DE102019204032A1 - Device for generating a spatially modulatable power density distribution from laser radiation - Google Patents

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Abstract

Bei einer Vorrichtung zur Erzeugung einer räumlich modulierbaren Leistungsdichteverteilung aus mehreren Laserstrahlen wird eine Faseraufnahme mit nebeneinander angeordneten Lichtleitfasern oder eine Aufnahmeeinrichtung für mehrere Faserstecker oder Faserkollimatoren mit fest verbundenen Lichtleitfasern nebeneinander eingesetzt. Faseraustrittsflächen der Lichtleitfasern bilden hierbei ein ein- oder zweidimensionales Array. Die aus den Faseraustrittsflächen austretenden Laserstrahlen werden über eine gemeinsame optische Anordnung und eine gemeinsame Scaneinrichtung auf eine Zielebene gerichtet und über die Zielebene geführt. Die Vorrichtung weist eine Dreheinrichtung auf, mit der zumindest die Faseraufnahme oder Aufnahmeeinrichtung oder eine entsprechende Verteilung der Laserstrahlen um eine parallel zu den Laserstrahlen verlaufende Achse drehbar ist. Die Vorrichtung ermöglicht eine parallelisierte Lasermaterialbearbeitung mit hoher Flexibilität.In a device for generating a spatially modulatable power density distribution from several laser beams, a fiber holder with optical fibers arranged next to one another or a holder for several fiber plugs or fiber collimators with permanently connected optical fibers is used next to one another. Fiber exit surfaces of the optical fibers here form a one- or two-dimensional array. The laser beams emerging from the fiber exit surfaces are directed to a target plane via a common optical arrangement and a common scanning device and guided over the target plane. The device has a rotating device with which at least the fiber receptacle or receiving device or a corresponding distribution of the laser beams can be rotated about an axis running parallel to the laser beams. The device enables parallelized laser material processing with high flexibility.

Description

Technisches AnwendungsgebietTechnical field of application

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erzeugung einer räumlich modulierbaren Leistungsdichteverteilung aus Laserstrahlung, insbesondere zur Lasermaterialbearbeitung, bei der mehrere Laserstrahlen aus Lichtleitfasern mit einer optischen Anordnung und einer gemeinsamen Scaneinrichtung auf eine Zielebene gerichtet und über die Zielebene geführt werden können.The present invention relates to a device for generating a spatially modulatable power density distribution from laser radiation, in particular for laser material processing, in which several laser beams from optical fibers with an optical arrangement and a common scanning device can be directed onto a target plane and guided over the target plane.

Im Bereich der Lasermaterialbearbeitung ist die Prozessgeschwindigkeit durch unterschiedliche Einflüsse begrenzt. Zum einen kann der Bearbeitungsprozess selbst die Geschwindigkeit begrenzen. Dies ist beispielsweise beim Prozess des selektiven Laserschmelzens (SLM) der Fall, bei dem die Umschmelzung des Metallpulvers in der Praxis mit einer maximalen Geschwindigkeit von ca. 1 m/s erfolgen kann. Zum anderen kann auch die verfügbare Laserleistung oder die Trägheit der Scaneinrichtung die Prozessgeschwindigkeit begrenzen. Eine Steigerung der Prozessgeschwindigkeit ist jedoch gerade bei Einsatz der Laserbearbeitung im industriellen Umfeld sehr wichtig.In the area of laser material processing, the process speed is limited by various influences. On the one hand, the machining process itself can limit the speed. This is for example in the process of selective laser melting ( SLM ) the case in which the remelting of the metal powder can in practice take place at a maximum speed of approx. 1 m / s. On the other hand, the available laser power or the inertia of the scanning device can also limit the process speed. However, increasing the process speed is very important when laser processing is used in an industrial environment.

Stand der TechnikState of the art

Der bisher bei der Lasermaterialbearbeitung verfolgte Ansatz besteht darin, die Prozessgeschwindigkeit durch Parallelisierung, also gleichzeitige Bearbeitung mit mehreren Laserstrahlen, zu erhöhen. Für diese Parallelisierung sind unterschiedliche Techniken bekannt.The approach followed in laser material processing so far is to increase the process speed by parallelization, i.e. simultaneous processing with several laser beams. Different techniques are known for this parallelization.

So ist es beispielsweise bekannt, einen Laserstrahl durch Beugung an einem diffraktiven optischen Element (DOE) in mehrere Teilstrahlen aufzuspalten und über einen Scanner auf das Werkstück zu richten. Die Teilstrahlen können hierbei jedoch nicht getrennt voneinander räumlich und zeitlich moduliert werden, so dass die Anwendungsbandbreite dieser Technik begrenzt ist.It is known, for example, to split a laser beam into several partial beams by diffraction at a diffractive optical element (DOE) and to direct it onto the workpiece using a scanner. However, the partial beams cannot be modulated spatially and temporally separately from one another, so that the range of applications of this technology is limited.

Für eine breitere Anwendung wird auch eine Bearbeitung auf Basis mehrerer, parallel angeordneter Diodenlaser vorgeschlagen. Die Strahlformung und Führung erfolgt dabei jeweils für jeden Diodenlaser über ein eigenes optisches System und einen eigenen Galvanometerscanner.For a broader application, processing based on several diode lasers arranged in parallel is also proposed. The beam is formed and guided for each diode laser using its own optical system and its own galvanometer scanner.

Aus der DE 102013011676 A1 sind eine Vorrichtung und ein Verfahren zur generativen Bauteilfertigung bekannt, bei denen in einem Bearbeitungskopf mehrere voneinander getrennte Laserstrahlen geführt und nebeneinander und/oder überlappend auf die Bearbeitungsebene gerichtet werden. Der Bearbeitungskopf wird mit Hilfe einer Bewegungseinrichtung über die Bearbeitungsebene bewegt, während die voneinander getrennten Laserstrahlen voneinander unabhängig in der Intensität moduliert werden können, um die gewünschte Belichtungsgeometrie zu erhalten. Eine ähnliche Technik ist auch in der US 2017/0021454 A1 beschrieben.From the DE 102013011676 A1 a device and a method for additive component production are known in which a plurality of separate laser beams are guided in a machining head and directed next to one another and / or overlapping onto the machining plane. The processing head is moved over the processing plane with the aid of a movement device, while the intensity of the laser beams, which are separated from one another, can be modulated independently of one another in order to obtain the desired exposure geometry. A similar technique is also in the US 2017/0021454 A1 described.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Vorrichtung zur Erzeugung einer räumlich modulierbaren Leistungsdichteverteilung aus Laserstrahlung anzugeben, die eine parallelisierte Lasermaterialbearbeitung ermöglicht und sich noch flexibler einsetzen lässt.The object of the present invention is to provide a device for generating a spatially modulatable power density distribution from laser radiation which enables parallelized laser material processing and which can be used even more flexibly.

Darstellung der ErfindungPresentation of the invention

Die Aufgabe wird mit der Vorrichtung gemäß Patentanspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Vorrichtung sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche oder lassen sich der nachfolgenden Beschreibung sowie den Ausführungsbeispielen entnehmen.The object is achieved with the device according to claim 1. Advantageous configurations of the device are the subject of the dependent claims or can be found in the following description and the exemplary embodiments.

Die vorgeschlagene Vorrichtung weist entweder eine Faseranordnung aus mehreren in einer Faseraufnahme nebeneinander angeordneten Lichtleitfasern oder eine Aufnahmeeinrichtung für mehrere Faserstecker oder Faserkollimatoren mit fest verbundenen Lichtleitfasern nebeneinander auf, wobei in allen Fällen Faseraustrittsflächen der Lichtleitfasern ein ein- oder zweidimensionales Array bilden. Die Vorrichtung weist weiterhin eine optische Anordnung, mit der aus den Faseraustrittsflächen der Lichtleitfasern austretende Laserstrahlen auf eine Zielebene fokussierbar sind, und eine allen Laserstrahlen gemeinsame Scaneinrichtung auf, mit der die Laserstrahlen über die Zielebene geführt bzw. bewegt werden können. Die Vorrichtung zeichnet sich durch eine Dreheinrichtung aus, mit der zumindest die Faseraufnahme oder Aufnahmeeinrichtung oder eine aus dem ein- oder zweidimensionalen Array resultierende Verteilung der Laserstrahlen um eine parallel zu den Laserstrahlen verlaufende Achse, vorzugsweise um eine bezüglich der Verteilung der Laserstrahlen zentrale Achse bzw. Symmetrieachse, drehbar ist.The proposed device has either a fiber arrangement of several optical fibers arranged next to one another in a fiber receptacle or a receiving device for several fiber plugs or fiber collimators with firmly connected optical fibers next to one another, with fiber exit surfaces of the optical fibers forming a one- or two-dimensional array in all cases. The device also has an optical arrangement with which laser beams emerging from the fiber exit surfaces of the optical fibers can be focused on a target plane, and a scanning device common to all laser beams, with which the laser beams can be guided or moved over the target plane. The device is characterized by a rotating device with which at least the fiber receptacle or receptacle device or a distribution of the laser beams resulting from the one- or two-dimensional array around an axis running parallel to the laser beams, preferably around an axis that is central to the distribution of the laser beams. Axis of symmetry, is rotatable.

