DE102021002115A1

DE102021002115A1 - Vorrichtung und Verfahren mit einem optisch durchlässigen Werkzeug

Info

Publication number: DE102021002115A1
Application number: DE102021002115.0A
Authority: DE
Inventors: Christian Wenzel; Thomas Gralla; Klaus Schweizer
Original assignee: INNOLITE GmbH
Current assignee: INNOLITE GmbH
Priority date: 2021-04-22
Filing date: 2021-04-22
Publication date: 2022-10-27
Also published as: WO2022223066A1; EP4326478A1; DE112022002276A5

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung mit einem optisch durchlässigen Werkzeug zum Bearbeiten einer Oberfläche, wobei sie ein optisch durchlässiges Strahlführungselement aufweist, das an das optisch durchlässige Werkzeug optisch funktional angekoppelt ist, sodass eine Strahlung vom Strahlführungselement in das Werkzeug gelangen kann. Darüber hinaus betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Bearbeiten einer Oberfläche mit einem optisch durchlässigen Werkzeug, bei dem ein Laserstrahl durch das Werkzeug geführt wird, und ein Verfahren zum Ankoppeln eines Strahlungsführungselements an ein Werkzeug

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung mit einem optisch durchlässigen Werkzeug zum Bearbeiten einer Oberfläche, ein Verfahren zum Bearbeiten einer Oberfläche mit einem optisch durchlässigen Werkzeug, bei dem ein Laserstrahl durch das Werkzeug geführt wird, und ein Verfahren zum Ankoppeln eines Strahlungsführungselements an ein Werkzeug.
Insbesondere betrifft die Erfindung die Herstellung von Hoch- bzw. ultrapräzisen Oberflächen, wie sie u.a. in der Optik oder für haptische Anwendungen benötigt werden, durch Zerspanung mit geometrisch bestimmter Schneide aus monokristallinem Natur- bzw. synthetischem Diamant. Der Diamant ist dabei vorzugsweise derart scharf und schnittfreudig, dass nachgelagerte Polierschritte nicht mehr notwendig sind. Allerdings sind die Materialien, die mit monokristallinem Diamant zerspanbar sind, eingeschränkt. Klassisch lassen sich lediglich Nichteisenmetalle, gewisse Infrarotmaterialien sowie gewisse Kunststoffe bearbeiten.
Aus technischer Sicht sind aber gerade hoch-feste Werkstoffe wie Keramiken, Hartmetalle und auch Gläser von großer Bedeutung, um in oder an ihnen ultrapräzise Oberflächen zu fertigen. Beispielsweise finden Hartmetallwerkzeuge beim Pressen von Glasoptiken Verwendung. Der klassische Ansatz der Zerspanung mit geometrisch bestimmter Schneide versagt und aus dem Stand der Technik sind das Schleifen und das nachgelagerte Polieren derartiger Materialien bekannt. Die bekannten Prozesse sind hochgradig komplex, langwierig und fehleranfällig.
Alternativ kann hybrid mit geometrisch bestimmter Schneide zerspant werden. Durch einen Laserstrahl wird das zu zerspanende Material lokal erwärmt und entfestigt, so dass ein Zerspanprozess ermöglicht wird. Aufgrund der hohen Wärmeleitfähigkeit eignet sich Diamant als Schneidstoff, aus der Literatur sind aber auch andere Schneidstoffe wie PKD oder CBN (synthetischer polykristalliner Diamant, kubisches Bornitrid) bekannt (Dissertation Dr. T. Bergs, WZL Aachen).
Eine besondere Eigenschaft des monokristallinen Diamants ist seine optische Transparenz. Diese ermöglicht die Strahlführung des Lasers durch das Werkzeug, so dass der Strahl unmittelbar in der Zerspanzone auftrifft und entfestigt. Es wird keine materialspezifische Wärmeleitung benötigt, die Entfestigung geschieht nahezu ideal.
Eine gattungsgemäße Vorrichtung ist aus der EP3484658 bekannt. Das optisch durchlässige Werkzeug erlaubt es, einen Laserstrahl in den Bereich der Bearbeitung der Oberfläche zwischen Span- und Freifläche des Werkzeugs zu führen, um die Oberfläche zerspanend zu bearbeiten. Hierbei wird der Laserstrahl als Freistrahl an die Rückseite des Diamantschneidenkörpers fokussiert geführt. Diese Rückseite muss abweichend von klassischen Diamantwerkzeugen optisch funktional poliert werden, so dass beim Einkoppeln des Strahls möglichst wenig Streustrahlung auftritt. Weiterhin muss der Winkel der Werkzeugrückseite derart gewählt werden, dass eventuelle Rückreflektionen an der Werkzeugrückseite nicht wieder in den Laser eingekoppelt werden und diesen zerstören.
Die EP3484658 beschreibt mögliche Winkelkonstellationen, um unter Berücksichtigung der Brechnungsindizes von Luft und Diamant und der damit verbundenen Strahlumlenkung den Laserstrahl an der Schneidkante zwischen Freifläche und Spanfläche zu fokussieren.
