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Die Erfindung betrifft eine Laserbearbeitungsmaschine zur Bearbeitung eines Werkstücks mittels eines Laserstrahls, aufweisend einen Laserstrahlerzeuger zum Erzeugen des Laserstrahls, eine Lichtleitfaser, in die der Laserstrahl eingekoppelt wird, eine Kollimationsoptik zur Kollimation des aus der Lichtleitfaser divergent austretenden Laserstrahls und einen Spiegelscanner zum ein- oder zweidimensionalen Ablenken des Laserstrahls in Richtung auf das Werkstück.
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Eine derartige Laserbearbeitungsmaschine mit einem Spiegelscanner ist beispielsweise durch die
DE 10 2013 110 523 B3 bekannt geworden.
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Beim Laserschweißen hat sich bei manchen Anwendungen ein quer zur Vorschubrichtung schwingender Laserfokus als vorteilhaft erwiesen, insbesondere auch beim Schweißen dicker Bleche, wo ein Spalt überbrückt werden muss, oder wenn insgesamt ein größerer Anbindequerschnitt bei Überlappschweißungen erforderlich ist.
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Prinzipiell kann eine solche schnelle seitliche Bewegung („Wobbein“) des Laserfokus mit einem herkömmlichen Spiegelscanner gelöst werden, allerdings sind die normalerweise verwendeten Scannersysteme für den Prozess, der mindestens einige hundert Hertz an Scanfrequenz fordert, zu langsam. Der Spiegelscanner kann den Spiegel, über den der fokussierte Strahl (im Falle eines Post-Objective-Scannersystems) bzw. der kollimierte Strahl (im Falle einer Scanoptik mit f-Theta-Objektiv) umgelenkt wird, nicht schnell genug bewegen, um die geforderte Scanfrequenz von mehreren hundert Hz bzw. einigen kHz zu erreichen. Dies liegt daran, dass das von den Spiegelscannern erreichbare Drehmoment relativ klein ist im Vergleich zur Trägheit der Scannerspiegel.
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Bei der aus der eingangs genannten
DE 10 2013 110 523 B3 bekannten Laserbearbeitungsmaschine ist dem niederfrequenten Spiegelscanner, der den kollimierten Laserstrahl in Richtung auf das Werkstück mit einer Oszillationsfrequenz von maximal 400 Hz ein- oder zweidimensional ablenkt, ein hochfrequenter Spiegelscanner vorgeordnet, der den kollimierten bzw. fokussierten Laserstrahl ein- oder zweidimensional mit einer Oszillationsfrequenz zwischen 400 Hz und 5000 Hz ablenkt.
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Auch aus der
US 2012/0273472 A1 ist eine Laserbearbeitungsmaschine mit einer dem eigentlichen Spiegelscanner vorgeordneten Scannereinheit bekannt, die aus zwei akustooptischen Modulatoren zum zweidimensionalen Ablenken des Laserstrahls aufgebaut ist.
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Demgegenüber ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, bei einer Laserbearbeitungsmaschine der eingangs genannten Art eine Alternative zur Erzeugung einer schnellen seitlichen Bewegung („Wobbeln“) des Laserfokus anzugeben.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine zwischen dem Faserende der Lichtleitfaser und der Kollimationsoptik angeordnete Ablenkeinheit, welche die Strahlachse des divergenten Laserstrahls - ein- oder zweidimensional - oszillierend parallelversetzt ablenkt, oder durch eine Verschiebeeinheit, welche das Faserende der Lichtleitfaser ein- oder zweidimensional oszillierend parallelversetzt gegenüber der Kollimationsoptik verschiebt.
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Erfindungsgemäß erfolgt die Wobbeibewegung nicht im kollimierten Laserstrahl unmittelbar vor einer Fokussieroptik, sondern im divergenten Laserstrahl unmittelbar, d.h. einige mm, nach dem Faserende, wo der Strahldurchmesser noch deutlich kleiner ist als der kollimierte Laserstrahl vor der Fokussieroptik. Damit können kleinere und leichtere Komponenten mit reduziertem Trägheitsmoment verwendet werden. In Gegensatz zu Spiegelscannern im kollimierten Laserstrahl kann jedoch im divergenten Laserstrahl nach der Lichtleitfaser nicht einfach mit einem Scannerspiegel die Richtung des Laserstrahls verändert werden, sondern die Strahlachse muss parallel verschoben werden, um eine seitliche Verschiebung des Laserstrahls im Arbeitsfokus zu erreichen. Der Parallelversatz der optischen Achse im divergenten Laserstrahl nach der Lichtleitfaser führt allerdings dazu, dass der Laserstrahl nach der Kollimationsoptik parallelversetzt zur eigentlichen optischen Achse ist, mithin also eine größere Durchtrittsapertur benötigt wird; dies ist kein wirkliches Problem, muss aber bei der Auslegung der Aperturen bzw. auch der Wege zwischen Kollimation und Fokussierung berücksichtigt werden.
