DE102019108096A1

DE102019108096A1 - Werkstückbearbeitung mittels Laserstrahlung

Info

Publication number: DE102019108096A1
Application number: DE102019108096.7A
Authority: DE
Inventors: Andreas Brötzner; Dr. Riedel Daniel; George Meyndt
Original assignee: ALPHA LASER GmbH
Current assignee: ALPHA LASER GmbH
Priority date: 2018-03-29
Filing date: 2019-03-28
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 an der Basis drehbar angebracht ist und im Betrieb um eine Drehachse relativ zur Basis rotiert, und wobei die Fokussieroptik nichtrotierend an der Basis angebracht 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.
Gemäß einem unabhängigen Aspekt der Erfindung ist bei der Bearbeitungsvorrichtung vorgesehen, dass die Fokussieroptik nichtrotierend an der Basis angebracht ist.
Erfindungsgemäß ist die Fokussieroptik folglich nicht mit dem Rotor verbunden, so dass sie nicht gemeinsam mit dem Rotor rotiert. Eine feststehende Fokussieroptik kann einfacher befestigt und somit ausgerichtet werden. Eine sich gemeinsam mit dem Rotor bewegende Fokussieroptik müsste vor allem bei relativ hohen Drehzahlen des Rotors derart fest eingespannt werden, dass ein exaktes Justieren bezüglich des einfallenden Laserstrahls praktisch unmöglich wäre. Praktisch ebenfalls unmöglich wäre die bei einer mitrotierenden Fokussieroptik erforderliche exakte relative Ausrichtung zwischen der Fokussieroptik und weiteren optischen Elementen im Arbeitskopf, insbesondere einem im Arbeitskopf angeordneten Umlenkspiegel für den Laserstrahl. Eine mitrotierende Fokussieroptik hätte somit zwangsläufig Abbildungsfehler und daher eine schlechtere Fokussierung des Laserstrahls auf der Werkstückoberfläche zur Folge.
Außerdem kann eine nichtrotierende Fokussieroptik einfacher entlang der optischen Achse verstellbar oder auswechselbar ausgeführt werden. Dies ermöglicht es, die Bearbeitungsvorrichtung einfacher zu modifizieren, um z.B. unterschiedlich große Oberflächenstrukturen zu realisieren, wofür die Brennweite oder die Position der Fokussieroptik geändert werden muss.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen dieses Aspektes der Erfindung sind auch in den abhängigen Ansprüchen, der Beschreibung sowie der Zeichnung angegeben.
Vorzugsweise umfasst der Arbeitskopf eine Umlenkeinrichtung für den Laserstrahl. Die nichtrotierende Fokussieroptik kann mit hoher Präzision relativ zu dieser Umlenkeinrichtung ausgerichtet werden.
Insbesondere ist vorgesehen, dass der mittels der Umlenkeinrichtung umgelenkte Laserstrahl unter einem Winkel von 30° bis 90°, insbesondere von 45° bis 75°, zur Drehachse aus dem Arbeitskopf austritt.
Vorzugsweise fällt der Laserstrahl in den Arbeitskopf entlang einer Einfallsachse ein, die mit der Drehachse des Arbeitskopfs zusammenfällt.
Die Fokussieroptik ist vorzugsweise im Ausbreitungsweg längs der optischen Achse des Laserstrahls relativ zur Basis und/oder zum Arbeitskopf verstellbar. Hierdurch können die optischen Eigenschaften der Bearbeitungsvorrichtung schnell und einfach an eine jeweils gewünschte Anwendung angepasst werden.
In einer möglichen Ausgestaltung der Erfindung ist der Arbeitskopf von einem Rotor getragen, der an der Basis drehbar gelagert ist.
Der Rotor kann axial an einem Widerlager der Basis abgestützt sein, das dem Rotor in einer Richtung entgegenwirkt, die der Ausbreitungsrichtung des Laserstrahls von der Fokussieroptik zum Arbeitskopf entgegengesetzt ist. Thermisch bedingte Ausdehnungen des Rotors beeinträchtigen hierdurch die optischen Eigenschaften der Bearbeitungsvorrichtung nicht. Dieses Konzept stellt einen weiteren unabhängigen Aspekt der Erfindung dar, auf den nachstehend näher eingegangen wird.