Die in EP3484658 beschriebene Vorrichtung weist verschiedene aus der Praxis bekannte Nachteile auf.
Aufgrund der großen Unterschiede zwischen dem Brechnungsindex von Luft (nd=1) und dem von Diamant (nd= 2.4) kommt es schnell im Inneren des Diamanten zur Totalreflexion und dadurch bedingt zu verlustbehafteter Streustrahlung. Der Diamant samt Werkzeughalterung, die i.d.R. durch ein temperaturempfindliches Lot verbunden sind, kann sich hierdurch bedingt erwärmen und die Einkopplung der Energie ins Werkstück geschieht weniger effizient. Da der Diamant nur eine ebene, verkippte optisch funktionale Fläche (Rückseite) als Einkoppelgeometrie aufweist, sind Justage- und Kompensationsmöglichkeiten beschränkt. Der Justageprozess ist empfindlich und kann zu nicht idealen Prozessbedingungen führen. Weiterhin ist er abhängig von der Gesamtgeometrie des Diamantwerkzeugs.
Die Dimensionen eines Werkzeugdiamanten liegen ca. bei 3 × 3 × 3 mm³. In der Zerspanzone wird klassisch ein Gemisch aus Kühlschmierstoff und Druckluft eingeblasen. Bei der Bearbeitung entstehen feinste Späne, die durch die Druckluft und die Prozesskinematik umher gewirbelt werden. Abhängig von der Bauteilkontur, den Strömungsverhältnissen und der Prozessführung kann es zu Verschmutzungen an der Einkoppelfläche des Diamanten kommen. Die Laserstrahlung verbrennt Späne oder Kühlschmiermittel, wodurch es zu einer veränderten Strahleinkopplung und resultierend einer veränderten Prozessführung kommen kann.
Weiterhin sieht die EP3484658 keine Regelung der Laserleistung vor, sondern beschreibt nur die vereinfachte Strahlführung im Diamanten mit Strahleinkopplung an der Planfläche. Die DE 10 2019 005 691 A1 beschreibt zur Regelung des Lasers die Nutzung eines Pyrometers, welches im Freistrahl auf die Werkstückoberfläche geführt wird. Somit lässt sich mit Mitteln aus dem Stand der Technik eine präzise Regelung aufbauen, mit der die Laserleistung derart kontrolliert wird, dass fortwährend und ortsunabhängig die Temperatur in der Zerspanungszone bzw. in Messnähe zur Zerspanzone konstant gehalten werden kann. Diese Regelung funktioniert allerdings auch nur bei idealen Prozessbedingungen. Treffen Späne oder Kühlschmierstoff in den Laserstrahl, verglühen diese dort umgehend. Das Pyrometer detektiert eine plötzliche Temperaturüberhöhung und regelt die Laserleistung runter. Der eigentliche Prozess wird gestört.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine derartige Vorrichtung, wie sie in der EP3484658 beschrieben ist, und gattungsgemäße Verfahren weiterzuentwickeln.
Diese Aufgabe wird mit einer Vorrichtung nach Anspruch 1, einem Verfahren nach Anspruch 14 und einem Verfahren nach Anspruch 19 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
Die grundlegende Erfindung basiert auf der Nutzung eines Strahlführungselementes, welches optisch funktional an das Diamantwerkzeug, das vorzugsweise eine Schneidengeometrie aufweist, angekoppelt ist. Der Laserstrahl durchläuft somit auf dem Weg zur Schneidkante zuerst das Strahlführungselement und dann den Werkzeuggrundkörper. Im Sinne der Prozessführung bei der Zerspanung sollte das Intensitätsprofil der Laserstrahlung an der aktiv zerspanenden Schneidkante möglichst deterministisch einstellbar sein. Durch die Nutzung eines Strahlführungselementes lässt sich die Vorrichtung auf unterschiedliche Weise für diese Anforderung verbessern.
Das Strahlführungselement verlängert die Strecke der sicheren Festkörperstrahlführung derart, dass die Problematik der Verschmutzung in der Zerspanzone minimiert bzw. vollständig verhindert wird. Dabei kann das Festkörperelement als eigensteifes optisches Bauteil mit einer eigenen Einkoppelgeometrie für einen Laserfreistrahl ausgeführt sein. Alternativ kann das Strahlführungselement als flexible Lichtleitfaser ausgeführt sein, die unter vollständigem Schutz vor Umgebungsverschmutzung direkt an einen Laser weit entfernt von der Zerspanzone angekoppelt werden kann.
