DE102022107324A1

DE102022107324A1 - Auslenkvorrichtung für einen Laserbearbeitungskopf und Laserbearbeitungskopf mit derselben

Info

Publication number: DE102022107324A1
Application number: DE102022107324.6A
Authority: DE
Inventors: David Blázquez-Sánchez
Original assignee: Precitec GmbH and Co KG
Current assignee: Precitec GmbH and Co KG
Priority date: 2022-03-29
Filing date: 2022-03-29
Publication date: 2023-10-05
Anticipated expiration: 2042-03-30
Also published as: DE102022107324B4; WO2023186951A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Auslenkvorrichtung (30) für einen Laserbearbeitungskopf (1) zur Erzeugung eines Parallelversatzes (d, dx, dy) eines Bearbeitungslaserstrahls (6), umfassend: zumindest eine Platte (30a), wobei die Platte (30a) um zumindest eine zur Plattenebene (30b) parallele Achse (30d) kippbar ist; und einen Aktuator zum Verkippen der Platte (30a); wobei ein Kippwinkel (Θ) der Platte (30a) um die Achse (30d) auf maximal 30° begrenzt ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Auslenkvorrichtung für einen Laserbearbeitungskopf zur Erzeugung eines Strahlversatzes eines Bearbeitungslaserstrahls und einen Laserbearbeitungskopf zum Bearbeiten eines Werkstücks mittels eines Bearbeitungslaserstrahls umfassend dieselbe.
Hintergrund
Die kontrollierte Auslenkung eines Bearbeitungslaserstrahls spielt unter verschiedenen Gesichtspunkten der Lasermaterialbearbeitung eine große Rolle, beispielsweise für eine Strahlengangkorrektur oder für das Ausrichten des Bearbeitungslaserstrahls, insbesondere für das Zentrieren desselben, in Bezug auf einen Austrittsport eines Laserbearbeitungskopfs oder auf eine optische Achse eines optischen Elements, z.B. der Fokussieroptik. Ein anderer Gesichtspunkt ist die dynamische bzw. oszillierende Auslenkung des Bearbeitungslaserstrahls, z.B. zum Ausführen einer sogenannten Wobbelbewegung, die sich für verschiedene Laseranwendungen wie Schneiden oder Schweißen als vorteilhaft erwiesen hat.
Qualitätskriterien bei der Lasermaterialbearbeitung erfordern demnach eine präzise Kontrolle der seitlichen Position des fokussierten Bearbeitungslaserstrahls. Beispielsweise benötigen Laserbearbeitungsköpfe, wie beispielsweise Schneid- oder Schweißköpfe, im Allgemeinen eine horizontale bzw. seitliche Ausrichtung des Laserstrahls zur Mitte eines Austrittsports bzw. einer Düse, beispielsweise eine Strahlzentrierung. Einige Laserbearbeitungsköpfe des Standes der Technik weisen mechanische Komponenten auf, die verschoben werden können, um eine Düse mechanisch zum Laserstrahl auszurichten. Alternativ kann der Bearbeitungslaserstrahl mit Hilfe einer Linse, wie einer Fokussier- oder Kollimationslinse, die seitlich verschoben werden kann, auf die Düse ausgerichtet werden.
Die Komplexität der Ausrichtung hängt insbesondere von den Freiheitsgraden des Fokus des Bearbeitungslaserstrahls ab. Beispielsweise kann bei einem 2D-Laserschneiden eine automatische Einstellung der vertikalen Position des Fokus (d.h. in Ausbreitungsrichtung des Bearbeitungslaserstrahls) erforderlich sein, während bei einem 3D-Schneiden eine zusätzliche Einstellung erforderlich sein kann, beispielsweise hinsichtlich einer Rotationsachse. Andere Laserbearbeitungsköpfe ermöglichen hingegen eine Anpassung des Fokusdurchmessers, was zu einer ähnlichen Situation führt.
Obwohl die Translation eines mechanischen Teils, also eines Moduls des Laserbearbeitungskopfes in Bezug auf den Rest des Laserbearbeitungskopfes, ein einfaches Konzept darstellt, hat dies bei Bauteilen mit zunehmendem Gewicht insbesondere aufgrund der Mobilitäts- oder Beschleunigungsanforderungen bei Anwendungen wie dem Flachbettschneiden einige Nachteile.
Je nachdem, wie das optische Design des Laserbearbeitungskopfes ausgestaltet ist, und abhängig von den sich daraus ergebenden Freiheitsgraden für den Bearbeitungslaserstrahl kann auch die Ausrichtung mittels einer Linse einige Nachteile aufweisen. Nachteile ergeben sich zum Beispiel dann, wenn die Linse zu einem anderen Zweck als der zentrischen Ausrichtung des Bearbeitungslaserstrahls axial und/oder radial bewegt wird, beispielsweise zur Einstellung der vertikalen Fokuslage oder zur Einstellung des Strahldurchmessers des Bearbeitungslaserstrahls. Eine zusätzliche seitliche Einstellung der Linse kann sich in dem Fall als kompliziert und aufwendig erweisen. Auch ein optisches Design mit einer zusätzlichen Linse zur seitlichen Ausrichtung des Bearbeitungslaserstrahls erhöht die Komplexität.
Bei Materialbearbeitung mittels Schweißens und/oder Schneidens haben sich oszillierende Laserstrahlen für verschiedene Laseranwendungen als vorteilhaft erwiesen. Für solche Anwendungen sind Laserbearbeitungsköpfe mit Spiegelscannern z.B. aus US 2016/0368089 A1 und US 2018/0369964 A1 bekannt. Obwohl Spiegelscanner weit verbreitet sind, haben diese einige Nachteile für Lasermaterialanwendungen. Für die Prozessüberwachung ist eine hohe Reflektivität des Spiegels über einen breiten Spektralbereich erwünscht. In einem solchen Fall werden häufig metallische Beschichtungen verwendet, die eine Silber- oder Goldschicht enthalten. Solche Beschichtungen führen zu einer höheren Laserabsorption, die die maximale Laserleistung einschränken kann.
Alternativ werden im Stand der Technik, beispielsweise in DE 10 2007 012 695 A1 und DE 10 2018 221 203 A1 , planparallele Platten zur Auslenkung eines Laserstrahls erwähnt, deren Oberflächennormale in einem Winkel zur Strahlausbreitungsrichtung des einfallenden Laserstrahls angeordnet ist. Jedoch ist die Beziehung zwischen der Fokusverschiebung bzw. der Auslenkung des Bearbeitungslaserstrahls und dem Winkel im Allgemeinen nicht linear. Diese nichtlineare Abhängigkeit muss bei der Ansteuerung eines Stellantriebs der Platte berücksichtigt werden, um den für eine gewünschte Verschiebung benötigten Winkel einzustellen.
Zusammenfassung der Erfindung
Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Auslenkvorrichtung und einen Laserbearbeitungskopf mit derselben für eine einfache und präzise Kontrolle der seitlichen Position eines Bearbeitungslaserstrahls auf einem Werkstück bereitzustellen.
Eine weitere Aufgabe besteht darin, eine Auslenkvorrichtung und einen Laserbearbeitungskopf mit derselben bereitzustellen, um eine seitliche Ausrichtung des Bearbeitungslaserstrahls, insbesondere zur Zentrierung, in Bezug auf den Laserbearbeitungskopf effizient und präzise zu erzielen. Insbesondere ist es eine Aufgabe, bei einem Laserbearbeitungskopf mit zumindest einem (axial und/oder radial) beweglichen, brechenden optischen Element eine seitliche Verstellung der Position des Bearbeitungslaserstrahls auf einem Werkstück unabhängig von dem optischen Element bzw. unabhängig von mechanischen Teilen des Laserbearbeitungskopfs unter Last zu ermöglichen.
Zudem ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Auslenkvorrichtung und einen Laserbearbeitungskopf mit derselben bereitzustellen, um eine dynamische seitliche Ausrichtung des Bearbeitungslaserstrahls, d.h. eine Wobbelbewegung, effizient und präzise zu erzielen.
Eine weitere Aufgabe besteht darin, eine leicht zu integrierende und kompakte Auslenkvorrichtung bereitzustellen.
Mindestens eine dieser Aufgaben wird durch den Gegenstand der unabhängigen Ansprüche gelöst.
Gemäß einem Aspekt umfasst eine Auslenkvorrichtung für einen Laserbearbeitungskopf zur seitlichen Auslenkung eines Bearbeitungslaserstrahls bzw. zur Erzeugung eines Strahlversatzes eines Bearbeitungslaserstrahls: zumindest eine Platte, wobei die Platte um zumindest eine zur Plattenebene parallele Achse kippbar ist; und einen Aktuator zum Verkippen der Platte; wobei ein Kippwinkel der Platte um die Achse auf einen vorgegebenen Winkelbereich von -30° bis +30°, insbesondere auf einen Winkelbereich von -20° bis +20° oder sogar auf einen Winkelbereich von -15° bis + 15° oder von -10° bis +10°, begrenzt bzw. beschränkt ist. Mit anderen Worten ist ein Betrag des Kippwinkels auf maximal 30°, insbesondere auf maximal 20° , 15° oder sogar auf 10°, begrenzt. Die Plattenebene kann auch als Plattenmittelebene bezeichnet werden. Die Auslenkvorrichtung ist daher eingerichtet, einen Strahlversatz in einer Ebene senkrecht zur Strahlausbreitungsrichtung herbeizuführen. Die Auslenkungsvorrichtung kann daher auch als horizontales Auslenk-bzw. Ausrichtmodul bezeichnet werden.
In der vorliegenden Offenbarung kann eine seitliche oder horizontale Ausrichtung bzw. Position eine Ausrichtung bzw. Position in einer Ebene senkrecht zur Ausbreitungsrichtung des Bearbeitungslaserstrahls (an diesem Punkt) bezeichnen. Die Platte kann auch als planparallel bzw. als Fenster bezeichnet werden. Insbesondere kann die Platte zwei zueinander parallel verlaufende optische Flächen aufweisen. Da die Strahlausbreitungsrichtung des Bearbeitungslaserstrahls bei Eintritt in die Platte und bei Austritt aus der Platte parallel versetzt ist, kann von einem Parallelversatz gesprochen werden. Mit anderen Worten kann ein Strahlversatz ohne Änderung der Strahlausbreitungsrichtung erzeugt werden.
