DE102022102664B3

DE102022102664B3 - Laserbearbeitungskopf mit hermetisch gekapselter beweglicher Optik

Info

Publication number: DE102022102664B3
Application number: DE102022102664.7A
Authority: DE
Inventors: Georg SPOERL
Original assignee: Precitec GmbH and Co KG
Current assignee: Precitec GmbH and Co KG
Priority date: 2022-02-04
Filing date: 2022-02-04
Publication date: 2023-08-10
Anticipated expiration: 2042-02-05
Also published as: WO2023148076A1

Abstract

Die vorliegende Offenbarung betrifft einen Laserbearbeitungskopf zur Materialbearbeitung mittels Laserstrahl, umfassend: ein Gehäuse, das einen Optikraum umgibt; einen Antrieb, der außerhalb des Optikraums angeordnet ist und einen Motor und einen ersten Schlitten mit einem ersten Magnetelement umfasst; eine Optikhalterung mit einer Optik, wobei die Optikhalterung mit der Optik in dem Optikraum beweglich angeordnet ist und ein zweites Magnetelement umfasst, wobei der erste Schlitten mit der Optikhalterung durch einen magnetischen Kraftschluss zwischen dem ersten Magnetelement und dem zweiten Magnetelement gekoppelt ist, sodass eine Bewegung des ersten Schlittens eine Bewegung der Optikhalterung bewirkt.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Offenbarung betrifft einen Laserbearbeitungskopf, insbesondere zur Bearbeitung eines Werkstücks bzw. metallischen Werkstücks mit einem Laserstrahl, mit einer im Innenraum des Laserbearbeitungskopfs angeordneten beweglichen Optik.
Hintergrund der Erfindung
Ein Laserbearbeitungssystem zur Bearbeitung eines Werkstücks mittels eines Laserstrahls umfasst üblicherweise einen Laserbearbeitungskopf mit einem Gehäuse, in dem eine Strahlführungsoptik, beispielsweise eine Kollimationsoptik und/oder eine Fokussieroptik, angeordnet ist, um einen von einem Ende eines Laserleitfaser austretenden Laserstrahl auf das zu bearbeitende Werkstück zu richten oder zu fokussieren. Die im Gehäuse angeordnete Strahlenführungsoptik definiert den Strahlengang bzw. Strahlenverlauf des Laserstrahls. Daher kann der Innenraum des Gehäuses, in dem die Strahlenführungsoptik angeordnet ist, auch als optischer Raum bzw. Optikraum bezeichnet werden. In der Regel ist mindestens eine Optik der Strahlenführungsoptik im Laserbearbeitungskopf beweglich vorgesehen, um für die Bearbeitung verschiedene Einstellungen, etwa von verschiedenen Fokuslagen oder Strahldurchmessern, zu ermöglichen. Die Bearbeitung kann beispielsweise ein Laserschneiden, -löten oder -schweißen umfassen. Der Laserbearbeitungskopf kann also ein Laserschneidkopf oder Laserschweißkopf sein.
Zum Ändern der Fokuslage während der Bearbeitung werden in der Regel eine oder mehrere Optiken bzw. ein oder mehrere optische Elemente, z. B. Linsen, bewegt. Üblicherweise wird diese Bewegung durch einen Motor ausgeführt und die Drehbewegung mittels einer Spindel in eine Linearbewegung umgesetzt. Auch Lösungen mit einem Direktantrieb sind zu diesem Zweck bekannt, beispielsweise aus DE 20 2009 012 924 U1 . Mit zunehmender Laserleistung kommen diese Konzepte an ihre Grenzen, da selbst kleinste Partikel auf der Laseroptik zu einer Zerstörung der Optik führen. Bei Linearantrieben besteht darüber hinaus das Problem, dass die Vielzahl der Bauteile innerhalb des Optikraums einen erhöhten Eintrag an Partikeln generieren und die Ausgasungen der Isolation der elektrischen Leitungen zu Ablagerungen auf der Optik führen.
In DE 10 2014 101 477 A1 wird die Optikbewegung durch einen an der Außenseite des Laserbearbeitungskopfs angeordneten Motor ausgeführt und durch einen Bandantrieb in eine Linearbewegung umgesetzt. Die Durchführung der Motorwelle in den Innenraum des Laserbearbeitungskopfs bleibt jedoch problematisch. Außerdem ist der Bandantrieb mit seinen beweglichen Teilen selbst eine potenzielle Quelle für Mikropartikel.
EP 1 773 534 B2 zeigt eine Lasereinrichtung und ein Betriebsverfahren für die Lasereinrichtung. Die Lasereinrichtung ist mit einem Laserwerkzeug ausgestattet, welches eine Laseroptik mit Fokussier- und Kollimationsoptik sowie ggf. einer Streuoptik und einen Anschluss für einen Lichtwellenleiter mit einem Leiterauskoppelpunkt aufweist. Die Brennweite der Fokussieroptik wird durch Verstellen des optischen Abstands des Leiterauskoppelpunktes von der Kollimationsoptik mittels einer Stelleinrichtung verändert.