Für gängige Laserwellenlängen im Bereich von 1 µm bzw. drunter (Faserlaser, Diodenlaser, NdYag Laser) können derartige Strahlführungselemente aus Glas hergestellt werden. Vorteilhaft bei der Ausführung aus Glas ist die gängige Bearbeitbarkeit zur Herstellung optischer Flächen mit nicht planarer Geometrie (Linsen). Zur verbesserten Einkopplung mit der Möglichkeit der Strahlformung können beispielsweise sphärische bzw. asphärische Geometrien auf der Einkoppelseite des Strahlführungselementes gefertigt werden. Auch können optisch funktionale, nicht planare Flächen bzw. eigenständige Linsen im Bereich der Auskopplung des Strahlführungselementes und der Einkopplung hin zum Diamanten eingebracht werden. Durch diesen Gestaltungsfreiheitsgrad kann abhängig von der Werkzeugschneidengeometrie signifikant präziser und flexibler die Laserstrahlung ohne störende Streustrahlung aufgrund von Totalreflexion im Werkzeuginneren an die Schneidkante geführt werden. Auch kann das Laserstrahlintensitätsprofil an der Schneidkante derart beeinflusst werden, dass über dem Schneidenradius des Werkzeugs sich ein möglichst homogenes oder frei zu definierendes Intensitätsprofil ergibt. Vorteilhaft ist hierbei die Nutzung nicht rotationssymmetrischer Linsengeometrien, wie sie beispielsweise aus der Diodenlasertechnik bekannt sind (FAC, Fast Axis Collimation). Die Divergenz des Laserstrahls wird somit in einer Richtung (z.B. horizontale Richtung) minimiert, wohingegen sie in lateraler Richtung (entlang der Werkzeugschneide) mit homogener Verteilung zugelassen wird.
Neben dem Aufbringen einer nicht planaren optischen Funktionsgeometrie auf dem Ende des Strahlführungselementes bzw. dem Einfügen einer eigenständigen Mikrooptik zwischen Strahlführungselement und Werkzeug kann auch eine derartige Funktionsfläche in das Werkzeug selbst eingebracht werden. Vorteilhaft ist die Bearbeitung einer Werkzeugseite zur Strahleinkopplung mit Laser durch Materialabtrag bzw. Sublimation. Dies gilt insbesondere für den ansonsten kaum zu bearbeitbaren Diamant. Durch gezielte Laserpulsung kann geometrisch präzise Material vom Diamant abgetragen werden, um Linsengeometrien hochflexibel und auch nicht-rotationssymmetrisch herzustellen. Ein Schleifen und Polieren des Diamanten kann somit vermieden werden. Die Oberflächenrauheiten beim Laserabtragen reichen meist nicht aus, um Streustrahlung bei der Einkopplung auf einem ausreichend geringen Niveau zu halten. Durch die geschickte Wahl eines ausgleichenden Klebers bzw. Kitts zwischen Strahlführungselement und Werkzeug können aber so zumindest stückweit Oberflächenrauheiten ausgeglichen werden (vgl. Absatz optisch funktionales Fügen).
Strahlführungselemente aus Diamant sind weniger flexibel geometrisch gestaltbar, ermöglichen aber bei der Nutzung von CO₂ Laserstrahlung mit Wellenlängen von 10.6 µm (für Glas nicht transparent) die Festkörperstrahlführung zur Vermeidung von Verschmutzung. Alternativ können Hohlglasfasern verwendet werden.
Die optisch funktionale Verbindung in der Koppelzone kann unterschiedlich ausgeführt werden, muss aber verhindern, dass ein Zwischenraum zwischen Strahlführungselement und Werkzeugschneide entsteht, in den Gas-, Flüssigkeits- bzw. Festkörperverschmutzung eindringen kann. Prinzipiell kann dies durch ein mechanisches Zusatzelement geschehen, welches am Werkzeug selbst oder der Werkzeughalterung befestigt ist und das Strahlführungselement nach erfolgter Ausrichtung ortsfest klemmt. Insbesondere bei der Verwendung einer rotationssymmetrischen Glasfaser ist eine derartige Klemmung gut vorstellbar. Strahlführungselement und Werkzeug werden dabei so zueinander mechanisch fixiert, dass sie entweder unmittelbar aufeinander aufliegen oder ein Luftspalt verbleibt, der jedoch durch das mechanische Element schmutzdicht verschlossen bleibt.
Alternativ und vorteilhaft zur mechanischen Klemmung kann zur optisch funktionalen Kopplung von Strahlführungselement und Werkzeug ein Kleber bzw. ein optischer Kitt verwendet werden. Dabei erfüllt der Kleber bzw. der Kitt die Aufgaben der mechanischen Fixierung nach der Aushärtung, der Abschottung vor Verschmutzung und der Gestaltung des Brechungsübergangs durch sogenanntes Indexmatching. Der Kleber mit Brechungsindex nd3 mittelt verlustreduziert den Übergang des Strahls vom Strahlführungselement mit Brechungsindex nd1 zum Diamanten mit Brechungsindex nd2. Bei einer nicht planen Gestaltung des Übergangs zwischen Strahlführung und Werkzeug kann somit Volumen aufgefüllt werden. Weiterhin kann ein derartiger Kleber oder Kitt Restoberflächenrauheiten egalisieren, um Streustrahlung zu verhindern. Die Vorbearbeitung der Werkzeugrückseite muss nicht ebenso präzise durchgeführt werden, wie dies bei der direkten Einkopplung eines Freistrahls der Fall ist.
Naheliegend für die Einkopplung des Laserstrahls in ein Werkzeug mit Schneidkante zwischen Freifläche und Spanfläche durch ein Strahlführungselement ist die der Schneidkante gegenüberliegende Seite des Werkzeugs. Nach dem Brechungsgesetz von Snellius wird der Laserstrahl umgelenkt bzw. gebrochen, durch Auswahl der Winkelverhältnisse an der Übergangszone zwischen Werkzeug und Strahlführungselement kann der Laserstrahl positioniert werden.