Es kann vorgesehen sein, dass der Rotor über eine Außenseite der Basis hinaus vorsteht und den Arbeitskopf an seinem von der Außenseite beabstandeten freien Ende trägt. Hierdurch ist die Bearbeitungsvorrichtung vielseitiger einsetzbar, da auch vergleichsweise komplex geformte, nichtebene Werkstücke bearbeitet werden können. Insbesondere können Innenflächen von Bohrungen, beispielsweise Zylinderbohrungen von Verbrennungsmotoren, bearbeitet werden. Der Arbeitskopf kann generell in Bereiche des Werkstücks eintauchen, die von einer zu bearbeitenden Werkstückoberfläche zumindest teilweise umgeben sind.
Die Fokussieroptik weist vorzugsweise eine Brennweite im Bereich von 150 bis 500mm, bevorzugt im Bereich von 200 bis 400 mm auf.
Vorzugsweise ist der Fokussieroptik eine im Ausbreitungsweg angeordnete Kollimationsoptik vorgelagert, deren Brennweite im Bereich von 50 bis 450 mm liegt, bevorzugt im Bereich von 100 bis 300 mm.
Der Arbeitskopf kann im Betrieb mit einer Drehzahl im Bereich von 300 bis 20.000 Umdrehungen pro Minute rotieren, bevorzugt im Bereich von 1.000 bis 8.000 Umdrehungen pro Minute.
Die Leistung des Laserstrahls im Betrieb kann im Bereich von 200 bis 5.000 Watt, bevorzugt im Bereich von 500 bis 3.000 Watt, liegen.
Gemäß einem weiteren unabhängigen Aspekt der Erfindung ist bei der Bearbeitungsvorrichtung vorgesehen, dass der Rotor an einem Widerlager der Basis abgestützt ist, das dem Rotor in einer Richtung entgegenwirkt, die der Ausbreitungsrichtung des Laserstrahls von der Fokussieroptik zum Arbeitskopf entgegengesetzt ist.
Durch eine derartige axiale Abstützung des Rotors an der Basis oder an einem Gehäuse der Basis ist sichergestellt, dass im Falle einer Erwärmung des Rotors und einer hieraus resultierenden axialen Ausdehnung des Rotors diese Ausdehnung zumindest im Wesentlichen nur in einer Richtung weg vom Arbeitskopf auftritt. Der entlang der optischen Achse gemessene Abstand zwischen nicht mit dem Rotor verbundenen und folglich nicht gemeinsam mit dem Rotor rotierenden optischen Elementen einerseits und im Arbeitskopf angeordneten optischen Elementen andererseits wird folglich durch eine wärmebedingte Ausdehnung des Rotors nicht verändert. Die optischen Eigenschaften der Bearbeitungsvorrichtung sind folglich gegenüber einer thermischen Ausdehnung des Rotors unempfindlich.
Wie an anderer Stelle bereits erwähnt, ist eine derartige axiale Lagerung bzw. Abstützung des Rotors besonders vorteilhaft in Kombination mit einer für den Laserstrahl vorgesehenen Fokussieroptik, die nicht gemeinsam mit dem Rotor rotiert, sondern an der Basis angebracht ist.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen dieses Aspektes der Erfindung sind auch in den abhängigen Ansprüchen, der Beschreibung sowie der Zeichnung angegeben.
Vorzugsweise trägt der Arbeitskopf zumindest einen Gasaustritt, über den im Betrieb ein dem Arbeitskopf zugeführtes Prozessgas in Richtung der Oberfläche des Werkstücks austritt.
Das Prozessgas kann insbesondere als ein Gasstrahl austreten, der mittels des Gasaustritts geformt wird und bevorzugt zumindest näherungsweise auf die gleiche Stelle zielt wie der Laserstrahl.
Vorzugsweise ist der Gasaustritt als Düse ausgebildet oder umfasst der Gasaustritt eine Düse, wobei vorzugsweise die Düse ein langgestrecktes Düsenelement umfasst, das aus dem Arbeitskopf herausragt oder von dem Arbeitskopf absteht.