Die vorgeschlagene Vorrichtung ermöglicht durch diesen Aufbau, die Leistungsdichteverteilung der Laserstrahlung in Materialbearbeitungsprozessen, beispielsweise beim Materialabtrag mittels Ultrakurzpuls-Laserstrahlung oder beim selektiven Laserschmelzen oder Auftragsschweißen räumlich zu skalieren und auf diese Weise die Prozessgeschwindigkeit zu steigern. Die Lasermaterialbearbeitung wird dabei mit mehreren nebeneinander angeordneten, gegebenenfalls auch zumindest teilweise überlappenden, Laserspots in der Zielebene durchgeführt, wobei die einzelnen Laserstrahlen durch eine gemeinsame Strahlformung geführt und mittels einer gemeinsamen Scaneinrichtung, bspw. einer dynamischen Strahlablenkeinheit, über die Zielebene geführt werden, die bei der Lasermaterialbearbeitung der Werkstückoberfläche entspricht. Die optische Ausgangsleistung der einzelnen Lichtleitfasern kann dabei über die zugrunde liegenden Laserquellen oder diesen vorgeschaltete Modulatoren individuell moduliert werden, so dass einzelne Laserspots für die Bearbeitung hinzu- oder abgeschaltet werden. Effektiv kann auf diese Weise z.B. die Gesamt-Spurbreite der in der Zielebene aus den einzelnen Laserspots erzeugten Intensitätsverteilung variiert werden.With this structure, the proposed device enables the power density distribution of the laser radiation in material processing processes to be spatially scaled, for example during material removal by means of ultrashort pulse laser radiation or during selective laser melting or build-up welding, and in this way to increase the process speed. The laser material processing is carried out with several juxtaposed, possibly also at least partially overlapping, laser spots in the target plane, the individual laser beams being guided through a common beam shaping and using a common scanning device, for example a dynamic beam deflection unit, are guided over the target plane, which corresponds to the workpiece surface during laser material processing. The optical output power of the individual optical fibers can be individually modulated via the underlying laser sources or modulators connected upstream of them, so that individual laser spots can be switched on or off for processing. In this way, for example, the total track width of the intensity distribution generated in the target plane from the individual laser spots can be effectively varied.

Diese Intensitätsverteilung bzw. Leistungsdichteverteilung in der Zielebene kann bei der vorgeschlagenen Vorrichtung durch die Dreheinrichtung gedreht und damit zusätzlich angepasst werden. Dies ist vor allem bei Erzeugung einer langgestreckten Leistungsdichte- bzw. Intensitätsverteilung, insbesondere durch Nutzung eines entsprechend langgestreckt bzw. länglich ausgebildeten ein- oder mehrzeiligen Arrays der Faseraustrittsflächen der Lichtleitfasern, von großem Vorteil, da beispielsweise die Gesamtspurbreite bei Führung der Intensitätsverteilung in der Zielebene zunächst in einer und anschließend in der dazu senkrechten Richtung durch entsprechende Drehung des Intensitätsprofils unverändert beibehalten werden kann.In the proposed device, this intensity distribution or power density distribution in the target plane can be rotated by the rotating device and thus additionally adapted. This is particularly advantageous when generating an elongated power density or intensity distribution, in particular by using a correspondingly elongated or elongated single or multi-line array of the fiber exit surfaces of the optical fibers, since, for example, the total track width initially when guiding the intensity distribution in the target plane can be maintained unchanged in one direction and then in the direction perpendicular thereto by corresponding rotation of the intensity profile.

Mit der Dreheinrichtung kann weiter die Drehung des Strahlprofils korrigiert werden, welche als Nebeneffekt bei der Strahlablenkung durch drehende Spiegel (z.B. 2D-Galvanometer-Scanner) auftritt.The rotation device can also be used to correct the rotation of the beam profile, which occurs as a side effect when the beam is deflected by rotating mirrors (e.g. 2D galvanometer scanner).

Mit der Dreheinrichtung kann ebenfalls die Orientierung des Strahlprofils so eingestellt werden, dass eine Laserbearbeitung aus zwei orthogonalen Richtungen möglich ist. Dies ist bei additiven Fertigungsverfahren wie dem Selective Laser Melting (SLM) vorteilhaft, um die Festigkeit der additiv gefertigten Bauteile zu erhöhen.The rotation device can also be used to set the orientation of the beam profile in such a way that laser processing from two orthogonal directions is possible. This is the case with additive manufacturing processes such as Selective Laser Melting ( SLM ) advantageous to increase the strength of the additively manufactured components.

Bei der Dreheinrichtung kann es sich beispielsweise um eine Dreheinrichtung für die Faseraufnahme oder die Aufnahmeeinrichtung für die Faserstecker oder Faserkollimatoren handeln, die diese dann mechanisch um eine vorzugsweise zentrale Achse dreht. Auch eine Dreheinrichtung für den gesamten Bearbeitungskopf ist möglich. Eine weitere, besonders vorteilhafte Möglichkeit besteht darin, die Drehung über eine optische Einrichtung vorzunehmen, die im Strahlengang der Laserstrahlen angeordnet ist und entsprechend gedreht wird. Hierbei handelt es sich vorzugsweise um ein Dove-Prisma, das über eine geeignete Mechanik um seine Längsachse drehbar ausgebildet ist. Anstelle des Dove-Prismas lassen sich auch andere optische Anordnungen einsetzen, beispielsweise eine geeignete Spiegelanordnung, die entsprechend drehbar ausgebildet ist. Die Drehung selbst wird vorzugsweise über einen geeigneten, beispielsweise elektromotorischen, Drehantrieb realisiert.The rotating device can be, for example, a rotating device for the fiber receptacle or the receiving device for the fiber connector or fiber collimator, which then rotates it mechanically about a preferably central axis. A rotating device for the entire processing head is also possible. Another particularly advantageous possibility is to perform the rotation via an optical device which is arranged in the beam path of the laser beams and is rotated accordingly. This is preferably a Dove prism which is designed to be rotatable about its longitudinal axis by means of a suitable mechanism. Instead of the Dove prism, other optical arrangements can also be used, for example a suitable mirror arrangement which is designed to be rotatable accordingly. The rotation itself is preferably implemented using a suitable rotary drive, for example an electric motor.

Bei der allen Laserstrahlen gemeinsamen Scaneinrichtung kann es sich um ein konventionelles dynamisches Strahlablenksystem wie beispielsweise einen Galvanometer- oder Polygonscanner handeln. Auch ein Portalachssystem kann eingesetzt werden, mit dem die Laserstrahlen über die Zielebene bewegt werden. Die Scaneinrichtung kann auch aus einer Kombination unterschiedlicher Scanner gebildet sein.The scanning device common to all laser beams can be a conventional dynamic beam deflection system such as a galvanometer or polygon scanner. A portal axis system can also be used to move the laser beams over the target plane. The scanning device can also be formed from a combination of different scanners.

In einer Ausgestaltung der vorgeschlagenen Vorrichtung wird eine Faseranordnung aus mehreren in einer Faseraufnahme nebeneinander verlaufenden Lichtleitfasern eingesetzt. Die Lichtleitfasern sind dabei in der Faseraufnahme eng nebeneinander angeordnet, wobei der Abstand der Faserkerne vorzugsweise geringer als die vierfache Dicke des Fasermantels ist und vorzugsweise der doppelten Dicke des Fasermantels entspricht. In einer derartigen Ausgestaltung weist die optische Anordnung dann vorzugsweise einen Kollimator und eine Fokussieroptik auf.In one embodiment of the proposed device, a fiber arrangement composed of several optical fibers running next to one another in a fiber receptacle is used. The optical fibers are arranged close to one another in the fiber receptacle, the distance between the fiber cores preferably being less than four times the thickness of the fiber cladding and preferably corresponding to twice the thickness of the fiber cladding. In such an embodiment, the optical arrangement then preferably has a collimator and focusing optics.

