls, einer Basis mit einem Ausbreitungsweg für den Laserstrahl, einer im Ausbreitungsweg angeordneten Fokussieroptik für den Laserstrahl, und einem der Fokussieroptik nachgelagerten und von der Basis getragenen Arbeitskopf, aus dem der Laserstrahl austritt, wobei der Arbeitskopf von einem Rotor getragen ist, der an der Basis drehbar gelagert ist und im Betrieb um eine Drehachse relativ zur Basis rotiert, und wobei für den Rotor eine Fluidkühlung und/oder eine fluidgekühlte Abschirmung vorgesehen ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Bearbeiten von Werkstücken, insbesondere zum Strukturieren von Werkstückoberflächen, mittels Laserstrahlung, mit einer Laserstrahlquelle zur Erzeugung eines Laserstrahls und/oder einer Einrichtung zur Einkoppelung eines Laserstrahls, einer Basis mit einem Ausbreitungsweg für den Laserstrahl, einer im Ausbreitungsweg angeordneten Fokussieroptik für den Laserstrahl, und einem der Fokussieroptik nachgelagerten und von der Basis getragenen Arbeitskopf, aus dem der Laserstrahl austritt.
Derartige Vorrichtungen sind grundsätzlich bekannt, beispielsweise aus DE 10 2016 103 578 A1 . Die dort beschriebene Vorrichtung dient insbesondere zum Aufrauen von Zylinderlaufflächen in Zylinderbohrungen von Verbrennungsmotoren. Hierbei wird der in die Zylinderbohrung eintauchende Arbeitskopf um eine mit der Symmetrieachse der Zylinderbohrung zusammenfallende Drehachse in Rotation versetzt und gleichzeitig in axialer Richtung bewegt. Mit dem schräg zur Drehachse aus dem Arbeitskopf austretenden Laserstrahl kann auf diese Weise die Zylinderlauffläche überstrichen und mit der jeweils gewünschten Strukturierung versehen werden.
Vorrichtungen der eingangs genannten Art werden aber auch ohne rotierenden Arbeitskopf eingesetzt. Unabhängig davon, ob der Arbeitskopf rotiert oder nicht, kann der Arbeitskopf bzw. die Basis samt Arbeitskopf beispielsweise parallel zu einer Werkstückoberfläche oder senkrecht zu einer Flächennormalen der Werkstückoberfläche verfahren werden. Die Werkstückoberfläche kann gekrümmt oder eben sein. Grundsätzlich ist es auch möglich, das Werkstück relativ zu dem stationären Arbeitskopf zu bewegen.
Strukturen, die zum Aufrauen von Werkstückoberflächen mittels derartiger Vorrichtungen herstellbar sind, sind beispielsweise in DE 10 2007 023 418 B4 beschrieben. Bei diesen Strukturen handelt es sich um sogenannte Mikrostrukturen in Form von schräg unter Winkeln im Bereich von 20 bis 80 Grad relativ zur Werkstückoberfläche verlaufenden, taschenartigen Vertiefungen. Der Durchmesser dieser Mikrostrukturen kann jeweils 10 bis 150 Mikrometer betragen, wobei die Tiefe der Strukturen beispielsweise 20 bis 300 Mikrometer betragen kann.
Insbesondere bei der Herstellung derartiger Strukturen in Zylinderbohrungen, aber auch an anders geformten Werkstücken, ist man generell bestrebt, die Bearbeitungszeit pro Zylinderbohrung bzw. Werkstück zu minimieren und gleichzeitig die Strukturen mit möglichst hoher Präzision herzustellen. Dies macht es erforderlich, die Laserleistung sowie die Geschwindigkeit, mit welcher der Laserstrahl die jeweilige Werkstückoberfläche überstreicht, zu erhöhen. Bei der Bearbeitung von Zylinderbohrungen beispielsweise muss folglich die Drehzahl des Arbeitskopfes erhöht werden. Dies führt zu einer stärkeren mechanischen und - aufgrund der höheren Laserleistung - auch thermischen Belastung der Bauteile der Bearbeitungsvorrichtung und erhöht zudem die Anforderungen an eine korrekte Ausrichtung der optischen Komponenten sowie an die Überwachung der Vorrichtung und des Bearbeitungsprozesses.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine diesen Anforderungen gerecht werdende Werkstückbearbeitung zu ermöglichen.
Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt durch eine Bearbeitungsvorrichtung mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 1.
Bei der erfindungsgemäßen Bearbeitungsvorrichtung ist vorgesehen, dass der Arbeitskopf von einem Rotor getragen ist, der an der Basis drehbar gelagert ist und im Betrieb um eine Drehachse relativ zur Basis rotiert, wobei für den Rotor eine Fluidkühlung und/oder eine fluidgekühlte Abschirmung vorgesehen ist.
Mit einem rotierenden Arbeitskopf können hohe Bearbeitungsgeschwindigkeiten erreicht werden. Die Geschwindigkeit, mit welcher der aus dem rotierenden Arbeitskopf austretende Laserstrahl die Oberfläche des jeweiligen Werkstücks überstreicht, kann insbesondere in einem Bereich von 1 bis 500 Meter pro Sekunde liegen. Bei einer vergleichsweise hohen (mittleren) Leistung des Laserstrahls, die z.B. im Bereich von 200 bis 5.000 Watt liegt, kann es - auch in Abhängigkeit von der Form der jeweils zu bearbeitenden Werkstückoberfläche - im Bereich des Arbeitskopfes und somit auch im Bereich des Rotors zu einer starken Wärmeentwicklung kommen. Problematisch kann insbesondere die von der Werkstückoberfläche reflektierte Laserstrahlung sein, die auf den Arbeitskopf und auf den Rotor auftreffen kann. Dies ist insbesondere dann der Fall, wenn die zu bearbeitende Oberfläche den Arbeitskopf und den Rotor zumindest teilweise umgibt, wie es beispielsweise bei der Bearbeitung von Zylinderbohrungen der Fall ist, in die der Arbeitskopf während der Bearbeitung eintaucht.
Mit dem erfindungsgemäßen Wärmeschutz für den Rotor, der als Fluidkühlung und/oder als eine fluidgekühlte Abschirmung vorgesehen sein kann, können hohe Rotordrehzahlen und hohe Laserleistungen verwendet werden, ohne den Rotor übermäßig thermisch zu belasten.
Bei dem Wärmeschutz kann es sich beispielsweise um eine indirekte oder direkte Fluidkühlung handeln. So kann beispielsweise die Außenseite des Rotors mit einem Kühlgas umströmt werden. Um in Richtung des Rotors einfallende Wärmestrahlung oder vom Werkstück reflektierte Laserstrahlung vom Rotor fernzuhalten, ist eine direkte Kühlung des Rotors nicht erforderlich. Es kann dann eine erfindungsgemäße fluidgekühlte Abschirmung zum Einsatz kommen. In diesem Fall erwärmt sich nicht der Rotor, sondern die Abschirmung bzw. das für die Kühlung der Abschirmung verwendete Kühlfluid. Ein Vorteil der Rotorabschirmung ist, dass diese mit Abstand vom Rotor abgebracht sein kann. Beispielsweise kann ein Luftspalt zwischen Abschirmung und Rotor vorhanden sein. Dies vereinfacht die Konstruktion.
Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen, der nachfolgenden Beschreibung sowie der Zeichnung angegeben.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist vorgesehen, dass die Fluidkühlung und/oder die fluidgekühlte Abschirmung nichtrotierend ausgebildet ist. Die Fluidkühlung bzw. Abschirmung kann hierdurch z.B. einfach an einem Gehäuse der Basis angebracht werden. Die Konstruktion der Bearbeitungsvorrichtung wird hierdurch erheblich vereinfacht.
Des Weiteren kann vorgesehen sein, dass die Fluidkühlung und/oder die fluidgekühlte Abschirmung zumindest teilweise in die Basis integriert ist.
In einer Weiterbildung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass die Fluidkühlung und/oder die fluidgekühlte Abschirmung dazu ausgebildet ist, den Rotor von au-ßen zu kühlen und/oder abzuschirmen. Das Innere des Rotors kann somit für andere Zwecke genutzt werden, insbesondere zur Ausbreitung des Laserstrahls.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel umfasst die Fluidkühlung und/oder die fluidgekühlte Abschirmung einen Wärmetauscher, der ein Kühlfluid dem Rotor und/oder der Abschirmung zuführt und nach Wechselwirkung mit dem Rotor und/oder der Abschirmung wieder abführt. Insbesondere umfasst der Wärmetauscher einen Kühlfluidkreislauf.
Vorzugsweise wird ein Kühlfluid der Fluidkühlung und/oder der fluidgekühlten Abschirmung von einer Flüssigkeit gebildet. Die Kühlflüssigkeit ist insbesondere Wasser. Dies ist jedoch nicht zwingend. Alternativ können andere Kühlflüssigkeiten oder auch Kühlgase zum Einsatz kommen.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung ist der Rotor zumindest bereichsweise von einem Kühlmantel der Fluidkühlung und/oder der fluidgekühlten Abschirmung umgeben. Der Kühlmantel kann mehrteilig ausgeführt sein. Vorzugsweise ist der Kühlmantel nichtrotierend an der Basis angebracht. Der Kühlmantel kann zumindest einen Teil eines Fluidkreislaufes bilden.
Des Weiteren ist bevorzugt vorgesehen, dass der Kühlmantel eine Kühlstruktur für ein Kühlfluid aufweist. Bei der Kühlstruktur kann es sich um ein Kanalsystem handeln. So kann beispielsweise der Kühlmantel von einem oder mehreren, beispielsweise mäanderförmig verlaufenden Kühlkanälen durchzogen sein, durch die ein Kühlfluid zirkuliert. Eine mehrteilige Ausgestaltung des Kühlmantels erleichtert die Herstellung einer derartigen Kühlstruktur.
Die Kühlstruktur kann durch eine Innenwand und durch eine äußere Ummantelung des Kühlmantels begrenzt sein.
Die äußere Ummantelung kann derart geformt und dimensioniert sein, dass sie mit dem Arbeitskopf und insbesondere einer an anderer Stelle näher beschriebenen Schutzabdeckung des Arbeitskopfes sowohl optisch als auch strömungstechnisch zusammenwirken kann. Insbesondere kann die äußere Ummantelung zumindest im Wesentlichen bündig oder unter Ausbildung eines relativ kleinen Spaltes oder einer vergleichsweise kleinen Stufe mit der Schutzabdeckung abschließen.
Wenn der Kühlmantel mehrteilig ausgebildet ist, dann kann ein Innenteil des Kühlmantels die Innenwand und ein Außenteil des Kühlmantels die äußere Ummantelung bilden. Die Kühlstruktur kann einstückig am Innenteil oder am Außenteil ausgebildet sein. Die Kühlstruktur, beispielsweise ein Kanalsystem, kann auf diese Weise einfach hergestellt und einfach durch Zusammensetzen des Kühlmantels und Anbringen des Kühlmantels an der Basis montiert werden.
Vorzugsweise sind das Innenteil und das Außenteil des Kühlmantels derart ausgebildet, dass sie zur Montage übereinander gesteckt oder übereinander geschoben werden können. Die beiden Teile können z.B. bereits vor der gemeinsamen Montage zusammengesteckt oder zusammengeschoben werden. Alternativ kann beispielsweise das Innenteil an der Basis vormontiert und das Außenteil anschließend mit dem Innenteil verbunden werden.
Des Weiteren kann vorgesehen sein, dass der Kühlmantel oder jeweils ein Innenteil und/oder ein Außenteil des Kühlmantels einen den Rotor umgebenden Kühlabschnitt sowie einen bezüglich der Drehachse des Rotors axial nach außen vom Kühlabschnitt abstehenden Befestigungsabschnitt umfasst bzw. umfassen. Der Kühlabschnitt ist vorzugsweise zylindrisch ausgebildet. Der Befestigungsabschnitt kann z.B. scheiben- oder plattenförmig ausgebildet sein.
Der Befestigungsabschnitt kann dazu dienen, ein Kühlfluid zuzuführen und/oder abzuführen. Insbesondere kann hierzu der Befestigungsabschnitt entsprechende Mittel aufweisen, die mit dem Kühlabschnitt in Fluidverbindung stehen. Hierbei kann es genügen, wenn die zum Zuführen und/oder Abführen des Kühlfluids dienenden Mittel, beispielsweise eine oder mehrere, insbesondere radial verlaufende Kanäle, nur in einem der Befestigungsabschnitte, beispielsweise des Innenteils, ausgebildet sind. Das andere Teil kann dann einen vergleichsweise einfachen Aufbau aufweisen. Mittel zum Zuführen und/oder Abführen des Kühlfluids können alternativ oder zusätzlich aber auch in der Basis, beispielsweise in einem Gehäuse der Basis, vorgesehen sein.
Der Kühlmantel kann für andere Zwecke genutzt werden. So kann beispielsweise vorgesehen sein, dass in den Kühlmantel, insbesondere in einem Befestigungsabschnitt des Kühlmantels, eine Arbeitsbeleuchtung integriert ist. Bei der Arbeitsbeleuchtung kann es sich um mehrere einzelne Lichtquellen, beispielsweise in Form von LEDs, handeln. Das Licht der Arbeitsbeleuchtung kann zumindest näherungsweise monochromatisch sein. Alternativ kann der Arbeitsbeleuchtung ein optischer Filter zugeordnet sein.
Der Rotor kann sich über einen Teil seiner Länge außerhalb der Basis oder eines Gehäuses der Basis erstrecken. In diesem Fall ist bevorzugt vorgesehen, dass die Fluidkühlung und/oder die fluidgekühlte Abschirmung einem außerhalb der Basis gelegenen Teil des Rotors zugeordnet ist.