Diese mit der Verwendung eines Prozessgases in Verbindung stehenden Konzepte stellen jeweils einen weiteren unabhängigen Aspekt der Erfindung dar, auf den an anderer Stelle näher eingegangen wird.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung sind im Ausbreitungsweg für den Laserstrahl vor dem Arbeitskopf eine oder mehrere Umlenkeinrichtungen für den Laserstrahl angeordnet, wobei vorzugsweise wenigstens eine Umlenkeinrichtung zur Veränderung der Strahlausfallsrichtung verstellbar ist. Die oder jede Umlenkeinrichtung kann z.B. ein verkippbarer Umlenkspiegel sein. Hierdurch kann insbesondere die Einkoppelung des Laserstrahls flexibler gestaltet werden. Auch ist es hierdurch auf relativ einfache Weise möglich, den Laserstrahl zu justieren.
Eine weitere Ausführungsform der Erfindung schlägt vor, dass die Laserstrahlquelle oder die Einrichtung zur Einkoppelung des Laserstrahls derart angeordnet und/oder ausgebildet ist, dass der Laserstrahl sich zunächst nicht kollinear zur Drehachse des Rotors ausbreitet. Der Laserstrahl kann sich nach der Einkoppelung bzw. nach dem Austritt aus der Laserstrahlquelle beispielsweise senkrecht oder parallel versetzt zur Drehachse des Rotors ausbreiten. Dies erhöht die Flexibilität bei der Ausgestaltung der Vorrichtung im Hinblick auf Anordnung und Orientierung der Laserstrahlquelle bzw. der Einrichtung zur Einkoppelung des Laserstrahls.
Gemäß einem weiteren unabhängigen Aspekt betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Bearbeiten von Werkstücken, insbesondere zum Strukturieren von Werkstückoberflächen, mittels Laserstrahlung unter Verwendung einer Vorrichtung der hierin beschriebenen Art.
Vorzugsweise ist bei diesem Verfahren vorgesehen, dass der Arbeitskopf oder die Basis zusammen mit dem Arbeitskopf einerseits und das jeweilige Werkstück andererseits relativ zueinander verfahren werden. Wenn der Arbeitskopf an der Basis drehbar angebracht ist und im Betrieb um eine Drehachse relativ zur Basis rotiert, ist unter der relativen Verfahrbarkeit gemäß dieser Weiterbildung der Erfindung nicht die Rotation des Arbeitskopfes relativ zur Basis zu verstehen. Vielmehr ist hierunter zu verstehen, dass ein relativ zur Basis rotierender Arbeitskopf zusätzlich relativ zum Werkstück verfahren oder das Werkstück relativ zum rotierenden Arbeitskopf verfahren wird, und zwar beispielsweise entlang einer geraden oder einer grundsätzlich beliebig im Raum verlaufenden Bahn.
Beispielsweise kann der Arbeitskopf oder die Basis parallel zur Drehachse eines relativ zur Basis rotierenden Arbeitskopfes verfahren werden. Hierdurch können beispielsweise rotationssymmetrische Werkstückoberflächen bearbeitet werden, die den Arbeitskopf umgeben und deren Symmetrieachse mit der Drehachse des Arbeitskopfes zusammenfällt.
Alternativ kann die Relativbewegung parallel zu einer Werkstückoberfläche erfolgen, insbesondere zu einer ebenen Werkstückoberfläche. Allgemein kann die Relativbewegung senkrecht zu einer Flächennormalen der Werkstückoberfläche erfolgen.
Der Arbeitskopf kann zumindest einen Gasaustritt tragen, über den im Betrieb ein dem Arbeitskopf zugeführtes Prozessgas in Richtung der Oberfläche des Werkstücks austritt. Insbesondere tritt das Prozessgas als ein mittels des Gasaustritts geformter, bevorzugt zumindest näherungsweise auf die gleiche Stelle wie der Laserstrahl zielender, Gasstrahl aus. Dabei ist gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens vorgesehen, dass im Betrieb eine Gasaustrittsöffnung des Gasaustritts in einem Abstand zur Oberfläche des Werkstücks geführt wird, der im Bereich von 0,3 bis 20 mm, insbesondere im Bereich von 0,5 bis 5 mm, liegt.
Auf diese Weise ist es möglich, bei der Laserbearbeitung entstehendes Werkstückmaterial von der Werkstückoberfläche wegzutreiben und insbesondere aus Oberflächenstrukturen auszutreiben, die mittels des Laserstrahls geschaffen werden.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird eine Werkstückoberfläche bearbeitet, die den Arbeitskopf zumindest teilweise umgibt, wobei vorzugsweise die Symmetrieachse der rotationssymmetrischen Werkstückoberfläche im Betrieb mit der Drehachse des Arbeitskopfes zusammenfällt.