Alternativ dazu kann es aus Gründen der Zugänglichkeit bzw. der spezifischen Werkzeuggeometrie und des wünschenswerten Auskoppelbereichs zwischen Freifläche und Spanfläche von Vorteil sein, eine werkzeuginterne Umlenkung des Laserstrahls vorzunehmen. Hierbei ist denkbar, mit dem Strahlführungselement den Laserstrahl auf einer Seite einzukoppeln und an einer gegenüberliegenden Seite zu reflektieren. Der Laserstrahl kann beispielsweise an einer Werkzeugoberseite eingekoppelt und an einer Werkzeugunterseite reflektiert werden. Alternativ ist ein geschlitzter Werkzeughalter denkbar, über den das Strahlführungselement an die Unterseite des Werkzeugs gekoppelt wird und die Umlenkung an der Werkzeugoberseite stattfindet.
Neben der Laserstrahlführung im Strahlführungselement und anschließend im Werkzeug beschreibt die Erfindung weiterhin die koaxiale bzw. zueinander versetzte Führung des Messstrahls eines Temperatursensors. Dieser Temperatursensor ist vorzugsweise ein Pyrometer.
Wird das Strahlführungselement als eigensteifer Festkörper ausgelegt, können zwei separate Strahlen (Laser und Pyrometer) nebeneinander in die Einkoppelfläche des Strahlführungselementes eingekoppelt werden. Die Einkoppelfläche kann dabei als zusammenhängende ebene bzw. optisch funktional gewölbte Fläche gestaltet sein oder zwei oder mehr Einzeloptiken zur separaten Einkopplung von Laser- und Pyrometerstrahl aufweisen. Durch die Berücksichtigung des Brechungsgesetzes von Snellius kann die Lage zwischen Laserstrahl und Messstrahl an der Auskoppelgeometrie im Werkzeug beeinflusst werden. Alternativ können vor der Einkopplung in das Strahlführungselement der Laser- und der Messstrahl koaxial gekoppelt werden. Dies geschieht vorzugsweise durch einen Umlenkspiegel, der einen der Strahlen um 90° ablenkt. Ein zweiter, halbdurchlässiger Spiegel lenkt den zuvor umgelenkten Strahl erneut um 90° um, während der zweite Strahl den halbdurchlässigen Spiegel uneingeschränkt durchstrahlt. Dies ist möglich aufgrund unterschiedlicher Wellenlängen zwischen Laser (ca. 1 µm) und Pyrometer (ca. 1,5µm). Der so koaxial zusammengeführte Laserstrahl kann nun, wie zuvor für den reinen Laser beschrieben, in das Strahlführungselement eingekoppelt und in das Werkzeug weitergeleitet werden. Aufgrund der unterschiedlichen Brechungsindizes und der unterschiedlichen Wellenlängen treffen der Laser- und der Messstrahl allerdings nicht an der gleichen Stelle aus dem Werkzeug aus. Bei Verwendung von Glasfasern als Strahlführungselement können Laser- als auch Messstrahl separat an das Werkzeug herangeführt und eingekoppelt werden. Für die Trennzone zwischen Strahlführungselementen und Werkzeug können für beide Einkoppelstellen, wie bereits beschrieben, optisch funktional gewölbte Flächen wahlweise auf das Ende des Strahlführungselements, als Mikrooptik separat dazwischen oder in das Werkzeug direkt eingebracht werden, um die Divergenz der Strahlung zu kontrollieren.
Insbesondere bei Lichtleitfasern (z.B. SMA Faser, 200 µm Kern) liegt eine typische NA bei 0,22, d.h. ein Divergenzvollwinkel der austretenden Strahlung beträgt 21°. Dieser muss durch eine fokussierend wirkende optische Funktionsfläche reduziert werden, um ausreichend fein die Werkzeugschneidkante zu belichten.
Aufgrund der Dimensionen der zu fügenden Teile Werkzeug und Strahlführungselement, aufgrund der Sensitivität des optischen Strahlengangs in den Festkörpern und an der Übergangszone als auch aufgrund der gestalterischen Möglichkeiten durch die Einbringung von Linsengeometrien ist die Justage von Werkzeug und Strahlführungselement entscheidend.
Die Erfindung schlägt eine voll- bzw. teilautomatisierte Montage mit integriertem Fügeprozess vor. Dabei wird das Werkzeug samt Werkzeughalter in einer Vorrichtung eingespannt. Ein Greifer fasst das Strahlführungselement. Die greifereigene Kinematik oder die eines übergeordneten Bewegungssystems ermöglicht das Positionieren des Strahlführungselementes in fünf bzw. sechs Freiheitsgraden. Vorzugsweise ist die Kinematik motorisiert, sie kann allerdings auch manuell betätigt werden. Alternativ können das Strahlführungselement geklemmt und das Werkzeug aktiv geführt werden. Die Regelung der Positionierung kann dabei passiv oder aktiv realisiert werden.