Ein Vorteil der erfindungsgemäßen Auslenkvorrichtung besteht darin, dass eine einfache Kontrolle der seitlichen Position eines Bearbeitungslaserstrahls ermöglicht wird. Da der Kippwinkel der Platte auf einen Bereich von -30° bis +30° begrenzt ist, wird eine seitliche Verschiebung bzw. einen Strahlversatz des Bearbeitungslaserstrahls erzeugt, die bzw. der in einem im Wesentlichen linearen oder zumindest nahezu linearen Verhältnis mit dem Kippwinkel steht. Eine Abhängigkeit des durch die Auslenkvorrichtung erzeugten Strahlversatzes von dem dazugehörigen Kippwinkel kann daher durch eine lineare Näherung mit einem Fehler von kleiner oder gleich 10% beschrieben werden. Auf diese Weise wird die Einstellung des Strahlversatzes erleichtert, insbesondere wird eine Einstellung des Strahlversatzes linear bzw. proportional zur Einstellung des Kippwinkels ermöglicht. Auch kann die Handhabung eines Laserbearbeitungskopfes verbessert werden, da nicht Optiken, also insbesondere Linsen und/oder Spiegel, bzw. Teile unter Last verschoben und/oder verkippt werden müssen, sondern lediglich eine Platte gekippt wird, die keine weiteren Funktionen aufweist und daher lediglich zu einem präzisen und gut kontrollierbaren horizontalen Strahlversatz dient. Die Begrenzung eines Betrags des Kippwinkels auf einen maximalen Wert von etwa 30°, der relativ klein ist, hat überdies den Vorteil einer kompakten Bauweise. Dadurch wird eine Integration der Auslenkvorrichtung in einen Laserbearbeitungskopf erleichtert.
Der durch die Auslenkvorrichtung erzeugte, ein- oder zweidimensionale Strahlversatz in einer Ebene senkrecht zur Strahlausbreitungsrichtung kann zur Strahlzentrierung des Bearbeitungslaserstrahls in Bezug auf den Laserbearbeitungskopf oder Teile davon und/oder für eine dynamische bzw. oszillierende Strahlbewegung (Wobbelbewegung) des Bearbeitungsstrahls zur Laserbearbeitung verwendet werden.
Bei einem Laserkopf mit mindestens einem optischen Element, das eine Brechkraft aufweist und das bezüglich der zentralen Längsachse axial und/oder radial beweglich ist, ist eine seitliche Verstellung der Strahlposition unabhängig von diesem optischen Element und unabhängig von anderen mechanischen Teilen, die unter Last stehen können, besonders vorteilhaft, um eine präzise und korrekte Ausrichtung erzielen zu können. Ein wesentlicher Vorteil der Auslenkvorrichtung ergibt sich daher durch die Unabhängigkeit des Strahlversatzes von der beweglichen Optik, wodurch sich die Auslenkvorrichtung als modulares Element zur Ausrichtung des Bearbeitungslaserstrahls in einem Laserbearbeitungskopf eignet. Daher lässt sich die Auslenkvorrichtung besonders einfach in verschiedene Laserbearbeitungsköpfe integrieren, sofern diese als modulare Systeme ausgebildet sind.
Die Platte kann einen Brechungsindex ungleich 1 aufweisen. Mit anderen Worten kann die Platte ein Material umfassen bzw. daraus bestehen, dass einen Brechungsindex ungleich 1 aufweist. Überdies kann die Platte ein transparentes Material, wie beispielsweise Quarzglas oder ein anderes üblicherweise für optische Elemente verwendetes Material aufweisen bzw. daraus bestehen. Die Platte kann insbesondere transparent für den gesamten Wellenlängenbereich des Bearbeitungslaserstrahls sein. Andernfalls kann die Platte nur teilweise transparent für den Bearbeitungslaserstrahl sein, wobei der Bearbeitungslaserstrahl einen Wellenlängenbereich im sichtbaren Bereich und/oder im infraroten Bereich aufweist.
Die Platte kann die Form eines Zylinders oder eines Quaders (mit geringer Höhe) aufweisen. Die Platte weist optische Flächen auf, d.h. Flächen, durch die der Bearbeitungslaserstrahl hindurchtritt, wobei die optischen Flächen parallel zueinander verlaufen und einander gegenüberliegen. Die Platte kann also als planparallel bezeichnet werden.
Die Achse, um die die Platte gekippt werden kann, ist parallel zur Plattenebene. Insbesondere verläuft die Achse parallel zu den optischen Flächen der planparallelen Platte. Die Plattenebene einer (planparallelen) Platte verläuft parallel zu deren optischen Flächen und liegt in der Mitte zwischen den beiden gegenüberliegenden optischen Flächen. Die Achse, um die die Platte kippbar ist, kann beispielsweise auf einer der optischen Flächen oder zwischen den beiden optischen Flächen der Platte, insbesondere in der Plattenebene, liegen. Die Achse kann insbesondere durch einen (Volumen-) Mittelpunkt bzw. geometrischen Schwerpunkt der Platte verlaufen.
Der Kippwinkel ist definiert als der Winkel zwischen der Flächennormale der Platte (bzw. Flächennormale oder Lot der Plattenebene), auch Plattennormale genannt, in Nullstellung und der Flächennormale der Platte in einer verkippten Stellung. In einem eingebauten Zustand der Auslenkvorrichtung verläuft die Flächennormale der Platte in Nullstellung bevorzugt so, dass der einfallende Bearbeitungslaserstrahl und der austretende Bearbeitungslaserstrahl zueinander koaxial verlaufen, d.h. so dass kein Strahlversatz auftritt. Mit anderen Worten kann die Flächennormale der Platte in Nullstellung parallel oder koaxial zur Strahlausbreitungsrichtung des Bearbeitungslaserstrahls ausgerichtet sein, d.h. der Bearbeitungslaserstrahl trifft senkrecht auf die Platte in Nullstellung. Die Flächennormale der Platte in Nullstellung kann im eingebauten Zustand der Auslenkvorrichtung parallel oder koaxial zum Strahlengang des Laserbearbeitungskopfs bzw. parallel zur optischen Längsachse des Laserbearbeitungskopfes und/oder parallel zur optischen Achse einer beweglichen Optik des Laserbearbeitungskopfes verlaufen (jeweils an der Position der Auslenkvorrichtung) .
Die Flächennormale der Platte in Nullstellung kann parallel oder koaxial zu einer zentralen Längsachse der Auslenkvorrichtung verlaufen. Die Auslenkvorrichtung kann einen Gehäuserahmen umfassen, in dem die Platte kippbar angebracht ist. Der Gehäuserahmen kann im wesentlichen hohlzylindrisch ausgebildet sein. Die zentrale Längsachse der Auslenkvorrichtung kann der zentralen Längsachse des Gehäuserahmens entsprechen. Die Platte, insbesondere die optischen Flächen der Platte, kann in Nullstellung senkrecht zur zentralen Längsachse der Auslenkvorrichtung bzw. zur zentralen Längsachse des Gehäuserahmens verlaufen.
Vorzugsweise kann die Auslenkvorrichtung eingerichtet sein, den Bearbeitungslaserstrahl in einem Bereich zwischen 0 und etwa ±0,5 mm auszulenken bzw. einen Strahlversatz des Bearbeitungslaserstrahls in einem Bereich zwischen 0 und etwa ±0,5 mm einzustellen. Insbesondere kann die Auslenkvorrichtung eingerichtet sein, den Bearbeitungslaserstrahl in einem Bereich zwischen 0 und etwa ±0,5 mm auszulenken bzw. einen Strahlversatz des Bearbeitungslaserstrahls in einem Bereich zwischen 0 und etwa ±0,5 mm einzustellen. Mit anderen Worten ist die Auslenkvorrichtung eingerichtet, einen einfallenden Strahl um bis zu ±0,5 mm senkrecht zur Strahlausbreitungsrichtung zu verschieben. Ein aus der Auslenkvorrichtung austretender Strahl kann somit um bis zu ±0,5 mm senkrecht zur Strahlausbreitungsrichtung bezüglich dem in die Auslenkvorrichtung einfallenden Strahl verschoben werden. Da der Strahlversatz parallel zur Strahlausbreitungsrichtung erfolgt, kann eine Größe bzw. Amplitude der Auslenkung unabhängig von einem Abstand zum Werkstück sein. Je nach Vergrößerung der nachfolgenden optischen Elemente kann durch die Auslenkvorrichtung eine Auslenkung des Bearbeitungslaserstrahls in einem Bereich zwischen 0 und etwa ±1,5 mm oder sogar zwischen 0 und etwa ±2,5 mm auf dem Werkstück erzielt werden.
Mit Strahlversatz ist die Verschiebung des aus der Auslenkvorrichtung bzw. aus der Platte austretenden Bearbeitungslaserstrahls senkrecht zur Strahlausbreitungsrichtung bezüglich des in die Auslenkvorrichtung bzw. Platte eintretenden Bearbeitungslaserstrahls gemeint. Dies hat zur Folge, dass der Bearbeitungslaserstrahl vor dem Versatz eine Ausbreitungsrichtung aufweist, die parallel verläuft zu der Ausbreitungsrichtung nach dem Versatz. Wenn der Laserbearbeitungskopf mit seiner zentralen Längsachse vertikal ausgerichtet ist und der Bearbeitungslaserstrahl im Wesentlichen parallel dazu, also auch vertikal verläuft, wird der Bearbeitungslaserstrahl durch die Platte horizontal versetzt unter Beibehaltung der vertikalen Ausbreitungsrichtung.
Die zumindest eine zur Plattenebene parallele Achse kann eine erste Achse und eine zweite Achse umfassen. Die Auslenkvorrichtung kann also eine Platte umfassen, die unabhängig um zwei aufeinander senkrecht stehende Achsen kippbar ist. Mit anderen Worten kann die Platte um eine zur Plattenebene parallele erste Achse mit einem ersten Kippwinkel und um eine zur Plattenebene parallele zweite Achse mit einem zweiten Kippwinkel kippbar sein. Die zweite Achse kann senkrecht zur ersten Achse angeordnet sein. Der erste Kippwinkel und/oder der zweite Kippwinkel können auf einen Bereich von -30° bis +30° begrenzt sein. Die erste Achse und die zweite Achse liegen vorzugsweise beide parallel zu oder gar in der Plattenebene, insbesondere zwischen den beiden planparallelen optischen Flächen der Platte.
Die Auslenkvorrichtung umfasst einen Aktuator zum Verkippen der Platte. Der Aktuator kann einen piezoelektrischen, einen galvanometrischen Antrieb und/oder einen Motor umfassen.