In einer bevorzugten Ausgestaltung sind eine Lagerung und/oder ein Drehantrieb des Rotors innerhalb der Basis gelegen, wobei die Fluidkühlung und/oder die fluidgekühlte Abschirmung ausschließlich für einen außerhalb der Basis gelegenen Teil des Rotors vorgesehen sind.
Wenn der Rotor über eine Außenseite der Basis hinaus vorsteht, dann kann vorgesehen sein, dass der Rotor den Arbeitskopf an seinem von der Außenseite beabstandeten freien Ende trägt und die Fluidkühlung und/oder die fluidgekühlte Abschirmung in einem Bereich zwischen der Außenseite der Basis und dem Arbeitskopf vorgesehen ist.
Insbesondere dann, wenn der Arbeitskopf an seinem der Basis zugewandten Ende einen größeren Durchmesser aufweist als der Rotor, dann kann der Raum um den Rotor herum in einer insbesondere optisch und/oder strömungstechnisch vorteilhaften Weise von der Fluidkühlung und/oder der fluidgekühlten Abschirmung genutzt werden. Insbesondere kann in diesem Raum ein Kühlmantel der Fluidkühlung bzw. Abschirmung angeordnet werden.
Es kann vorgesehen sein, dass der Arbeitskopf im Betrieb mit einer Drehzahl im Bereich von 300 bis 20.000 Umdrehungen pro Minute rotiert. Insbesondere beträgt die Drehzahl des Rotors 1.000 bis 8.000 Umdrehungen pro Minute.
Die Leistung des Laserstrahls kann im Betrieb im Bereich von 200 bis 5.000 Watt liegen, insbesondere in einem Bereich von 500 bis 3.000 Watt. Der Laserstrahl kann gepulst oder kontinuierlich betrieben werden. Bei einem gepulsten Laserbetrieb ist unter der Leistung des Laserstrahls die mittlere Leistung des Laserstrahls zu verstehen, also die über die Zeit gemittelte Leistung.
Strukturen, die mit der Erfindung in Werkstückoberflächen herstellbar sind, können die folgenden Abmessungen aufweisen: Tiefe: 10µm - 5mm, insbesondere 30 - 300µm; Breite: 10µm - 1 mm, insbesondere 30 - 300µm; Länge: mindestens 10µm. Wenn der Laser im Dauerstrich-Modus („CW-Modus“) betrieben wird, ergibt sich zwangsläufig eine durchgehende Struktur von grundsätzlich beliebiger Länge.
Mit der Erfindung können an Oberflächen von Werkstücken Flächenbelegungen (= jeweils Anteil der mit einer Struktur belegten Fläche an der gesamten vom Laserstrahl überstrichenen Fläche) erzeugt werden, die im Bereich von 5 bis 100% liegen, insbesondere im Bereich von 50 bis 80%. Ein Wert von 100% ist möglich, da auch überlappende Strukturen erzeugt werden können.
Als Werkstückmaterialien kommen grundsätzlich alle Metalle in Frage. Insbesondere können Werkstücke aus Aluminium-, Eisen-, Nickel- und Nichteisenlegierungen bearbeitet werden.
Als Laserquelle können z.B. Halbleiterdioden-Laser, Festkörper-Laser, Gas-Laser und Ultrakurzpuls-Laser eingesetzt werden. Insbesondere kommen Laser hoher Strahlgüte oder Single-Mode-Laser zum Einsatz. Ein möglicher Laser-Typ ist ein Single-Mode-Faserlaser. Die Wellenlänge der eingesetzten Laserstrahlung ergibt sich für jeden dieser Lasertypen aus dem jeweils konkret verwendeten Laser. So kann z.B. ein Festkörper-Laser ein Faser-Laser oder ein Scheiben-Laser sein. Ein Gaslaser kann z.B. ein CO2-Laser oder ein Excimer-Laser sein.
Wenn ein gepulster Laserstrahl eingesetzt wird, kann mit einer Pulsfrequenz bis in den MHz-Bereich gearbeitet werden. Insbesondere liegt die maximale Pulsfrequenz bei einigen 100kHz, bevorzugt unterhalb von 100kHz. Die Pulsdauer kannjeweils im Bereich von 1fs bis 10ms liegen, insbesondere im Bereich von 1µs bis 1ms. Der Laser kann aber auch im Dauerstrich-Modus („CW-Modus“) betrieben werden.
Die Erfindung wird im Folgenden beispielhaft unter Bezugnahme auf die Zeichnung beschrieben. Es zeigen:

1 schematisch ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemä-ßen Bearbeitungsvorrichtung,
2 einen vergrößerten Ausschnitt von 1,
3 und 4 Fotos von während des Betriebs einer erfindungsgemäßen Vorrichtung entstehenden Lichtmustern, und
5 bis 8 Prinzipdarstellungen von Lichtmustern, die während des Betriebs einer erfindungsgemäßen Bearbeitungsvorrichtung entstehen können.

Gemäß 1 und 2 umfasst die erfindungsgemäße Bearbeitungsvorrichtung eine Basis 17 mit einem Gehäuse 18. In dem Gehäuse ist ein Rotor 27 um eine Drehachse 23 mittels Wälzlagern 81 drehbar gelagert. Den Drehantrieb für den Rotor 27 bildet ein Elektromotor, dessen Stator 83 dargestellt ist.
Der Rotor 27 ragt aus dem Gehäuse 18 heraus und steht über eine Unterseite der Basis 17 hinaus vor. An seinem freien Ende trägt der Rotor 27 einen Arbeitskopf 21, aus dem im Betrieb der Vorrichtung ein Laserstrahl 15 schräg unter einem Winkel von beispielsweise 30° bis 90° zur Drehachse 23 austritt. Hierzu ist in einem Innenraum 51 des Arbeitskopfes 21 eine Umlenkeinrichtung 25 in Form eines Drehspiegels angeordnet, der gemeinsam mit dem Rotor 27 und somit dem Arbeitskopf 21 um die Drehachse 23 rotiert.
Der Arbeitskopf 21 ist mit einer kappenartigen Schutzabdeckung 37 versehen, die den Arbeitskopf 21 - genauer gesagt den Innenraum 51 und somit die darin befindlichen Bauteile - mit Ausnahme eines Austritts für den Laserstrahl 15 vollständig abdeckt. Der Austritt für den Laserstrahl 15 wird von einem als Austrittsfenster dienenden Schutzglas 53 sowie einem Düsenelement 47 gebildet, das in einer Öffnung 49 der Schutzkappe 37 sitzt. Durch das Schutzglas 53 ist der Innenraum 51 von der Düse 47 gasdicht getrennt und somit vor äußeren Einflüssen geschützt.
Die Schutzkappe 37 ist rotationssymmetrisch bezüglich der Drehachse 23 und zudem strömungsgünstig geformt, und zwar in diesem Ausführungsbeispiel nach dem Vorbild eines aus der Luftfahrt bekannten, vor dem Propeller oder dem Triebwerk zentral angeordneten Spinners, der als eine stromlinienförmige Verkleidung dient. Hierauf wird nachstehend näher eingegangen.