DE 10 2014 103 169 A1 zeigt eine optische Vorrichtung, mit einem Gehäuse, in welchem optische Kanäle voneinander getrennt gebildet sind, einem optischen Bauteil, welches in dem Gehäuse verlagerbar und in einem der optischen Kanäle angeordnet ist, einem weiteren optischen Bauteil, welches in dem Gehäuse verlagerbar und in einem weiteren der optischen Kanäle angeordnet ist, und einer Verlagerungseinrichtung, die eingerichtet ist, das optische Bauteil sowie das weitere optische Bauteil in dem Gehäuse zu verlagern.
Bei herkömmlichen Anordnungen sind die beweglichen Elemente, insbesondere Teile des Antriebs, im Innenraum des Laserbearbeitungskopfs angeordnet. Durch die beweglichen Teile kommt es jedoch zu Abrieb, der zu einer Verschmutzung der Optiken führt. Der Abrieb kann aber insbesondere bei Laserstrahlung mit einer Leistung im Kilowatt-Bereich zu einer Zerstörung der Optik und sogar zu einem Totalausfall des Laserbearbeitungskopfs führen. Um dies zu vermeiden, ist eine regelmäßige, aufwendige Reinigung des Laserbearbeitungskopfes nötig.
Zusammenfassung der Erfindung
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung liegt somit darin, einen Laserbearbeitungskopf mit einer im Optikraum des Laserbearbeitungskopfes beweglichen Optik bereitzustellen, bei dem ein Abrieb bzw. eine Erzeugung von Partikeln durch Reibung im Optikraum des Laserbearbeitungskopfes reduziert bzw. minimiert ist.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Laserbearbeitungskopf mit einer im Optikraum des Laserbearbeitungskopfes beweglichen Optik bereitzustellen, der eine verlängerte Lebensdauer und reduzierte Totzeitung, z.B. aufgrund von Wartung, aufweist. Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Laserbearbeitungskopf mit einer im Optikraum des Laserbearbeitungskopfes beweglichen Optik bereitzustellen, wobei die Optik zur Umgebung durch ein Gehäuse des Laserbearbeitungskopfes hermetisch gekapselt ist.
Eine oder mehrere dieser Aufgaben wird durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Merkmalen der abhängigen Ansprüche angegeben.
Die Erfindung beruht auf dem Gedanken, eine Anzahl von beweglichen und Abrieb verursachenden Teilen im Optikraum zu reduzieren, indem eine Optik berührungslos durch ein den Optikraum definierendes bzw. umgebendes Gehäuse hindurch durch ein Magnetfeld bzw. einen magnetischen Kraftschluss bewegt wird. Der magnetische Kraftschluss kann durch Anordnen eines ersten Magnetelements an einem Antrieb außerhalb des Gehäuses bzw. des Optikraums und eines zweiten Magnetelements an einer Optikhalterung bzw. Optikfassung der Optik innerhalb des Gehäuses bzw. des Optikraums bewirkt werden. Die Kopplung der Optik an den Antrieb kann auf diese Weise berührungslos und durch das Gehäuse hindurch erfolgen, ohne eine Öffnung oder Durchgangsbohrung im Gehäuse zu benötigen.
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Laserbearbeitungskopf zur Materialbearbeitung mittels Laserstrahl (auch Bearbeitungslaserstrahl genannt) angegeben. Der Laserbearbeitungskopf umfasst: ein Gehäuse, das einen Optikraum umgibt; einen Antrieb, der außerhalb des Optikraums bzw. außerhalb des Gehäuses angeordnet ist und einen ersten Schlitten mit einem ersten Magnetelement umfasst; eine Optikhalterung mit einer Optik, wobei die Optikhalterung mit der Optik in dem Optikraum bzw. in dem Gehäuse beweglich angeordnet ist und wobei die Optikhalterung ein zweites Magnetelement umfasst. Der erste Schlitten mit der Optikhalterung ist durch einen magnetischen Kraftschluss zwischen dem ersten Magnetelement und dem zweiten Magnetelement gekoppelt. Auf diese Weise kann eine Bewegung des ersten Schlittens eine Bewegung der Optikhalterung bewirken. Der magnetische Kraftschluss kann also durch das Gehäuse hindurch erfolgen.
Das Gehäuse kann einen Innenraum bzw. Optikraum des Laserbearbeitungskopfs umgeben oder definieren. Das Gehäuse kann den Optikraum hermetisch kapseln bzw. abschließen. Das Gehäuse kann einen Einlass für den Laserstrahl und einen Auslass für den Laserstrahl umfassen. Das Gehäuse kann wenigstens ein Schutzglas, insbesondere ein Schutzglas am Einlass für den Laserstrahl und/oder ein Schutzglas am Auslass für den Laserstrahl, umfassen. Das Gehäuse kann eingerichtet sein, um eine Düse am Auslass für den Laserstrahl zu befestigen. Das Gehäuse kann aus einem nicht-ferromagnetischen Material, beispielsweise aus Aluminium und/oder Kunststoff, sein oder daraus bestehen.
Der Laserbearbeitungskopf kann insbesondere zur Verwendung mit Hochleistungslasern bzw. für Laserleistung von mehr als 1 kW eingerichtet sein. Der Laserbearbeitungskopf kann beispielsweise ein Laserschneid- oder ein Laserschweißkopf sein.