Des Weiteren kann vorgesehen sein, dass zur Bearbeitung von zur Drehachse nicht parallelen Werkstückoberflächen während des Verfahrens des Arbeitskopfes die Fokusebene der Fokussieroptik auf der Werkstückoberfläche gehalten wird, indem die Fokussieroptik parallel zur Drehachse relativ zur Basis und/oder zum Arbeitskopf verstellt wird.
Der Arbeitskopf oder die Basis samt Arbeitskopf und das jeweilige Werkstück können im Betrieb z.B. mit einer Geschwindigkeit im Bereich von 0,1 bis 50 Zentimeter pro Sekunde relativ zueinander verfahren werden.
Der Laserstrahl kann die Oberfläche des Werkstücks mit einer Geschwindigkeit im Bereich von 1 bis 500 Meter pro Sekunde überstreichen.
Des Weiteren kann bei dem Verfahren vorgesehen sein, dass lediglich ein vorgegebener oder vorgebbarer Teil des mittels des Laserstrahls überstreichbaren Bereiches der Oberfläche des Werkstücks bearbeitet wird, indem der Laserstrahl im Betrieb abwechselnd eingeschaltet und ausgeschaltet oder wiederholt vorübergehend unterbrochen wird.
Hierdurch kann beispielsweise auf einer ebenen Werkstückoberfläche ein streifenförmiger Bereich bearbeitet werden, der schmaler ist als der Durchmesser eines Kreises, entlang welchem ein permanent austretender Laserstrahl, der beispielsweise aus einem relativ zur Basis rotierenden Arbeitskopf austritt, die Werkstückoberfläche überstreichen würde.
Gemäß einem weiteren unabhängigen Aspekt betrifft die Erfindung die Verwendung einer Vorrichtung der hierin beschriebenen Art zum Bearbeiten von Innenflächen rotationssymmetrischer Werkstücke, insbesondere Zylinderbohrungen von Verbrennungsmotoren, wobei der Arbeitskopf der Vorrichtung und das jeweilige Werkstück derart relativ zueinander ausgerichtet werden, dass die Drehachse des Arbeitskopfes mit der Symmetrieachse des rotationssymmetrischen Werkstücks zusammenfällt, und wobei der rotierende und in das Werkstück eintauchende Arbeitskopf parallel zur Drehachse relativ zu dem Werkstück verfahren wird, während der in den Arbeitskopf parallel zur Drehachse einfallende und im Arbeitskopf umgelenkte Laserstrahl aus dem Arbeitskopf austritt und auf die Innenfläche auftrifft.
Gemäß einem weiteren unabhängigen Aspekt der Erfindung ist bei der Bearbeitungsvorrichtung vorgesehen, dass in die Basis eine Arbeitsbeleuchtung integriert ist. Das Licht der Arbeitsbeleuchtung kann zumindest näherungsweise monochromatisch sein. Alternativ oder zusätzlich kann der Arbeitsbeleuchtung ein optischer Filter zugeordnet sein.
Hierdurch kann der Arbeitsbereich in einer für die jeweilige Anwendung vorteilhaften Weise ausgeleuchtet werden. Von Vorteil kann dies insbesondere dann sein, wenn die Bearbeitungsvorrichtung mit einer Beobachtungseinrichtung oder einer Bildaufnahmeeinrichtung versehen ist, die insbesondere zur Bauteilüberwachung oder Prozessüberwachung verwendet wird. Die Arbeitsbeleuchtung und die Bildaufnahmeeinrichtung können dann aufeinander abgestimmt werden.
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,
5 bis 8 Prinzipdarstellungen von Lichtmustern, die während des Betriebs einer erfindungsgemäßen Bearbeitungsvorrichtung entstehen können, und
9 schematisch ein weiteres Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Bearbeitungsvorrichtung.

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.