Die Auslenkvorrichtung mit einer um zwei aufeinander senkrecht stehende Achsen kippbaren Platte kann daher zur zweidimensionalen Ausrichtung bzw. Ablenkung des Bearbeitungslaserstrahls senkrecht zur Strahlausbreitungsrichtung dienen. Durch die Begrenzung der beiden Kippwinkel ist der Strahlversatz in beiden Dimensionen proportional, insbesondere näherungsweise linear, zu dem jeweiligen Kippwinkel der planparallelen Platten. Die Ausführungsform der Auslenkvorrichtung mit einer einzigen, um eine oder zwei Achsen kippbaren Platte zum ein- bzw. zweidimensionalen Strahlversatz ist äußerst platzsparend und kompakt und daher leicht zu integrieren.
Generell gilt, dass eine geneigte planparallele Platte nur dann zu einer lateralen Verschiebung der Fokusposition führt, wenn sie in einem divergenten oder konvergenten Laserstrahl angeordnet ist. Laserbearbeitungsköpfe weisen normalerweise einen kollimierten Bereich zwischen einer Kollimationsoptik und einer Fokussieroptik auf, daher ist die Auslenkvorrichtung vorzugsweise vor der Kollimationsoptik oder nach der Fokussieroptik platziert. Gerade bei Laserschneidköpfen für hohe Laserleistungen oder bei kleinen Brennweiten der Fokussieroptik bzw. der Kollimationsoptik ist eine Integration schwierig. Wassergekühlte Hochleistungs-Faserstecker können ebenfalls sperrig sein, was zu einem knappen Raum zwischen einem Eintrittsport bzw. dem Ende einer optischen Faser und der Kollimationsoptik führt. Andere Teile, die den Integrationsraum weiter reduzieren, sind Schutzfenster und/oder wassergekühlte harte Blenden vor der Kollimationsoptik. Nach der Fokussieroptik lassen weitere Schutzfenster und speziell die Gaszufuhr zum Laserschneiden wenig Spielraum bei der Integration eines gekippten planparallelen Fensters. Wegen des Platzmangels ist daher eine einzige Platte, die um zwei Achsen gekippt werden kann, besonders vorteilhaft für die Integration in Laserbearbeitungsköpfe.
Die Auslenkvorrichtung kann aber auch zwei Platten (oder mehr) umfassen, die jeweils um (genau oder zumindest) eine zu der entsprechenden Plattenebene parallele Achse kippbar sind. Mit anderen Worten kann die zumindest eine Platte der Auslenkvorrichtung umfassen: eine erste Platte, die um (genau oder zumindest) eine zur Plattenebene parallele erste Achse mit einem ersten Kippwinkel kippbar ist; und eine zweite Platte, die um (genau oder zumindest) eine zur Plattenebene parallele zweite Achse mit einem zweiten Kippwinkel kippbar ist. Die erste Platte und die zweite Platte sind zueinander parallel, wenn beide Platten in Nullstellung sind. Die zweite Achse kann senkrecht zur ersten Achse angeordnet sein. Der erste Kippwinkel und/oder der zweite Kippwinkel können jeweils auf den vorgegebenen Winkelbereich von -30° bis +30°, insbesondere auf einen Winkelbereich von -20° bis +20° oder sogar auf einen Winkelbereich von -15° bis +15°, begrenzt sein. Die erste Achse kann parallel zu oder gar in der ersten Plattenebene, insbesondere in der ersten Platte, liegen und die zweite Achse kann parallel zu oder gar in der zweiten Plattenebene, insbesondere in der zweiten Platte, liegen.
Durch eine Auslenkvorrichtung mit zwei Platten für einen zweidimensionalen Strahlversatz, d.h. für einen Strahlversatz in zwei orthogonalen Richtungen, kann eine dynamische Strahlauslenkung auch für hohe Frequenzen, z.B. im kHz Bereich, mit hoher Präzision erzielt werden. Dies hat den Vorteil, dass eine besonders präzise Strahloszillation bzw. Wobbelbewegung des Bearbeitungslaserstrahls für die Laserbearbeitung, z.B. ein Laserschweißen oder -schneiden, erzeugt werden kann.
Die erste Platte und die zweite Platte können unmittelbar hintereinander angeordnet sein, d.h. ohne ein weiteres optisches Element dazwischen. Die erste und die zweite Platte können in einem Gehäuserahmen der Auslenkvorrichtung, d.h. in einer gemeinsamen Halterung, angeordnet sein. In einem Laserbearbeitungskopf können die erste Platte und die zweite Platte so angeordnet sein, dass ein Zwischenfokus des Bearbeitungslaserstrahls dazwischen liegt. Die erste und die zweite Platte können identische Materialien und Dimensionen aufweisen. Alternativ können die beiden Platten sich auch in Material und/oder Dimension unterscheiden.
Der Aktuator der Auslenkvorrichtung kann eingerichtet sein, beide Platten zu verkippen. Alternativ kann die Auslenkvorrichtung zwei separate Aktuatoren aufweisen, die jeweils zum Verkippen einer der Patten eingerichtet ist.
Die erste und/oder zweite Platte können dieselben Eigenschaften aufweisen, wie die Platte der Auslenkvorrichtung in der Ausführungsform mit nur einer Platte.
Die zumindest eine Platte kann eine Dicke von kleiner oder gleich 5 mm, vorzugsweise kleiner oder gleich 3 mm, und/oder einen Brechungsindex von 1,458 aufweisen. Platten dieser Dimension erzeugen einen zuverlässigen Strahlversatz in der Größenordnung, die für das Ausrichten, insbesondere das Zentrieren und/oder das dynamische Auslenken des Bearbeitungslaserstrahls gewünscht oder erforderlich ist. Außerdem sind diese Platten preisgünstig und im Handel verfügbar. Dünnere Platten haben einerseits einen Kosten- bzw. Gewichtsvorteil, andererseits ist der Versatz durch eine dünne Platte geringer. Mit einer dickeren Platte steht hingegen ein größerer Bereich für den erzielbaren Versatz zu Verfügung, d.h. ein größerer Bereich, in dem ein Versatz durch Verkippen der Platte bewirkt werden kann. Allerdings hat eine dicke Platte einen Nachteil hinsichtlich Gewicht und Platz. Die Plattendicke kann daher entsprechend einem gewünschten Bereich für den durch die Platte erzielbaren Versatz gewählt sein. Mit anderen Worten kann durch Auswahl einer Platte mit einer bestimmten Dicke ein Bereich für den erzielbaren Versatz festgelegt werden.
Die Auslenkvorrichtung kann ferner mindestens eine Stoppvorrichtung umfassen. Die Stoppvorrichtung kann eingerichtet sein, um einen (möglichen bzw. maximalen) Kippwinkel der zumindest einen Platte (d.h. der einen Platte bzw. der ersten und zweiten Platte) auf einen vorgegebenen Winkelbereich von -30° bis +30° zu begrenzen. Die Stoppvorrichtung kann eingerichtet sein, ein Verkippen der Platte um einen Kippwinkel außerhalb des vorgegebenen Winkelbereichs zu blockieren bzw. um ein Verkippen der Platte auf den vorgegebenen Winkelbereich zu begrenzen oder zu beschränken. Die Stoppvorrichtung kann also den vorgegebenen Winkelbereich definieren bzw. festlegen. Die Stoppvorrichtung kann ein Kippen der Platte um einen Kippwinkelbetrag von mehr als 30° verhindern, sodass der Strahlversatz des Bearbeitungslaserstrahls im Wesentlichen linear zum Kippwinkel bleibt.
Die Stoppvorrichtung kann eine mechanische und/oder eine elektrische Sperre sein. Die Stoppvorrichtung kann beispielsweise Teil einer Halterung der Platte bzw. Teil eines Gehäuserahmens der Auslenkvorrichtung sein. Die Stoppvorrichtung kann die Platte mechanisch daran hindern, sich um einen Kippwinkel außerhalb des vorgegebenen Winkelbereichs verkippen zu lassen. Dadurch kann ein stärkerer Strahlversatz im nichtlinearen Bereich, beispielsweise durch eine Fehlansteuerung oder aufgrund von mechanischen Einflüssen, verhindert werden. Die Stoppvorrichtung kann als Kragen oder Vorsprung ausgebildet sein, um einen Außenrand der Platte zu blockieren, sodass sich die Platte nicht weiter als in dem vorgegebenen Kippwinkelbereich kippen bzw. drehen lässt.
Zusätzlich oder alternativ kann eine Begrenzung des Kippwinkelbereichs durch eine Steuerung der Auslenkvorrichtung und/oder durch eine Steuervorrichtung des Laserbearbeitungskopfs erfolgen. Der vorgegebene Kippwinkelbereich kann beispielsweise durch eine entsprechende Programmierung eingestellt sein.
Gemäß einem weiteren Aspekt umfasst ein Laserbearbeitungskopf zum Bearbeiten eines Werkstücks mit einem Bearbeitungslaserstrahl, beispielsweise ein Laserschneidkopf oder ein Laserschweißkopf: ein Gehäuse mit einem Eintrittsport zum Einführen des Bearbeitungslaserstrahls in den Laserbearbeitungskopf und einem Austrittsport zum Ausführen des Bearbeitungsstrahls aus dem Laserbearbeitungskopf, wobei ein Strahlengang zwischen dem Eintrittsport und dem Austrittsport, z.B. durch optische Elemente bzw. Optiken, definiert ist; zumindest eine im Strahlengang beweglich angeordnete Optik; und zumindest eine im Strahlengang angeordnete Auslenkvorrichtung gemäß einer der hierin beschriebenen Ausführungsformen.
Ein Laserbearbeitungskopf mit einer der beschriebenen Auslenkvorrichtung hat all die bereits beschriebenen Vorteile und technischen Effekte, die die jeweilige Auslenkvorrichtung aufweist.
Der Laserbearbeitungskopf kann eine Kollimations- und eine Fokussieroptik umfassen. Die zumindest eine Auslenkvorrichtung kann zwischen dem Eintrittsport und der Kollimationsoptik und/oder zwischen der Fokussieroptik und dem Austrittsport angeordnet sein. Die zumindest eine Auslenkvorrichtung kann in einem divergenten und/oder in einem konvergenten Bereich des Strahlengangs angeordnet sein.