Bei der passiven Variante erfolgt die Justage durch den Greifer anhand von Geometriemerkmalen. So erkennen z.B. zwei Kameras mit telezentrischen, verzerrungsfreien Objektiven Geometriemerkmale von Werkzeug und Strahlführungselement. Durch einen derartigen Messaufbau können bis zu 5 Freiheitsgrade (3 x translatorisch, 2 x rotatorisch) ermittelt werden. Anhand dieser Geometriemerkmale wird eine Justage vorgenommen. Alternativ zu den Kameras können andere Sensoren Verwendung finden, so zum Beispiel chromatisch konfokale Abstandssensoren, die die Lagen von Referenzflächen detektieren. Fertigungstoleranzen verhindern jedoch bei diesem Ansatz eine Aussage über die tatsächliche Strahl- und Intensitätsausprägung an der Schneide des Werkzeugs.
Vor diesem Hintergrund wird vorzugsweise aktiv justiert. Hierbei wird ein Pilotstrahl oder ein abgeschwächter direkter Laserstrahl in das Strahlführungselement eingekoppelt und in das Werkzeug überführt. Der Prozess beginnt in einer sinnvollen geometrischen Ausgangslage. Vor der Schneidkante des Werkzeugs oder allgemeiner gesprochen der prozessrelevanten Auskoppelfläche am Werkzeug wird ein Messaufbau platziert, der die austretende Strahlung zum Beispiel in Form der Leistung oder der Intensitätsverteilung direkt messen kann. Dies kann z.B. eine Lochblende mit dahinter verorteter Ulbrichtkugel bzw. eine Direktkamera mit entsprechend abschwächenden Laserfiltern sein. Wird bei eingeschaltetem Strahl nun das Strahlführungselement relativ zum Werkzeug bewegt, verändert sich das Signal, welches die Strahlcharakteristik an der Auskoppelstelle beschreibt. Es werden solange unterschiedliche Relativpositionierungen zwischen den Fügegliedern vorgenommen bis ein gewünschter Zustand eintritt. Vorzugsweise unterstützen Suchalgorithmen die Systematik der Positionsveränderung, um eine schnellere Konvergenz zu bewirken. Aus der Lasermontage sind beispielsweise sogenannte Hill Climb Algorithmen bekannt.
Für die aktive Justage ist vorzugsweise ein UV (ultraviolett) aushärtender Kleber zu verwenden. Der Kleber wird vor dem Fügevorgang auf die Fügepartner an der Koppelstelle appliziert. Die Justage erfolgt während der Kleber niedrigviskos die Fügezone ausfüllt. Ist eine geeignete Relativposition zwischen Werkzeug und Strahlführungselement gefunden, sorgt eine UV Lichtquelle für das Aushärten und Fixieren des Klebers. Der Greifer hält währenddessen den beweglichen Fügepartner.
Je nach Gestaltung der Fügestelle ist bei diesem Vorgang die Schwindung bzw. der Schrumpf des Klebers zu berücksichtigen. Dieser ist i.d.R. signifikant stärker als die Steifigkeit des Greifers. Ein Entgegenhalten mit Kraft ist nicht erfolgsversprechend. Mit ausreichender Kenntnis über den Volumenschrumpf kann allerdings eine Korrekturbewegung vor Einschalten der UV Lichtquelle bestimmt und vorgehalten werden, mit der und der Schwindung sich eine optimale Endposition einstellt. Alternativ zu UV aushärtendem Kleber kann auch thermisch aushärtender Kleber verwendet werden.
Mehrere Ausführungsbeispiele sind in der Zeichnung dargestellt und werden im Folgenden näher beschrieben. Es zeigt

1 schematisch eine Vorrichtung mit einem Werkzeug, in welches ein Laserstrahl 2 an der der Schneidkante 3 gegenüberliegenden Rückseite direkt ohne Strahlführungselement eingekoppelt wird,
2 schematisch einen seitlichen Schnitt durch ein Werkzeug mit Schneidkante, Spanfläche sowie Freifläche,
3 schematisch einen seitlichen Schnitt durch ein Werkzeug mit Schneidkante und Werkzeughalterung,
4 schematisch eine die Vorrichtung wie in 3 mit Laserstrahl und Messstrahl, die jedoch ohne Strahlführungselement direkt in das Werkzeug eingekoppelt werden,
5 schematisch eine Vorrichtung, bei dem der Laserstrahl und der Messstrahl koaxial über eine optisch funktionale Fläche in das Strahlführungselement eingekoppelt und dann über die optisch funktionale Fügestelle weiter in das Werkzeug geführt werden,
6 schematisch die gleiche Vorrichtung wie in 5 mit Laserstrahl und Messstrahl, die koaxial über Spiegel zusammengeführt, jedoch ohne Strahlführungselement direkt in das Werkzeug mit Schneidkante eingekoppelt werden,
7 schematisch eine Vorrichtung mit Werkzeug und Strahlführungselement, zwischen denen eine eigenständige Optik bzw. Mikrooptik durch optisch funktionale Schichten fixiert ist,