In einer vorteilhaften Weiterbildung befinden sich (in Strahlrichtung der Laserstrahlen) hinter den Faseraustrittsflächen Mikrolinsen, die so angeordnet und dimensioniert sind, dass aus den Faseraustrittsflächen austretende Laserstrahlung jeweils benachbarter Lichtleifasern in einer ersten Ebene (in Strahlrichtung der Laserstrahlen) hinter den Mikrolinsen überlappt. Auf diese Weise wird aus den einzelnen Laserstrahlen in dieser ersten Ebene eine zusammenhängende Intensitätsverteilung erzeugt. Vorzugsweise wird diese zusammenhängende Intensitätsverteilung dann mit Hilfe einer ersten Optik der optischen Anordnung verkleinert auf eine zweite Ebene abgebildet. Erst im Anschluss an diese zweite Ebene sind dann der Kollimator und die Fokussieroptik zur Fokussierung in Richtung der Zielebene angeordnet. Auf dieser Weise wird in der Zielebene trotz der Abstände der einzelnen Lichtleitfaserkerne in der Faseraufnahme und des damit zusammenhängenden reduzierten Füllfaktors eine zusammenhängende Intensitätsverteilung erreicht. Die Problematik eines geringen Füllfaktors tritt insbesondere bei Nutzung von Singlemode-Fasern auf. Bei Nutzung von Multimodefasern ist aufgrund des höheren Durchmessers der Faserkerne bei gleichem Abstand zwischen den einzelnen Faserkernen der Füllfaktor deutlich höher, so dass in diesem Fall gegebenenfalls auf die Anordnung der Mikrolinsen und die erste optische Anordnung vollständig verzichtet werden kann.In an advantageous development, there are microlenses behind the fiber exit surfaces (in the direction of the laser beams), which are arranged and dimensioned in such a way that laser radiation emerging from the fiber exit surfaces overlaps in a first plane (in the beam direction of the laser beams) behind the microlenses. In this way, a coherent intensity distribution is generated from the individual laser beams in this first plane. This coherent intensity distribution is then preferably imaged in a reduced size on a second plane with the aid of first optics of the optical arrangement. Only after this second plane are the collimator and the focusing optics arranged for focusing in the direction of the target plane. In this way, a coherent intensity distribution is achieved in the target plane despite the distances between the individual optical fiber cores in the fiber receptacle and the associated reduced fill factor. The problem of a low fill factor occurs in particular when using singlemode fibers. When using multimode fibers, the fill factor is significantly higher due to the larger diameter of the fiber cores with the same distance between the individual fiber cores, so that in this case the arrangement of the microlenses and the first optical arrangement can be completely dispensed with.

Die Nutzung einer Faseraufnahme für viele eng beieinander liegende Lichtleitfasern hat den Nachteil, dass ein Austausch einzelner Fasern nicht oder nur mit sehr großem Aufwand möglich ist. In einer weiteren Ausgestaltung der vorgeschlagenen Vorrichtung wird daher eine Aufnahmeeinrichtung für mehrere Faserstecker oder Faserkollimatoren mit fest verbundenen Lichtleitfasern, also für konventionelle Anschlüsse an Lichtleitfasern, insbesondere festverbundene Faserkollimatoren oder standardisierte Faserstrecker (z.B. QBH), eingesetzt. Im Anschluss an diese Aufnahmeeinrichtung ist dann eine optische Einrichtung angeordnet, mit der der gegenseitige Abstand der aus den Faseraustrittsflächen der Lichtleitfasern austretenden Laserstrahlen vor einem Eintritt in die optische Anordnung und Scaneinrichtung reduziert wird. Dies kann beispielsweise durch eine geeignete Anordnung mehrerer Spiegel und/oder Prismen und/oder Linsen erfolgen. Durch diese Skaliereinrichtung werden die großen Abstände der Fasern aufgrund der konventionellen Anschlüsse auf das für die vorgeschlagene Vorrichtung erforderliche Maß reduziert. Der besondere Vorteil dieser Ausgestaltung besteht darin, dass die Lichtleitfasern und Laser modular bleiben und bei Bedarf schnell ausgetauscht werden können.The use of a fiber receptacle for many optical fibers lying close together has the disadvantage that an exchange of individual fibers is not possible or only possible with great effort. In a further embodiment of the proposed device, there is therefore a receiving device for several fiber plugs or fiber collimators with permanently connected optical fibers, i.e. for conventional connections to optical fibers, in particular permanently connected fiber collimators or standardized fiber stretchers (e.g. QBH). Following this recording device, an optical device is then arranged with which the mutual spacing of the laser beams emerging from the fiber exit surfaces of the optical fibers is reduced before they enter the optical arrangement and scanning device. This can be done for example by a suitable arrangement of several mirrors and / or prisms and / or lenses. This scaling device reduces the large distances between the fibers due to the conventional connections to the extent required for the proposed device. The particular advantage of this configuration is that the optical fibers and lasers remain modular and can be exchanged quickly if necessary.

Die vorgeschlagene Vorrichtung eignet sich vor allem für die parallelisierte Lasermaterialbearbeitung. Selbstverständlich ist die Vorrichtung jedoch nicht auf den Bereich der Lasermaterialbearbeitung beschränkt und lässt sich auch für andere Anwendungen einsetzen, bei denen eine parallele Abtastung eines Objekts mit Laserstrahlung einer modulierbaren Leistungsdichteverteilung erforderlich oder von Vorteil ist. Durch Nutzung eines gemeinsamen Strahlablenksystems bzw. einer gemeinsamen Scaneinrichtung weist die Vorrichtung eine geringe Komplexität auf, die mechanisch weniger anfällig ist, einen geringeren Bauraum beansprucht und kostengünstiger zu realisieren ist als Anordnungen mit einer Vielzahl von Scaneinrichtungen. Bei Verwendung eines Polygonscanners, z.B. mit variierendem Kippwinkel der einzelnen Spiegelfacetten, kann eine erhebliche Steigerung beispielsweise von Abtrags-, Strukturier- oder Markierprozessen erzielt werden. Dies setzt eine entsprechende Modulierung der Strahlquellen voraus. Die Modulation kann z.B. über akusto- oder elektrooptische Schalter realisiert werden, die Frequenzen von über 1 MHz erreichen. Die Vorrichtung ist hinsichtlich der Art der Strahlquellen und somit auch hinsichtlich des Einsatzgebietes flexibel. So können beispielsweise sowohl in Multimode-Fasern eingekoppelte Diodenlaser, Singlemode-Faserlaser als auch in photonische Fasern eingekoppelte Ultra-Kurzpuls-Laser verwendet werden.The proposed device is particularly suitable for parallelized laser material processing. Of course, however, the device is not restricted to the field of laser material processing and can also be used for other applications in which parallel scanning of an object with laser radiation with a power density distribution that can be modulated is necessary or advantageous. By using a common beam deflection system or a common scanning device, the device has a low level of complexity, which is mechanically less susceptible, takes up less space and can be implemented more cost-effectively than arrangements with a large number of scanning devices. When using a polygon scanner, e.g. With a varying tilt angle of the individual mirror facets, a considerable increase in, for example, removal, structuring or marking processes can be achieved. This requires a corresponding modulation of the beam sources. The modulation can e.g. can be implemented using acousto or electro-optical switches that reach frequencies of over 1 MHz. The device is flexible with regard to the type of beam sources and thus also with regard to the field of application. For example, diode lasers coupled into multimode fibers, singlemode fiber lasers and ultra-short pulse lasers coupled into photonic fibers can be used.

FigurenlisteFigure list

Die vorgeschlagene Vorrichtung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den Zeichnungen nochmals näher erläutert. Hierbei zeigen:

  • 1 eine schematische Darstellung einer ersten Ausgestaltung der vorgeschlagenen Vorrichtung;
  • 2 eine schematische Darstellung einer beispielhaften Faseranordnung in der Faseraufnahme der ersten Ausgestaltung;
  • 3 eine schematische Darstellung der Faseranordnung der 2 mit zusätzlichen Mikrolinsen;
  • 4 eine Querschnittsdarstellung der Anordnung der 3;
  • 5 eine schematische Darstellung des optischen Systems bis zum Kollimator bei der Ausgestaltung der 3 und 4;
  • 6 eine schematische Darstellung der Leistungsdichteverteilungen in den in 5 dargestellten Ebenen;
  • 7 eine schematische Darstellung einer um die Symmetrieachse drehbaren Faseranordnung;
  • 8 eine schematische Darstellung der Faseranordnung mit der Dreheinrichtung;
  • 9 eine schematische Darstellung der parallelen Bearbeitung unter Einsatz eines Polygon-Scanners;
  • 10 eine schematische Darstellung der Bearbeitungsspuren auf dem Werkstück bei der Bearbeitung gemäß 9;
  • 11 eine schematische Darstellung der parallelen Bearbeitung unter Einsatz eines Galvanometer-Scanners;
  • 12 eine schematische Darstellung der parallelen Bearbeitung unter Einsatz eines Portal-Achssystems;
  • 13 eine schematische Darstellung zweier Beispiele der parallelen Bearbeitung unter Nutzung der Dreheinrichtung;
  • 14 eine schematische Darstellung einer zweiten Ausgestaltung der vorgeschlagenen Vorrichtung;
  • 15 eine schematische Darstellung einer dritten Ausgestaltung der vorgeschlagenen Vorrichtung;
  • 16 eine schematische Darstellung der Ausgestaltungen der 14 und 15 mit der anschließenden Strahlskalierung und Drehung mit Hilfe eines Dove-Prismas;
  • 17 eine zu 16 senkrechte Ansicht der Ausgestaltung der 14 und 15; und
  • 18 eine schematische Darstellung der parallelen Bearbeitung beim Laserauftragsschweißen unter Einsatz einer Pulverdüse.
The proposed device is explained again in more detail below using exemplary embodiments in conjunction with the drawings. Here show:
  • 1 a schematic representation of a first embodiment of the proposed device;
  • 2 a schematic representation of an exemplary fiber arrangement in the fiber receptacle of the first embodiment;
  • 3 a schematic representation of the fiber arrangement of FIG 2 with additional microlenses;
  • 4th a cross-sectional view of the arrangement of 3 ;
  • 5 a schematic representation of the optical system up to the collimator in the design of the 3 and 4th ;
  • 6th a schematic representation of the power density distributions in the in 5 illustrated levels;
  • 7th a schematic representation of a fiber arrangement rotatable about the axis of symmetry;
  • 8th a schematic representation of the fiber arrangement with the rotating device;
  • 9 a schematic representation of the parallel processing using a polygon scanner;
  • 10 a schematic representation of the machining tracks on the workpiece during machining according to FIG 9 ;
  • 11 a schematic representation of the parallel processing using a galvanometer scanner;
  • 12 a schematic representation of the parallel processing using a portal axis system;
  • 13 a schematic representation of two examples of parallel machining using the rotary device;
  • 14th a schematic representation of a second embodiment of the proposed device;
  • 15th a schematic representation of a third embodiment of the proposed device;
  • 16 a schematic representation of the embodiments of 14th and 15th with the subsequent beam scaling and rotation with the help of a Dove prism;
  • 17th one to 16 vertical view of the design of the 14th and 15th ; and
  • 18th a schematic representation of the parallel processing during laser deposition welding using a powder nozzle.

Wege zur Ausführung der ErfindungWays of Carrying Out the Invention

Die vorgeschlagene Vorrichtung ermöglicht Lasermaterialbearbeitung mit mehreren nebeneinander angeordneten Laserspots, die durch eine gemeinsame Strahlformung geführt und mittels einer gemeinsamen Ablenk- bzw. Scaneinheit über das Werkstück geführt werden. 1 zeigt hierzu eine schematische Darstellung einer ersten beispielhaften Ausgestaltung der vorgeschlagenen Vorrichtung. Dabei werden n Lichtleitfasern Fi nebeneinander in einer ein- oder zweidimensionalen Faseranordnung angeordnet. Die aus diesen Fasern Fi austretenden Laserstrahlen 6 durchlaufen zunächst eine Dreheinrichtung 1, mit der die Verteilung der Laserstrahlen 6 um eine parallel zu den Laserstrahlen verlaufende Achse gedreht werden kann. Anschließend erfolgt eine Kollimation in einem Kollimator 2 und die dynamische Strahlablenkung bzw. Strahlführung mit einem Scanner 3. Die Fokussierung auf das Werkstück 5 erfolgt in diesem Beispiel über ein F-Theta-Objektiv 4. Die Dreheinrichtung 1 ist in diesem Beispiel mittels einer drehbaren optischen Einrichtung realisiert, kann jedoch auch durch Drehung der Faseraufnahme oder auch zwischen Kollimator 2 und Scanner 3 erfolgen.The proposed device enables laser material processing with several laser spots arranged next to one another, which are guided by a common beam shaping and are guided over the workpiece by means of a common deflection or scanning unit. 1 shows a schematic representation of a first exemplary embodiment of the proposed device. There are n optical fibers F i arranged side by side in a one- or two-dimensional fiber arrangement. The ones made from these fibers F i emerging laser beams 6th first pass through a rotating device 1 with which the distribution of the laser beams 6th can be rotated about an axis running parallel to the laser beams. This is followed by collimation in a collimator 2 and the dynamic beam deflection or beam guidance with a scanner 3 . The focus on the workpiece 5 takes place in this example via an F-Theta lens 4. The rotating device 1 is implemented in this example by means of a rotatable optical device, but can also be achieved by rotating the fiber receptacle or between the collimator 2 and scanner 3 respectively.

2 zeigt in Abbildung a) ein Beispiel für eine Anordnung der Lichtleitfasern Fi in einer Reihe in der Faseraufnahme A. Die Fasern sind in dieser Faseraufnahme A eingebettet und weisen jeweils einen Mantel M und Kern K auf, wie in der rechten Abbildung b) der Figur ausschnittsweise vergrößert dargestellt ist. Die optische Ausgangsleistung Ii(t) der einzelnen Lichtwellenleiter-Kanäle kann individuell moduliert werden, so dass einzelne Laserspots für die Bearbeitung hinzu- oder abgeschaltet werden können. Effektiv kann so z.B. die Gesamt-Spurbreite der Laserbearbeitung auf dem Werkstück variiert werden. 2 Figure a) shows an example of an arrangement of the optical fibers Fi in a row in the fiber receptacle A. . The fibers are in this fiber receptacle A. embedded and each have a coat M. and core K on, as is shown enlarged in detail in the right figure b) of the figure. The optical output power I i (t) the individual fiber optic channels can be modulated individually so that individual laser spots can be switched on or off for processing. For example, the total track width of the laser processing on the workpiece can be effectively varied.

Die Faserkerne sind in der Faseranordnung mit einem Abstand Δx bzw. Δy angeordnet, wobei die untere Grenze durch die Stärke des Mantels M der Fasern vorgegeben wird. Bei einem typischen Manteldurchmesser von ca. 200 µm und einem Singlemode-Faserkerndurchmesser von ca. 10 µm ergäbe sich bei einer direkten Abbildung der Faserkerne Ki auf das Werkstück ein geringer Füllfaktor, d.h. große Lücken zwischen den Bearbeitungsspuren Si auf dem Werkstück. In der vorliegenden Ausgestaltung wird zur Lösung dieses Problems vor jeder Faser eine (Mikro-)Linse ML angebracht, wie dies in 3 schematisch angedeutet ist. Die Linsen MLi dieser Linsenanordnung LA vor der Faseranordnung FA werden hierbei nahezu vollständig ausgeleuchtet. Die Strahlung hinter den Linsen wird jedoch nicht vollständig kollimiert, so dass in der Ebene E' hinter den Linsen ein nennenswerter Überlapp benachbarter Strahlungskegel auftritt. Dies ist in der Schnittdarstellung der 4 zu erkennen. Diese Figur zeigt die konfektionierte Faseranordnung FA mit der davor gesetzten Linsenanordnung LA. In der Nahfeld-Ebene E' liegt eine nahezu lückenlose Intensitätsverteilung vor. E stellt hierbei die Austrittsebene der Laserstrahlung aus den Lichtleitfasern Fi dar.The fiber cores are arranged in the fiber arrangement with a distance Δx or Δy, the lower limit being the thickness of the cladding M. of the fibers is specified. With a typical cladding diameter of approx. 200 µm and a singlemode fiber core diameter of approx. 10 µm, direct imaging of the fiber cores would result K i a low fill factor on the workpiece, ie large gaps between the machining tracks S i on the workpiece. In the present embodiment, a (micro) lens is placed in front of each fiber to solve this problem ML attached, as in 3 is indicated schematically. The lenses ML i this lens assembly LA in front of the fiber array FA are almost completely illuminated. The radiation behind the lenses is not completely collimated, so that in the plane E ' behind the lenses there is a significant overlap of neighboring radiation cones. This is in the sectional view of the 4th to recognize. This figure shows the assembled fiber arrangement FA with the lens arrangement placed in front of it LA . In the near field level E ' there is an almost complete distribution of intensity. E represents the exit plane of the laser radiation from the optical fibers F i represent.

