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Hintergrund der Erfindung
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Die Erfindung betrifft eine Laseranlage und ein Verfahren zur Bestrahlung eines Werkstücks.
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Bei der Laserbearbeitung kommt es im Werkstück zur Ausbildung einer Prozesszone, die durch Laserstrahlung erhitzt wird. Metallische Werkstoffe bilden dabei eine zunächst schmelzflüssige Phase aus, um bei weiterer Erhitzung teilweise bis vollständig zu verdampfen. Die Qualität des bearbeiteten Werkstücks wird wesentlich durch das Verhältnis von Schmelze und Dampf in der Prozesszone bestimmt. Durch die Erhitzung des Werkstücks entsteht ein charakteristisches Prozessleuchten der Schmelze bzw. des Dampfes. Es ist bekannt, dieses Prozessleuchten zu messen, um den Bearbeitungsprozess besser zu steuern bzw. zu regeln.
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Die
DE 10 2010 015 023 A1 offenbart ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Laserbearbeitung eines Werkstücks. Bei dem Verfahren wird das Werkstück in einer thermischen Wirkzone durch einen aus einem Bearbeitungskopf austretenden Laserstrahl erwärmt und zur Prozesskontrolle wird ein ortsaufgelöstes Temperaturprofil der Wirkzone berührungslos mittels einer Temperaturmesseinrichtung ermittelt, welche die Temperatur des Werkstücks oder einen zur Temperatur des Werkstücks proportionalen Parameter an mehreren innerhalb der Wirkzone im Abstand zueinander liegenden Messstellen erfasst. Gleichzeitig wird an jeder Messstelle mittels einer berührungslosen Messeinrichtung ein Messabstand zur Oberfläche sowie die Emissivität der Oberfläche des Werkstücks im Bereich der Wirkzone ermittelt und die ermittelten Werte des Messabstands und der Emissivität zur Berechnung und/oder Korrektur des an jeder Messstelle ermittelten Temperaturwerts verwendet.
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Aus der
DE 197 24 986 A1 ist eine Laser-Vorrichtung zum Verschweißen von Blechen bekannt geworden. Die Vorrichtung ist dazu eingerichtet, UV-Strahlung im Schweißpunkt und IR-Strahlung in der Schmelze zu detektieren.
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Aufgabe der Erfindung
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Es ist demgegenüber Aufgabe der Erfindung, auf konstruktiv einfache Art und Weise eine signifikant verbesserte Charakterisierung von Laserbearbeitungsprozessen zu ermöglichen.
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Beschreibung der Erfindung
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Laseranlage gemäß Patentanspruch 1 und ein Verfahren gemäß Patentanspruch 15. Die Unteransprüche geben bevorzugte Weiterbildungen wieder.
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Die erfindungsgemäße Aufgabe wird somit gelöst durch eine Laseranlage zur Bestrahlung eines Werkstücks mit einem ersten, insbesondere punktförmigen, Laserstrahl, der in einem Kernbereich auf das Werkstück trifft und/oder einem zweiten Laserstrahl, der in einem ringförmigen, insbesondere kreisringförmigen, Bereich auf das Werkstück trifft. Der ringförmige Bereich befindet sich dabei um den Kernbereich. Der Laserstrahl / die Laserstrahlen erzeugt /erzeugen ein Prozessleuchten des Werkstücks, das von einer Sensoreinrichtung erfasst wird. Die Sensoreinrichtung weist eine erste Sensoranordnung zur Erfassung des Prozessleuchtens im Kernbereich und eine zweite Sensoranordnung zur Erfassung des Prozessleuchtens im ringförmigen Bereich auf. Hierdurch können auf einfache Art und Weise sowohl der Zustand des Werkstücks im Kernbereich als auch der Zustand des Werkstücks im ringförmigen Bereich während der Laserbearbeitung bestimmt werden.
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Um eine präzise Bestimmung des Werkstückzustands zu ermöglichen, ist der ringförmige Bereich vorzugsweise radial vom Kernbereich beabstandet.
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Die erste Sensoranordnung kann sowohl zur Detektion von sichtbarer Strahlung als auch zur Detektion von infraroter, insbesondere nahinfraroter, Strahlung des Prozessleuchtens ausgebildet sein. Die sichtbare Strahlung liegt insbesondere durch Linienstrahlung von bei der Bearbeitung entstehendem Dampf vor. Die infrarote Strahlung liegt insbesondere durch Wärmestrahlung der Schmelze vor.