Der Antrieb ist vorzugsweise außen am Gehäuse angebracht. Der Antrieb kann vollständig außerhalb des Gehäuses bzw. außerhalb des Optikraums angeordnet sein. Der Antrieb kann ein manueller Antrieb sein oder ein motorischer Antrieb. Das heißt, der Antrieb kann einen Motor umfassen. Der Motor und/oder der erste Schlitten können außerhalb des Gehäuses bzw. außerhalb des Optikraums angeordnet sein. Der Antrieb kann ein elektrischer Antrieb sein. Der Antrieb kann ein Drehantrieb oder ein Linearantrieb sein. Der Antrieb kann in einem Antriebsgehäuse aufgenommen sein. Das Antriebsgehäuse kann an einer Außenseite des Laserbearbeitungskopfs, insbesondere an einer Außenseite des Gehäuses, befestigt sein. Vorzugsweise durchdringt kein durch den Antrieb bewegliches Teil das Gehäuse.
Der erste Schlitten kann durch den Antrieb, insbesondere manuell oder durch einen Motor des Antriebs, bewegbar außerhalb des Gehäuses angeordnet sein. Insbesondere kann der erste Schlitten außen am Gehäuse beweglich angeordnet oder geführt sein. Der erste Schlitten kann mit einem beweglichen Teil des Antriebs bzw. Motors, z.B. einem Rotor oder einer Welle, verbunden sein. Das erste Magnetelement kann ein Permanentmagnet oder ein ferromagnetisches Element, insbesondere ein magnetisiertes ferromagnetisches Element, sein oder umfassen.
Das zweite Magnetelement kann an einem Umfangsbereich der Optikhalterung angeordnet sein. Das zweite Magnetelement kann eine Form eines Kreisbogens aufweisen, insbesondere in einer Ebene senkrecht zur optischen Achse der Optik. Das zweite Magnetelement kann die Optikhalterung in Umfangsrichtung zumindest teilweise umschließen. Das zweite Magnetelement kann ein Permanentmagnet oder ein ferromagnetisches Element, insbesondere ein magnetisiertes ferromagnetisches Element, sein oder umfassen.
Die Optikhalterung hält die Optik. Die Optik bzw. die Optikhalterung kann entlang bzw. parallel zu einer optischen Achse der Optik bewegbar bzw. linear beweglich bzw. verschiebbar sein. Die Optikhalterung bzw. Optik kann beweglich in dem Gehäuse bzw. in dem Optikraum angeordnet sein, insbesondere beweglich in bzw. gegen eine Ausbreitungsrichtung des Laserstrahls und/oder in einer Richtung parallel zur optischen Achse der Optik. Die Optikhalterung bzw. die Optik kann durch den Antrieb bzw. den Motor im Strahlengang des Laserstrahls bzw. im Optikraum des Laserbearbeitungskopfs bewegbar sein.
Beispielsweise kann die Optik um eine Rotationsachse parallel oder koaxial zu ihrer optischen Achse drehbar sein. Dies ist zum Beispiel vorteilhaft, wenn die Optikhalterung mehrere Optiken, insbesondere mehrere Optiken mit parallelen optischen Achsen, umfasst. Die Optiken können in der Optikhalterung wie in einer Revolvertrommel angeordnet sein. Die Optikhalterung ist dabei vorzugsweise um eine Achse parallel zu der bzw. den optischen Achse(n) drehbar. Vorzugsweise ist die Optikhalterung um eine Mittelachse der Optikhalterung, die parallel oder koaxial zur optischen Achse und/oder zur Ausbreitungsrichtung des Bearbeitungslaserstrahls ist, drehbar.
Vorzugsweise dichtet das Gehäuse den Optikraum hermetisch ab. Auf diese Weise kann vermieden werden, dass Partikel von außen in das Innere des Gehäuses bzw. in den Optikraum gelangen. Hermetisches Abdichten kann insbesondere ein luftdichtes Abdichten bedeuten.
Der erste Schlitten kann in einer (ersten) Linearführung geführt sein. Die (erste) Linearführung kann außen am Gehäuse angeordnet oder befestigt sein. Die (erste) Linearführung kann eingerichtet sein, um die Bewegung des ersten Schlittens relativ zum Gehäuse zu führen bzw. zu definieren. Auf diese Weise kann die Bewegung des ersten Schlittens exakter eingestellt bzw. definiert werden.
Der Laserbearbeitungskopf kann wenigstens eine zweite Linearführung umfassen, die innerhalb des Gehäuses bzw. im Optikraum angeordnet ist. Die Optikhalterung kann wenigstens einen zweiten Schlitten umfassen, der in der zweiten Linearführung geführt ist. Damit kann die Bewegung der Optikhalterung relativ zum Gehäuse geführt bzw. definiert werden, damit die Optikhalterung der Bewegung des ersten Schlittens exakt folgen kann.
Die erste Linearführung und/oder die zweite Linearführung kann beispielsweise eine Schwalbenschwanzführung, eine Schienenführung, eine Kugelbüchsenführung, ein Gleitlager oder ein Linearkugellager umfassen. Dadurch kann die erste Linearführung und/oder zweiten Linearführung eine Bewegung möglichst exakt führen bzw. definieren.
Die Optikhalterung kann im Gehäuse bzw. im Optikraums kontaktlos und/oder magnetisch gelagert sein. Auf diese Weise können im Optikraum angeordnete Führungen o.ä. als potenzielle Quellen von Partikeln vermieden werden. Dadurch kann innerhalb des Gehäuses bzw. des Optikraums die Partikelerzeugung bzw. die Verschmutzung weiter reduziert werden. Zum Beispiel kann durch die geringere Partikelerzeugung die Lebensdauer des Laserbearbeitungskopfes erhöht und Wartungsunterbrechungen zur Reinigung des Laserbearbeitungskopfes bzw. Totzeiten des Laserbearbeitungskopfes reduziert werden.