Der Laserbearbeitungskopf kann ferner eine Optikanordnung zur Erzeugung eines Zwischenfokus zwischen der Kollimations- und der Fokussieroptik umfassen. Die Optikanordnung kann auch als optisches Relaissystem bezeichnet werden. Auf diese Weise wird genügend Platz für eine Integration der Auslenkvorrichtung geschaffen. Die Optikanordnung kann also zur weiteren Verbesserung der Integration der Auslenkvorrichtung dienen. Die Optikanordnung kann ein afokales Vergrößerungssystem mit einer Vergrößerung von -1 sein bzw. bilden. Die Optikanordnung kann beispielsweise aus zwei identischen Linsen mit gleicher Brennweite bestehen. Zumindest eine Auslenkvorrichtung kann innerhalb der Optikanordnung bzw. zwischen der Sammellinse und der Zerstreuungslinse angeordnet sein. Insbesondere kann eine Platte der Auslenkvorrichtung zwischen der Sammellinse und dem Zwischenfokus und/oder eine Platte der Auslenkvorrichtung zwischen dem Zwischenfokus und der Zerstreuungslinse angeordnet sein. Beispielsweise kann eine Auslenkvorrichtung mit zwei jeweils um eine Achse kippbaren Platten so angeordnet sein, dass die erste Platte zwischen der Sammellinse und dem Zwischenfokus und die zweite Platte zwischen dem Zwischenfokus und der Zerstreuungslinse angeordnet ist. Dadurch kann die Modularität und Integration der Auslenkvorrichtung in den Laserbearbeitungskopf verbessert werden.
Die beweglich angeordnete Optik weist eine optische Achse auf, die bevorzugt entlang bzw. parallel zu der zentralen Längsachse des Gehäuses des Laserbearbeitungskopfes (an dieser Stelle) und damit entlang bzw. parallel zum Strahlengang verläuft. Vorzugsweise kann der Strahlengang entlang der zentralen Längsachse des Gehäuses des Laserbearbeitungskopfes verlaufen, wobei die zentrale Längsachse im Wesentlichen zusammenfällt mit der optischen Achse zumindest einer der im Strahlengang angeordneten Optiken, insbesondere der beweglich angeordneten Optik. Bei Laserbearbeitungsköpfen mit mehreren, relativ zueinander beweglichen bzw. verstellbaren Gehäuseteilen können sich allerdings Abweichungen beispielsweise aufgrund von optomechanischen Toleranzen oder Fehljustierungen zwischen verschiedenen Gehäuseteilen ergeben. Die Auslenkvorrichtung kann eine solche Abweichung durch einen Strahlversatz korrigieren, wenn beispielsweise der Bearbeitungslaserstrahl nicht korrekt auf eine Optik auftrifft durchläuft und/oder nicht entlang der zentralen Längsachse des Gehäuseteils verläuft.
Die Auslenkvorrichtung kann modular in den Laserbearbeitungskopf einsetzbar sein. Somit kann der Laserbearbeitungskopf nachträglich mit der Auslenkvorrichtung ausgestattet werden, sodass die Qualität der Laserbearbeitung auch bei einem bereits bestehenden Laserbearbeitungskopf weiter verbessert werden kann. Der Laserbearbeitungskopf kann einen Port oder mehrere Ports zur Aufnahme einer oder mehrerer Auslenkvorrichtung in dem Strahlengang aufweisen.
Die beweglich angeordnete Optik kann radial und/oder axial beweglich angeordnet sein. Insbesondere kann die Optik entlang des Strahlengangs und/oder entlang der zentralen Längsachse des Laserbearbeitungskopfes und/oder entlang der eigenen optischen Achse verschiebbar bzw. verfahrbar angeordnet sein. Alternativ oder zusätzlich kann die Optik kreisförmig um die Längsachse bewegbar angeordnet sein. Die beweglich angeordnete Optik kann insbesondere eine brechende und/oder strahlformende Optik sein.
Eine Optik kann in dieser Offenbarung eine Linsengruppe, eine Linse, einen Spiegel, einen Strahlteiler und/oder andere optische Elemente bezeichnen. Die Optik kann insbesondere eine Linse, beispielsweise eine Sammellinse, eine Fokussierlinse, eine Kollimationslinse oder eine Streulinse umfassen, oder die Optik kann eine Linsengruppe solcher Linsen bzw. Kombinationen davon umfassen.
Der Eintrittsport kann eine Einkoppelvorrichtung, z.B. einen Faserkoppler, umfassen. Der Austrittsport kann eine Austrittsöffnung bezeichnen. Das Gehäuse des Laserbearbeitungskopfs kann eine Düse bzw. Austrittsdüse umfassen, in der der Austrittsport bzw. die Austrittsöffnung angeordnet ist. Der Laserbearbeitungskopf bzw. das Gehäuse kann eine zentrale Längsachse aufweisen, die durch den Eintrittsport und den Austrittsport verläuft. Das Gehäuse kann mehrere, relativ zueinander bewegliche bzw. verstellbare Gehäuseteile aufweisen, die jeweils einen zentralen Längsachsenabschnitt aufweisen. Die zentrale Längsachse kann somit mehrere Abschnitte aufweisen, die gewinkelt zueinander angeordnet sind. Der Laserbearbeitungskopf kann ein Schutzglas an dem Eintrittsport und/oder ein Schutzglas an dem Austrittsport aufweisen.
Der Laserbearbeitungskopf kann beispielsweise ein Schneidkopf und/oder ein Schweißkopf sein.
Die zumindest eine Auslenkvorrichtung kann zwischen dem Eintrittsport und der beweglichen Optik und/oder zwischen der beweglichen Optik und dem Austrittsport angeordnet sein. Insbesondere kann die Auslenkvorrichtung unmittelbar nach Eintrittsport im Strahlengang angeordnet sein, d.h. vor dem ersten brechenden und/oder reflektierenden optischen Element bzw. vor der ersten Linse. Falls der Eintrittsport über ein Schutzglas verfügt, kann die Auslenkvorrichtung unmittelbar nach dem Schutzglas angeordnet sein. Zusätzlich oder alternativ kann die Auslenkvorrichtung unmittelbar vor dem Austrittsport im Strahlengang angeordnet sein, d.h. nach dem letzten brechenden oder reflektierenden optischen Element bzw. nach der letzten Linse. Falls der Austrittsport über ein Schutzglas verfügt, kann die Auslenkvorrichtung unmittelbar vor dem Schutzglas angeordnet sein.
In dem Bereich unmittelbar hinter dem Eintrittsport kann der Bearbeitungslaserstrahl divergent sein und es kann vorteilhaft sein, an dieser Position einen Strahlversatz bzw. Strahlversatz des Bearbeitungslaserstrahls zu erzeugen, um diesen auf die zentrale Längsachse zu zentrieren, sodass im Strahlengang folgende Optiken, insbesondere Linsen möglichst zentral und entlang deren optischer Achsen von dem Bearbeitungslaserstahl durchlaufen werden. Dies kann dann vorteilhaft sein, wenn der Bearbeitungslaserstrahl nicht zentral in das Gehäuse des Laserbearbeitungskopfes eingekoppelt wird. Dadurch kann vermieden werden, dass der Bearbeitungslaserstahl durch eine dezentrale Lage bzw. einen dezentralen Verlauf gegenüber einer Linse eine Aberration erfährt oder von dem Strahlengang weggebrochen wird. Mit anderen Worten kann die Auslenkvorrichtung an der Position zwischen Eintrittsport und beweglicher Optik den Bearbeitungslaserstrahl auf den Strahlengang bzw. auf die zentrale Längsachse des Gehäuses bzw. des Laserbearbeitungskopfes zentrieren, sodass jede Optik entlang der optischen Achse wohldefiniert von dem Bearbeitungslaserstrahl durchlaufen werden kann.
In dem Bereich unmittelbar vor dem Austrittsport kann der Bearbeitungslaserstrahl konvergent sein und es kann vorteilhaft sein, an dieser Position einen Strahlversatz bzw. Parallelversatz des Bearbeitungslaserstrahls zu erzeugen. In dem Bereich hinter der beweglichen Optik und vor dem Austrittsport kann der Bearbeitungslaserstrahl durch den Strahlversatz so zentriert werden, dass er zentral entlang der Längsachse, insbesondere zentral durch eine Austrittsdüse verläuft und an einer wohldefinierten Position auf ein Werkstück trifft. Dies kann insbesondere dann von Vorteil sein, wenn eine Optik, beispielsweise die bewegliche Optik in dem Laserbearbeitungskopf dejustiert ist. Beispielsweise kann eine Linse versehentlich dezentral zu der zentralen Längsachse angeordnet worden sein oder im Laufe der Bearbeitung durch Erschütterungen verschoben worden sein. Die Auslenkvorrichtung kann in dem Fall hinter der beweglichen Optik eine solche Fehljustierung durch Strahlversatz korrigieren.
Die zumindest eine Auslenkvorrichtung kann in einem divergenten und/oder in einem konvergenten Bereich des Strahlengangs angeordnet sein. Ein divergenter oder konvergenter Bereich ist ein Bereich, in dem der Bearbeitungslaserstrahl entsprechend als ein divergenter oder konvergenter Strahl vorliegt, also außerhalb eines Bereichs des Strahlengangs, in dem der Bearbeitungslaserstrahl parallel bzw. kollimiert verläuft, und außerhalb eines Zwischenfokus bzw. eines virtuellen Fokus.
In einem divergenten oder einem konvergenten Bereich kann durch die Auslenkvorrichtung eine seitliche Verschiebung des fokussierten Bearbeitungslaserstrahls, also der Fokusposition in einer Ebene senkrecht zur Strahlausbreitung, erzeugt werden. Alternativ oder zusätzlich kann eine Auslenkvorrichtung auch in einem kollimierten Bereich angeordnet sein. In diesem Fall wird keine Verschiebung des fokussierten Bearbeitungslaserstrahls (d.h. des Bearbeitungslaserstrahls nach Austritt aus dem Laserbearbeitungskopf) in der Fokusebene erzeugt. Jedoch kann eine Neigung des aus dem Bearbeitungskopf austretenden Bearbeitungslaserstrahl relativ zur zentralen Längsachse des Laserbearbeitungskopfes (an dieser Stelle, d.h. am Austrittsport) eingestellt werden, beispielsweise wenn der fokussierte Bearbeitungslaserstrahl geneigt auf das Werkstück treffen soll oder zur Korrektur von Neigungsfehlern in der optischen Achse.
Die bewegliche Optik kann eine Fokussieroptik und/oder eine Kollimieroptik umfassen, die entlang ihrer optischen Achse im Strahlengang verschiebbar ist. Alternativ kann die bewegliche Optik eine Fokussieroptik und/oder eine Kollimieroptik umfassen, wobei Teile bzw. Elemente davon entlang der optischen Achse im Strahlengang verschiebbar sind.