Der Laserstrahl 15 wird von einer externen Laserstrahlquelle 11 erzeugt und mittels einer Einrichtung 13 in die erfindungsgemäße Bearbeitungsvorrichtung eingekoppelt. Alternativ kann die Laserstrahlquelle 11 ein Bestandteil der erfindungsgemäßen Bearbeitungsvorrichtung sein.
Eine Kollimationsoptik 29 für den Laserstrahl 15 kann eine Brennweite im Bereich von 50 bis 450 mm und insbesondere im Bereich von 100 bis 300 mm aufweisen.
Der hierdurch einen parallelen Strahlungsverlauf aufweisende Laserstrahl 15 trifft auf einen teildurchlässigen Umlenkspiegel 95. Der auf diese Weise umgelenkte Laserstrahl 15 breitet sich entlang einer optischen Achse aus, die mit der Drehachse 23 des Rotors 27 zusammenfällt.
Innerhalb der Basis 17 tritt der Laserstrahl 15 durch eine Fokussieroptik 19, die beispielsweise eine Brennweite im Bereich von 150 bis 600 mm und insbesondere im Bereich von 200 bis 400 mm aufweisen kann. Anschließend trifft der Laserstrahl 15 auf die im Arbeitskopf 21 angeordnete Umlenkeinrichtung 25, die aufgrund der Rotation des Arbeitskopfes 21 als Drehspiegel für den Laserstrahl 15 wirksam ist.
Die Fokusebene der Fokussieroptik 19 ist während des Betriebs auf eine zu bearbeitende Oberfläche 33 eines Werkstücks 31 eingestellt. Bei der Werkstückoberfläche 33 handelt es sich in der hier gezeigten Anwendung um die Lauffläche einer Zylinderbohrung 99. In 1 ist rein beispielhaft ein Werkstück 31 mit mehreren Zylinderbohrungen 99 dargestellt, die nacheinander bearbeitet werden sollen.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann auch dazu verwendet werden, anders geformte und insbesondere auch ebene Werkstücke zu bearbeiten.
Nicht dargestellt ist eine besondere Art der axialen Lagerung des Rotors 27. Der Rotor 27 ist axial an einem vom Gehäuse 18 gebildeten oder selbst am Gehäuse 18 abgestützten Widerlager abgestützt, und zwar derart, dass dieses Widerlager dem Rotor 27 in einer Richtung entgegenwirkt (in 1 also nach oben), die der Ausbreitungsrichtung des Laserstrahls 15 von der Fokussieroptik 19 zum Arbeitskopf 21 entgegengesetzt ist. Hierdurch wird erreicht, dass sich der Rotor 27 im Falle einer Erwärmung nicht in Richtung des Arbeitskopfes 21, sondern in die entgegengesetzte Richtung ausdehnt. Eine Veränderung des Abstandes zwischen der nicht mit dem Rotor 27 verbundenen Fokussieroptik 19 und dem Arbeitskopf 21 wird so vermieden. Dies bedeutet, dass die optischen Eigenschaften auch bei einer wärmebedingten Ausdehnung des Rotors 27 unverändert bleiben.
Das optische System der Bearbeitungsvorrichtung umfasst außerdem eine in der optischen Achse des Laserstrahls 15 auf der anderen Seite des teildurchlässigen Spiegels 95 angeordnete Kamera 85, die ein eine oder mehrere Linsen umfassendes Objektiv 87 mit einem vorgeschalteten optischen Filter 91 aufweist.
Die einzelnen optischen Komponenten der Kollimationsoptik 29, der Fokussieroptik 19 sowie des Objektivs 87 der Kamera 85 sind jeweils mittels einer Verstelleinrichtung 30, 20 bzw. 88 entlang der optischen Achse verstellbar. Es ist möglich, die einzelnen optischen Komponenten in einfach auswechselbaren Einsätzen anzuordnen, z.B. in Laufbuchseneinsätzen.
Das letztlich wirksame Objektiv der Kamera 85 wird tatsächlich von dem Objektiv 87 und der Fokussieroptik 19 gemeinsam gebildet. Insbesondere in Verbindung mit der erwähnten Verstellbarkeit der optischen Komponenten kann hierdurch die Kamera 85 in vielfältiger Weise genutzt werden, worauf nachstehend näher eingegangen wird.
Die Basis 17 ist an ihrem unteren, während des Betriebs dem jeweiligen Werkstück 31 zugewandten Ende, aus welchem der Rotor 27 vorsteht, mit einem mehrteiligen Funktionsbauteil versehen, das mehreren Zwecken dient. Dieses Funktionsbauteil umfasst ein Innenteil 67 sowie ein Außenteil 69, die jeweils einen zylindrischen, den aus der Basis 17 vorstehenden Teil des Rotors 27 konzentrisch umgebenden Abschnitt sowie einen plattenförmigen Befestigungsabschnitt 77 bzw. 79 aufweisen. Die Form der Befestigungsabschnitte 77, 79 entspricht dem Querschnitt des Gehäuses 18 der Basis 17 senkrecht zur Drehachse 23. Das Gehäuse 18 ist bevorzugt zylindrisch mit einem kreisförmigen Querschnitt ausgebildet, so dass die Befestigungsabschnitte 77, 79 jeweils von einer kreisförmigen Platte mit einer zentralen Öffnung für den Rotor 27 gebildet sind. Alternativ können das Gehäuse 18 und die Befestigungsabschnitte 77, 79 auch einen quadratischen oder rechteckigen Querschnitt aufweisen.
Die Befestigungsabschnitte 77, 79 sowie die zylindrischen Abschnitte des Innenteils 67 und des Außenteils 69 sind im dargestellten Ausführungsbeispiel jeweils einstückig miteinander ausgebildet. Eine jeweils mehrteilige Ausführung ist alternativ möglich.
Das Innenteil 67 und das Außenteil 69 sind an der Unterseite des Gehäuses 18 der Basis 17 befestigt und rotieren folglich während des Betriebs nicht. Die zylindrischen Abschnitte, insbesondere eine Innenwand 71 des Innenteils 67 sowie eine äußere Ummantelung 39 des Außenteils 69, bilden einen konzentrischen Mantel für den vorstehenden Abschnitt des Rotors 27 zwischen der Unterseite des Gehäuses 18 der Basis 17 und der am freien Ende des Rotors 27 getragenen Schutzkappe 37.
Ein Zweck dieses Funktionsbauteils 67, 69 besteht darin, als Träger für eine Arbeitsbeleuchtung zu dienen, die hier in Form mehrerer nach unten in den Arbeitsbereich abstrahlender LEDs 35 vorgesehen ist. Das ausgesandte Licht der LEDs 35 kann monochromatisch sein. Alternativ kann diese Arbeitsbeleuchtung 35 mit einem optischen Filter versehen sein, der nur für einen vorgegebenen Wellenlängenbereich durchlässig ist. Der optische Filter kann beispielsweise als Absorptionsfilter, Bandpassfilter, dichroitischer Filter, Interferenzfilter, Kantenfilter oder Kerbfilter ausgeführt sein.