Die Optikhalterung kann wenigstens ein drittes Magnetelement umfassen. Im Gehäuse bzw. im Optikraum kann wenigstens ein viertes Magnetelement angeordnet sein. Vorzugsweise liegen sich das dritte Magnetelement und das vierte Magnetelement einander gegenüber. Das dritte Magnetelement und das vierte Magnetelement können so angeordnet sein, dass die Optikhalterung bzw. die Optik zentrisch im Optiktraum geführt oder beweglich gelagert bzw. beweglich gehalten ist. Auf diese Weise kann eine magnetische, d.h. eine kontaktlose, Lagerung und Führung der Optik im Optikraum ermöglicht werden. Einander gegenüberliegende Pole des dritten und vierten Magnetelements können gleichnamige Pole sein, d.h. können sich abstoßen. Dadurch kann die bewegliche Optik zentrisch geführt werden, ohne dass sich Elemente berühren.
Beispielsweise kann der zweite Schlitten wenigstens ein drittes Magnetelement umfassen und die zweite Linearführung kann wenigstens ein viertes Magnetelement umfassen. Der zweite Schlitten kann auf diese Weise an der zweiten Linearführung bzw. durch die zweite Linearführung magnetisch gelagert sein.
Beispielsweise kann das dritte Magnetelement und/oder das vierte Magnetelement in einer Ebene senkrecht zur optischen Achse der Optik in Form eines Kreisbogens ausgebildet oder angeordnet sein. Das dritte Magnetelement und/oder das vierte Magnetelement kann die Optikhalterung in Umfangsrichtung (der Optik bzw. der Optikhalterung), d.h. in einer Ebene senkrecht zur optischen Achse der Optik, zumindest teilweise umschließen. Mit anderen Worten können Pole des wenigstens einen dritten Magnetelements entlang einer Ausbreitungsrichtung des Bearbeitungslaserstrahls bzw. entlang der optischen Achse der Optik bzw. in einer Ebene senkrecht zur optischen Achse der Optik angeordnet sein. Das vierte Magnetelement, das am bzw. im Gehäuse angeordnet ist, kann sich in Bewegungsrichtung der Optik, z.B. in einer Richtung parallel zur optischen Achse der Optik und/oder zur Ausbreitungsrichtung des Laserbearbeitungsstrahls, erstrecken. Pole des wenigstens einen vierten Magnetelements können entlang einer Ausbreitungsrichtung des Bearbeitungslaserstrahls bzw. entlang der optischen Achse der Optik angeordnet sein. Dadurch kann ein Bewegungsbereich der Optik, d.h. ein Bereich, in dem die Optik bewegt werden kann, definiert werden. Es können mehrere dritte Magnetelemente, insbesondere in gleichmäßigem Abstand, in Umfangsrichtung (der Optik bzw. der Optikhalterung), d.h. in einer Ebene senkrecht zur optischen Achse der Optik, an der Optikhalterung angeordnet sein. Es können mehrere vierte Magnetelemente im Gehäuse bzw. am Gehäuse im Optikraum entsprechend den mehreren dritten Magnetelementen angeordnet sein. Alternativ oder zusätzlich können mehrere vierte Magnetelemente in Bewegungsrichtung der Optik, z.B. in einer Richtung parallel zur optischen Achse der Optik und/oder zur Ausbreitungsrichtung des Laserbearbeitungsstrahls, angeordnet sein.
Vorzugsweise ist der zweite Schlitten parallel zur Strahlausbreitungsrichtung des Laserbearbeitungsstrahls und/oder zur optischen Achse der Optik entlang der zweiten Linearführung beweglich. Der zweite Schlitten kann aber auch senkrecht bzw. quer zur Strahlausbreitungsrichtung des Laserbearbeitungsstrahls und/oder zur optischen Achse der Optik beweglich sein. Dadurch kann beispielsweise der Laserbearbeitungsstrahl in eine Richtung senkrecht zur Strahlausbreitungsrichtung des Laserbearbeitungsstrahls und/oder zur optischen Achse der Optik ausgelenkt werden.
Der zweite Schlitten und/oder die zweite Linearführung können in einer Ebene senkrecht zur Bewegungsrichtung zumindest teilweise kreisförmig ausgebildet sein bzw. die Form eines Kreisbogens haben. Die zweite Linearführung kann den ersten Schlitten in der Ebene senkrecht zur Bewegungsrichtung zumindest teilweise umgeben.
Das dritte Magnetelement und/oder das vierte Magnetelement kann in einer Ebene senkrecht zur optischen Achse der Optik in Form eines Kreisbogens ausgebildet oder angeordnet sein. Das dritte Magnetelement und/oder das vierte Magnetelement kann die Optikfassung in Umfangsrichtung zumindest teilweise umgeben.
Die zweite Linearführung kann in Umfangsrichtung (der zweiten Linearführung) zumindest teilweise von dem zweiten Schlitten umschlossen bzw. umgeben sein. Der zweite Schlitten kann ringförmig ausgebildet sein und/oder die zweite Linearführung kann stabförmig ausgebildet sein.