Der Laserbearbeitungskopf kann eine Steuervorrichtung aufweisen, die eingerichtet ist den Aktuator der Auslenkvorrichtung zur Einstellung eines Kippwinkels der Platte anzusteuern. Die Steuervorrichtung kann ferner eingerichtet sein, eine Position bzw. eine Bewegung des Bearbeitungslaserstrahls auf dem Werkstück durch Ansteuern des Aktuators einzustellen, insbesondere basierend auf einem linearen Zusammenhang zwischen Kippwinkel und Strahlversatz. Dies kann zum Zweck der Korrektur des Strahlengangs und/oder zum Zweck der (statischen) Ausrichtung der Position des Bearbeitungslaserstrahls auf dem Werkstück und/oder zur Erzeugung einer Strahloszillation, also einer dynamischen Schwingung der Position des Bearbeitungslaserstrahls, auf dem Werkstück erfolgen.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen

1 ist eine schematische Seitenansicht eines Laserbearbeitungskopfes mit einer Auslenkvorrichtung gemäß einer Ausführungsform;
2a und 2b sind schematische Seitenansichten einer Auslenkvorrichtung;
3 ist eine schematische Darstellung einer Verkippung einer Auslenkvorrichtung mit mathematischer Betrachtung und Darstellung der Abhängigkeit zwischen Strahlversatz und Kippwinkel;
4a ist eine schematische Seitenansicht einer Austrittsdüse und 4b ist eine schematische Darstellung des Versatzes in einer Ebene (x-y) auf Höhe einer Öffnung der Austrittsdüse;
5-7 sind jeweils schematische Seitenansichten von Laserbearbeitungsköpfen mit zumindest einer Auslenkvorrichtung gemäß weiterer Ausführungsformen;
8a ist eine schematische Seitenansicht eines Laserbearbeitungskopfes mit drehbarem Gehäuseabschnitt gemäß einer Ausführungsform, und 8b ist eine Frontansicht des in 8a gezeigten Laserbearbeitungskopfes;
9 ist eine schematische Seitenansicht eines Laserbearbeitungskopfes mit zwei Auslenkvorrichtungen gemäß einer weiteren Ausführungsform;
10a ist eine schematische Ansicht einer Auslenkvorrichtung gemäß einer weiteren Ausführungsform, und 10b ist eine schematische Seitenansicht eines Laserbearbeitungskopfes gemäß einer weiteren Ausführungsform;
11 zeigt in der Teilabbildung A eine schematische Darstellung einer optischen Anordnung im Strahlengang eines Laserbearbeitungskopfes und eine resultierende Strahlposition ohne eine Auslenkvorrichtung, und in den Teilabbildungen B und C jeweils eine schematische Darstellung einer optischen Anordnung im Strahlengang eines Laserbearbeitungskopfes mit einer Auslenkvorrichtung gemäß einer Ausführungsform in Nullstellung und einer Kippstellung, sowie eine resultierende Fokusposition;
12 zeigt in vier Teilabbildungen A-D jeweils schematische Darstellungen einer optischen Anordnung im Strahlengang eines Laserbearbeitungskopfes mit einer Auslenkvorrichtung gemäß einer Ausführungsform in vier verschiedenen Kippstellungen und eine resultierende Fokusposition;
13a und 13b zeigen jeweils schematische Darstellungen einer optischen Anordnung im Strahlengang eines Laserbearbeitungskopfes mit einer Auslenkvorrichtung gemäß einer Ausführungsform in zwei verschiedenen Kippstellungen;
14 zeigt in der Teilabbildung A eine schematische Darstellung einer optischen Anordnung im Strahlengang eines Laserbearbeitungskopfes ohne eine Auslenkvorrichtung und in den Teilabbildungen B und C jeweils eine schematische Darstellung einer optischen Anordnung im Strahlengang eines Laserbearbeitungskopfes mit einer Auslenkvorrichtung gemäß einer Ausführungsform in Nullstellung und in einer Kippstellung, sowie eine resultierende Fokusposition;
15 zeigt in Teilabbildungen A und C jeweils schematische Darstellungen einer optischen Anordnung im Strahlengang eines Laserbearbeitungskopfes mit einer Auslenkvorrichtung gemäß einer Ausführungsform aus zwei verschiedenen Richtungen, und in Teilabbildungen B und D jeweils schematische Darstellungen einer optischen Anordnung im Strahlengang eines Laserbearbeitungskopfes mit einer Auslenkvorrichtung gemäß einer Ausführungsform aus zwei verschiedenen Richtungen;
16a und 16b zeigen jeweils schematische Detaildarstellungen einer optischen Anordnung im Strahlengang eines Laserbearbeitungskopfes gemäß einer Ausführungsform in Nullstellung und in einer Kippstellung;
17 zeigt in der Teilabbildung A eine schematische Darstellung einer optischen Anordnung im Strahlengang eines Laserbearbeitungskopfes ohne eine Auslenkvorrichtung und in den Teilabbildungen B und C jeweils eine schematische Darstellung einer optischen Anordnung im Strahlengang eines Laserbearbeitungskopfes mit einer Auslenkvorrichtung gemäß einer Ausführungsform in Nullstellung und in einer Kippstellung sowie eine resultierende Fokusposition; und
18a und 18b zeigen jeweils schematische Detaildarstellungen einer optischen Anordnung im Strahlengang eines Laserbearbeitungskopfes mit einer Auslenkvorrichtung gemäß einer Ausführungsform in Nullstellung und in einer Kippstellung.

Detaillierte Beschreibung der Zeichnungen
Im Folgenden werden, sofern nicht anders vermerkt, für gleiche und gleichwirkende Elemente dieselben Bezugszeichen verwendet. Eine redundante Beschreibung wiederkehrender Merkmale wird vermieden. Die verschiedenen Ausführungsformen und Merkmale der nachfolgend beschriebenen Figuren sind ausdrücklich kombinierbar und nicht als abgeschlossene Ausführungen zu verstehen.
1 ist eine schematische Darstellung eines Laserbearbeitungskopfes 1 gemäß einer Ausführungsform. 1 zeigt einen Laserbearbeitungskopf 1, der das Laserlicht des Bearbeitungslaserstrahls 6 von einer Laserquelle (nicht dargestellt) in Form eines fokussierten Bearbeitungslaserstrahls 61 auf ein Werkstück 2 richtet. Zum Beispiel kann die Laserquelle ein fasergekoppelter Laser und/oder der Laserbearbeitungskopf 1 ein Schneidkopf sein. Der Bearbeitungslaserstrahl 6 wird von der Laserquelle beispielsweise mittels eines Faserkabels bzw. einer Lichtleiterfaser 4 in einen Eintrittsport 91 des Laserbearbeitungskopfes 1 eingekoppelt.
Der Eintrittsport 91 kann als Schnittstelle des Laserbearbeitungskopfs 1 betrachtet werden. Der Eintrittsport 91 umfasst im Wesentlichen eine Öffnung, durch die der Bearbeitungslaserstrahl in den Laserbearbeitungskopf 1 eingekoppelt werden kann. Der Eintrittsport 91 kann durch ein Schutzglas (in dieser Figur nicht gezeigt) abgedeckt sein. Der Eintrittsport 91 kann eine Einkoppelvorrichtung 41, z.B. einen Faserkoppler umfassen, um den Bearbeitungslaserstrahl 6 aus der Lichtleitfaser 4 in den Laserbearbeitungskopf 1 zu koppeln. Der Laserbearbeitungskopf 1 weist auch einen Austrittsport 7 auf, der ebenfalls eine Öffnung in dem Gehäuse 90 des Laserbearbeitungskopfes 1 umfassen kann. Das Gehäuse 90 kann auch eine Düse umfassen, in der der Austrittsport ausgebildet ist. Der Eintrittsport 91 bestimmt zusammen mit dem Austrittsport 7 im Wesentlichen eine zentrale Längsachse 8 des Laserbearbeitungskopfes 1. Vorzugsweise entspricht die zentrale Längsachse 8 des Laserbearbeitungskopfes 1 dem Strahlengang, der durch im Laserbearbeitungskopf angeordnete optische Elemente definiert ist. Die zentrale Längsachse kann auch gewinkelt sein. Die zentrale Längsachse 8 kann im Wesentlichen entlang der optischen Achsen zumindest der brechenden optischen Elemente, die im Laserbearbeitungskopf angeordnet sind, verlaufen.
Der Bearbeitungslaserstrahl 6 wird auf das Werkstück 2 fokussiert, das durch die Energieübertragung mittels des fokussierten Bearbeitungslaserstrahls 61 beispielsweise schmilzt, verbrennt und /oder verdampft. Der Laserbearbeitungskopf 1 weist eine bewegliche bzw. verschiebbare Optik 10 auf, beispielsweise um den divergenten Bearbeitungslaserstrahl 6 von einem Faserende 5 der Lichtleitfaser 4 direkt auf das Werkstück 2 zu fokussieren. Die Optik 10 kann eine Linsengruppe, die mehrere Linsen umfassen kann, wovon zumindest eine beweglich ist, oder eine einzige Linse sein. Die Optik 10 entlang ihrer optischen Achse (siehe Doppelpfeil neben der Optik 10 in 1) verschoben werden, um die Fokuslage in Strahlausbreitungsrichtung, d.h. in z-Richtung, auf einen gewünschten Wert Δz einzustellen. Aufgrund optomechanischer Toleranzen kann eine seitliche, d.h. x-y-, Ausrichtung des fokussierten Bearbeitungslaserstrahls 61 relativ zum Austrittsport 7 bzw. zur Mitte der Düse 7 erforderlich sein. In anderen Fällen kann eine laterale Bewegung, die eine Vorschubbewegung überlagern kann, etwa eine oszillierende Wobbelbewegung des fokussierten Bearbeitungslaserstrahls 61 auf dem Werkstück 2 gewünscht sein.
Der Laserbearbeitungskopf 1 weist hierfür eine Auslenkvorrichtung 30 auf umfassend zumindest eine kippbare Platte 30a, die einen lateralen Strahlversatz 301 quer zur Strahlausbreitungsrichtung (siehe Doppelpfeile neben der Auslenkvorrichtung 30) bzw. eine seitliche Ausrichtung, insbesondere eine von der Optik 10 unabhängige Zentrierung bzw. Verschiebung des Bearbeitungslaserstrahls 6, ermöglicht. Die Auslenkvorrichtung 30 ist in dieser Ausführungsform zwischen dem Eintrittsport 91 und der (ersten) beweglichen Optik 10 in einem divergenten Bereich DB des Strahlengangs angeordnet. Der Strahlengang weist neben dem divergenten Bereich DB zwischen Eintrittsport 91 und Linsengruppe 10 auch einen konvergenten Bereich KB zwischen Optik 10 und Austrittsport 7 auf. Der Laserbearbeitungskopf bewegt sich bezüglich des Werkstücks 2 in einer Vorschubbewegungsrichtung v.
