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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Beaufschlagen eines Werkstücks mit einem Laserstrahl aus einer Laserquelle, wobei der Laserstrahl aus einem Laserkopf austritt und dem Austritt ein Fokussierelement vorgeschaltet ist, sowie ein Verfahren hierfür und ein gesondertes optisches Element.
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Stand der Technik
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Gemäss der vorliegenden Erfindung umfasst die Beaufschlagung eines Werkstücks mit einem Laserstrahl vor allem, aber nicht einschränkend, ein Bearbeiten des Werkstücks, beispielsweise ein Schneiden, Schweissen, Bohren oder Abtragen. Dabei wird von einer Laserlichtquelle ein Laserstrahl mit einer geeigneten Wellenlänge erzeugt und auf das Werkstück fokussiert. Meist befindet sich dabei die Lichtquelle selbst nicht in unmittelbarer Nähe des Laserkopfs, sondern entfernter, wobei das Licht über einen entsprechenden Lichtleiter zum Laserkopf geleitet wird. Da zwischen der Lichtquelle und dem Fokussierelement in der Regel ein Aufspreizen des Laserlichts bzw. eine ungeordnete Leistungsverteilung des Laserlichts erfolgt, wird meist einem Laserlichteintritt in den Laserkopf ein Kollimator nachgeschaltet, welcher das Laserlicht parallelisiert. Erst dann gelangt es zu dem Fokussierelement und danach auf das Werkstück. Natürlich kann auch noch eine entsprechende Umlenkeinrichtung vorgesehen werden, wenn dies gewünscht wird.
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Ein derartiges Laserschweisssystem wird beispielsweise in der
DE 10 2009 020 272 B4 gezeigt. Hier ist allerdings zwischen dem Kollimator und dem Fokussierelement bzw. dem Kollimator vorgeschaltet ein optisches Element vorgesehen, welches die Leistungsverteilung des Laserstrahls vornimmt. Nachteilig wirkt sich hier aus, dass dieses optische Element in dem Laserkopf selbst zwischen Kollimator und Fokussierelement integriert ist und somit weder austauschbar noch lageveränderbar ist. Ferner wird durch das nachfolgende Fokussierelement die Leistungsverteilung beeinflusst, was aber unkontrolliert stattfindet.
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Aufgabe
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Vorrichtung und ein Verfahren der o.g. Art so zu verbessern, dass die Leistungsverteilung des Laserstrahls zu jeder Zeit beeinflusst werden kann und auch auf dem Markt vorhandene Laserköpfe mit einer gewünschten Leistungsverteilung nachgerüstet werden können.
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Lösung der Aufgabe
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Zur Lösung der Aufgabe führt, dass auf das Fokussierelement ein optisches Element zur Beeinflussung der Leistungsverteilung des Laserstrahls folgt.
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Das bedeutet, dass das Fokussierelement nun nicht mehr die Leistungsverteilung beeinflussen kann, sondern diese vor der Beaufschlagung des Werkstücks durch das optische Element festgelegt wird. Somit könnte natürlich das optische Element ebenfalls in dem Laserkopf integriert sein. Nach der vorliegenden Erfindung wird aber bevorzugt, dass das optische Element dem Laserkopf aufgesetzt wird. Das heisst, das optische Element wird zwischen dem eigentlichen Austritt des Laserstrahls und dem Werkstück angeordnet bzw. stellt selbst den Austritt des Laserstrahls dar. Befindet sich beispielsweise ein Schutzglas auf dem Kopf, so wird das optische Element diesem Schutzglas vorgesetzt. Dies bedeutet natürlich auch, dass das optische Element austauschbar ist, so dass es beispielsweise bei einem Verschleiss oder bei einer gewünschten Änderung der Leistungsverteilung des Laserstrahls durch ein anderes optisches Element ersetzt werden kann.