Mehrere vierte Magnetelemente können entlang einer Bewegungsrichtung der Optik und/oder in einer Richtung parallel zur optischen Achse der Optik im Gehäuse angeordnet sein. Alternativ oder zusätzlich kann sich das wenigstens eine vierte Magnetelement entlang einer Bewegungsrichtung der Optik und/oder in einer Richtung parallel zur optischen Achse der Optik erstrecken. Pole des wenigstens einen vierten Magnetelements können entlang einer Ausbreitungsrichtung des Bearbeitungslaserstrahls bzw. entlang der optischen Achse der Optik angeordnet sein.
Der Laserbearbeitungskopf kann ferner einen magnetischen Kodierer zum Bestimmen einer Position des ersten Schlittens und/oder der Optikhalterung umfassen. Dadurch kann auch eine Fokuslage des Laserstrahls beispielsweise durch eine Regelung automatisiert eingestellt werden.
Jedes Magnetelement umfasst zwei entgegengesetzte Pole, d.h. einen Nordpol und einen Südpol. Einander gegenüberliegende Pole des dritten und vierten Magnetelements können gleichnamige Pole sein, d.h. können sich abstoßen. Mehrere dritte und mehrere vierte Magnetelemente können so angeordnet sein, dass sich die Magnetkräfte zwischen den einzelnen Paaren aus einem der dritten Magnetelemente und einem der vierten Magnetelemente aufheben und die Optik berührungslos gehalten bzw. geführt werden kann.
Die Optik kann eine Optik zum Führen des Laserstrahls bzw. des Bearbeitungslaserstrahls sein. Die Optik kann eine Kollimationsoptik zum Kollimieren des Laserstrahls und/oder eine Fokussieroptik zum Fokussieren des Laserstrahls umfassen oder sein. Die Optik kann jedes beliebige optische Element umfassen, beispielsweise zumindest eines der folgenden: eine Linse, eine Linsengruppe, eine Linsenkassette, einen Spiegel, einen Strahlteiler, eine Keilplatte, eine Strahlformungsoptik, und einen Faserkoppler. Die Optik kann eine Fokussieroptik zum Fokussieren des Laserstrahls und/oder eine Kollimationsoptik zum Kollimieren des Laserstrahls umfassen. Vorzugsweise ist die Optik eingerichtet, abhängig von ihrer Position im Strahlengang des Laserstrahls eine Fokuslage des Laserstrahls einzustellen.
Vorzugsweise umfasst oder ist zumindest eines der Magnetelemente einen Permanentmagnet und/oder ein ferromagnetisches Element.
Figurenliste
Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Figuren erläutert.

1 zeigt eine schematische Ansicht eines Laserbearbeitungskopfs mit dem Antrieb außerhalb eines Gehäuses des Laserbearbeitungskopfs, um eine Optikhalterung, die innerhalb des Gehäuses gelagert ist, kontaktlos zu bewegen.
2 zeigt eine schematische Ansicht des Laserbearbeitungskopfs gemäß einer Ausführungsform der Erfindung mit dem Antrieb außerhalb des Gehäuses des Laserbearbeitungskopfs, um die Optikhalterung, die innerhalb des Gehäuses magnetisch gelagert ist, kontaktlos innerhalb des Laserbearbeitungskopfs zu bewegen.
3 zeigt eine Schnittdarstellung der in 2 gezeigten magnetischen Lagerung der Optikhalterung im Gehäuse.
4 zeigt eine schematische Ansicht des Laserbearbeitungskopfs gemäß einer Ausführungsform der Erfindung mit dem Antrieb außerhalb des Gehäuses des Laserbearbeitungskopfs, um die Optikhalterung, die innerhalb des Gehäuses über einen zweiten Schlitten zu einer zweiten Linearführung hin magnetisch gelagert ist, kontaktlos innerhalb des Laserbearbeitungskopfs zu bewegen.
5 zeigt eine Schnittdarstellung der in 4 gezeigten magnetischen Lagerung des zweiten Schlittens in der zweiten Linearführung.

Ausführliche Beschreibung der Figuren
In den Figuren sind einander entsprechende Bauteile mit gleichem Bezugszeichen versehen.
Wie in der 1 dargestellt, weist ein Laserbearbeitungskopf 1 ein Gehäuse 3 auf, das einen abgeschlossenen bzw. abgedichteten Optikraum 3a definiert. In dem Optikraum 3a sind für die Strahlführung bzw. Strahlformung eines Bearbeitungslaserstrahls 2 Optiken bzw. optische Elemente 6, 6` angeordnet. Beispielsweise kann im Optikraum 3a eine Kollimieroptik 6 und eine Fokussieroptik 6` angeordnet sein. Das Gehäuse 3 kann beispielsweise am Einlass bzw. Eintrittsport für den Bearbeitungslaserstrahl 2 durch ein erstes Schutzglas 31 und am Auslass bzw. Austrittsport für den Bearbeitungslaserstrahl 2 durch ein zweites Schutzglas 32 abgedichtet sein. Auf diese Weise kann der Optikraum 3a hermetisch gekapselt sein. In der in 1 gezeigten Ausführungsform wird der Bearbeitungslaserstrahl 2 durch eine Lichtleitfaser 8 in den Laserbearbeitungskopf eingekoppelt. Die Strahlausbreitungsrichtung des Bearbeitungslaserstrahls 2 ist durch die gestrichelte Linie dargestellt. Der Einlass bzw. Eintrittsort für den Bearbeitungslaserstrahl 2 kann daher einen Faserkoppler umfassen. Am Auslass bzw. Austrittsort für den Bearbeitungslaserstrahl 2 kann eine Düse befestigbar sein. Der Laserbearbeitungskopf 1 ist für die Laserbearbeitung eines Werkstücks 10 vorgesehen und kann ein Laserschweißkopf oder ein Laserschneidkopf sein.