In der Ebene E' ist der Spotdurchmesser vergrößert, beispielsweise um einen Faktor 10. Wird nun diese Ebene E' durch ein kompaktes verkleinerndes Linsensystem, beispielsweise bestehend aus zwei Linsen L1 und L2 , um den Faktor 10 wiederum verkleinert, so liegt in der Ebene E" eine nahezu lückenlose Multi-Spotverteilung mit hohem Füllfaktor und der ursprünglichen lateralen Breite der Faseraustrittsflächen vor. Dieser Aufbau ist schematisch in 5 dargestellt. Die Leistungsdichteverteilung in den unterschiedlichen Ebenen E, E' und E" zeigt 6 in den Teilabbildungen a), b) und c). Die Ebene E" kann mit üblichen Kollimations- und F-Theta-Optiken in die Ebene E"' des Werkstücks abgebildet werden.In the plane E ' the spot diameter is enlarged, for example by a factor 10 . Now becomes this level E ' by means of a compact, reducing lens system, for example consisting of two lenses L 1 and L 2 to the factor 10 again reduced, so lies in the plane E " an almost complete multi-spot distribution with a high fill factor and the original lateral width of the fiber exit areas. This structure is shown schematically in 5 shown. The power density distribution in the different levels E. , E ' and E " shows 6th in the partial figures a), b) and c). The level E " can go into the plane with the usual collimation and F-theta optics E " 'of the workpiece.

Die Mikrolinsen hinter den Faserfacetten (Faseraustrittsflächen) können zu einer (monolithischen) Linsenanordnung LA zusammengefasst werden, welche als Einheit an die Faseraufnahme A montiert werden kann. Diese Anordnung von Fasern und Linsen wird im Folgenden als Linsen-Faser-Anordnung FLA bezeichnet. Die Linsen und die Linsenanordnung können z.B. aus Diamant gefertigt werden. Damit können die Abmessungen des optischen Systems deutlich reduziert werden, da dieser Werkstoff aufgrund seiner hervorragenden thermischen Eigenschaften vergleichsbare hohe Leistungsdichten auf den optischen Flächen zulässt.The microlenses behind the fiber facets (fiber exit surfaces) can form a (monolithic) lens arrangement LA which are summarized as a unit to the fiber receptacle A. can be mounted. This arrangement of fibers and lenses is referred to below as the lens-fiber arrangement FLA designated. The lenses and the lens arrangement can be made of diamond, for example. This allows the dimensions of the optical system to be significantly reduced, since this material, due to its excellent thermal properties, allows comparably high power densities on the optical surfaces.

Im Falle von Multimode-Fasern ist der Füllfaktor, also das Verhältnis von Kerndurchmesser zu Manteldurchmesser wesentlich größer, so dass gegebenenfalls auf die oben beschriebene Anordnung aus Mikrolinsen und die Optik zur Verkleinerung der Ebene E' verzichtet werden kann. Stattdessen können die Faserfacetten direkt - oder auch eine Ebene im Nahfeld der Facerfacetten - in die Ebene E"' des Werkstücks abgebildet werden, beispielsweise direkt über Kollimator KO und F-Theta-Linse.In the case of multimode fibers, the fill factor, that is to say the ratio of core diameter to cladding diameter, is significantly larger, so that the above-described arrangement of microlenses and the optics for reducing the plane may be necessary E ' can be dispensed with. Instead, the fiber facets can be placed directly - or a plane in the near field of the facer facets - in the plane E " 'of the workpiece are mapped, for example directly via a collimator KO and F-theta lens.

Die Faseranordnung FA bzw. die Faser-LinsenAnordnung ist im vorliegenden Beispiel mittels einer Dreheinrichtung bzw. Drehachse DA mindestens um 90° um die Symmetrieachse R (vgl. 8) drehbar, wie in 7 in den Teilabbildungen a) und c) schematisch dargestellt ist. Durch diese Drehbarkeit sind die Spuren Si der Laserstrahlen auf dem Werkstück bei geeigneter Führung auf einfache Weise kreuzweise überlagerbar. Die kreuzweise Überlagerung ist z.B. beim SLM-Verfahren üblich, um die Bauteilfestigkeit zu erhöhen. Außerdem können durch die Drehung kontinuierliche Multispot-Bahnkurven gefahren werden. Beide Varianten sind beispielhaft in den beiden Teilabbildungen a) und b) der 13 dargestellt. Ebenso kann durch die Drehung der Faseranordnung der effektive Spurabstand und die Gesamtspurbreite reduziert werden (vgl. Teilabbildungen b) und d) der 7), was insbesondere bei der Verwendung von Multimode-Fasern an Bedeutung gewinnt. 7 zeigt hierbei beispielhaft eine Drehung der Faseranordnung um einen Winkel θ = 45°. Ist die Faseranordnung in y-Richtung ausgerichtet, so ist der Spurabstand Δy für θ = 0° senkrecht zur Vorschubrichtung VR maximal. Bei einer Drehung um den Winkel θ > 0°bewirkt die Drehung entlang der Vorschubrichtung VR eine Reduzierung der effektiven Spurbreite. Die einzelnen Spuren Si liegen dann auch näher beieinander bzw. überlappen stärker. Wird die Faseranordnung FA komplett in Richtung der Vorschubrichtung VR gedreht (θ = 90°), so werden alle Strahlquellen bzw. Spots in einer Spur überlagert. Dies kann z.B. genutzt werden, um ein Werkstück, bspw. ein Blech, nach einer Laser-Strukturierung mit höherer Leistungsdichte zu schneiden.The fiber arrangement FA or the fiber-lens arrangement is in the present example by means of a rotary device or axis of rotation THERE at least 90 ° around the axis of symmetry R. (see. 8th ) rotatable, as in 7th is shown schematically in partial figures a) and c). This rotatability makes the tracks S i the laser beams can be superimposed crosswise in a simple manner on the workpiece with suitable guidance. The cross-overlaying is common in the SLM process, for example, in order to increase the component strength. In addition, continuous multi-spot trajectories can be driven by the rotation. Both variants are exemplified in the two partial figures a) and b) of 13 shown. The effective track spacing and the total track width can also be reduced by rotating the fiber arrangement (cf. partial figures b) and d) of the 7th ), which is becoming more important, especially when using multimode fibers. 7th shows an example of a rotation of the fiber arrangement through an angle θ = 45 °. If the fiber arrangement is aligned in the y direction, the track spacing Δy for θ = 0 ° is perpendicular to the feed direction VR maximum. A rotation through the angle θ> 0 ° causes the rotation along the feed direction VR a reduction in the effective track width. The individual tracks S i are then also closer together or overlap more strongly. Will the fiber arrangement FA completely in the direction of the feed direction VR rotated (θ = 90 °), then all beam sources or spots are superimposed in one track. This can be used, for example, to cut a workpiece, for example a sheet metal, after laser structuring with a higher power density.

Die Herstellung der Faseranordnung FA kann beispielsweis mit Hilfe des selektiven Laserätz-Verfahrens (SLE) erfolgen. Dabei werden Kanäle in der bspw. aus Quarz gefertigten Faseraufnahme A erzeugt, in die die Lichtleitfasern dann eingesteckt und verklebt oder verschmolzen werden.The manufacture of the fiber array FA can for example be done with the help of the selective laser etching process (SLE). In doing so, channels are created in the fiber receptacle, for example made of quartz A. generated, into which the optical fibers are then inserted and glued or fused.

Es können gewöhnliche Multi-und Singlemode-Fasern und auch photonische Fasern (PCF), z.B. Hohlkern-Fasern, bei der Vorrichtung verwendet werden. Damit lässt sich eine Vielzahl von Laserstrahlquellen nutzen, beispielsweise CW-Faserlaser für die additive Fertigung und Laserpolieren oder UKP-Laser für Materialabtrag und Strukturierung.Ordinary multi-mode and singlemode fibers and also photonic fibers (PCF), e.g. Hollow core fibers are used in the device. This means that a large number of laser beam sources can be used, for example CW fiber lasers for additive manufacturing and laser polishing or USP lasers for material removal and structuring.

Die aus der Zielebene, z.B. von einem metallischen Werkstück, zurückreflektierte Strahlung kann zu einer Erwärmung der Faseraufnahme A und der Fasern führen. Um die Wärme abzuführen kann die Faseraufnahme zusätzlich zu den Faserkanälen auch Kühlkanäle enthalten, welche ebenfalls mit dem SLE-Verfahren in die Faseraufnahme eingebracht werden können. Die Kühlkanäle können z.B. mit (gegebenenfalls gefärbtem) Wasser durchströmt werden. Um zu verhindern, dass reflektierte Strahlung in den Fasermantel zurückgekoppelt wird, können die Fasern mit der Faseraufnahme verklebt werden (Modestripping). Des Weiteren können auch Maßnahmen zur Unterdrückung von Rückreflexen in die Faseranordnung integriert werden, z.B. Antireflexverspiegelungen und gegebenenfalls Anspleißen eines entspiegelten Quarzblocks.The radiation reflected back from the target plane, for example from a metallic workpiece, can cause the fiber receptacle to heat up A. and the fibers lead. In order to dissipate the heat, the fiber receptacle can also contain cooling channels in addition to the fiber channels, which can also be introduced into the fiber receptacle using the SLE method. The cooling channels can, for example, be flowed through with (optionally colored) water. To prevent reflected radiation from being fed back into the fiber cladding, the fibers can be glued to the fiber receptacle (fashion stripping). Furthermore, measures for suppressing back reflections can also be integrated into the fiber arrangement, for example anti-reflective reflections and, if necessary, splicing of an anti-reflective quartz block.