8 schematisch eine Vorrichtung mit Werkzeug und Strahlführungselement, zwischen denen eine optisch funktionale, nicht planare Fläche angeordnet ist,
9 schematisch eine Vorrichtung mit einem Werkzeug, in welches die Laserstrahlung über eine optisch funktionale Koppelstelle durch eine Lichtleitfaser eingebracht wird,
10 schematisch eine Vorrichtung mit einem Werkzeug, in welches die Laserstrahlung über eine Lichtleitfaser mit zusätzlicher mikrooptischer Kollimationsoptik eingekoppelt wird,
11 schematisch eine Vorrichtung ähnlich der in 10 gezeigten, bei der die mikrooptische Kollimationsoptik in das Werkzeug selbst eingebracht ist,
12 schematisch eine Vorrichtung mit einem Werkzeug, in welches die Laserstrahlung über eine erste Lichtleitfaser mit einer optisch funktionalen Fügestelle eingekoppelt wird und eine Messstrahlung über eine zweite Lichtleitfaser mit einer optisch funktionalen Fügestelle in das Werkzeug eingekoppelt wird,
13 schematisch eine Vorrichtung mit einem Werkzeug, in welches die Laserstrahlung über eine Lichtleitfaser und eine optisch funktionale Koppelstelle eingebracht wird und ein Spiegelelement den Laserstrahl reflektiert,
14 eine Vorrichtung ähnlich der in 13 gezeigten mit dem Unterschied, dass die Laserstrahlung direkt ohne Strahlführungselement in die Oberfläche des Werkzeugs eingekoppelt wird
15 eine Vorrichtung ähnlich der in 13 gezeigten mit dem Unterschied, dass die Einkopplung der Laserstrahlung an der Unterfläche des Werkzeugs geschieht,
16 einen Verfahrensaufbau zur passiven Justage zwischen Werkzeug und Strahlführungselement mit anschließender Fixierung durch eine optisch funktionale Fügestelle und
17 einen Verfahrensaufbau für die aktive Justage zwischen Werkzeug und Strahlführungselement mit anschließender Fixierung durch eine optisch funktionale Fügestelle.

Die 1 zeigt ein Werkzeug 1, in welches ein Laserstrahl 2 an der der Schneidkante 3 gegenüberliegenden Rückseite direkt ohne Strahlführungselement eingekoppelt wird. Es entspricht dem Stand der Technik, wie er u.a. in der EP3484658 beschrieben ist. Der Laserstrahl 2 tritt an der Schneidkante 3 mit einer horizontalen Intensitätsverteilung 4 und einer vertikalen Intensitätsverteilung 5 aus. Die Schneidkante 3 wird durch die Spanfläche 6 sowie die Freifläche 7 des Werkzeugs begrenzt.
Die 2 zeigt einen seitlichen Schnitt durch ein Werkzeug 1 mit Schneidkante 3, Spanfläche 6 sowie Freifläche 7. Das Werkzeug 1 ist auf einer Werkzeughalterung 8 aufgebracht. Der Laserstrahl 2 wird zuerst durch eine optisch funktionale Fläche 9 in das Strahlführungselement 10 eingekoppelt. An der optisch funktionalen Fügestelle 11 wird der Laserstrahl 2 aus dem Strahlführungselement 10 in das Werkzeug 1 geleitet, um im Bereich der Schneidkante 3 wieder auszutreten.
Die 3 zeigt einen seitlichen Schnitt durch ein Werkzeug 1 mit Schneidkante 3 und Werkzeughalterung 8. In das Strahlführungselement 10, welches durch die optisch funktionale Fügestelle 11 an das Werkzeug geklebt ist, wird neben dem Laserstrahl 2 ein Messstrahl 12 über die optisch funktionale Fläche 9 eingekoppelt. Auch dieser Messstrahl 12 wird in das Werkzeug 1 weitergeleitet, um in der Nähe der Schneidkante 3 ausgekoppelt zu werden.
Die 4 zeigt die gleiche Vorrichtung wie in 3 mit Laserstrahl 2 und Messstrahl 12, die jedoch ohne Strahlführungselement direkt in das Werkzeug 1 mit Schneidkante 3 eingekoppelt werden.
Die 5 zeigt eine Vorrichtung, bei dem der Laserstrahl 2 und der Messstrahl 12 koaxial über die optisch funktionale Fläche 9 in das Strahlführungselement 10 eingekoppelt und dann über die optisch funktionale Fügestelle 11 weiter in das Werkzeug 1 geführt werden. Beide Strahlen treten in der Nähe der Schneidkante 3 wieder aus. Die Kopplung des Messstrahls 12 mit dem Laserstrahl 2 geschieht durch einen Umlenkspiegel 13, welcher den Messstrahl 12 um 90° umlenkt. Ein zweiter halbdurchlässiger Spiegel 14 lenkt den Messstrahl erneut um 90° um, lässt dabei aber den Laserstrahl 2 durch.
Die 6 zeigt die gleiche Vorrichtung wie in 5 mit Laserstrahl 2 und Messstrahl 12, die koaxial über die Spiegel 13 und 14 zusammengeführt, jedoch ohne Strahlführungselement direkt in das Werkzeug 1 mit Schneidkante 3 eingekoppelt werden.