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Die erste Sensoranordnung kann einen ersten Sensor zur Detektion von sichtbarer Strahlung und einen zweiten Sensor zur Detektion von infraroter, insbesondere nahinfraroter, Strahlung aufweisen. Dem ersten Sensor kann ein erster Wellenlängenfilter für sichtbare Strahlung vorgeschaltet sein. Dem zweiten Sensor kann ein Wellenlängenfilter für infrarote, insbesondere nahinfrarote, Strahlung vorgeschaltet sein. Die erste Sensoranordnung kann weiterhin ein optisches Element zur Aufteilung der auf die erste Sensoranordnung auftreffende Strahlung aufweisen, um diese auf den ersten Wellenlängenfilter und den zweiten Wellenlängenfilter zu leiten.
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Die zweite Sensoranordnung kann sowohl zur Detektion von sichtbarer Strahlung als auch zur Detektion von infraroter, insbesondere nahinfraroter, Strahlung des Prozessleuchtens ausgebildet sein.
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Die zweite Sensoranordnung kann einen ersten Sensor zur Detektion von sichtbarer Strahlung und einen zweiten Sensor zur Detektion von infraroter, insbesondere nahinfraroter, Strahlung aufweisen. Dem ersten Sensor kann ein erster Wellenlängenfilter für sichtbare Strahlung vorgeschaltet sein. Dem zweiten Sensor kann ein Wellenlängenfilter für infrarote, insbesondere nahinfrarote, Strahlung vorgeschaltet sein. Die zweite Sensoranordnung kann weiterhin ein optisches Element zur Aufteilung der auf die erste Sensoranordnung auftreffende Strahlung aufweisen, um diese auf den ersten Wellenlängenfilter und den zweiten Wellenlängenfilter zu leiten.
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Die Laseranlage kann eine erste Laserquelle für den ersten Laserstrahl und eine zweite Laserquelle für den zweiten Laserstrahl aufweisen oder einen Strahlteiler aufweisen, der zur Aufteilung eines primären Laserstrahls in den ersten Laserstrahl und zweiten Laserstrahl ausgebildet ist.
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Die erste Laserquelle kann in Form eines ersten Faserlasers und die zweite Laserquelle kann in Form eines zweiten Faserlasers ausgebildet sein. Der Strahlteiler kann in Form einer verschwenkbaren Keilweiche ausgebildet sein.
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Eine konstruktiv besonders einfache Ausführungsform der Laseranlage wird erreicht, wenn die Sensoreinrichtung koaxial zum ersten Laserstrahl und/oder zum zweiten Laserstrahl angeordnet oder ausgebildet ist. In diesem Fall entspricht vorzugsweise die optische Achse der auf das Werkstück geleiteten Laserstrahlung der optischen Achse des zurückgeführten Prozessleuchtens.
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Die Laseranlage kann ein Lichtleitkabel mit einem Innenleiter, d.h. einer Kernfaser, und einen im Querschnitt ringförmigen Außenleiter, d.h. eine Außenfaser, aufweisen. Das Lichtleitkabel kann sowohl dem Leiten des ersten und/oder zweiten Laserstrahls als auch der Rückführung des Prozessleuchtens dienen. Das Lichtleitkabel kann Teil der Sensoreinrichtung sein.
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Vorzugsweise ist das Intensitätsverhältnis zwischen dem ersten Laserstrahl und dem zweiten Laserstrahl einstellbar.
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In besonders bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung weist die Laseranlage eine Steuereinrichtung auf. Die Steuereinrichtung kann dazu ausgebildet sein, den ersten Laserstrahl und/oder den zweiten Laserstrahl abhängig vom Verhältnis des Prozessleuchtens im ringförmigen Bereich zum Prozessleuchten im Kernbereich zu steuern, vorzugsweise zu regeln. Die Steuereinrichtung erlaubt dadurch eine Bearbeitungsoptimierung anhand der momentan gemessenen Zustände des Werkstücks im Kernbereich und im ringförmigen Bereich.
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Zur Detektion des Prozessleuchtens kann die Sensoreinrichtung eine Farbkamera aufweisen. Dies ermöglicht eine konstruktiv besonders einfache Ausbildung der Laseranlage.