8 zeigt in den Teilabbildungen a) und b) eine schematische Darstellung der konfektionierten Linsen- und Faseranordnung FLA mit dem angebundenen Faserbündel FB, die mittels einer Drehachse DA um die Symmetrieachse R rotierbar ist. Die Drehachse DA kann beispielsweise elektromotorisch angetrieben werden. 8th shows in the partial figures a) and b) a schematic representation of the assembled lens and fiber arrangement FLA with the attached fiber bundle FB that means an axis of rotation THERE around the axis of symmetry R. is rotatable. The axis of rotation THERE can for example be driven by an electric motor.

In 9 ist eine Ausführungsform zur parallelen Materialbearbeitung mittels Polygonscanner PS schematisch dargestellt. Die durch die Faser- und Linsenanordnung FLA erzeugte Intensitätsverteilung (in Ebene E') wird dabei über die Linsen L1 und L2 verkleinert (vgl. 5 und 6) und die Laserstrahlen anschließend durch den Kollimator KO kollimiert. Die Fokussiereinzeit ZS ist variabel (z-Shift), so dass in diesem Fall kein F-Theta-Objektiv erforderlich ist. Die Spiegelflächen bzw. Spiegelfacetten SFi des Polygonscanners PS sind mit ansteigendem Winkel verkippt. Die Multi-Zeile Z1 auf dem Werkstück WS wird mittels Spiegelfacette SF1 in Vorschubrichtung VR abgefahren (Teilabbildung a) der 9). Die Multi-Zeile Z2 wird durch die verkippte Spiegelfacette SF2 abgefahren (Teilabbildung b) der 9) usw., wie dies in den 9 und 10 schematisch angedeutet ist. In 10, einer Darstellung der Laserspuren auf dem Werkstück WS, werden hierbei die Spuren S1 ... Sn von links nach rechts in Vorschubrichtung VR durchfahren. Am Ende von Zeile Z1 erfolgt dann ein Strahlversatz zum Anfang von Zeile Z2 usw.In 9 is an embodiment for parallel material processing using a polygon scanner PS shown schematically. The through the fiber and lens arrangement FLA generated intensity distribution (in plane E ' ) is doing this over the lenses L 1 and L 2 reduced (cf. 5 and 6th ) and the laser beams then through the collimator KO collimated. The one-time focus ZS is variable (z-shift), so that no F-theta lens is required in this case. The mirror surfaces or mirror facets SF i of the polygon scanner PS are tilted with increasing angles. The multi line Z 1 on the workpiece WS is made by means of a mirror facet SF 1 in feed direction VR traveled (part of figure a) of the 9 ). The multi line Z 2 is due to the tilted mirror facet SF 2 traversed (part of figure b) the 9 ) etc., like this in the 9 and 10 is indicated schematically. In 10 , a representation of the laser tracks on the workpiece WS , are the tracks S 1 ... S n from left to right in the feed direction VR drive through. At the end of the line Z 1 the beam is then shifted to the beginning of line Z 2 etc.

Während die Ausgestaltung der 9 und 10 vor allem für Oberflächenstrukturierung und Abtrag geeignet ist, zeigt 11 eine Ausführungsform für Anwendungen im Bereich des selektiven Laserschmelzens (SLM). Hier wird die parallele Bearbeitung mittels Galvanometer-Scanner GS dargestellt. Wie beim vorangehenden Beispiel erfolgt auch hier eine Vorfokussierung ohne F-Theta-Objektiv. Der Aufbau der Vorrichtung ist mit Ausnahme der unterschiedlichen Scaneinrichtung identisch dem der 9. Durch Drehung der Faser- und Linsenanordnung FLA mit Hilfe der Drehachse DA um 90° können bei dieser Ausführungsform orthogonale Spuren in der Prozessebene E"' (Oberfläche des Werkstücke WS) abgefahren werden, wie dies beispielhaft in den beiden Teilabbildungen a) und b) der 11 angedeutet ist. Dadurch kann z.B. die Bauteilfestigkeit bei SLM-Prozessen erhöht werden.While the design of the 9 and 10 is particularly suitable for surface structuring and removal, shows 11 an embodiment for applications in the field of selective laser melting ( SLM ). Here the parallel processing is carried out using a galvanometer scanner GS shown. As in the previous example, pre-focusing takes place without an F-theta lens. The structure of the device is identical to that of the except for the different scanning device 9 . By rotating the fiber and lens assembly FLA with the help of the axis of rotation THERE In this embodiment, orthogonal tracks can be rotated by 90 ° in the process level E " '(Surface of the work piece WS ), as exemplified in the two partial figures a) and b) of the 11 is indicated. This can, for example, increase the component strength in SLM processes.

Eine dritte Ausführungsform, insbesondere für Anwendungen im Bereich des selektiven Laserschmelzens (SLM), ist beispielhaft in Teilabbildung a) der 12 dargestellt. In diesem Beispiel erfolgt die parallele Bearbeitung mittels eines Portalachs-Systems, bestehend aus den Linearachsen Px , Py und Pz . Die Laserstrahlung wird hierbei über das optische System OS auf das Pulverbett PB geführt. Das (Metall-)Pulver wird entlang der Spuren Si verschmolzen. Durch die mittels Drehachse DA drehbare Faser- und Linsenanordnung können hierbei kontinuierliche Kurvenbahnen gefahren werden, wie dies in der rechten Teilabbildung b) der 12 angedeutet ist.A third embodiment, especially for applications in the field of selective laser melting ( SLM ), is exemplified in part a) of the 12 shown. In this example, the parallel machining takes place by means of a portal axis system consisting of the linear axes P x , P y and P z . The laser radiation is here via the optical system OS on the powder bed PB guided. The (metal) powder is along the tracks S i merged. Through the means of rotation axis THERE rotatable fiber and lens arrangement, continuous curved paths can be driven, as shown in the right part of figure b) of 12 is indicated.

Die vorgeschlagene Vorrichtung lässt sich auch für andere Anwendungen, beispielsweise zum Auftragsschweißen einsetzen. Ein Beispiel für diese Anwendung ist in 18 schematisch dargestellt. Die Laserstrahlung aus der Faser- und Linsenanordnung FLA wird hierbei mittels der Linsen L1 , L2 und dem optischen System OS durch eine geeignet ausgebildete Pulverdüse PD hindurch auf das Werkstück WS fokussiert, wie dies im linken Teil der 18 dargestellt ist. Mittels eines gegebenenfalls räumlich modulierbaren Pulverstrahls PS wird dann der Materialauftrag MAT mit Hilfe der Laserstrahlung auf das Werkstück WS aufgeschweißt. Dies ist im rechten Teil der 18 in vergrößerter Darstellung angedeutet. Durch die Modulation der einzelnen Faserkanäle kann die Breite des Materialauftrags eingestellt werden. Die Düse PD hat hierzu eine längliche Austrittsöffnung für das Pulver, um einen im Querschnitt entsprechend länglichen Pulverstrahl zu erzeugen. Die Dreheinrichtung für die Drehung der länglichen Verteilung der Laserstrahlung ist in der Figur nicht dargestellt. Die Düse PD wird hierbei synchron mit der Verteilung der Laserstrahlung gedreht, vorzugsweise durch Drehung des gesamten Bearbeitungskopfes, der die Faser- und Linsenanordnung FLA, die Pulverdüse PD und die zwischenliegenden Komponenten trägt.The proposed device can also be used for other applications, for example for build-up welding. An example of this application is in 18th shown schematically. The laser radiation from the fiber and lens arrangement FLA is done using the lenses L 1 , L 2 and the optical system OS by a suitably designed powder nozzle PD through onto the workpiece WS focused like this in the left part of the 18th is shown. By means of a powder jet that can optionally be spatially modulated PS is then the material order MAT with the help of the laser radiation on the workpiece WS welded on. This is in the right part of the 18th indicated in an enlarged view. The width of the material application can be adjusted by modulating the individual fiber channels. The nozzle PD has for this purpose an elongated outlet opening for the powder in order to generate a powder jet which is correspondingly elongated in cross section. The rotating device for rotating the elongated distribution of the laser radiation is not shown in the figure. The nozzle PD is rotated synchronously with the distribution of the laser radiation, preferably by rotating the entire processing head, which includes the fiber and lens arrangement FLA , the powder nozzle PD and carries the intermediate components.