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Die Wobbelbewegung erfolgt in der ersten Erfindungsvariante mittels einer Ablenkeinheit, welche die Strahlachse des divergenten Laserstrahls ein- oder zweidimensional oszillierend parallelversetzt zur eigentlichen Strahlachse ablenkt, oder in der zweiten Erfindungsvariante mittels einer Verschiebeeinheit, welche das Faserende der Lichtleitfaser ein- oder zweidimensional oszillierend parallelversetzt zur Kollimationsoptik verschiebt. Im letzteren Fall wird das auf das Werkstück abgebildete Faserende lateral verschoben. In beiden Erfindungsvarianten ist die Oszillation der Ablenk- oder Verschiebeeinheit größer als die Scanfrequenz des nachgeordneten Spiegelscanners.
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In einer bevorzugten Ausführungsform der ersten Erfindungsvariante weist die Ablenkeinheit für eine eindimensionalen Ablenkung eine quer, also schräg oder rechtwinklig, zur Strahlachse im Strahlengang des divergenten Laserstrahls angeordnete planparallele Platte auf, die um eine schräg, insbesondere rechtwinklig zur Strahlachse des divergenten Laserstrahls verlaufende Achse rotiert. Diese planparallele Platte kann beispielsweise auf der Achse eines herkömmlichen Scannermotors montiert sein. Durch den seitlichen Versatz, den ein Lichtstrahl beim Durchtritt durch eine schräg im Strahl stehende planparallele Platte erfährt, wird eine optische Parallelverschiebung der Strahlachse erreicht, die mit dem Vergrößerungsverhältnis der nachfolgenden Optik auf das Werkstück übertragen wird. Versetzt man die planparallele Platte in eine Drehschwingung, erfährt der Laserstrahl im Bereich des Laserfokus eine entsprechende (eindimensionale) laterale Schwingbewegung. Da die notwendige planparallele Platte, sofern sie nahe beim Faserende positioniert wird, sehr klein sein kann, kann in Verbindung mit einem herkömmlichen Scannermotor eine sehr hohe Scanfrequenz erreicht werden. Vorteilhaft ist die Achse azimutal um die Strahlachse herum drehbar gelagert, so dass die Lage der Scanfrequenz bzw. die Richtung der Scanbewegung auf dem Werkstück nachgeregelt werden kann, was insbesondere bei nicht-geradlinigen Schweißnähten vorteilhaft ist.
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In einer Weiterbildung kann die Ablenkeinheit für einen oszillierenden zweidimensionalen Parallelversatz der Strahlachse zwei im Strahlengang des divergenten Laserstrahls hintereinander und jeweils schräg angeordnete planparallele Platten aufweisen, die jeweils um zueinander rechtwinklige Achsen schwingen oder rotieren, welche jeweils schräg, insbesondere rechtwinklig, zur Strahlachse des divergenten Laserstrahls verlaufen. Dies hat den Vorteil, dass die Wobbelbewegung analog zu einem zweiachsigen Scansystem in beiden Achsen mit etwa der gleichen Dynamik ausgeführt und auch die Steuerungstechnik direkt von einem Zweiachsscanner übernommen werden kann.
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In einer bevorzugten Ausführungsform der zweiten Erfindungsvariante weist die Verschiebeeinheit mindestens einen in der Verschieberichtung wirkenden Aktor auf, an dem das Faserende der Lichtleitfaser befestigt ist. Der Aktor kann beispielsweise ein Piezoaktor sein. Für einen zweidimensionalen Parallelversatz sind zwei jeweils rechtwinklig zueinander wirkende Aktoren vorgesehen, um einen zweidimensionalen Parallelversatz des Faserendes der Lichtleitfaser gegenüber der Achse des divergenten Laserstrahls zu bewirken.