Die Arbeitsbeleuchtung 35, gegebenenfalls in Verbindung mit ihrem erwähnten optischen Filter, kann auf die Kamera 85 und deren optischen Filter 91 abgestimmt sein, um eine Ausleuchtung des Arbeitsbereiches zu erzielen, die auf die jeweils mit der Kamera 85 durchgeführte Anwendung abgestimmt ist.
Des Weiteren dient das Funktionsbauteil als fluidgekühlte Abschirmung für den Rotor 27. Insbesondere bilden die beiden zylindrischen Abschnitte des Innenteils 67 und des Außenteils 69 einen den Rotor 27 umgebenden Kühlmantel einer Fluidkühlung. Vor allem schützt der fluidgekühlte Mantel den Rotor 27 vor der von der Werkstückoberfläche 33 reflektierten Laserstrahlung. Ein solches „Hitzeschild“, das im Folgenden auch einfach als Kühlung oder Fluidkühlung des Rotors 27 bezeichnet wird, ist auch vorteilhaft aufgrund der durch die vergleichsweise hohe Laserleistung bedingten Wärmeentwicklung im Arbeitsbereich, im dargestellten Ausführungsbeispiel also innerhalb der zu bearbeitenden Zylinderbohrungen 99.
Die Innenwand 71 des Innenteils 67 sowie die äußere Ummantelung 39 des Außenteils 69 bilden jeweils einen Kühlabschnitt des Kühlmantels und begrenzen gemeinsam eine Kühlstruktur in Form eines von einem Kühlfluid durchströmten Kanalsystems 73, das in 1 und 2 vereinfacht als ein Ringraum dargestellt ist. In diesem Ausführungsbeispiel ist die Kühlstruktur an der Außenseite der Innenwand 71 ausgebildet, wohingegen die Innenseite der äußeren Ummantelung 39 keine Kühlstrukturen aufweist. Alternativ können die das Fluidkanalsystem 73 begrenzenden Strukturen, wie insbesondere den Verlauf des Kanalsystems bestimmende Wände bzw. Vertiefungen, auch an der Innenseite der äußeren Ummantelung 39 vorgesehen sein.
Die Abdichtung erfolgt durch axial oberhalb und axial unterhalb des Kanalsystems 73 angeordnete O-Ring-Dichtungen zwischen der Innenwand 71 und der äußeren Ummantelung 39.
Als Kühlfluid dient vorzugsweise eine Flüssigkeit, insbesondere Wasser. Alternativ kann auch ein gasförmiges Kühlfluid verwendet werden. Vorzugsweise zirkuliert das Kühlfluid in einem Kreislauf. Mit dem Kanalsystem 73 und einer nicht dargestellten Kühlfluidquelle kommunizierende Zuführ- und Abführkanäle sind nicht dargestellt und verlaufen beispielsweise durch den Befestigungsabschnitt 77 des Innenteils. Auf diese Weise kann das Kühlfluid radial von außen zugeführt bzw. nach außen abgeführt werden.
Des Weiteren dient das den Rotor 27 umgebende Funktionsbauteil 67, 69 dazu, der zusammen mit dem Arbeitskopf 21 rotierenden Düse 47 ein Prozessgas zuzuführen. Bei dem Prozessgas handelt es sich insbesondere um ein Inertgas. Beispielsweise kann Stickstoff, Helium oder Argon eingesetzt werden. Es ist auch möglich, Sauerstoff oder Druckluft als Prozessgas zu verwenden.
Der Einsatz von Prozessgasen an Laserbearbeitungsvorrichtungen ist grundsätzlich bekannt. Im Rahmen der vorliegenden Offenbarung besteht eine Besonderheit darin, dass das Prozessgas unter vergleichsweise hohem Druck zugeführt wird, d.h. die Gasdüse 47 mit einem relativ hohen Druck beaufschlagt wird, der höher als ein typischerweise verwendeter Sperrdruck ist und insbesondere mehr als etwa 0,5 bar beträgt. Insbesondere kann gemäß der vorliegenden Offenbarung das Prozessgas unter einem Druck von mehr als 1 bar und insbesondere von bis zu 15 bar und mehr zugeführt werden.
Die Zuführung des von einer Prozessgasquelle 42 z.B. in Form einer Gasflasche bereitgestellten Prozessgases erfolgt über das nichtrotierende Funktionsbauteil, das den außerhalb des Gehäuses 18 der Basis 17 liegenden Teil des Rotors 27 umgibt.
Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist im Befestigungsabschnitt 77 des Innenteils 67 ein radial verlaufender, als Gaszuführung 43 dienender Kanal ausgebildet, der in einen axial verlaufenden Kanal 57 übergeht, welcher einen der Basis zugeordneten Gaszuführweg bildet. Vor dem axial unteren Ende der den Rotor 27 umgebenden Innenwand 71 geht der axiale Gaskanal 57 in einen Ringkanal 61 über, der einen Bestandteil einer Drehdurchführung 59 für das zugeführte Prozessgas zum sich während des Betriebs drehenden Rotor 27 bildet. In axialer Richtung ist diese Drehdurchführung 59 durch Gasabdichtungen 65 abgedichtet. Diese Gasabdichtungen 65 können berührend oder berührungslos ausgeführt sein. Als berührende Gasabdichtungen kommen beispielsweise O-Ring-, Wellen-, Gleitring-, Kolben- oder Stangendichtungen zum Einsatz. Alternativ können berührungslose Spalt-, Sperrluft- oder Labyrinthdichtungen vorgesehen sein.
Für den Fall, dass die Gasabdichtungen 65 versagen, ist im Gehäuse 18 der Basis 17 ein Überdruckkanal 66 ausgebildet, der mit dem Raum zwischen der Außenseite des Rotors 27 und der dem Rotor 27 zugewandten Innenseite der Innenwand 71 des Innenteils 77 in Verbindung steht. Über diesen Kanal 66 kann die Abdichtungen 65 überwindendes Prozessgas notfalls aus der Vorrichtung entweichen, ohne in das Innere der Basis 17 zu gelangen.
Im Rotor 27 ist ein als Gaszuführung für die Gasdüse 47 dienender Gaszuführweg 63 in Form eines Kanals ausgebildet, der über einen radialen Einlass 62 permanent mit dem Ringraum 61 in Verbindung steht. Der Gaszuführweg 63 des Rotors 27 geht in einen Gasausbreitungsweg 55 des Arbeitskopfes 21 über und mündet in den Austrittskanal des Düsenelements 47, über den das zugeführte Prozessgas zu einer Austrittsöffnung 48 des Düsenelementes 47 strömen und als ein Gasstrahl austreten kann.