Zumindest eine der im Optikraum 3a angeordneten Optiken 6, 6` kann beweglich sein, beispielsweise um eine Fokuslage des Bearbeitungslaserstrahls 2 einzustellen. In 1 ist Optik 6 beweglich, während Optik 6` fest im Gehäuse 3 angeordnet ist. Die Optik 6 ist in einer Optikhalterung 5, beispielsweise eine Optikfassung oder eine Kassette, aufgenommen und kann kontaktlos durch einen Antrieb 4 außerhalb des Gehäuses 3 verstellt bzw. bewegt werden. Im Folgenden wird die vorliegende Erfindung an dem Beispiel einer beweglichen Fokussierlinse beschrieben. Die Erfindung ist aber nicht darauf beschränkt, sondern die bewegliche Optik 6 kann eine beliebige im Optikraum 3a des Laserbearbeitungskopfs 1 angeordnete Optik umfassen. Beispielsweise kann die Optik eine Linse, eine Linsengruppe, eine Linsenkassette, einen Spiegel, einen Strahlteiler, eine Keilplatte, eine Strahlenführungsoptik, und einen Faserkoppler umfassen. Auch wenn in den aufgeführten Ausführungsformen zwei Optiken im Optikraum 3a angeordnet sind, kann auch lediglich eine bewegliche Optik 6 im Optikraum 3a angeordnet sein.
Die Optik 6 ist durch einen Antrieb 4, der außerhalb des Gehäuses 3 angeordnet ist, verstellbar bzw. verschiebbar. Der Antrieb 4 umfasst beispielsweise einen Motor 44, der einen ersten Schlitten 42 antreibt. Alternativ kann der erste Schlitten 42 durch einen manuellen Antrieb betätigt werden. Der erste Schlitten 42 ist in einer ersten Linearführung 43 geführt. Die erste Linearführung 43 ist außen am Gehäuse 3 befestigt oder angeordnet. An dem ersten Schlitten 42 ist ein erstes Magnetelement 41 angeordnet. Das erste Magnetelement 41 bildet durch das Gehäuse 3 hindurch einen Kraftschluss mit einem zweiten Magnetelement 51, das an der Optikhalterung 5 der Optik 6 innerhalb des Gehäuses 3 angeordnet bzw. befestigt ist. Das zweite Magnetelement 51 kann direkt mit der Optikhalterung 5 verbunden sein. Wie in 1 gezeigt, ist die Optikhalterung 5 mit einem zweiten Schlitten 72 verbunden, der in einer im Gehäuse 3 angebrachten zweiten Linearführung 73 geführt ist.
Um die Position der Optik 6 bzw. der Optikhalterung 5 mit derselben zu bestimmen, kann ein magnetischer Kodierer 9 am Gehäuse 3 angeordnet sein, der die Position magnetisch durch das Gehäuse 3 hindurch bestimmen kann.
Der Laserbearbeitungskopf kann auch modular aufgebaut sein. In diesem Fall kann die zweite Optik 6` in einem weiteren Gehäuse (nicht dargestellt) angeordnet sein, das an das die bewegliche Optik 6 umfassende Gehäuse 3 koppelbar ist, sodass der Laserstrahl 2 durch die zweite Optik 6` in dem weiteren Gehäuse und anschließend durch das Schutzglas 31 in das Gehäuse 3 eintritt, und dort auf die Optik 6 trifft.
2 zeigt eine schematische Darstellung des Laserbearbeitungskopfs 1 gemäß einer weiteren Ausführungsform und 3 zeigt eine Schnittansicht entlang der in 2 dargestellten gestrichelten Linie zwischen AA`. Im Folgenden werden nur die Unterschiede im Vergleich zu der in 1 dargestellten Ausführungsform ausgeführt.
Während die Optik 6 in 1 durch eine zweite Linearführung 73 im Optikraum 3a gelagert ist, zeigen die 2 und 3 eine weitere Ausführungsform des Laserbearbeitungskopfes 1, in der die Optikhalterung 5 kontaktlos gelagert ist. Hierfür ist an der Außenseite der Optikhalterung 5 wenigstens ein drittes Magnetelement 53 und im Gehäuse 3 wenigstens ein viertes Magnetelement 54 angeordnet. Das dritte Magnetelement 53 und das vierte Magnetelement 54 sind gegenüberliegend so angeordnet, dass die bewegliche Optik 6 bzw. die Optikhalterung 5 mit derselben kontaktlos geführt werden kann. Die gegenüberliegenden Pole des wenigstens einen dritten Magnetelements 521 und des wenigstens einen vierten Magnetelements 531 können gleichnamige Pole sein, d.h. sich abstoßen. Dabei kann das wenigstens eine dritte Magnetelement 53 direkt mit der Optikhalterung 5 verbunden sein. Das wenigstens eine vierte Magnetelement 54 kann direkt an einer Gehäuseinnenwand befestigt sein.