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Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen des Gegenstands der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung, den Ansprüchen und der Zeichnung. Ebenso können die vorstehend genannten und die noch weiter aufgeführten Merkmale je für sich oder zu mehreren in beliebigen Kombinationen Verwendung finden. Die gezeigten und beschriebenen Ausführungsformen sind nicht als abschließende Aufzählung zu verstehen, sondern haben vielmehr beispielhaften Charakter für die Schilderung der Erfindung. Es zeigen:
- 1 eine erfindungsgemäße Laserbearbeitungsmaschine mit einer im divergenten Laserstrahl angeordneten Ablenkeinheit zur Erzeugung eines oszillierenden eindimensionalen Parallelversatzes der Strahlachse des divergenten Laserstrahls;
- 2 eine Detailansicht der in 1 gezeigten Ablenkeinheit;
- 3a, 3b den von der Ablenkeinheit der 2 abgelenkten Laserstrahl auf der Werkstückoberfläche ohne Vorschubbewegung zwischen Laserstrahl und Werkstück (3a) und bei einer Vorschubbewegung zwischen Laserstrahl und Werkstück (3b);
- 4 eine Ablenkeinheit zur Erzeugung eines oszillierenden zweidimensionalen Parallelversatzes der Strahlachse des divergenten Laserstrahls in einer Detailansicht analog zu 2;
- 5a, 5b den von der Ablenkeinheit der 4 abgelenkten Laserstrahl auf der Werkstückoberfläche ohne Vorschubbewegung zwischen Laserstrahl und Werkstück (5a) und bei einer Vorschubbewegung zwischen Laserstrahl und Werkstück (5b); und
- 6 eine Verschiebeeinheit zur Erzeugung eines oszillierenden eindimensionalen Parallelversatzes der Strahlachse des divergenten Laserstrahls in einer Detailansicht analog zu 2.
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Die in 1 perspektivisch dargestellte Laserbearbeitungsmaschine 1 dient zur Bearbeitung eines Werkstücks 2 mittels eines Laserstrahls 3 und umfasst einen Laserstrahlerzeuger 4 zum Erzeugen des Laserstrahls 3, eine Transport-Lichtleitfaser 5, in die der Laserstrahl 3 eingekoppelt wird, eine Kollimationsoptik 6 zur Kollimation des aus dem Faserende 7 der Lichtleitfaser 5 divergent austretenden Laserstrahls 3, eine Fokussieroptik 8 zum Fokussieren des Laserstrahls 3 in Richtung auf das Werkstück 2, sowie einen z.B. zweiachsigen Spiegelscanner 9 zum zweidimensionalen Ablenken des Laserstrahls 3.
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Die Laserbearbeitungsmaschine 1 weist außerdem eine zwischen dem Faserende 7 der Lichtleitfaser 5 und der Kollimationsoptik 6 angeordnete Ablenkeinheit 10 auf, welche die Strahlachse A des divergenten Laserstrahls 3 eindimensional oszillierend parallelversetzt ablenkt. Dazu weist die in 2 vergrößert dargestellte Ablenkeinheit 10 eine schräg im Strahlengang des divergenten Laserstrahls 3 angeordnete planparallele Platte 11 auf, die um eine schräg, in 1 rechtwinklig, zur Strahlachse A des divergenten Laserstrahls 3 verlaufende Achse 12 entweder hin und her schwingt oder vollständig rotiert (Doppelpfeilrichtung 13). Die planparallele Platte 11 sollte einen möglichst hohen Brechungsindex bei möglichst geringer Absorption des Laserlichts aufweisen, um einen möglichst hohen Strahlversatz zu erreichen, und kann z.B. aus Saphir sein.
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Der Strahlversatz
x der versetzten Strahlachse
A' in Abhängigkeit vom variierenden Einfallswinkel
α der Strahlachse
A auf die schwingende bzw. rotierende planparallele Platte
11 berechnet sich aus folgender Gleichung:
mit
- d: Plattendicke, und
- n: Brechungsindex der planparallelen Platte 11.
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Durch die Drehschwingung der planparallelen Platte 11 um die Achse 12 erfährt der Laserstrahl 3 im Bereich des Laserfokus, also z.B. auf der Oberfläche des Werkstücks 2, eine entsprechende lineare (eindimensionale) laterale Schwingbewegung. Da die planparallele Platte 11, weil nahe (einige mm) am Faserende 7 positioniert, sehr klein sein kann, kann in Verbindung mit einem herkömmlichen Scannermotor eine sehr hohe Drehschwing- bzw. Scanfrequenz erreicht werden.