Die Mittelachse der Düse 47 und somit des Gasstrahls fällt mit der optischen Achse des zuvor am Spiegel 25 umgelenkten Laserstrahls 15 zusammen. Dies ist jedoch nicht zwingend. In einer alternativen Ausgestaltung können der austretende Gasstrahl und der austretende Laserstrahl 15 auch auseinanderfallen. Die Schutzkappe 37 kann beispielsweise einen Gasaustritt aufweisen, der räumlich von einem Austritt für den Laserstrahl getrennt ist. In diesem Fall können der Laserstrahl 15 und der Gasstrahl derart ausgerichtet sein, dass sie auf der zu bearbeitenden Werkstückoberfläche 33 zusammentreffen, d.h. auf die gleiche Stelle der Werkstückoberfläche 33 zielen.
Der insbesondere den Drehspiegel 25 enthaltende Innenraum 51 der Schutzabdeckung 37 ist durch das an einer Halterung 54 auswechselbar befestigte Schutzglas 53 von dem Ausbreitungsweg 55 des Prozessgases innerhalb des Arbeitskopfes 21 getrennt. Das Prozessgas kann folglich nicht in jenen Teil des Arbeitskopfes 21 sowie des Rotors 27 gelangen, in welchem sich die optischen Komponenten befinden und sich der Laserstrahl 15 ausbreitet.
Bei dem in die Öffnung 49 der Schutzkappe 37 eingesetzten Düsenelement 47 kann es sich um ein auswechselbares Bauteil handeln. Die Länge des Düsenelements 47 und somit der Abstand der Austrittsöffnung 48 der Düse 47 von den übrigen Komponenten des Arbeitskopfes 21 und insbesondere von der Drehachse 23 kann so auf die Abmessungen des jeweils zu bearbeitenden Werkstücks 31 angepasst werden, beispielsweise an den Durchmesser der zu bearbeitenden Innenflächen 33 der Zylinderbohrungen 99. Auf diese Weise kann ein jeweils gewünschter Arbeitsabstand zwischen der zu bearbeitenden Innenfläche 33 und der Austrittsöffnung 48 der Düse 47 erreicht werden. In Abhängigkeit von der jeweiligen Anwendung kann dieser Abstand in einem Bereich von 0,3 bis 20 mm und insbesondere in einem Bereich von 0,5 bis 5 mm liegen.
Der Abstand der Austrittsöffnung 48 des Düsenelements 47 von der Außenseite der Schutzkappe 37 kann beispielsweise im Bereich von 0 bis 100mm liegen, insbesondere im Bereich von 0 bis 40mm. Ein über die Außenseite der Schutzkappe 37 vorstehendes oder aus der Schutzkappe 37 herausragendes Düsenelement 47 ist aber nicht zwingend. Die Austrittsöffnung 48 kann in der Außenseite der Schutzkappe 37 liegen oder nach innen zurückversetzt sein, d.h. das Düsenelement 47 kann in die Schutzkappe 37 integriert sein.
Mit einem hinsichtlich Stärke und Form geeignet ausgebildeten und ausreichend präzise platzierten Gasstrahl kann erreicht werden, dass die bei der Bearbeitung des Werkstücks mit dem Laserstrahl 15 entstehende Schmelze, d.h. das verdampfende Werkstückmaterial, aus der durch die Laserbearbeitung herzustellenden Oberflächenstruktur zuverlässig ausgetrieben wird. Hierdurch können Oberflächenstrukturen mit einer extrem hohen Genauigkeit erzeugt werden.
Der Arbeitskopf ist durch die Schutzkappe 37 und das Schutzglas 53 nicht nur vor der bei der Laserbearbeitung entstehenden Wärme insbesondere aufgrund der von der Werkstückoberfläche 33 reflektierten Laserstrahlung, sondern auch vor den dabei entstehenden Materialspritzern geschützt, die insbesondere auch aufgrund der Verwendung des Gasstrahls vergleichsweise stark beschleunigt werden.
Diese relativ belastenden Arbeitsbedingungen im Bereich des Arbeitskopfes 21 sind insbesondere eine Folge der vergleichsweise hohen Leistung des Laserstrahls 15 sowie der relativ hohen Drehzahl des Rotors 27. Diese Betriebsparameter sind - wie an anderer Stelle bereits erwähnt - erforderlich, um eine hohe Bearbeitungsgeschwindigkeit bei gleichzeitig hoher Genauigkeit der herzustellenden Oberflächenstrukturen zu erreichen.
Die Laserbearbeitung kann mit einem gepulsten oder einem kontinuierlich ausgesandten Laserstrahl 15 erfolgen. Die mittlere Laserleistung kann im Bereich von 200 bis 5.000 Watt, insbesondere im Bereich von 500 bis 3.000 Watt liegen. Die Drehzahl des Rotors 27 kann im Bereich von 300 bis 20.000 U/min liegen. Der Arbeitskopf 21 kann mit einer Geschwindigkeit von 0,1 bis 30 Zentimeter pro Sekunde axial verfahren werden. Bei einem Durchmesser einer zu bearbeitenden Zylinderbohrung 99 im Bereich von 30 bis 150 mm, insbesondere im Bereich von 50 bis 120 mm, können mit der erfindungsgemäßen Bearbeitungsvorrichtung Bearbeitungszeiten pro Zylinder von 1 bis 60 Sekunden erreicht werden. Bei einer Drehzahl des Rotors 27 von etwa 4.500 U/min beispielsweise kann die Innenfläche einer normale Abmessungen aufweisenden Zylinderbohrung 99 innerhalb von etwa 20 Sekunden mit einer Oberflächenstruktur in Form einer Aufrauhung versehen werden.
Um zu verhindern, dass die bei der Bearbeitung entstehende Schmelze sich zum Teil wieder auf der bearbeiteten Oberfläche absetzt und somit die Güte der Oberflächenstruktur beeinträchtigt, ist es bereits bekannt, mit einer Absaugung zu arbeiten. Dies ist in 1 schematisch angedeutet.
Eine Absaugvorrichtung 93 ist über Saugleitungen 97 an die zu bearbeitenden Bohrungen 99 angeschlossen, die - wie in 1 bei der linken Bohrung 99 durch die Pfeile angedeutet - jeweils über ihren Boden beaufschlagt werden.
Die stromlinienförmige Ausgestaltung der Schutzabdeckung 37 des Arbeitskopfes 21 nach Art eines „Spinners“ sorgt dafür, dass während der Bearbeitung durch die vorstehend erläuterte Absaugung im Arbeitsbereich um die Schutzkappe 37 herum Strömungsverhältnisse entstehen, die für einen zuverlässigen Abtransport des mittels der Gasdüse 47 ausgetriebenen Werkstückmaterials sorgen. Insbesondere kann erreicht werden, dass im Bereich der Schutzabdeckung 37 eine zumindest näherungsweise laminare Strömung in dem von der Zylinderbohrung 99 effektiv gebildeten Absaugkanal entsteht.
Das Austreiben des bei der Bearbeitung entstehenden Materials mittels des Gasstrahls und die zuverlässige, durch die strömungsgünstige Formung der Schutzkappe 37 begünstigte Absaugung des ausgetriebenen Materials gewährleisten eine extrem hohe Bearbeitungsgenauigkeit und somit extrem hohe Präzision der jeweils mittels des Laserstrahls 15 hergestellten Oberflächenstrukturen.