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Insbesondere hat es sich aber auch als sehr günstig erwiesen, wenn das optische Element gegenüber dem Laserkopf lageveränderbar ist. Beispielsweise könnte das optische Element gegenüber dem Laserkopf gedreht oder gekippt werden, so dass auch hierdurch die Leistungsverteilung günstig beeinflusst werden kann. Vor allem daran gedacht ist, dass die Lageveränderung motorisch erfolgt, so dass während des Betriebs des Laserkopfs die günstigste Möglichkeit der Beaufschlagung gewählt werden kann.
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In einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung ist daran gedacht, das Fokussierelement und das optische Element als eine Einheit auszubilden. Dabei kann zum Beispiel ein linsenförmiges Fokussierelement mit einem gewünschten optischen Element auf beliebige Art und Weise, insbesondere durch Kleben, verbunden werden. Es ist aber auch daran gedacht, das Fokussierelement und das optische Element aus einem Stück herzustellen, wobei das Fokussierelement beispielsweise entgegen dem Laserstrahl konkav ausgebildet wird, während die Rückseite eine Oberfläche aufweist, die gewährleistet, dass das darauf folgende Spreizbündel des Laserstrahl die gewünschte Form der Schweißnaht erzeugt. Zum Beispiel kann die Oberfläche zwei halbmondförmige Teile aufzeigen, welche durch eine tiefer liegende Knicklinie voneinander getrennt sind. Die Oberfläche könnte auch im weitesten Sinne zylindrisch oder so geformt sein, dass beispielsweise eine S-förmige oder kreisförmige Schweißnaht entsteht. Hier sind viele Möglichkeiten denkbar, die von der vorliegenden Umfang Erfindung umfasst sein sollen.
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Das erfindungsgemässe Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass erst nach dem Fokussierelement eine Leistungsverteilung des Laserstrahls erfolgt. Das heisst, der Laserstrahl wird nicht mehr von dem Fokussierelement beeinflusst, bevor er auf das Werkstück auftrifft, sondern ausschliesslich durch das optische Element.
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Vom Schutz der vorliegenden Erfindung soll auch das optische Element selbst umfasst sein, welches einem Laserkopf aufgesetzt werden kann. Hier ist vor allem daran gedacht, bereits im Einsatz befindliche Laserköpfe mit einem optischen Element auszurüsten, so dass auch mit diesen bereits im Einsatz befindlichen Laserköpfen eine gewünschte Leistungsverteilung des Laserstrahls vorgenommen werden kann.
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Figurenliste
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnung; diese zeigt in
- 1 eine Seitenansicht eines erfindungsgemässen Laserkopfs;
- 2 eine schematische und blockschaltbildliche Darstellung eines erfindungsgemässen Verfahrens zum Beaufschlagen eines Werkstücks mit einem Laserstrahl;
- 3 eine Seitenansicht eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen optischen Elements in einer Gebrauchslage;
- 4 eine gegenüber 3 um 90 Grad gedrehte Gebrauchslage des erfindungsgemäßen optischen Elements;
- 5 eine perspektivische Ansicht des Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen optischen Elements gemäß den 3 und 4.
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Gemäss 1 weist eine erfindungsgemässe Vorrichtung P einen Faserstecker 2 zum Anschluss eines Kabels 3 an eine nicht näher gezeigte Lichtquelle für ein Laserlicht auf. An den Stecker 2 schliesst ein Laserkopf 1 an, in dessen vorderen Teil eine Umlenkeinrichtung 4 integriert ist, so dass ein hier nicht dargestellter Laserstrahl im rechten Winkel umgelenkt wird und aus dem Laserkopf 1 als kegelförmiger Laserstrahl 5 austritt, der punktförmig auf ein Werkstück ausgerichtet ist.
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Ein Austritt 6 für den Laserstrahl 5 wird durch ein optisches Element 7 gebildet, welches dem Laserkopf 1 aufgesetzt ist.