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Die Farbkamera kann an einer Scanneroptik (Werkstück bewegt sich relativ zur feststehenden Optik) und/oder an einer fliegenden Optik (Optik bewegt sich relativ zum feststehenden Werkstück) der Laseranlage vorgesehen sein. Die Scanneroptik kann in Form einer programmierbaren Fokussieroptik ausgebildet sein. Die fliegende Optik kann in Form einer Bearbeitungsoptik ausgebildet sein
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Alternativ oder zusätzlich dazu kann die Sensoreinrichtung Photodioden zur Detektion des Prozessleuchtens aufweisen. Zumindest einige Photodioden, insbesondere alle Photodioden, können eine VIS-Sonderbeschichtung (Beschichtung zur Absorption von Strahlung im sichtbaren Wellenlängenbereich) oder eine IR-Sonderbeschichtung (Beschichtung zur Absorption von Strahlung im infraroten Wellenlängenbereich) aufweisen. Die IR-Sonderbeschichtung kann in Form einer NIR-Sonderbeschichtung zur Absorption von Wellenlängen im nahen Infrarotbereich ausgebildet sein.
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Die Photodioden können auf platzsparende Art und Weise an der Mantelfläche des Innenleiters und/oder des Außenleiters des zuvor beschriebenen Lichtleitkabels vorgesehen sein.
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Die Laseranlage ist vorzugsweise in Form einer Laserschneidanlage und/oder in Form einer Laserschweißanlage ausgebildet.
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Das Werkstück kann Teil der Laseranlage sein.
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Die erfindungsgemäße Aufgabe wird weiterhin gelöst durch ein Verfahren zum Betrieb einer Laseranlage, insbesondere zum Betrieb einer hier beschriebenen Laseranlage. Das Verfahren weist zumindest folgende Verfahrensschritte auf:
- A) Bestrahlen eines Werkstücks mit einem ersten Laserstrahl in einem Kernbereich und/oder einem zweiten Laserstrahl in einem ringförmigen Bereich;
- B) Messung des Prozessleuchtens im Kernbereich und im ringförmigen Bereich.
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Vorzugsweise werden im Kernbereich und im ringförmigen Bereich sowohl sichtbare Strahlung als auch infrarote Strahlung des Prozessleuchtens detektiert.
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Insbesondere umfasst das Verfahren folgenden Verfahrensschritt:
- C) Steuern oder Regeln des ersten Laserstrahls und/oder zweiten Laserstrahls in Abhängigkeit des Verhältnisses des Prozessleuchtens im ringförmigen Bereich zum Prozessleuchten im Kernbereich.
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Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der Zeichnung. Ebenso können die vorstehend genannten und die noch weiter ausgeführten Merkmale erfindungsgemäß jeweils einzeln für sich oder zu mehreren in beliebigen Kombinationen Verwendung finden. Die gezeigten und beschriebenen Ausführungsformen sind nicht als abschließende Aufzählung zu verstehen, sondern haben vielmehr beispielhaften Charakter für die Schilderung der Erfindung.
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Figurenliste
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- 1 zeigt schematisch eine erste Ausführungsform einer Laseranlage beim Bestrahlen eines Werkstücks mit Laserstrahlung und Messung des dabei entstehenden Prozessleuchtens.
- 2 zeigt schematisch eine Aufsicht auf das Werkstück aus 1.
- 3 zeigt schematisch eine weitere Ausführungsform einer Laseranlage mit einem Lichtleitkabel.
- 4 zeigt schematisch eine weitere Ausführungsform eines Lichtleitkabels für eine Laseranlage.
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1 zeigt eine Laseranlage 10 zur Laserbearbeitung eines Werkstücks 12. Die Laseranlage 10 weist einen Bearbeitungskopf 14 auf. Durch die Laserbearbeitung entsteht vom Werkstück 12 ausgehendes Prozessleuchten 16, das in einer Sensoreinrichtung 18 detektiert wird. Die Sensoreinrichtung 18 kann hierzu eine Farbkamera aufweisen. Die Laseranlage 10 weist eine Steuereinrichtung 20 zum Steuern der Laseranlage 10 auf. Die Steuereinrichtung 20 ist dabei dazu ausgebildet, das Steuern basierend auf der Bewertung des Prozessleuchtens 16 vorzunehmen. Insbesondere ist die Steuereinrichtung 20 dazu ausgebildet, die Laserleistung der Laseranlage 10 in Abhängigkeit des gemessenen Prozessleuchtens 16 anzupassen.