2a und 2b sind schematische Darstellungen einer Auslenkvorrichtung 30 von zwei verschiedenen Seiten. Die vorliegende Auslenkvorrichtung 30 weist eine um mindestens eine Achse kippbare Platte 30a, einen Aktuator (hierin nicht graphisch dargestellt) zum Verkippen der Platte 30a und einen Gehäuserahmen 31, in dem die Platte 30a kippbar angeordnet ist, auf. Auch der Aktuator kann im Gehäuserahmen 31 angeordnet sein. Die Auslenkvorrichtung 30 ist eingerichtet zum Erzeugen eines Parallelversatzes zwischen einem eintretenden und einem austretenden Bearbeitungslaserstrahl 6 um eine Distanz dx, dy in der x- bzw. y-Richtung. Die Auslenkvorrichtung 30 kann ferner eine Steuervorrichtung zum Ansteuern des Aktuators und/oder zumindest eine Schnittstelle zum Ansteuern des Aktuators durch eine externe Steuervorrichtung, z.B. eine Steuervorrichtung des Laserbearbeitungskopfs, aufweisen. Die Platte 30a kann um eine erste zur Plattenebene 30b parallele Achse 30d₁, die sich in x-Richtung erstrecken kann, und/oder um eine zweite zur Plattenebene 30b parallele Achse 30d₂, die sich in y-Richtung erstrecken kann, verkippbar sein. Für die Verkippung um verschiedene Achsen kann die Auslenkvorrichtung 30 jeweils einen Aktuator aufweisen.
Die in der 2a und 2b gezeigte Auslenkvorrichtung 30 umfasst eine Platte 30a, die um zwei aufeinander senkrecht stehende und zur Plattenebene 30b parallele Achsen 30d₁, 30d₂ gegenüber einer Nullstellung 0 verkippt werden kann. In der 2a und 2b liegt die Plattenebene 30b, in der beide Achsen 30d₁, 30d₂ liegen, zentral zwischen den beiden planparallelen optischen Flächen der Platte 30a. Der Kippwinkel θ ist hierbei durch einen Winkel zwischen der Flächennormalen 30c (auch Plattennormale genannt) der Platte 30a in Nullstellung 0 und der Flächennormalen 30c in der gekippten Stellung definiert. In der Nullstellung 0 (hier in z-Richtung) kann die Flächennormale 30c parallel oder koaxial zur zentralen Längsachse 8 des Laserbearbeitungskopfs oder zum Strahlengang des Laserbearbeitungskopfs verlaufen. Wie in 2a veranschaulicht ist, wird durch Drehen bzw. Verkippen der Platte 30a um die erste Achse 30d₁ mit einem ersten Kippwinkel θ_x ein aus der Auslenkvorrichtung 30 bzw. aus der Platte 30a austretender Bearbeitungslaserstrahl 6a um eine Distanz dx in x-Richtung hinsichtlich des einfallenden Bearbeitungslaserstrahls 6e parallelversetzt. Der einfallende Bearbeitungslaserstrahl 6e, der beispielsweise entlang der zentralen Längsachse 8 des Laserbearbeitungskopfes 1 der 1 propagiert, trifft in dem gezeigten Beispiel senkrecht, d.h. in Richtung der Flächennormalen 30c in Nullstellung 0 bzw. in z-Richtung, auf die Auslenkvorrichtung 30 und unter dem Kippwinkel θ_x auf die gekippte Platte 30a. Der austretende Bearbeitungslaserstrahl 6a weist eine Strahlausbreitungsrichtung parallel zu der des eintretenden Bearbeitungslaserstrahls 6e auf. Mit anderen Worten tritt der austretende Bearbeitungslaserstrahl 6a senkrecht, d.h. in Richtung der Flächennormalen 30c in Nullstellung 0 bzw. in z-Richtung, aus der Auslenkvorrichtung 30 aus.
Analog wird in 2b die Platte 30a durch Drehen bzw. Verkippen der Platte 30a um die zweite Achse 30d₂ mit einem ersten Kippwinkel θ_y ein aus der Auslenkvorrichtung 30 bzw. aus der Platte 30a austretender Bearbeitungslaserstrahl 6a um eine Distanz dy in y-Richtung hinsichtlich des einfallenden Bearbeitungslaserstrahls 6e parallelversetzt. Wenn die Verkippung der Platte 30a um beide Achsen 30d₁, 30d₂ erfolgt, so addiert sich der jeweilige Versatz dy in y-Richtung und dx in x-Richtung, sodass der parallelversetzte austretende Bearbeitungslaserstrahl 361 beide Anteile des Versatzes aufweist. Der Versatz zwischen eintretendem Bearbeitungslaserstrahl 6e und austretendem Bearbeitungslaserstrahl 6a erfolgt also in einer Ebene senkrecht zur Strahlausbreitungsrichtung.
3 zeigt eine schematische Darstellung des Strahlverlaufs in der verkippten Platte 30a sowie eine graphische Darstellung zum funktionalen Zusammenhang zwischen dem Strahlversatz d und Kippwinkel bzw. Strahleinfallswinkel θ (unten links) und eine graphische Darstellung zur Fehlerbetrachtung bei einer linearen Näherung dieses Zusammenhangs (unten rechts). In einem kleinen Winkelbereich, insbesondere für Kippwinkel bzw. Strahleinfallswinkel bis zu 20°, ist eine näherungsweise lineare Abhängigkeit zwischen Strahlversatz d und Kippwinkel bzw. Strahleinfallswinkel θ erkennbar. Der Fehler bei einer linearen Näherung bleibt auch für Kippwinkel bzw. Strahleinfallswinkel bis zu 30° tolerierbar, d.h. kleiner als 10%.
Betrachtet man den Strahlverlauf durch eine gekippte planparallele Platte 30a, wie in 3 gezeigt, wobei sich die Platte 30a in Luft (Brechungsindex n=1) befindet und selber einen Brechungsindex n und eine Dicke h aufweist, so führt das Brechungsgesetz $sin (θ) = n \cdot sin (θ')$
zu einem Strahlversatz mit einer Verschiebung d $d = h \cdot sin (θ) (1 - \frac{cos (θ)}{\sqrt{n^{2} - {sin}^{2} (θ)}})$
zwischen dem austretenden Strahl 6a und dem unter dem Strahleinfallswinkel θ einfallenden Strahl 6e. Der Zusammenhang (Gleichung 2) zwischen dem Kippwinkel θ und der Verschiebung d ist insgesamt gesehen nicht linear, was im Allgemeinen nachteilig für die Verwendung einer Platte 30a zum Erzeugen eines präzisen Strahlversatzes d ist und kompliziertere Berechnung erfordert. Die Beziehung kann jedoch für kleine Winkelwerte als nahezu linear betrachtet werden, beispielsweise in einem Bereich kleiner als ein kritischer Winkelwert θ_c. In einem solchen Fall kann die Beziehung als linear betrachtet werden, wie in $θ < θ_{c} \to d ≅ \frac{h \cdot θ (n - 1)}{n}$
beschrieben. Die Verschiebung d für verschiedenen Kippwinkel θ zweier planparallelen Platten mit einer Dicke von h = 2 mm bzw. h = 3 mm und einem Brechungsindex von n = 1,458 ist gemäß der Gleichungen [2] und [3] in 3 links unten für h = 2 mm (untere dunklere Linien) bzw. für h = 3 mm (obere hellere Linien) gezeigt und der absolute Fehler bzw. die Abweichung zwischen den Werten von Gleichung 3 zu den Werten der Gleichung 2 in Prozent ist in 3 rechts unten dargestellt. Die Plattendicke hat keinen Einfluss auf den relativen Fehler der Näherung von Gleichung [2] bzgl. Gleichung [3]. Die für kleine Kippwinkel θ nahezu lineare Abhängigkeit des Strahlversatzes d ist daher in dem linken Graphen dargestellt. Wie zu erkennen ist, weicht die Abhängigkeit zwischen Strahlversatz d und Kippwinkel θ (durchgezogene Linie entsprechend der Gleichung 2) bis etwa 15° kaum von einer linearen Funktion (gestrichelte Linie entsprechend der Gleichung 3) ab. Im rechten Graph ist, wie bereits erwähnt die prozentuale Abweichung der Abhängigkeit zwischen Strahlversatz d und Kippwinkel θ von der linearen Funktion beschrieben. Bis etwa 20° liegt die Abweichung bei Werten unterhalb von etwa 5%, und bis etwa 30° liegt die Abweichung immer noch bei Werten unterhalb von etwa 10%.
Erfindungsgemäß ist das Verkippen der Auslenkvorrichtung 30 daher gezielt auf kleine Kippwinkel θ von maximal ±30° beschränkt. Insbesondere ist das Verkippen der Auslenkvorrichtung 30 auf Kippwinkel von weniger als etwa ±20° und vorzugsweise von weniger als etwa ±15° beschränkt. Derart kann eine nahezu lineare Beziehung zwischen Kippwinkel θ und Strahlversatz d hergestellt werden, was z.B. eine automatische Einstellung der Verschiebung vereinfacht. Dies hat den zusätzlichen Vorteil eines geringen Platzbedarfs und einer besonders kompakten Ausgestaltung.
4a ist eine schematische Darstellung eines Querschnitts einer Düse 70 und 4b ist eine schematische Darstellung des Versatzes d' der x-y Position 62 des fokussierten Bearbeitungslaserstrahls 61 in Bezug auf die Düsenöffnung 71 der Düse 70 in der Ebene (x-y).
Der Versatz d' der Position 62 des fokussierten Bearbeitungslaserstrahls 61 wird mittels des Pfeils in 4b angedeutet und stellt die mögliche Verschiebung des Bearbeitungslaserstrahls 62 zum Zentrum bzw. zur Mitte der Düse bzw. zur zentralen Längsachse 8 mit Hilfe der Auslenkvorrichtung 30 dar. Die in 4b gezeigte dezentrale x-y Position 62 des fokussierten Bearbeitungslaserstrahls 61 in Bezug auf die Düsenöffnung 71 könnte das Ergebnis unterschiedlicher optomechanischer Toleranzen sein und wird später detaillierter beschrieben.
Es besteht ein Unterschied zwischen der seitlichen Verschiebung d des in 3 dargestellten Bearbeitungslaserstrahls 6 und der beispielsweise in 4b dargestellten seitlichen Verschiebung der Fokusposition d'. Die in 3 dargestellte seitliche Verschiebung des Bearbeitungslaserstrahls 6 kann durch die Vergrößerung des optischen Systems beeinflusst werden, worauf später eingegangen wird.