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Die Funktionsweise der vorliegenden Erfindung ist folgende und wird anhand von 2 näher erläutert:
- Ein Laserstrahl 8, der von einer Lichtquelle 9 kommt und über das Kabel 3 herangeführt wird, trifft in dem Laserkopf 1 auf einen Kollimator 10, welcher den Laserstrahl 8 in ein Licht 11 mit annähernd parallelen Strahlengängen umwandelt. Dieses Licht 11 wird zu einem Fokussiermittel 12 weitergeleitet,
- welches sich ebenfalls in dem Laserkopf 1 befindet. Durch dieses Fokussiermittel 12 entsteht aus dem annähernd parallelen Strahlengang 11 ein kegelförmiges Lichtbündel 13, welches, bevor es auf das Werkstück 14 trifft,
- durch das optische Element 7 so beeinflusst wird, dass es in einer beliebigen Form zu einem Spreizbündel 15 aufgespreizt wird. Hierdurch wird die Leistungsverteilung des Laserstrahls z.B. linien- oder ringförmig, oval,
- rechteckig oder trapezförmig erfolgen. Dies hängt von der Wahl des optischen Elements ab, wobei hier insbesondere Mikrolinsen oder diffraktive Mikrostrukturen anwendbar sind. Dies sind aber nur Beispiele, von der vorliegenden Erfindung werden alle möglichen optischen Elemente umfasst, welche eine Leistungsverteilung des Laserstrahls ermöglichen.
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Wie in 1 angedeutet, ist vor allem daran gedacht, dieses optische Element 7 auf den Laserkopf 1 aufzusetzen, beispielsweise kann es einem Schutzglas 16 vorgesetzt werden. Das Aufsetzen geschieht dabei durch einfaches Stecken oder Aufschrauben auf ein entsprechendes Gewinde oder aber auch durch eine Fixierung. Das lösbare Festlegen des optischen Elementes 7 hat allerdings den Vorteil, dass es zum einen auf einfache Art und Weise gegen ein anderes optisches Element ausgetauscht werden kann, zum andern aber auch, beispielsweise durch Drehen, das Aufspreizen des Lichtbündels 13 bereits auf dem Laserkopf 1 verändert werden kann.
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In 2 ist das optische Element 7 getrennt von dem Fokussierelement 12 gezeigt. In den 3 bis 5 bilden dagegen ein Fokussierelement 12.1 und ein optisches Element 7.1 eine Einheit bzw. sind bevorzugt einstückig hergestellt. Das Fokussierelement 12.1 ist mit dem konkaven Linsenteil entgegen der Strahlrichtung des Laserstrahls gerichtet, das optische Element 7.1 weist eine in Strahlrichtung entsprechend der gewünschten Schweißnaht geformten Oberfläche 17 auf. Im vorliegenden Fall ist die Oberfläche 17 über eine Knicklinie 18 in zwei halbmondförmige Teile 19.1 und 19.2 aufgeteilt. Diese Ausformung gewährleistet, Das ein Spreizbündel 15.1 eine wie in 4 gezeigte linienförmige Schweißnaht 20 ausbildet. In 3 ist diese Schweißnaht linien- oder zylinderförmig.
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Anstelle einer Knicklinie 18 könnte in dem optischen Element 7.1 auch eine teilzylindrische oder beliebige andere geometrische Struktur eingeformt werden, welche zu der gewünschten Schweißnaht führt. Hier sind viele Möglichkeiten denkbar und sollen von der vorliegenden Erfindung umfasst sein.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Laserkopf
- 2
- Stecker
- 3
- Kabel
- 4
- Umlenkeinrichtung
- 5
- Laserstrahl
- 6
- Austritt
- 7
- optisches Element
- 8
- Laserstrahl
- 9
- Lichtquelle
- 10
- Kollimator
- 11
- Strahlengang
- 12
- Fokussierelement
- 13
- Lichtbündel
- 14
- Werkstück
- 15
- Spreizbündel
- 16
- Schutzglas
- 17
- Oberfläche
- 18
- Knicklinie
- 19
- Teil
- 120
- Schweißnaht
- P
- Vorrichtung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102009020272 B4 [0003]