Anstelle der Faseraufnahme mit den darin eingebetteten Fasern kann die Strahlung auch aus Lichtleitfasern mit konventionellen Anschlüssen zu einer Laserlinie kombiniert werden. Es kann sich hierbei beispielsweise um fest verbundene Faserkollimatoren oder Standardstecker wie z.B. QBH handeln. Die vorgeschlagene Vorrichtung weist hierzu in einer vorteilhaften Ausgestaltung eine Aufnahmeeinrichtung für diese Standardstecker bzw. Faserkollimatoren auf. 14 zeigt hierzu in schematischer Darstellung einen beispielhaften Aufbau bei Nutzung von Fasersteckern 8 (obere Teilabbildung) bzw. Faserkollimatoren 9 (untere Teilabbildung) mit fest verbundenen Lichtleitfasern F. In beiden Fällen ist im Anschluss an die Aufnahmeeinrichtung für die Faserstecker bzw. Faserkollimatoren eine Einrichtung 7 zur Strahlskalierung erforderlich, um die weit auseinander liegenden Laserstrahlen für die spätere Bearbeitung enger aneinander zu führen. Die weiteren Komponenten der Vorrichtung entsprechen denen, wie sie bereits in Verbindung mit 1 kurz beschrieben wurden.Instead of the fiber receptacle with the fibers embedded in it, the radiation from optical fibers can also be combined with conventional connections to form a laser line. These can be, for example, permanently connected fiber collimators or standard plugs such as QBH. For this purpose, the proposed device has, in an advantageous embodiment, a receiving device for these standard plugs or fiber collimators. 14th shows a schematic representation of an exemplary structure when using fiber connectors 8th (upper part of the figure) or fiber collimators 9 (lower part of the figure) with firmly connected optical fibers F. . In both cases, there is a device following the receiving device for the fiber connector or fiber collimator 7th Required for beam scaling in order to guide the widely spaced laser beams closer together for later processing. The other components of the device correspond to those as they were already in connection with 1 briefly described.

15 zeigt zwei Ausgestaltungen gemäß 14, bei denen anstelle des Kollimators und des F-Theta-Objektivs eine Einrichtung 10 zur Fokussierung mit einem Fokusshifter eingesetzt wird. 15th shows two embodiments according to 14th , where instead of the collimator and the F-theta lens, a device 10 is used for focusing with a focus shifter.

In 16 ist ein beispielhafter Aufbau für die Strahlskalierung- und Strahldrehung der 14 und 15, also einen Teil der Vorrichtung, nochmals detaillierter dargestellt. Die aus den Fasersteckern FS1, FS2, FS3 bzw. damit verbundenen Fasern austretenden Laserstrahlen 6 werden zunächst in den Kollimatoren KO1, KO2, KO3 kollimiert und über eine geeignete Spiegelanordnung mit den Spiegeln SP1, SP2 und SP3 zur Erhöhung des Strahl-Füllfaktors näher zueinander geführt. Eine weitere Skalierung in x- und y-Richtung erfolgt über die anschließend geeignet angeordneten Prismen Pr1 bis Pr4. Über das Dove-Prisma Pr5 in einer entsprechenden Drehachse DA wird dann eine Drehung der Strahlanordnung um die z-Achse ermöglicht. 17 zeigt den gleichen Aufbau nochmals aus der y-Richtung. Aus diesen Figuren ist ein beispielhafter Aufbau der Strahlskalierungseinrichtung aus den Spiegeln SP1 bis SP3 und den Prismen Pr1 bis Pr4 zu erkennen, durch die die aus den Fasern austretenden Laserstrahlen 6 deutlich enger zueinander geführt werden.In 16 is an exemplary setup for beam scaling and beam rotation of the 14th and 15th , so part of the device, shown again in more detail. The ones from the fiber connectors FS1 , FS2 , FS3 or associated fibers emitted by laser beams 6th are first in the collimators KO1 , KO2 , KO3 collimated and via a suitable mirror arrangement with the mirrors SP1 , SP2 and SP3 brought closer to each other to increase the beam fill factor. Further scaling in the x and y directions takes place via the subsequently suitably arranged prisms Pr1 to Pr4 . About the Dove Prism Pr5 in a corresponding axis of rotation THERE a rotation of the beam arrangement around the z-axis is then made possible. 17th shows the same structure again from the y-direction. These figures show an exemplary structure of the beam scaling device from the mirrors SP1 to SP3 and the prisms Pr1 to Pr4 to recognize through which the laser beams emerging from the fibers 6th be brought much closer to each other.

Die in Verbindung mit den 14 bis 17 dargestellten Ausgestaltungen haben den Vorteil, dass ein Austausch der Fasern und/oder der für die Einkopplung in die Fasern eingesetzten Laser jederzeit schnell und auf einfache Weise möglich ist.The in connection with the 14th to 17th The embodiments shown have the advantage that the fibers and / or the lasers used for coupling into the fibers can be exchanged quickly and easily at any time.

BezugszeichenlisteList of reference symbols

11
DreheinrichtungRotating device
22
KollimatorCollimator
33
Scannerscanner
44th
F-Theta-ObjektivF-theta lens
55
Werkstückworkpiece
66
LaserstrahlenLaser beams
77th
Einrichtung zur StrahlskalierungDevice for beam scaling
88th
FasersteckerFiber connector
99
FaserkollimatorFiber collimator
1010
Fokussierung und FokusshifterFocusing and focus shifter
F, Fi F, F i
LichtleitfasernOptical fibers
FAFA
FaseranordnungFiber arrangement
AA.
FaseraufnahmeFiber absorption
Ii(t)I i (t)
optische Ausgangsleistungoptical output power
MM.
Mantelcoat
KK
Kerncore
LALA
LinsenanordnungLens assembly
ML, MLi ML, ML i
MikrolinseMicrolens
E, E', E", E"'E, E ', E ", E"'
EbenenLevels
L1, L2 L 1 , L 2
Linsenlenses
KOKO
KollimatorCollimator
FLAFLA
Faser-Linsen-AnordnungFiber-lens arrangement
Si S i
BearbeitungsspurenProcessing marks
DATHERE
Drehachse bzw. DreheinrichtungRotary axis or rotary device
RR.
SymmetrieachseAxis of symmetry
VRVR
VorschubrichtungFeed direction
FBFB
FaserbündelFiber bundle
ZSZS
FokussiereinheitFocusing unit
SFi SF i
SpiegelfacettenMirror facets
WSWS
Werkstückworkpiece
Zi Z i
Multi-ZeilenMulti-lines
PSPS
PolygonscannerPolygon scanner
GSGS
Galvanometer-ScannerGalvanometer scanner
Px, Py, Pz P x , P y , P z
Linearachsen des Portal-AchssystemsLinear axes of the portal axis system
OSOS
Optisches SystemOptical system
PBPB
PulverbettPowder bed
FS1-FS3FS1-FS3
FasersteckerFiber connector
KO1-KO3KO1-KO3
KollimatorenCollimators
SP1-SP3SP1-SP3
Spiegelmirror
Pr1-Pr5Pr1-Pr5
PrismenPrisms
PDPD
PulverdüsePowder nozzle
PSPS
PulverstrahlPowder jet
MATMAT
Materialmaterial

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturPatent literature cited

  • DE 102013011676 A1 [0006]DE 102013011676 A1 [0006]
  • US 2017/0021454 A1 [0006]US 2017/0021454 A1 [0006]

Claims (12)