Es können mehrere dritte Magnetelemente 53 in gleichmäßigem Abstand auf einem Kreisbogen, in einer Ebene senkrecht zur optischen Achse, um die Optikhalterung 5 herum ausgebildet sein. Entsprechend zu den dritten Magnetelementen 53 können mehrere vierte Magnetelemente 54 auf einem Kreisbogen im Gehäuse 3 angeordnet sein.
In der in 3 gezeigten Ausführungsform sind beispielsweise zwei dritte Magnetelemente 53 und zwei vierte Magnetelemente 54 vorgesehen. Die zwei dritten Magnetelemente 53 und die zwei vierten Magnetelemente 54 liegen in der 2 außerhalb der Schnittebene und sind daher in der 2 nicht dargestellt.
4 zeigt eine schematische Darstellung eines Laserbearbeitungskopfs 1 gemäß einer weiteren Ausführungsform und 5 zeigt eine Schnittansicht entlang der in 4 dargestellten gestrichelten Linie zwischen BB'. Im Folgenden werden nur die Unterschiede im Vergleich zu der in 2 dargestellten Ausführungsform ausgeführt.
4 und 5 zeigen eine weitere Ausführungsform eines Laserbearbeitungskopfs 1, in dem die Optikhalterung 5 kontaktlos innerhalb des Gehäuses gelagert ist.
In den 4 und 5 umfasst die Optikhalterung 5 einen zweiten Schlitten 72. Der zweite Schlitten 72 ist an einer zweiten Linearführung 73, die im Gehäuse 3 befestigt ist, magnetisch gelagert. Hierzu umfasst der zweite Schlitten 72 ein Durchgangsloch 77, durch das die zweite Linearführung 73 hindurchführt. Alternativ kann der zweite Schlitten 72 eine Aussparung umfassen, die zumindest teilweise die zweite Linearführung 73 umgibt. Die zweite Linearführung 73 ist über eine Halterung 79 mit dem Gehäuse 3 verbunden bzw. im Gehäuse 3 befestigt.
Wenigstens zwei dritte Magnetelemente 53 sind in gleichmäßigem Abstand am Rand bzw. Umfang des Durchgangslochs 77 des zweiten Schlittens 72, d.h. in einer Ebene senkrecht zur optischen Achse der Optik 6 bzw. senkrecht zur Bewegungsrichtung, . Wenigstens zwei vierte Magnetelemente 54 sind in gleichmäßigem Abstand in Umfangsrichtung auf der zweiten Linearführung 73 ausgebildet. Die gegenüberliegenden Pole der wenigstens zwei dritten Magnetelemente 53 und der wenigstens zwei vierten Magnetelemente 54 können gleichnamige Pole sein, d.h. sich abstoßen. Insbesondere wirken die Magnetkräfte der Paaren aus je einem dritten Magnetelement 53 und einem vierten Magnetelement 54 entgegengesetzte Richtungen, sodass der zweite Schlitten 72 kontaktlos in der zweiten Linearführung 73 geführt bzw. gelagert ist.
In Richtung der optischen Achse der Optik bzw. in Bewegungsrichtung können mehrere vierte Magnetelemente 54 auf der zweiten Linearführung 73 angeordnet sein (vgl. 4).
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird eine minimale Anzahl von Bauteilen im gekapselten Optikraum platziert. Alle beweglichen Teile, mit Ausnahme der Optikhalterung mit der Optik selbst und ggf. von Führungen, werden außerhalb des Optikraums angeordnet. Mit anderen Worten befinden sich innerhalb des gekapselten Optikraums (außer einer optional vorhandenen zweiten Linearführung) keinerlei bewegte Elemente, insbesondere keine Elemente, die durch reibbehaftete Bewegung Partikel absondern können. Dadurch kann vermieden werden, dass durch die Bewegung der Optikhalterung bzw. der Optik Abrieb entsteht, der sich als Partikel auf der Optik oder anderen optischen Elementen ablagern könnte. Um die Optik bewegen zu können, wird eine Kopplung durch das Gehäuse, d.h. durch die Kapselung, hindurch mittels Magnetelementen, wie beispielsweise Permanentmagneten, vorgeschlagen. Optional kann eine Position der Optik durch einen magnetischen Encoder bzw. Kodierer bestimmt werden, der ebenfalls durch die Kapselung hindurchdringt. Auf diese Weise kann ein Laserbearbeitungskopf mit vollständig gekapselter Optikeinheit angegeben werden, wobei von außen gesteuert eine oder mehrere Optiken bewegt werden können, ohne dass durch Reibung Partikel generiert werden.