Bei der in 9 dargestellten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Bearbeitungsvorrichtung wird der Laserstrahl 15 nicht senkrecht, wie bei der Variante der 1 und 2, sondern parallel zur Drehachse 23 des Rotors 27 eingekoppelt. Beide Ausführungsformen realisieren damit ein erfindungsgemäßes Konzept, wonach der Laserstrahl 15 entlang einer Achse eingekoppelt wird, die zu der Drehachse 23 des Rotors 27 nicht kollinear ist. Folglich kann gemäß diesem Konzept in weiteren, nicht dargestellten Abwandlungen der erfindungsgemäßen Bearbeitungsvorrichtung vorgesehen sein, dass der Laserstrahl 15 in einer beliebigen Richtung zur Drehachse 23 eingekoppelt wird.
Der - in Ausbreitungsrichtung des Laserstrahls 15 gesehen - erste Umlenkspiegel, auf den der eingekoppelte Laserstrahl 15 trifft, kann wie in der Variante der 1 und 2 auf der Drehachse 23 des Rotors 27 liegen und kann somit den einzigen vor dem Arbeitskopf 21 gelegenen Umlenkspiegel darstellen, oder der erste Umlenkspiegel kann wie in der Variante der 9 mit radialem Abstand von der Drehachse 23 des Rotors 27 angeordnet sein. Auf den jeweils ersten Umlenkspiegel kann der eingekoppelte Laserstrahl 15 grundsätzlich unter einem beliebigen Winkel zur Drehachse 23 des Rotors 27 einfallen. Dieser Winkel kann insbesondere einstellbar sein. Hierzu können ein oder mehrere im Ausbreitungsweg des Laserstrahls 15 angeordnete Umlenkspiegel in ihrer Orientierung verstellbar sein, um einen jeweiligen Ablenkwinkel für den Laserstrahl 15 in der jeweils gewünschten Weise einstellen zu können.
Wie die Variante der 9 außerdem zeigt, kann zusätzlich zu dem auf der Drehachse 23 des Rotors 27 liegenden Umlenkspiegel 95 ein weiterer Umlenkspiegel 101 vorgesehen sein. Diese Variante der 9 realisiert folglich ein erfindungsgemäßes Konzept, wonach der Laserstrahl 15 nach seiner Einkoppelung mehrfach umgelenkt wird. Generell können mehrere zusätzliche Umlenkspiegel vorgesehen sein, d.h. gemäß diesem Konzept können in nicht dargestellten Abwandlungen der erfindungsgemäßen Bearbeitungsvorrichtung zusätzlich zu dem Umlenkspiegel 101 eine oder mehrere weitere Umlenkungen für den Laserstrahl 15 vorgesehen sein.
Hierdurch kann in Abhängigkeit von der jeweiligen Geometrie der gesamten Bearbeitungsvorrichtung und/oder in Abhängigkeit von den jeweiligen Gegebenheiten insbesondere am Einsatzort der Bearbeitungsvorrichtung eine optimale Einkoppelung des Laserstrahls 15 erfolgen. So kann es z.B. von Vorteil sein, wenn der Laserstrahl 15 von unten, also entgegen der Ausbreitungsrichtung des Laserstrahls 15 innerhalb des Rotors 27, eingekoppelt wird.
Gemäß einem allgemeinen, von der Art und Weise der Einkoppelung des Laserstrahls 15 grundsätzlich unabhängigen Konzept kann vorgesehen sein, dass zumindest eine bevorzugt einen Spiegel umfassende Umlenkeinrichtung für den Laserstrahl 15, z.B. der Umlenkspiegel 101 in 9, derart verstellbar ist, dass die Richtung des vom Umlenkspiegel reflektierten Strahls eingestellt werden kann. Die Einstellbarkeit kann z.B. mittels einer oder mehrerer Einstellschrauben, z.B. in Form von Madenschrauben, erfolgen.
Eine solche Möglichkeit, einen oder mehrere Umlenkspiegel verkippen zu können, führt zu einer höheren Flexibilität bei der Einkoppelung des Laserstrahls 15, wie es vorstehend bereits erläutert wurde. Zudem ermöglichen verstellbare Umlenkspiegel ein Justieren im Sinne einer exakten Ausrichtung des Laserstrahls 15. Das Kollimieren des Laserstrahls 15 kann vor oder hinter einem Umlenkspiegel erfolgen, d.h. die in 9 dargestellte Kollimationsoptik 29 kann z.B. alternativ auch vor dem in Ausbreitungsrichtung des Laserstrahls 15 ersten Umlenkspiegel 101 positioniert werden.