Vorrichtung zur Erzeugung einer räumlich modulierbaren Leistungsdichteverteilung aus Laserstrahlung, insbesondere zur Lasermaterialbearbeitung, mit - einer Faseranordnung (FA) aus mehreren in einer Faseraufnahme (A) nebeneinander angeordneten Lichtleitfasern (F) oder einer Aufnahmeeinrichtung für mehrere Faserstecker (FS) oder Faserkollimatoren (KO) mit fest verbundenen Lichtleitfasern (F) nebeneinander, wobei Faseraustrittsflächen der Lichtleitfasern (F) ein ein- oder zweidimensionales Array bilden, - einer optischen Anordnung (2, 4, 10), mit der aus den Faseraustrittsflächen der Lichtleitfasern (F) austretende Laserstrahlen (6) auf eine Zielebene fokussierbar sind, - einer allen Laserstrahlen (6) gemeinsamen Scaneinrichtung (3), mit der die Laserstrahlen (6) über die Zielebene geführt werden können, und - einer Dreheinrichtung (1), mit der zumindest die Faseraufnahme (A) oder Aufnahmeeinrichtung oder eine aus dem ein- oder zweidimensionalen Array resultierende Verteilung der Laserstrahlen (6) um eine parallel zu den Laserstrahlen (6) verlaufende Achse (R) als Drehachse drehbar ist.Device for generating a spatially modulatable power density distribution from laser radiation, in particular for laser material processing - a fiber arrangement (FA) consisting of several optical fibers (F) arranged next to one another in a fiber receptacle (A) or a receptacle device for several fiber plugs (FS) or fiber collimators (KO) with firmly connected optical fibers (F) next to one another, with fiber exit surfaces of the optical fibers (F) form a one- or two-dimensional array, - an optical arrangement (2, 4, 10) with which laser beams (6) emerging from the fiber exit surfaces of the optical fibers (F) can be focused on a target plane, - A scanning device (3) common to all laser beams (6), with which the laser beams (6) can be guided over the target plane, and - A rotating device (1) with which at least the fiber receptacle (A) or receiving device or a distribution of the laser beams (6) resulting from the one- or two-dimensional array can be rotated around an axis (R) running parallel to the laser beams (6) as the axis of rotation is. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass im Anschluss an die Aufnahmeeinrichtung eine optische Einrichtung (7) angeordnet ist, mit der ein gegenseitiger Abstand der aus den Faseraustrittsflächen der Lichtleitfasern (F) austretenden Laserstrahlen (6) vor einem Eintritt in die optische Anordnung (2, 4, 10) reduziert wird.Device according to Claim 1 , characterized in that an optical device (7) is arranged following the receiving device, with which a mutual spacing of the laser beams (6) emerging from the fiber exit surfaces of the optical fibers (F) before they enter the optical arrangement (2, 4, 10) is reduced. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die optische Einrichtung (7) durch eine Anordnung mehrerer Spiegel (SP1-SP3) und/oder Prismen (Pr1-Pr4) und/oder Linsen gebildet ist.Device according to Claim 2 , characterized in that the optical device (7) is formed by an arrangement of several mirrors (SP1-SP3) and / or prisms (Pr1-Pr4) and / or lenses. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die in der Faseraufnahme (A) nebeneinander angeordneten Lichtleitfasern (F) einen Faserkern (K) und einen Fasermantel (M) aufweisen, wobei ein Abstand der Faserkerne (K) geringer ist als eine vierfache Dicke des Fasermantels (M) und vorzugsweise der doppelten Dicke des Fasermantels (M) entspricht.Device according to Claim 1 , characterized in that the optical fibers (F) arranged next to one another in the fiber receptacle (A) have a fiber core (K) and a fiber cladding (M), the distance between the fiber cores (K) being less than four times the thickness of the fiber cladding (M) and preferably corresponds to twice the thickness of the fiber sheath (M). Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die optische Anordnung (2, 4, 10) einen Kollimator und eine Fokussieroptik aufweist.Device according to Claim 4 , characterized in that the optical arrangement (2, 4, 10) has a collimator and focusing optics. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass hinter den Faseraustrittsflächen Mikrolinsen (ML) so angeordnet und dimensioniert sind, dass die aus den Faseraustrittsflächen austretende Laserstrahlung (6) jeweils benachbarter Lichtleitfasern (F) in einer ersten Ebene (E') hinter den Mikrolinsen (ML) überlappt.Device according to one of the Claims 4 or 5 , characterized in that microlenses (ML) are arranged and dimensioned behind the fiber exit surfaces in such a way that the laser radiation (6) emerging from the fiber exit surfaces from adjacent optical fibers (F) overlaps in a first plane (E ') behind the microlenses (ML). Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die optische Anordnung (2, 4, 10) auch eine Optik (L1, L2) aufweist, die eine in der ersten Ebene (E') vorliegende Intensitätsverteilung der Laserstrahlung verkleinert auf eine zweite Ebene (E") abbildet.Device according to Claim 6 , characterized in that the optical arrangement (2, 4, 10) also has optics (L 1 , L 2 ) which reduce an intensity distribution of the laser radiation present in the first plane (E ') to a second plane (E ") maps. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Scaneinrichtung (3) einen Polygonscanner (PS), einen Galvanometerscanner (GS) oder ein Portalachssystem (Px, Py, Pz) aufweist.Device according to one of the Claims 1 to 7th , characterized in that the scanning device (3) has a polygon scanner (PS), a galvanometer scanner (GS) or a portal axis system (P x , P y , P z ). Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Dreheinrichtung (1) ein Dove-Prisma aufweist, das im Strahlengang der Laserstrahlen (6) angeordnet und um seine Längsachse drehbar gelagert ist.Device according to one of the Claims 1 to 8th , characterized in that the rotating device (1) has a Dove prism which is arranged in the beam path of the laser beams (6) and is rotatably mounted about its longitudinal axis. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Drehachse eine Symmetrieachse der Faseraufnahme (A), der Aufnahmeeinrichtung oder der Verteilung der Laserstrahlen (6) ist.Device according to one of the Claims 1 to 9 , characterized in that the axis of rotation is an axis of symmetry of the fiber receptacle (A), the receptacle device or the distribution of the laser beams (6). Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Faseraustrittsflächen der Lichtleitfasern (F) einzeiliges Array oder ein langgestrecktes mehrzeiliges Array bilden.Device according to one of the Claims 1 to 10 , characterized in that the fiber exit surfaces of the optical fibers (F) form a single-line array or an elongated multi-line array. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Dreheinrichtung (1) einen Drehantrieb aufweist.Device according to one of the Claims 1 to 11 , characterized in that the rotary device (1) has a rotary drive.
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102020125425A1 (en) 2020-09-29 2022-03-31 Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung eingetragener Verein Apparatus for scanning a target plane with multiple laser beams and method of operation

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP1918062A1 (en) * 2006-10-30 2008-05-07 Danmarks Tekniske Universitet Method and system for laser processing
US20090173724A1 (en) * 2006-03-30 2009-07-09 Yoshiaki Ogino Product laser irradiation device, laser irradiation method and method for manufacturing modified object
DE102013011676A1 (en) * 2013-07-11 2015-01-15 Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. Device and method for generative component production
US20170021454A1 (en) * 2015-06-10 2017-01-26 Ipg Photonics Corporation Multiple beam additive manufacturing
US20180185960A1 (en) * 2017-01-05 2018-07-05 Ipg Photonics Corporation Additive laser machining systems and methods
WO2019219739A1 (en) * 2018-05-15 2019-11-21 Renishaw Plc Laser beam scanner with laser beams positioning optic, optical fibres and fibre termination optic

Family Cites Families (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP4867355B2 (en) * 2006-01-17 2012-02-01 リコープリンティングシステムズ株式会社 Multi-beam light source, optical scanning device, and image forming apparatus
JP2009248181A (en) * 2008-04-10 2009-10-29 Ulvac Japan Ltd Laser beam machining apparatus, pitch adjusting method of laser beam, and laser beam machining method
WO2015091459A1 (en) * 2013-12-17 2015-06-25 Koninklijke Philips N.V. Laser printing system
US10029421B2 (en) * 2014-09-18 2018-07-24 3Dm Digital Manufacturing Ltd Device and a method for 3D printing and manufacturing of materials using quantum cascade lasers

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20090173724A1 (en) * 2006-03-30 2009-07-09 Yoshiaki Ogino Product laser irradiation device, laser irradiation method and method for manufacturing modified object
EP1918062A1 (en) * 2006-10-30 2008-05-07 Danmarks Tekniske Universitet Method and system for laser processing
DE102013011676A1 (en) * 2013-07-11 2015-01-15 Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. Device and method for generative component production
US20170021454A1 (en) * 2015-06-10 2017-01-26 Ipg Photonics Corporation Multiple beam additive manufacturing
US20180185960A1 (en) * 2017-01-05 2018-07-05 Ipg Photonics Corporation Additive laser machining systems and methods
WO2019219739A1 (en) * 2018-05-15 2019-11-21 Renishaw Plc Laser beam scanner with laser beams positioning optic, optical fibres and fibre termination optic

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102020125425A1 (en) 2020-09-29 2022-03-31 Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung eingetragener Verein Apparatus for scanning a target plane with multiple laser beams and method of operation
WO2022069457A1 (en) 2020-09-29 2022-04-07 Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e. V. Device for scanning a target plane by means of a plurality of laser beams, and method for operation
DE102020125425B4 (en) 2020-09-29 2024-03-14 Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung eingetragener Verein Method for operating a device for scanning a target plane with several laser beams

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Publication number Publication date
WO2020193255A1 (en) 2020-10-01
DE102019204032B4 (en) 2021-09-30

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