5 und 6 sind jeweils schematische Seitendarstellungen von Laserbearbeitungsköpfen 1 gemäß weiterer Ausführungsformen. Der jeweilige Laserbearbeitungskopf 1 der 5 und 6 unterscheidet sich von dem der 1 dadurch, dass die Auslenkvorrichtung 30 an einer anderen Stelle im Strahlengang angeordnet ist bzw. zwei Auslenkvorrichtungen 30 vorgesehen sind. In 5 befindet sich die Auslenkvorrichtung 30, 30a nach der (letzten) beweglichen Optik 10, also zwischen der beweglichen Optik 10 und dem Austrittsport 7. In 6 werden zwei Auslenkvorrichtungen 30 entlang der zentralen Längsachse 8 angeordnet, eine erste Auslenkvorrichtung 30 vor der (ersten) beweglichen Optik 10 und eine zweite Auslenkvorrichtung 30 mit einer zweiten Platte 30a₂ nach der (letzten) beweglichen Optik 10. Die erste Auslenkvorrichtung 30 ermöglicht eine von der Optik 10 unabhängigen Strahlversatz 301, z.B. eine Zentrierung, des Bearbeitungslaserstrahls 6 vor der Optik 10 und die zweite Auslenkvorrichtung 30 ermöglicht einen Strahlversatz 301, z.B. eine Zentrierung, des Bearbeitungslaserstrahls 6 nach bzw. hinter der Optik 10.
Die seitliche Verschiebung der Fokusposition d' (d.h. des fokussierten Laserstrahls 61 bzw. des Laserstrahls nach Austritt aus dem Laserbearbeitungskopfs) infolge des Strahlversatzes d des Bearbeitungslaserstrahls 6 durch die zweite Auslenkvorrichtung 30 hinter der Optik 10 wird im Wesentlichen nicht durch die Vergrößerung der Optik 10 beeinflusst. Daher entspricht die seitliche Verschiebung der Fokusposition d' im Wesentlichen dem Strahlversatz d zwischen dem in die zweite Auslenkvorrichtung eintretenden und dem aus der zweiten Auslenkvorrichtung austretenden Strahl, d.h. d = d'. Die seitliche Verschiebung der Fokusposition d' infolge des Strahlversatzes d des Bearbeitungslaserstrahls 6 durch die erste Auslenkvorrichtung 30 vor der Optik 10 hingegen ist proportional zur Vergrößerung der Optik 10 und beträgt daher d = m-d', wobei m die Vergrößerung der Optik 10 ist.
Die Verwendung von zwei Auslenkvorrichtungen 30 wie in 6 ermöglicht eine gezielte Korrektur optischer und/oder mechanischer Toleranzen verschiedener Elemente an unterschiedlichen Positionen.
7 ist eine schematische Seitenansicht eines Laserbearbeitungskopfes 1 gemäß einer weiteren Ausführungsform. Die bewegliche Optik 10 des Laserbearbeitungskopfes 1 der 7 ist hier ein Linsensystem und weist zwei bewegliche bzw. verschiebbare Linsen 13 und 14 auf, z.B. eine bewegliche bzw. verschiebbare Sammellinse 13 (beweglich parallel zur zentralen Längsachse 8 angedeutet durch den Doppelpfeil) und eine bewegliche bzw. verschiebbare Streulinse 14 (beweglich parallel zur zentralen Längsachse 8 angedeutet durch den Doppelpfeil). Der Laserbearbeitungskopf bzw. die Optik 10 kann ferner eine (vorzugsweise feststehende) Fokussieroptik 15 aufweisen. Die beweglichen Linsen 13, 14 dienen dazu, die Fokuslage Δz und den Fokusdurchmesser bzw. die Vergrößerung des Bearbeitungslaserstrahls 6 unabhängig voneinander einzustellen. Zwischen dem Eintrittsport 91 und der ersten verschiebbaren Linse 13 ist eine erste Auslenkvorrichtung 30 angeordnet. Die erste Auslenkvorrichtung 30 ist in einem divergenten Bereich DB des Strahlengangs angeordnet, also in einem Bereich, in dem der Bearbeitungslaserstrahl 6 divergiert. Zwischen der verschiebbaren Linse 13 und der zweiten verschiebbaren Linse 14 liegt beispielsweise ein konvergenter Bereich KB. Zwischen der verschiebbaren Linse 14 und der Fokussieroptik 15 ist eine zweite Auslenkvorrichtung angeordnet. Die zweite Auslenkvorrichtung 30 ist in einem konvergenten Bereich KB des Strahlengangs angeordnet, also in einem Bereich, in dem der Bearbeitungslaserstrahl 6 konvergiert. Zwischen der Fokussieroptik 15 und dem Austrittsport 7 liegt ein konvergenter Bereich KB.
Auch in dieser Ausführungsform hat der Strahlversatz mittels zweier Auslenkvorrichtungen 30 den Vorteil, dass die Auslenkung des Bearbeitungslaserstrahls unabhängig von den beweglichen Linsen erfolgen kann und daher besonders präzise ist. Die erste Auslenkvorrichtung 30 vor der ersten beweglichen Linse 13 ist besonders geeignet, um Toleranzen des Faserendes 5 der Lichtleitfaser 4 und/oder des Eintrittsports 91 und/oder der Einkoppelvorrichtung 41 auszugleichen bzw. zu korrigieren, da solche Toleranzen für alle Vergrößerungen korrigiert werden. Die zweite Auslenkvorrichtung 30 nach der zweiten (letzten) beweglichen Linse 14 ist besonders geeignet, um Toleranzen des Austrittsports 7 bzw. der Düse 70 zu korrigieren.
Wie bereits in Bezug auf 4b erwähnt, kann eine Dezentrierung des Bearbeitungslaserstrahls 6 bzw. des fokussierten Bearbeitungslaserstrahls 61 aufgrund optomechanischer Toleranzen auftreten. An der Ausführungsform der 7 wird nachfolgend beispielhaft näher erläutert, welche Aspekte zu der Dezentrierung des Bearbeitungslaserstrahls 6 ursächlich sind.
Der Laserbearbeitungskopf 1 der 7 ermöglicht unterschiedliche Vergrößerungen. Der Begriff „Vergrößerung“ wird hier für die transversale Vergrößerung des Bearbeitungslaserstrahls 6 verwendet, also für eine Bildvergrößerung in einer Ebene (hier x-y-Ebene) senkrecht zur optischen Achse (hier z-Ebene). Die Einstellung des Durchmessers des fokussierten Bearbeitungslaserstrahls 61 bzw. dessen Vergrößerung kann als radialer Freiheitsgrad in der Bildebene betrachtet werden. Infolgedessen hängt das Maß für die Dezentrierung d' des Bearbeitungslaserstrahls 6 bzw. des fokussierten Bearbeitungslaserstrahls 61 in Bezug auf die Toleranzen der Faserendposition von der Vergrößerung ab. Diese zusätzliche Komplexität kann in geeigneter Weise durch die Verwendung von zwei Auslenkvorrichtungen 30 gehandhabt werden. Insbesondere kann die erste Auslenkvorrichtungen 30 dazu dienen mittels eines Strahlversatzes des divergierenden Bearbeitungslaserstrahls 6 diesen mit der zentralen Längsachse 8 des Laserbearbeitungskopfes 1 zu überlagern bzw. auszurichten, sodass der Bearbeitungslaserstrahls 6 zentral auf die Optiken, insbesondere die beweglichen Optiken 13, 14, fällt und mit deren optischen Achsen überlagert. Die zweite Auslenkvorrichtung 30 kann dazu dienen, mittels eines Strahlversatzes des fokussierten Bearbeitungslaserstrahls 61 diesen mit der zentralen Längsachse 8 des Laserbearbeitungskopfes 1 zu überlagern, sodass der Bearbeitungslaserstrahls 6 zentral durch die Austrittsdüse 7 verläuft, oder diesbezüglich zu versetzen.
Es sei jedoch angemerkt, dass auch für den Laserbearbeitungskopf 1 der 6 eine Änderung der Fokusposition zu einer signifikanten Änderung des Fokusdurchmessers oder der Vergrößerung führen kann.
Bei den Ausführungsformen der 1, 5 bis 7 kann es sich um einen einzigen Laserbearbeitungskopf 1 oder ein einziges Gehäuse 90 eines Laserbearbeitungskopfes 1 handeln, der modular mit einer, mit zwei oder sogar mehreren der in 2a und 2b gezeigten Auslenkvorrichtungen 30 ausgestattet werden kann. Dafür kann der Laserbearbeitungskopf 1 und/oder das Gehäuse 90 des Laserbearbeitungskopfes 1 ein oder mehrere Einschubfächer aufweisen, insbesondere nach bzw. hinter dem Eintrittsport 91 und/oder vor dem Austrittsport 7.
8a und 8b zeigen schematische Seiten- und Frontansichten eines Laserbearbeitungskopfes 1 mit einem drehbaren Gehäuseabschnitt 102 gemäß einer Ausführungsform. 8a und 8b sind dabei jeweils Darstellungen desselben Laserbearbeitungskopfes 1 aus zwei unterschiedlichen Perspektiven. Für komplexe 3D-Laserschneidanwendungen bei komplizierten gekrümmten Oberflächenteilen können Laserbearbeitungsköpfe 1 erforderlich sein, die weitere Freiheitsgrade für die Bewegung der Fokusposition bzw. des fokussierten Bearbeitungslaserstrahls 61 ermöglichen. Ein solcher Laserbearbeitungskopf 1 wird beispielhaft in 8a und 8b gezeigt.
Der Laserbearbeitungskopf 1 der 8a und 8b umfasst das Gehäuse 90 mit drei Gehäuseabschnitten 100, 101, 102, die jeweils eine zentrale Längsachse 8₁, 8₂, 8₃ aufweisen. Die (gesamte) zentrale Längsachse 8 weist also drei Abschnitte 8₁, 8₂, 8₃ auf, die jeweils in einem Winkel zueinander verlaufen. Ein Eintrittsabschnitt 101 des Gehäuses 90 weist eine erste zentrale Längsachse 8₁ auf, die durch den Eintrittsport 91 und durch eine erste Umlenkvorrichtung, z.B. einen ersten Spiegel 501, verläuft. Ein Drehachsenabschnitt bzw. mittlerer Abschnitt 100 des Gehäuses 90 weist eine zweite zentrale Längsachse 8₂ auf, die im Wesentlichen durch die erste Umlenkvorrichtung 501, z.B. den ersten Spiegel, und eine zweite Umlenkvorrichtung 502, z.B. einen zweiten Spiegel, definiert wird. Ein Austrittsabschnitt 102 des Gehäuses 90 weist eine dritte zentrale Längsachse 8₃ auf, die durch die zweite Umlenkvorrichtung, z.B. den zweiten Spiegel, und den Austrittsport 7 definiert wird. Der Austrittsabschnitt 102 ist am mittleren Abschnitt 100, beispielsweise um die zweite zentrale Längsachse 8₂, drehbar befestigt. Die jeweiligen zentralen Längsachsen 8₁, 8₂, 8₃ verlaufen insbesondere durch den Mittelpunkt der genannten Elemente.