Die 7 zeigt eine Vorrichtung mit Werkzeug 1 und Strahlführungselement 10, zwischen denen eine eigenständige Optik bzw. Mikrooptik 15 durch die optisch funktionalen Schichten 11 und 16 fixiert ist. Die Optik 15 ermöglicht eine angepasste Fokussierung der Laserstrahlung 2 nach Austritt aus dem Strahlführungselement 10, um die Intensitätsverteilung der Laserstrahlung 2 im Bereich der Schneidkante 3 zu beeinflussen.
Die 8 zeigt eine Vorrichtung mit Werkzeug 1 und Strahlführungselement 10. Zwischen dem Strahlführungselement 10 und dem Werkzeug 1 ist eine optisch funktionale, nicht planare Fläche 17, die der Strahlfokussierung dient und direkt in den Grundkörper des Werkzeugs eingebracht ist. Die Intensitätsverteilung der Laserstrahlung 2 im Bereich der Schneidkante 3 kann durch die Optik 17 beeinflusst werden.
Die 9 zeigt eine Vorrichtung mit Werkzeug 1, in welches die Laserstrahlung 2 über eine optisch funktionale Koppelstelle 11 durch eine Lichtleitfaser 18 eingebracht wird. Die Laserstrahlung 2 tritt im Bereich der Schneidkante 3 aus.
Die 10 zeigt eine Vorrichtung mit Werkzeug 1, in welches die Laserstrahlung 2 über eine Lichtleitfaser 18 mit zusätzlicher mikrooptischer Kollimationsoptik 19 und optisch funktionaler Fügestelle 11 eingekoppelt und im Bereich der Schneidkante 3 ausgekoppelt wird.
Die 11 zeigt eine Vorrichtung wie in 10 dargestellt, mit dem Unterschied, dass die mikrooptische Kollimationsoptik 20 in das Werkzeug selbst eingebracht ist.
Die 12 zeigt eine Vorrichtung mit Werkzeug 1, in welches die Laserstrahlung 2 über eine Lichtleitfaser 18 und eine optisch funktionale Fügestelle 11 eingekoppelt wird. Zusätzlich wird die Messstrahlung 12 über eine gesonderte Lichtleitfaser 21 und eine optisch funktionale Fügestelle 11 in das Werkzeug 1 eingekoppelt. Beide Strahlungen 2 und 12 verlassen das Werkzeug 1 im Bereich der Schneidkante 3.
Die 13 zeigt eine Vorrichtung mit Werkzeug 1, in welches die Laserstrahlung 2 über eine Lichtleitfaser 12 und die optisch funktionale Koppelstelle 11 eingebracht wird. Anders als in den 1-12 geschieht die Einkopplung an der Oberfläche 22 und nicht an der Rückseite 23 des Werkzeuges 1. Ein Spiegelelement 24 reflektiert den Laserstrahl 2, um ihn im Bereich der Schneidkante 3 auszukoppeln. Durch diesen Aufbau kann eine anders geartete Aufteilung der Laserstrahlauskopplung zwischen der Freifläche 7 und der Spanfläche 6 erzielt werden.
Die 14 ähnelt 13 mit dem Unterschied, dass die Laserstrahlung 2 direkt ohne Strahlführungselement in die Oberfläche 22 des Werkzeugs 1 eingekoppelt wird.
Die 15 ähnelt 13 mit dem Unterschied, dass die Einkopplung der Laserstrahlung 2 an der Unterfläche 25 des Werkzeugs 1 geschieht. Das Spiegelelement 24 ist an der Oberfläche 22 verortet.
Die 16 zeigt den Verfahrensaufbau zur passiven Justage zwischen Werkzeug 1 und Strahlführungselement 10 mit anschließender Fixierung durch eine optisch funktionale Fügestelle 11. Zwei Kameras 26 und 27 beobachten geometrische Merkmale (z.B. Kanten) von Werkzeug 1 und Strahlführungselement 10, anhand derer die relative Ausrichtung stattfindet. Dabei sind Werkzeug 1 und Werkzeughalter ortsfest geklemmt. Ein Greifer 28 greift das zu justierende Strahlführungselement 10. Er kann durch die Kinematik 29 in > 5 Freiheitsgraden positioniert werden. Die Ansteuerung der Kinematik 29 geschieht über das Regelsignal 30, welches durch eine Bildverarbeitung der Kameras 26 und 27 erzeugt wird.