Die hohe Bearbeitungspräzision wird insbesondere auch im Hinblick auf die vergleichsweise hohe Drehzahl des Rotors 27 auch dadurch erreicht, dass die Fokussieroptik 19 für den Laserstrahl 15 nicht gemeinsam mit dem Rotor 27 rotiert. Die feststehende Fokussieroptik 19 kann einfacher befestigt und somit ausgerichtet werden. Insbesondere ist eine feststehende Fokussieroptik 19 keinen Zentrifugalkräften ausgesetzt. Eventuelle Fehlausrichtungen einer rotierenden Fokussieroptik dagegen könnten praktisch nicht korrigiert werden und hätten größere Ungenauigkeiten zur Folge als eventuelle Fehlausrichtungen einer feststehenden Fokussieroptik. Insbesondere exzentrische Fehlauslenkungen des Laserstrahls sowie eine „Unwucht“ aufgrund einer nicht exakt ausgerichteten Fokussieroptik werden bei der erfindungsgemäßen Bearbeitungsvorrichtung folglich vermieden.
Des Weiteren kann die nichtrotierende Fokussieroptik 19 vergleichsweise einfach entlang der optischen Achse verstellbar und/oder auswechselbar ausgeführt werden. Hierdurch kann die Bearbeitungsvorrichtung schnell und einfach modifiziert werden, um beispielsweise unterschiedlich große Oberflächenstrukturen zu realisieren, indem die Position oder die Brennweite der Fokussieroptik 19 entsprechend angepasst wird.
Mit der in die erfindungsgemäße Bearbeitungsvorrichtung integrierten, die Kamera 85 mit Objektiv 87 und Filter 91 aufweisenden Beobachtungseinrichtung kann zum einen eine anfängliche Ausrichtung der Vorrichtung und insbesondere des Arbeitskopfes 21 relativ zu dem Werkstück 31 durchgeführt werden. Zum anderen ist es aufgrund des mit der Fokussieroptik 19 zusammenwirkenden, verstellbaren Objektivs 87 der Kamera 85 möglich, deren Fokusebene auf ein jeweils im Strahlengang gelegenes optisches Bauteil einzustellen. Insbesondere kann die dem Arbeitsbereich zugewandte Außenseite des Schutzglases 53 während des Betriebs oder in Betriebsunterbrechungen beobachtet bzw. überprüft werden. Des Weiteren kann auch der Umlenkspiegel 25 überwacht werden, indem die Fokusebene der Kamera 85 entsprechend eingestellt, d.h. die Kamera 85 auf den Umlenkspiegel 85 scharfgestellt wird.
Des Weiteren kann die Kamera 85 für eine laufende Prozessüberwachung eingesetzt werden, indem während der Bearbeitung im Arbeitsbereich entstehende Lichtmuster aufgenommen und diese Bearbeitungsmuster manuell oder automatisch mittels einer Bildbearbeitungssoftware ausgewertet werden. Dies erfolgt in einer Bildverarbeitungseinrichtung 86, die an die Kamera 85 angeschlossen ist.
Derartige Lichtmuster sind in den 3 und 4 anhand während eines realen Bearbeitungsbetriebs aufgenommener Fotos sowie in den 5, 6, 7 und 8 jeweils schematisch dargestellt.
Wie die 3 und 4 zeigen, ist die Kamera 85 mit einem Fadenkreuz 90 versehen, dessen Mittelpunkt mit der optischen Achse der Bearbeitungsvorrichtung zusammenfällt, womit eine exakte Positionierung des Laserstrahls 15 auf der zu bearbeitenden Oberfläche 33 ermöglicht wird.
Das Lichtmuster 89 gemäß 3 ist bezüglich des Fadenkreuzes 90 punktsymmetrisch, was als eine korrekte geometrische Ausrichtung der Vorrichtung gewertet werden kann. Die vier Keulen 92 des Lichtmusters 89 zeigen jedoch nicht alle die gleiche Intensität. Dies kann als eine Störung der Vorrichtung gewertet werden.
In 4 sind die beiden Keulen 92 des Lichtmusters 89 unterschiedlich groß, was wiederum als eine Fehlausrichtung oder als eine andere Störung der Vorrichtung gewertet werden kann.
Der Zusammenhang zwischen einer wie auch immer gearteten Störung eines einem Sollbetriebszustand entsprechenden Lichtmusters einerseits und einer jeweiligen Ursache für die Störung andererseits kann in der Praxis für die jeweilige Bearbeitungsvorrichtung z.B. empirisch ermittelt werden. Dieser Zusammenhang kann insbesondere abhängig sein von der Art und der Leistung der verwendeten Laserstrahlung, von der Beschaffenheit des zu bearbeitenden Werkstücks 31, von dem Austrittswinkel der Laserstrahlung 15 bezogen auf die Drehachse 23, von der Drehzahl des Arbeitskopfes 21 sowie von dem Abstand des Arbeitskopfes 21 bzw. des Umlenkspiegels 25 von der Werkstückoberfläche 33.
Bei der Störung kann es sich um eine Störung der Symmetrie des Lichtmusters handeln. Grundsätzlich kann aber jede Änderung eines einem Sollbetriebszustand entsprechenden Lichtmusters als eine Störung gewertet werden.
Die 5, 6 und 7 zeigen lediglich beispielhaft mögliche symmetrische Lichtmuster 89, die einem ordnungsgemäßen Sollbetriebszustand der Bearbeitungsvorrichtung entsprechen. Eine mögliche Störung des Lichtmusters von 7 ist in 8 dargestellt. Die Symmetrie des Lichtmusters 89 gemäß 8 ist gestört.
An einer Störung oder Änderung eines einem Sollbetriebszustand entsprechenden Lichtmusters kann eine automatisch arbeitende, die mittels der Kamera 85 aufgenommenen Bilder in Echtzeit verarbeitende Bilderkennungssoftware einen Störbetriebszustand der Bearbeitungsvorrichtung erkennen und daraufhin eine vorgegebene Maßnahme ergreifen. Beispielsweise kann die Laserbearbeitung automatisch unterbrochen oder ein entsprechendes Signal ausgegeben werden.
Aus den vorstehenden Ausführungen ergibt sich, dass bei der erfindungsgemäßen Laserstrahlbearbeitungsvorrichtung mehrere neuartige Konzepten verwirklicht sind, die bereits jeweils für sich genommen von Vorteil sind und insbesondere im Zusammenwirken kurze Bearbeitungszeiten pro Werkstück bei gleichzeitig hoher Bearbeitungsgenauigkeit ermöglichen.