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2 zeigt eine Draufsicht auf das Werkstück 12 aus 1. Aus 2 ist ersichtlich, dass die Laseranlage 10 (siehe 1) dazu ausgebildet ist, das Werkstück 12 mit einem ersten Laserstrahl 22 und einem zweiten Laserstrahl 24 zu bearbeiten. Der erste Laserstrahl 22 bestrahlt einen Kernbereich 26. Der zweite Laserstrahl 24 bestrahlt einen ringförmigen Bereich 28, der hier insbesondere radial beabstandet vom Kernbereich 26 ist. Aus beiden Bereichen 26, 28 wird Strahlung in Form von Prozessleuchten 16 (siehe 1) emittiert und von der Sensoreinrichtung 18 (siehe 1) detektiert.
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3 zeigt einen Teil einer Laseranlage 10 mit einem Lichtleitkabel 30. Das hier im Längsschnitt dargestellte Lichtleitkabel 30 weist einen, insbesondere im Querschnitt kreisförmigen, Innenleiter 32 und einen, insbesondere im Querschnitt ringförmigen, Außenleiter 34 auf. Der Innenleiter 32 weist vorzugsweise einen Durchmesser d1 zwischen 11µm und 300µm, insbesondere zwischen 50µm und 100µm, auf. Der Außenleiter 34 weist vorzugsweise einen Durchmesser d2 zwischen 50µm und 1000µm , insbesondere zwischen 200µm und 400µm, auf. Der Außenleiter 34 ist koaxial zum Innenleiter 32 ausgebildet.
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Durch den Innenleiter 32 kann sowohl der erste Laserstrahl 22 auf das Werkstück 12 (siehe 1) geleitet werden als auch das Prozessleuchten 16 (siehe 1) aus dem Kernbereich 26 (siehe 2) vom Werkstück 12 (siehe 1) weggeleitet werden. Durch den Außenleiter 34 kann sowohl der zweite Laserstrahl 24 auf das Werkstück 12 (siehe 1) geleitet werden als auch das Prozessleuchten 16 (siehe 1) aus dem ringförmigen Bereich 28 (siehe 2) vom Werkstück 12 (siehe 1) weggeleitet werden.
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Die Aufteilung eines primären Laserstrahls 36 in den ersten Laserstrahl 22 und den zweiten Laserstrahl 24 kann durch einen Strahlteiler 38 erfolgen, hier in Form einer Keilweiche. Der Strahlteiler 38 ist gemäß einem Pfeil 40 von der Steuereinrichtung 20 (siehe 1) verschwenkbar, um die Anteile des ersten Laserstrahls 22 und des zweiten Laserstrahls 24 einstellen zu können, die in den Kernbereich 26 (siehe 2) bzw. den ringförmigen Bereich 28 (siehe 2) geleitet werden.
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Das vom Werkstück 12 (siehe 1) ausgehende Prozessleuchten 16 wird von der Sensoreinrichtung 18 detektiert. Die Sensoreinrichtung 18 weist eine erste Sensoranordnung 42 zur Detektion des Prozessleuchtens 16 im Kernbereich 26 (siehe 2) und eine zweite Sensoranordnung 44 zur Detektion des Prozessleuchtens 16 im ringförmigen Bereich 28 (siehe 2) auf. Die Sensoranordnungen 42, 44 weisen jeweils erste Sensoren 46a, 46b zur Detektion von sichtbarer Strahlung und zweite Sensoren 48a, 48b zur Detektion von infraroter, insbesondere nahinfraroter, Strahlung auf. Erste Wellenlängenfilter 50a, 50b für sichtbare Strahlung und zweite Wellenlängenfilter 52a, 52b für infrarote, insbesondere nahinfrarote, Strahlung sind den Sensoren 46a, b, 48a, b vorgeschaltet. Optische Elemente 54a, 54b teilen die Strahlung auf die Wellenlängenfilter 50a, b, 52a, b auf. Weitere optische Elemente 56a, 56b, beispielsweise in Form dichroitischer Spiegel, leiten das Prozessleuchten 16 auf die optischen Elemente 54a, b.