Die 17 zeigt den Verfahrensaufbau für die aktive Justage zwischen Werkzeug 1 und Strahlführungselement 10 mit anschließender Fixierung durch eine optisch funktionale Fügestelle 11. Der Laserstrahl 2 wird bei reduzierter Leistung in das Strahlführungselement 10 eingekoppelt und in das Werkzeug 1 in Richtung Schneidkante 3 weitergeleitet. Eine Sensorik 31 detektiert die Intensitätsverteilung des Laserstrahls 2 an der Schneidkante 3 des Werkzeugs 1. Dabei sind Werkzeug 1 und Werkzeughalter ortsfest geklemmt. Ein Greifer 28 greift das zu justierende Strahlführungselement 10. Er kann durch die Kinematik 29 in > 5 Freiheitsgraden positioniert werden. Die Ansteuerung der Kinematik 29 geschieht über das Regelsignal 30, welches aus dem Sensor 31 erzeugt wird.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 3484658 [0006, 0007, 0008, 0011, 0012, 0033]
DE 102019005691 A1 [0011]

Claims

Vorrichtung mit einem optisch durchlässigen Werkzeug (1) zum Bearbeiten einer Oberfläche, dadurch gekennzeichnet, dass sie ein optisch durchlässiges Strahlführungselement (10) aufweist, das an das optisch durchlässige Werkzeug (1) optisch funktional (11) angekoppelt ist, sodass eine Strahlung (2) vom Strahlführungselement (10) in das Werkzeug (1) gelangen kann.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Werkzeug (1) eine Schneide (3) zwischen einer Spanfläche (6) und einer Freifläche (7) für eine zerspanende Herstellung einer Oberfläche aufweist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Werkzeug (1) einen Diamant aufweist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Strahlfuhrungselement (10) eine Lichtleitfaser (18) aufweist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in einem Übergangsbereich (11) zwischen Werkzeug (1) und Strahlführungselement (10) ein optisch funktionaler Kleber angeordnet ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Einkoppelbereich des Strahlführungselements (10) mindestens eine Linse (9) angeordnet ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Übergangsbereich (11) zwischen Werkzeug (1) und Strahlführungselement (10) eine gebogene Fläche wie insbesondere eine Linse (15) angeordnet ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie einen Laser aufweist, der so angeordnet ist, dass er eine Laserstrahlung (2) in das Strahlführungselement (10) einkoppelt.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie einen Sensor aufweist, der so angeordnet ist, dass er einen Messstrahl (12) in das Strahlführungselement (10) einkoppelt.
Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor ein Temperaturmesssensor ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine Einkopplungsstelle (9 bzw. 23) für das gleichzeitige Einkoppeln eines Messstrahls (12) und eines Laserstrahls (2) aufweist.
Vorrichtung mit einem optisch durchlässigen Werkzeug (1) insbesondere nach einem der vorhergehenden Ansprüche, das eine Schneidkante (3) und eine Einkopplungsstelle für einen Laser- (2) und/oder Messstrahl (12) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Einkopplungsstelle an der der Schneidkante (3) gegenüber liegenden Fläche (23) angeordnet ist, sodass der Laserstrahl (2) direkt auf die Schneide (3) geführt ist.
Vorrichtung mit einem optisch durchlässigen Werkzeug (1) insbesondere nach einem der vorhergehenden Ansprüche, das eine Schneidkante (3) und eine Einkopplungsstelle für einen Laser- (2) und/oder Messstrahl (12) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass sie ein Spiegelelement (24) aufweist, das den an einer Seite des Werkzeugs eingekoppelten Laserstrahl (2) auf der gegenüberliegenden Seite zur Einkopplungsstelle total reflektiert.
Verfahren zum Bearbeiten einer Oberfläche mit einem optisch durchlässigen Werkzeug (1), bei dem ein Laserstrahl (2) durch das Werkzeug (1) geführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich ein Messstrahl (12), durch das Werkzeug (1) geführt wird.
Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Messstrahl (12) gleichzeitig mit dem Laserstrahl (2) durch das Werkzeug (1) geführt wird.
Verfahren nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, dass der Laserstrahl (2) und der Messstrahl (12) koaxial gekoppelt sind.
Verfahren nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, dass der Laserstrahl (2) und der Messstrahl (12) zueinander versetzt geführt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass mit einer Regeleinheit der Messstrahl (12) ausgewertet und die Leistung des Laserstrahls (2) geregelt wird.
Verfahren zum Ankoppeln eines Strahlführungselements (10) an ein Werkzeug (1) insbesondere zur Herstellung einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass in einem ersten Schritt das Strahlführungselement (10) und das Werkzeug (1) präzise zueinander ausgerichtet und in einem zweiten Schritt verzugsfrei gefügt oder geklemmt werden.
Verfahren nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass das präzise zueinander Ausrichten auf der Basis äußerer Geometriemerkmale durchgeführt wird, vorzugsweise durch Kantendetektion mit Kameras (26, 27).
Verfahren nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass das präzise zueinander Ausrichten auf der Basis eines Referenzstrahls (2) durchgeführt wird, der in das Strahlführungselement (10) eingekoppelt und mit einem Sensor (31) an einer Auskopplungsstelle des Werkzeugs (1) in seiner Lage und Intensitätsverteilung ausgewertet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 19 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass das Strahlführungselement (10) und das Werkzeug (1) im zweiten Schritt innerhalb oder außerhalb der optischen Übergangsfläche gefügt oder geklemmt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 19 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass das Strahlführungselement (10) und das Werkzeug (1) mit einem Kleber gefügt werden und vor dem Fügen ein definierter Versatz zwischen Strahlführungselement (10) und Werkzeug (1) eingestellt wird, um die Schwindung des Klebers vorzuhalten.