Bezugszeichenliste

1: Laserbearbeitungskopf
2: Laserstrahl
3: Gehäuse
3a: Optikraum
31: erstes Schutzglas
32: zweites Schutzglas
4: Antrieb
41: erstes Magnetelement
42: erster Schlitten
43: erste Linearführung
44: Motor
5: Optikhalterung
51: zweites Magnetelement
53: drittes Magnetelement
54: viertes Magnetelement
6: Optik
6`: zweite Optik
72: zweiter Schlitten
73: zweite Linearführung
77: Durchgangsloch
79: Halterung
8: Lichtleitfaser
9: magnetischer Kodierer

Claims

Laserbearbeitungskopf (1) zur Materialbearbeitung mittels Laserstrahl (2), umfassend: ein Gehäuse (3), das einen Optikraum (3a) umgibt; einen Antrieb (4), der außerhalb des Optikraums (3a) angeordnet ist und einen ersten Schlitten (42) mit einem ersten Magnetelement (41) umfasst; eine Optikhalterung (5) mit einer Optik (6), wobei die Optikhalterung (5) mit der Optik (6) in dem Optikraum (3a) beweglich angeordnet ist und ein zweites Magnetelement (51) umfasst, eine erste Linearführung (43), die außen am Gehäuse (3) angeordnet ist, wobei der erste Schlitten (42) durch die erste Linearführung (43) geführt ist; und wenigstens eine zweite Linearführung (73) innerhalb des Gehäuses (3); wobei der erste Schlitten (42) mit der Optikhalterung (5) durch einen magnetischen Kraftschluss zwischen dem ersten Magnetelement (41) und dem zweiten Magnetelement (51) gekoppelt ist, sodass eine Bewegung des ersten Schlittens (42) eine Bewegung der Optikhalterung (5) bewirkt; wobei die Optikhalterung (5) wenigstens einen zweiten Schlitten (72) umfasst, der in der zweiten Linearführung (73) geführt ist; und wobei der zweite Schlitten (72) wenigstens ein drittes Magnetelement (53) umfasst und die zweite Linearführung (73) wenigstens ein viertes Magnetelement (54) umfasst.
Laserbearbeitungskopf (1) zur Materialbearbeitung mittels Laserstrahl (2), umfassend: ein Gehäuse (3), das einen Optikraum (3a) umgibt; einen Antrieb (4), der außerhalb des Optikraums (3a) angeordnet ist und einen ersten Schlitten (42) mit einem ersten Magnetelement (41) umfasst; eine Optikhalterung (5) mit einer Optik (6), wobei die Optikhalterung (5) mit der Optik (6) in dem Optikraum (3a) beweglich angeordnet ist und ein zweites Magnetelement (51) umfasst; wobei der erste Schlitten (42) mit der Optikhalterung (5) durch einen magnetischen Kraftschluss zwischen dem ersten Magnetelement (41) und dem zweiten Magnetelement (51) gekoppelt ist, sodass eine Bewegung des ersten Schlittens (42) eine Bewegung der Optikhalterung (5) bewirkt; wobei die Optikhalterung (5) im Gehäuse (3) magnetisch gelagert ist; wobei die Optikhalterung (5) wenigstens ein drittes Magnetelement (53) umfasst und im Gehäuse (3) wenigstens ein viertes Magnetelement (54) angeordnet ist; und wobei das dritte Magnetelement (53) und das vierte Magnetelement (54) einander gegenüber liegen.
Laserbearbeitungskopf (1) nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Optik (6) entlang ihrer optischen Achse bewegbar ist.
Laserbearbeitungskopf (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei das Gehäuse (3) den Optikraum (3a) hermetisch abdichtet und/oder wobei der magnetische Kraftschluss durch das Gehäuse (3) hindurch erfolgt.
Laserbearbeitungskopf (1) nach Anspruch 1, wobei die erste Linearführung (43) und/oder die zweite Linearführung (73) zumindest eines der folgenden umfasst: eine Schwalbenschwanzführung, eine Schienenführung, eine Kugelbüchsenführung, ein Gleitlager und ein Linearkugellager.
Laserbearbeitungskopf (1) nach Anspruch 2, wobei die Optikhalterung (5) im Gehäuse (3) kontaktlos gelagert ist.
Laserbearbeitungskopf (1) nach Anspruch 2, wobei das dritte Magnetelement (53) und/oder das vierte Magnetelement (54) in einer Ebene senkrecht zur optischen Achse der Optik (6) in Form eines Kreisbogens ausgebildet oder angeordnet sind, und die Optikhalterung (5) in Umfangsrichtung zumindest teilweise umschließen.
Laserbearbeitungskopf (1) nach Anspruch 2 oder 7, wobei mehrere dritte Magnetelemente (53) in Umfangsrichtung an der Optikhalterung (5) angeordnet sind, und mehrere vierte Magnetelemente (54) entsprechend den dritten Magnetelementen (53) im Gehäuse (3) angeordnet sind.
Laserbearbeitungskopf (1) nach einem der Ansprüche 2, 7 oder 8, wobei mehrere vierte Magnetelemente (54) entlang einer Bewegungsrichtung und/oder in einer Richtung parallel zur optischen Achse der Optik (6) im Gehäuse (3) angeordnet sind, und/oder wobei sich das wenigstens eine vierte Magnetelement (54) entlang einer Bewegungsrichtung und/oder in einer Richtung parallel zur optischen Achse der Optik (6) erstreckt.
Laserbearbeitungskopf (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, ferner umfassend einen magnetischen Kodierer (7) zum Bestimmen einer Position des ersten Schlittens (42) und/oder der Optikhalterung (5).
Laserbearbeitungskopf (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Optik (6) eine Kollimationsoptik zum Kollimieren des Laserstrahls (2) und/oder eine Fokussieroptik zum Fokussieren des Laserstrahls (2) umfasst.
Laserbearbeitungskopf (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei zumindest eines der Magnetelemente (41, 51, 53, 54) einen Permanentmagnet und/oder ein ferromagnetisches Element umfasst.