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4 zeigt eine Variante einer Laseranlage 10 mit einem Lichtleitkabel 30 im Längsschnitt. Das Lichtleitkabel 30 führt einenends (siehe Pfeil 58) mittelbar oder unmittelbar zum Werkstück 12 (siehe 1). Anderenends (siehe Pfeil 60) führt das Lichtleitkabel 30 mittelbar oder unmittelbar zu einem Laserresonator (nicht gezeigt). Das Lichtleitkabel 30 kann Teil der Sensoreinrichtung 18 gemäß 1 sein.
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An den Mantelflächen des Innenleiters 32 und des Außenleiters 34 sind eine erste Sensoranordnung 42 und eine zweite Sensoranordnung 44 zur Detektion von Prozessleuchten 16 angeordnet. Die Reihenfolge der Sensoranordnung 42, 44 im Lichtleitkabel 30 kann umgekehrt zu der in 4 gezeigten Reihenfolge sein. Die Sensoranordnungen 42, 44 umfassen jeweils zumindest einen ersten Sensor 46a, b und einen zweiten Sensor 48a, b zur Detektion von sichtbarer bzw. infraroter, insbesondere nahinfraroter, Strahlung. Die Sensoren 46a, b, 48a, b können Photodioden aufweisen. Die Sensoren 46a, b können eine VIS-Sonderbeschichtung (Beschichtung zur Absorption von Strahlung im sichtbaren Wellenlängenbereich) und/oder die Sensoren 48a, b können eine IR-Sonderbeschichtung (Beschichtung zur Absorption von Strahlung im infraroten Wellenlängenbereich) aufweisen.
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Unter Vornahme einer Zusammenschau aller Figuren der Zeichnung betrifft die Erfindung zusammenfassend eine Laseranlage 10 zur Bearbeitung eines Werkstücks 12. Das Werkstück 12 kann von einem ersten Laserstrahl 22 in einem, insbesondere punktförmigen, Kernbereich 26 bestrahlt werden. Alternativ oder zusätzlich dazu kann das Werkstück 12 in einem ringförmigen Bereich 28 um den Kernbereich 26 bestrahlt werden. Die Laseranlage 10 ist dabei mittels einer Sensoreinrichtung 18 sowohl zur Detektion von Prozessleuchten 16 aus dem Kernbereich 26 als auch zur Detektion von Prozessleuchten 16 aus dem ringförmigen Bereich 28 ausgebildet. Die Sensoreinrichtung 18 kann dazu ausgebildet sein, sowohl im Kernbereich 26 als auch im ringförmigen Bereich 28 sichtbares Prozessleuchten 16 und infrarotes Prozessleuchten 16 getrennt voneinander zu detektieren. Die Laseranlage 10 kann eine Steuereinrichtung 20 aufweisen, die dazu ausgebildet ist, die Anteile des ersten Laserstrahls 22 und des zweiten Laserstrahls 24 in Abhängigkeit von der Sensoreinrichtung 18 zu steuern und/oder zu regeln. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zur Laserbearbeitung, bei dem sowohl aus dem Kernbereich 26 als auch aus dem ringförmigen Bereich 28 Prozessleuchten 16 gemessen und insbesondere zur Steuerung und/oder Regelung der Laseranlage 10 eingesetzt wird.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Laseranlage
- 12
- Werkstück
- 14
- Bearbeitungskopf
- 16
- Prozessleuchten
- 18
- Sensoreinrichtung
- 20
- Steuereinrichtung
- 22
- erster Laserstrahl
- 24
- zweiter Laserstrahl
- 26
- Kernbereich
- 28
- ringförmiger Bereich
- 30
- Lichtleitkabel
- 32
- Innenleiter
- 34
- Außenleiter
- 36
- primärer Laserstrahl
- 38
- Strahlteiler
- 40
- Pfeil (Verschwenkrichtung des Strahlteilers 38)
- 42
- erste Sensoranordnung
- 44
- zweite Sensoranordnung
- 46a, b
- erster Sensor (VIS)
- 48a, b
- zweiter Sensor (IR)
- 50a, b
- erster Wellenlängenfilter (VIS)
- 52a, b
- zweiter Wellenlängenfilter (IR)
- 54a, b
- optisches Element
- 56a, b
- weiteres optisches Element
- 58
- Pfeil (zum Werkstück 12)
- 60
- Peil (zum Laserresonator)
- d1
- Durchmesser Innenleiter
- d2
- Durchmesser Außenleiter
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102010015023 A1 [0003]
- DE 19724986 A1 [0004]