Abgesehen von den vorstehend beschriebenen Unterschieden entspricht das Ausführungsbeispiel der 9 hinsichtlich Aufbau und Funktionsweise dem Ausführungsbeispiel der 1 und 2, sodass insofern auf die entsprechenden vorstehenden Ausführungen verwiesen wird und die gleichen Bezugszeichen verwendet 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
101: Umlenkspiegel

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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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 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 an der Basis drehbar angebracht ist und im Betrieb um eine Drehachse (23) relativ zur Basis rotiert, und wobei die Fokussieroptik nichtrotierend an der Basis angebracht ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei der Arbeitskopf (21) eine Umlenkeinrichtung (25) für den Laserstrahl (15) umfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 2, wobei der mittels der Umlenkeinrichtung (25) umgelenkte Laserstrahl (15) unter einem Winkel von 30° bis 90°, insbesondere von 45° bis 75°, zur Drehachse (23) aus dem Arbeitskopf (21) austritt.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Laserstrahl (15) in den Arbeitskopf (21) entlang einer Einfallachse einfällt, die mit der Drehachse (23) des Arbeitskopfes zusammenfällt.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Fokussieroptik (19) im Ausbreitungsweg längs der optischen Achse des Laserstrahls (15) relativ zur Basis (17) und/oder zum Arbeitskopf (21) verstellbar ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Arbeitskopf (21) von einem Rotor (27) getragen ist, der an der Basis (17) drehbar gelagert ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Rotor (27) axial an einem Widerlager der Basis (17) abgestützt ist, das dem Rotor in einer Richtung entgegenwirkt, die der Ausbreitungsrichtung des Laserstrahls (15) von der Fokussieroptik (19) zum Arbeitskopf (21) entgegengesetzt ist.
Vorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, 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.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Fokussieroptik (19) eine Brennweite im Bereich von 80 bis 500mm aufweist, bevorzugt im Bereich von 200 bis 400mm.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Fokussieroptik (19) eine im Ausbreitungsweg angeordnete Kollimationsoptik (29) vorgelagert ist, deren Brennweite im Bereich von 50 bis 450mm liegt, bevorzugt im Bereich von 100 bis 300mm.
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.
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 während des Betriebs um eine Drehachse (23) relativ zur Basis rotiert und von einem Rotor (27) getragen ist, der an der Basis drehbar gelagert und axial abgestützt ist, und wobei der Rotor an einem Widerlager der Basis abgestützt ist, das dem Rotor in einer Richtung entgegenwirkt, die der Ausbreitungsrichtung des Laserstrahls von der Fokussieroptik zum Arbeitskopf entgegengesetzt ist, wobei vorzugsweise die Fokussieroptik (19) nichtrotierend an der Basis (17) angebracht ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei im Ausbreitungsweg für den Laserstrahl (15) vor dem Arbeitskopf (21) eine oder mehrere Umlenkeinrichtungen (101) für den Laserstrahl (15) angeordnet sind, wobei vorzugsweise wenigstens eine Umlenkeinrichtung (101) zur Veränderung der Strahlausfallsrichtung verstellbar ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Laserstrahlquelle (11) oder die Einrichtung (13) zur Einkoppelung des Laserstrahls (15) derart angeordnet und/oder ausgebildet ist, dass der Laserstrahl (15) sich zunächst nicht kollinear zur Drehachse (23) des Rotors (27) ausbreitet, wobei vorzugsweise der Laserstrahl (15) sich zunächst senkrecht oder parallel versetzt zur Drehachse (23) des Rotors (27) ausbreitet.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Arbeitskopf (21) zumindest eines Gasaustritt (45) trägt, über den im Betrieb ein dem Arbeitskopf zugeführtes Prozessgas in Richtung der Oberfläche des Werkstücks (31) austritt, insbesondere als ein mittels des Gasaustritts geformter, bevorzugt zumindest näherungsweise auf die gleiche Stelle wie der Laserstrahl (15) zielender, Gasstrahl, wobei bevorzugt der Gasaustritt als Düse ausgebildet ist oder eine Düse umfasst, wobei vorzugsweise die Düse ein langgestrecktes Düsenelement (47) umfasst, das aus dem Arbeitskopf (21) herausragt oder von dem Arbeitskopf absteht.