Bezugszeichenliste

11: Laserstrahlquelle
13: Einkoppeleinrichtung
15: Laserstrahl
17: Basis
18: Gehäuse
19: Fokussieroptik
20: Verstelleinrichtung
21: Arbeitskopf
23: Drehachse, optische Achse
25: Umlenkeinrichtung, Drehspiegel
27: Rotor
29: Kollimationsoptik
30: Verstelleinrichtung
31: Werkstück
33: Werkstückoberfläche, Innenfläche
35: Arbeitsbeleuchtung, LED
37: Schutzabdeckung
39: Äußere Ummantelung, Kühlabschnitt
41: Spalt
42: Prozessgasquelle
43: Gaszuführung
45: Gasaustritt
47: Düse, Düsenelement
48: Austrittsöffnung
49: Öffnung
51: Innenraum
53: Austrittsfenster, Schutzglas
54: Halterung
55: Prozessgasausbreitungsweg
57: Gaszuführung der Basis
59: Drehdurchführung
61: Ringkanal
62: Einlass
63: Gaszuführweg des Rotors
65: Gasabdichtung
66: Überdruckkanal
67: Innenteil
69: Außenteil
71: Innenwand, Kühlabschnitt
73: Kühlstruktur, Kanalsystem
77: Befestigungsabschnitt des Innenteils
79: Befestigungsabschnitt des Außenteils
81: Lagerung
83: Drehantrieb, Stator
85: Bildaufnahmeeinrichtung, Kamera
86: Bildverarbeitungseinrichtung
87: Objektiv
88: Verstelleinrichtung
89: Lichtmuster
90: Fadenkreuz
91: Filter
92: Keule
93: Absaugvorrichtung
95: Umlenkspiegel
97: Saugleitung
99: Bohrung

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

DE 102016103578 A1 [0002]
DE 102007023418 B4 [0004]

Claims

Vorrichtung zum Bearbeiten von Werkstücken, insbesondere zum Strukturieren von Werkstückoberflächen, mittels Laserstrahlung, mit - einer Laserstrahlquelle (11) zur Erzeugung und/oder einer Einrichtung (13) zur Einkoppelung eines Laserstrahls (15), - einer Basis (17) mit einem Ausbreitungsweg für den Laserstrahl, - einer im Ausbreitungsweg angeordneten Fokussieroptik (19) für den Laserstrahl, und - einem der Fokussieroptik nachgelagerten und von der Basis getragenen Arbeitskopf (21), aus dem der Laserstrahl austritt, wobei der Arbeitskopf von einem Rotor (27) getragen ist, der an der Basis drehbar gelagert ist und im Betrieb um eine Drehachse (23) relativ zur Basis rotiert, und wobei für den Rotor eine Fluidkühlung und/oder eine fluidgekühlte Abschirmung (67, 69, 73) vorgesehen ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Fluidkühlung und/oder die fluidgekühlte Abschirmung nichtrotierend ausgebildet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Fluidkühlung und/oder die fluidgekühlte Abschirmung zumindest teilweise in die Basis (17) integriert ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Fluidkühlung und/oder die fluidgekühlte Abschirmung dazu ausgebildet ist, den Rotor (27) von außen zu kühlen und/oder abzuschirmen.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Fluidkühlung und/oder die fluidgekühlte Abschirmung einen Wärmetauscher, insbesondere mit einem Kühlfluidkreislauf, umfasst, der ein Kühlfluid dem Rotor (27) zuführt und nach Wechselwirkung mit dem Rotor wieder abführt.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei ein Kühlfluid der Fluidkühlung und/oder der fluidgekühlten Abschirmung von einer Flüssigkeit, insbesondere Wasser, gebildet ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Rotor (27) zumindest bereichsweise von einem, bevorzugt mehrteiligen, Kühlmantel (67, 69) der Fluidkühlung und/oder der fluidgekühlten Abschirmung umgeben ist.
Vorrichtung nach Anspruch 7, wobei der Kühlmantel (67, 69) nichtrotierend an der Basis (17) angebracht ist.
Vorrichtung nach Anspruch 7 oder 8, wobei der Kühlmantel (67, 69) zumindest einen Teil eines Fluidkreislaufes bildet.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 9, wobei der Kühlmantel (67, 69) eine Kühlstruktur (73), insbesondere ein Kanalsystem, für ein Kühlfluid aufweist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche, wobei die Kühlstruktur (73) durch eine Innenwand (71) und durch eine äußere Ummantelung (39) des Kühlmantels (67, 69) begrenzt ist.
Vorrichtung nach Anspruch 11, wobei der Kühlmantel mehrteilig ausgebildet ist und ein die Innenwand (71) bildendes Innenteil (67) sowie ein die äußere Ummantelung (39) bildendes Außenteil (69) umfasst, wobei bevorzugt die Kühlstruktur (73), insbesondere einstückig, am Innenteil (67) oder am Außenteil (69) ausgebildet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 12, wobei das Innenteil (67) und das Außenteil (69) des Kühlmantels im montierten Zustand übereinander gesteckt oder geschoben sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 13, wobei der Kühlmantel (67, 69) oder jeweils ein Innenteil (67) und/oder ein Außenteil (69) des Kühlmantels einen den Rotor (27) umgebenden, bevorzugt zylindrischen, Kühlabschnitt (39, 71) sowie einen bezüglich der Drehachse (23) des Rotors axial nach außen vom Kühlabschnitt abstehenden, insbesondere scheiben- oder plattenförmigen, Befestigungsabschnitt (77, 79) umfasst oder umfassen.
Vorrichtung nach Anspruch 14, wobei im Befestigungsabschnitt (77, 79) mit dem Kühlabschnitt (39, 71) in Fluidverbindung stehende Mittel zum Zuführen und/oder Abführen eines Kühlfluids ausgebildet sind.
Vorrichtung nach einem der der Ansprüche 7 bis 15, wobei in den Kühlmantel (67, 69), insbesondere in einen Befestigungsabschnitt (79) des Kühlmantels, eine Arbeitsbeleuchtung (35) integriert ist, wobei bevorzugt das Licht der Arbeitsbeleuchtung zumindest näherungsweise monochromatisch ist und/oder wobei der Arbeitsbeleuchtung ein optischer Filter zugeordnet ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine Lagerung (81) und/oder ein Drehantrieb (83) des Rotors (27) innerhalb der Basis (17) gelegen sind und die Fluidkühlung und/oder die fluidgekühlte Abschirmung einem außerhalb der Basis (17) gelegenen Teil des Rotors (27) zugeordnet ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Rotor (27) über eine Außenseite der Basis (17) hinaus vorsteht und den Arbeitskopf (21) an seinem von der Außenseite beabstandeten freien Ende trägt, wobei die Fluidkühlung und/oder die fluidgekühlte Abschirmung in einem Bereich zwischen der Außenseite der Basis und dem Arbeitskopf vorgesehen ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Arbeitskopf (21) im Betrieb mit einer Drehzahl im Bereich von 300 bis 20.000 Umdrehungen pro Minute, bevorzugt im Bereich von 1.000 bis 8.000 U/min, rotiert.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Leistung des Laserstrahls (15) im Betrieb im Bereich von 200 bis 5.000 Watt, bevorzugt von 500 bis 3.000 Watt, liegt.