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3a zeigt den von der Ablenkeinheit 10 abgelenkten Laserstrahl 3 auf der Werkstückoberfläche ohne Vorschubbewegung (v=0) zwischen Werkstück 2 und Laserstrahl 3. Der in Z-Richtung einfallende Laserstrahl 3 wird entsprechend der Oszillation der planparallelen Platte 11 um die Achse 12 in Y-Richtung, also eindimensional rechtwinklig zur Einfallrichtung des Laserstrahls 3, oszillierend abgelenkt. 3b zeigt den von der Ablenkeinheit 10 abgelenkten Laserstrahl 3 auf der Werkstückoberfläche bei einer zusätzlichen Vorschubbewegung v (v>0) in X-Richtung zwischen Werkstück 2 und Laserstrahl 3, was beispielsweise in einer zickzackförmigen Bahnkurve 14 des Laserstrahls 3 auf der Werkstückoberfläche resultiert.
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Für einen oszillierenden zweidimensionalen Parallelversatz der Strahlachse A weist die Ablenkeinheit 10, wie in 4 gezeigt, zwei im Strahlengang des divergenten Laserstrahls 3 hintereinander und jeweils schräg angeordnete planparallele Platten 11a, 11b auf. Die planparallelen Platten 11a, 11b schwingen jeweils um zueinander rechtwinklige Achsen 12a, 12b, welche jeweils schräg, in 3 rechtwinklig, zur Strahlachse A des divergenten Laserstrahls 3 verlaufen. Durch die Drehschwingungen der planparallelen Platten 11a, 11b erfährt der Laserstrahl 3 im Bereich des Laserfokus, also auf der Oberfläche des Werkstücks 2, eine entsprechende zweidimensionale laterale Schwingbewegung. Da die planparallelen Platten 11a, 11b, weil nahe (einige mm) am Faserende 7 positioniert, sehr klein sein können, kann in Verbindung mit einem herkömmlichen Scannermotor eine sehr hohe Drehschwing- bzw. Scanfrequenz erreicht werden.
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5a zeigt den von der Ablenkeinheit 10 der 4 abgelenkten Laserstrahl 3 auf der Werkstückoberfläche ohne Vorschubbewegung (v=0) zwischen Werkstück 2 und Laserstrahl 3. Der in Z-Richtung einfallende Laserstrahl 3 wird entsprechend den Oszillationen der planparallelen Platten 11a, 11b um die Achse 12a, 12b in X- und Y-Richtung, also zweidimensional rechtwinklig zur Einfallrichtung des Laserstrahls 3, oszillierend abgelenkt. 5b zeigt den von der Ablenkeinheit 10 der 4 abgelenkten Laserstrahl 3 auf der Werkstückoberfläche bei einer zusätzlichen Vorschubbewegung v (v>0) in X-Richtung zwischen Werkstück 2 und Laserstrahl 3, was beispielsweise in einer zykloidförmigen Bahnkurve des Laserstrahls 3 auf der Werkstückoberfläche resultiert.
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6 zeigt eine Verschiebeeinheit 20 zur Erzeugung eines oszillierenden eindimensionalen Parallelversatzes der Strahlachse A des divergenten Laserstrahls 3 gegenüber der Kollimationsoptik 6. Dazu weist die Verschiebeeinheit 20 einen rechtwinklig zur Strahlachse A in der Verschieberichtung 22 wirkenden Aktor 21 auf, an dem das Faserende 7 der Lichtleitfaser 5 befestigt ist. Der z.B. als Piezoaktor ausgeführte Aktor 21 schwingt in der Verschieberichtung 22 und bewirkt so eine oszillierende eindimensionale Parallelverschiebung des Faserendes 7 gegenüber der Kollimationsoptik 6, wodurch der Laserstrahl 3 im Bereich des Laserfokus, also auf der Oberfläche des Werkstücks 2, eine entsprechende lineare (eindimensionale) laterale Schwingbewegung, also eindimensional rechtwinklig zur Einfallrichtung des Laserstrahls 3, durchführt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102013110523 B3 [0002, 0005]
- US 2012/0273472 A1 [0006]