Verfahren zum Bearbeiten von Werkstücken, insbesondere zum Strukturieren von Werkstückoberflächen, mittels Laserstrahlung unter Verwendung einer Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
Verfahren nach Anspruch 17, wobei der Arbeitskopf (21) oder die Basis (17) zusammen mit dem Arbeitskopf (21) einerseits und das jeweilige Werkstück (31) andererseits relativ zueinander verfahren werden, insbesondere parallel zur Drehachse (23), parallel zu einer, bevorzugt ebenen, Werkstückoberfläche oder senkrecht zu einer Flächennormalen der Werkstückoberfläche.
Verfahren nach Anspruch 17 oder 18, wobei der Arbeitskopf (21) zumindest eines Gasaustritt (45) trägt, über den im Betrieb ein dem Arbeitskopf (21) zugeführtes Prozessgas in Richtung der Oberfläche des Werkstücks (31) austritt, insbesondere als ein mittels des Gasaustritts (45) geformter, bevorzugt zumindest näherungsweise auf die gleiche Stelle wie der Laserstrahl (15) zielender, Gasstrahl, wobei im Betrieb eine Gasaustrittsöffnung (48) des Gasaustritts (45) in einem Abstand zur Oberfläche des Werkstücks (31) geführt wird, der im Bereich von 0,3 bis 20mm, insbesondere im Bereich von 0,5 bis 5mm liegt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 17 bis 19, wobei eine Werkstückoberfläche (33) bearbeitet wird, die den Arbeitskopf (21) zumindest teilweise umgibt, wobei vorzugsweise die Symmetrieachse der rotationssymmetrischen Werkstückoberfläche im Betrieb mit der Drehachse (23) zusammenfällt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 17 bis 20, wobei zur Bearbeitung von zur Drehachse (23) nichtparallelen Werkstückoberflächen (33) während des Verfahrens des Arbeitskopfes (21) die Fokusebene der Fokussieroptik (19) auf der Werkstückoberfläche gehalten wird, indem die Fokussieroptik parallel zur Drehachse relativ zur Basis (17) und/oder zum Arbeitskopf (21) verstellt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 17 bis 21, wobei der Arbeitskopf (21) oder die Basis (17) zusammen mit dem Arbeitskopf (21) einerseits und das jeweilige Werkstück (31) andererseits im Betrieb mit einer Geschwindigkeit im Bereich von 0,1 bis 50 Zentimeter pro Sekunde relativ zueinander verfahren werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 17 bis 22, wobei der Laserstrahl (15) die Oberfläche des Werkstücks (31) mit einer Geschwindigkeit im Bereich von 1 bis 500 Meter pro Sekunde überstreicht.
Verfahren nach einem der Ansprüche 17 bis 23, wobei lediglich ein vorgegebener oder vorgebbarer Teil des mittels des Laserstrahls (15) überstreichbaren Bereichs der Oberfläche des Werkstücks (31) bearbeitet wird, indem der Laserstrahl (15) im Betrieb abwechselnd eingeschaltet und ausgeschaltet oder wiederholt vorübergehend unterbrochen wird.
Verwendung einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 16 zum Bearbeiten von Innenflächen (33) rotationssymmetrischer Werkstücke (31), insbesondere Zylinderbohrungen von Verbrennungsmotoren, wobei der Arbeitskopf (21) der Vorrichtung und das jeweilige Werkstück (31) derart relativ zueinander ausgerichtet werden, dass die Drehachse (23) des Arbeitskopfes (21) mit der Symmetrieachse des rotationssymmetrischen Werkstücks (31) zusammenfällt, und wobei der rotierende und in das Werkstück eintauchende Arbeitskopf parallel zur Drehachse relativ zu dem Werkstück verfahren wird, während der in den Arbeitskopf parallel zur Drehachse einfallende und im Arbeitskopf umgelenkte Laserstrahl (15) aus dem Arbeitskopf austritt und auf die Innenfläche auftrifft.
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 an der Basis drehbar angebracht ist und im Betrieb um eine Drehachse (23) relativ zur Basis rotiert, und wobei in die Basis eine Arbeitsbeleuchtung (35) integriert ist.
Vorrichtung nach Anspruch 26, wobei das Licht der Arbeitsbeleuchtung (35) zumindest näherungsweise monochromatisch ist und/oder wobei der Arbeitsbeleuchtung (35) ein optischer Filter zugeordnet ist.