Im Eintrittsabschnitt 101 ist eine erste bewegliche bzw. verschiebbare Optik 16 angeordnet, beispielsweise einer Kollimationslinse bzw. -optik. Zwischen dem Eintrittsport 91 und der ersten beweglichen Optik 16 liegt ein divergenter Bereich DB des Strahlengangs. Im Austrittsabschnitt 102 ist eine zweite bewegliche bzw. verschiebbare Optik 15 angeordnet, beispielsweise einer Fokussierlinse bzw. -optik. Zwischen der zweiten beweglichen Optik 15 und dem Austrittsport 7 befindet sich ein konvergenter Bereich KB des Strahlengangs. Zwischen der ersten beweglichen Optik 16 und der zweiten beweglichen Optik 15 befindet sich ein kollimierter Bereich KMB des Strahlengangs.
Mit diesem Aufbau kann eine Drehung des Austrittsabschnitts 102 um die zweite zentrale Längsachse 8₂ des mittleren Abschnitts 100 und damit des fokussierten Bearbeitungslaserstrahls 61 durchgeführt werden, wenn eine geneigte Oberfläche eines Werkstücks 2 bearbeitet werden soll. Mit anderen Worten kann der Austrittsabschnitt 102 des Laserbearbeitungskopfes 1 in Bezug auf den Eintrittsabschnitt 101 rotiert werden, wobei der mittlere Abschnitt 100 des Gehäuses 90 eine Dreh-Schnittstelle zwischen beiden Teilen darstellt.
In 8b ist eine solche Situation dargestellt, in der der Austrittsabschnitt 102 des Gehäuses 90 um die zweite zentrale Längsachse 8₂ geschwenkt wird, um eine schiefe Oberfläche zu bearbeiten. Derart kann die Fokushöhe Δz sowie der Winkel des austretenden Bearbeitungslaserstrahls 6 durch Schwenken des Austrittsabschnitts 102 an die Oberfläche angepasst werden. Für die Beschreibung der Fokusposition Δz kann das bewegliche Koordinatensystem x', y', z' des Austrittsabschnitts 102 herangezogen werden, dessen z'-Achse parallel zur dritten zentralen Längsachse 8₃ verläuft.
Im Laserbearbeitungskopf 1 kann die Kollimationslinse 16 vertikal im Wesentlichen entlang der ersten zentralen Längsachse 8₁ bewegt werden (vgl. Doppelpfeil neben Linse 16 in 8a), um den Abstand zwischen dem Austrittspunkt 5 an dem Faserkabel 4 zur Kollimationslinse 16 anpassen zu können. Dies kann hilfreich sein, um Toleranzen auszugleichen oder wenn der Laserbearbeitungskopf 1 beispielsweise mit verschiedenen Laserquellen und mit unterschiedlichen Wellenlängen verwendet wird, um eine mögliche Wellenlängenabhängigkeit von der Kollimationsbrennweite zu kompensieren. Überdies kann die Fokussierlinse 12 axial entlang der dritten zentralen Längsachse 8₃ verschoben werden, um die Fokusposition Δz' einzustellen. Der Bearbeitungslaserstrahl 6 wird mit Hilfe des Spiegelpaares 501, 502 zweimal reflektiert, wobei vorzugsweise der Einfallswinkel des Bearbeitungslaserstrahls 6 mit jeder der Spiegelflächen beider Spiegel des Spiegelpaares 501, 502 etwa 45° beträgt.
Aufgrund des höheren Freiheitsgrades des fokussierten Bearbeitungslaserstrahls 61 weist der Laserbearbeitungskopf 1 drei Auslenkvorrichtungen 30 auf, und zwar umfassend eine erste Auslenkvorrichtung 30 im divergenten Bereich des Strahlengangs oder zwischen dem Eintrittsport 91 und der ersten Optik 16, eine zweite Auslenkvorrichtung 30 im kollimierten Bereich des Strahlengangs oder zwischen der ersten Optik 16 und der ersten Umlenkvorrichtung 501 sowie eine dritte Auslenkvorrichtung 30 im konvergenten Bereich des Strahlengangs oder zwischen der zweiten Optik 15 und dem Austrittsport 7, um bis zu drei Strahlversätze bzw. axiale Zentrierungen 301 zum Ausgleich optomechanischer Toleranzen zu ermöglichen. Der Einsatz von drei Auslenkvorrichtungen 30, wie in 8b angedeutet, ermöglicht eine gezielte Korrektur mechanischer Toleranzen. Die bereits genannten Vorteile der Auslenkvorrichtungen 30 treffen auch auf diese Ausführungsform zu. Selbstverständlich ist diese Konfiguration nur beispielhaft. Der Laserbearbeitungskopf 1 kann auch lediglich eine oder zwei von den drei Auslenkvorrichtungen aufweisen.
Bei der zweiten Auslenkvorrichtung 30 ist zu beachten, dass sie sich zwischen Kollimationsoptik 16 und Fokussieroptik 15 befindet, also in dem kollimierten Bereich KMB. Ein Strahlversatz d des Bearbeitungslaserstrahls 6 durch die zweite Auslenkvorrichtung 30 verursacht daher keine Verschiebung der Fokusposition bzw. des fokussierten Bearbeitungslaserstrahls 61 in der Fokusebene (d' = 0). Diese Verschiebung des Bearbeitungslaserstrahls 6 ist jedoch geeignet, um die Zentriertoleranzen zwischen der mechanischen drehbaren und der optischen Achse des mittleren Abschnitts 100 auszugleichen.
9 ist eine schematische Seitenansicht eines Laserbearbeitungskopfes 1 gemäß einer weiteren Ausführungsform. Die bewegliche Optik 10 des Laserbearbeitungskopfes 1 der 7 ist eine Kollimationsoptik bzw. -linse 16 (parallel zur durch den Doppelpfeil angedeuteten Mittellängsachse 8 bewegbar). Der Laserbearbeitungskopf kann ferner eine (vorzugsweise feststehende) Fokussieroptik 15 aufweisen. Die bewegliche Kollimationslinse 16 wird verwendet, um die Fokuslage Δz des Bearbeitungslaserstrahls 6 einzustellen. Zwischen dem Eintrittsport 91 und der ersten verschiebbaren Linse 16 ist eine erste Auslenkvorrichtung 30 angeordnet. Die erste Auslenkvorrichtung 30 ist in einem divergenten Bereich DB des Strahlengangs angeordnet, also in einem Bereich, in dem der Bearbeitungslaserstrahl 6 divergiert. Zwischen der verschiebbaren Linse 16 und der Fokussieroptik 15 ist eine zweite Auslenkvorrichtung 30 angeordnet. Die zweite Auslenkvorrichtung 30 ist in einem kollimierte Bereich KMB des Strahlengangs angeordnet, also in einem Bereich, in dem der Bearbeitungslaserstrahl 6 mehr oder weniger parallel verläuft.
Auch in dieser Ausführungsform hat der Strahlversatz mittels zweier Auslenkvorrichtungen 30 den Vorteil, dass die Auslenkung des Bearbeitungslaserstrahls unabhängig von den beweglichen Linsen erfolgen kann und daher besonders präzise ist. Die erste Auslenkvorrichtung 30 vor der ersten beweglichen Linse 13 ist besonders geeignet, um lateralen Toleranzen des Faserendes 5 der Lichtleitfaser 4 und/oder des Eintrittsports 91 und/oder der Einkoppelvorrichtung 41 auszugleichen bzw. zu korrigieren. Die zweite Auslenkvorrichtung 30 im kollimierte Bereich ist besonders geeignet, um Kipptoleranzen des Faserendes 5 der Lichtleitfaser 4 und/oder des Eintrittsports 91 und/oder der Einkoppelvorrichtung 41 auszugleichen bzw. zu korrigieren.
Die zuvor beschriebenen Ausführungsformen zeigen Auslenkvorrichtungen 30 mit jeweils einer Platte 30, welche mindestens eine, insbesondere jedoch zwei Kippachsen zur Auslenkung bzw. Zentrierung des Bearbeitungslaserstrahls 6 bzw. des fokussierten Bearbeitungslaserstrahls 61 aufweisen. Die Auslenkvorrichtung 30 mit der einen Platte 30a kann zusätzlich oder alternativ zur Oszillation bzw. zum dynamischen Auslenken des Bearbeitungslaserstrahls 6 bzw. des fokussierten Bearbeitungslaserstrahls 61 verwendet werden.
Im Folgenden wird eine weitere Ausführungsform einer Auslenkvorrichtung 30' beschrieben, die zwei Platten 30a₁ und 30a₂ umfasst, die jeweils um zueinander senkrechte Kippachsen verkippt werden können. Die Auslenkvorrichtung 30' kann auch in den in 1 und 5 bis 9 gezeigten Ausführungsformen eines Laserbearbeitungskopfs eingesetzt werden, wobei die Auslenkungsvorrichtung 30' eine oder mehrere der Auslenkungsvorrichtungen 30 ersetzen kann.
In 10a ist eine Auslenkvorrichtung 30' mit einer ersten Platte 30a₁, die um eine erste, in der Plattenebene der ersten Platte liegende Achse 30d₁ kippbar bzw. drehbar ist, und einer zweiten Platte 30a₂, die um eine zweite, in der Plattenebene der zweiten Platte liegende Achse 30d₂ kippbar bzw. drehbar ist. Die erste und zweite Achse können senkrecht zueinander angeordnet sein, um einen zweidimensionalen Strahlversatz d in x- und y-Richtung zu erzeugen. Für die erste Platte 30a₁ sind die Flächennormale 30c und die Nullstellung 0 sowie der Kippwinkel θx eingezeichnet. Selbstverständlich können entsprechend auch für die zweite Platte 30a₂ die Flächennormale 30c und die Nullstellung 0 sowie der Kippwinkel θy eingezeichnet werden, worauf aus Gründen der Übersichtlichkeit verzichtet wurde. Beide Platten 30a₁, 30a₂ können jeweils unabhängig voneinander gekippt werden. Beide Platten 30a₁, 30a₂ können vorzugsweise identisch gestaltet sein, d.h. dieselbe Dicke und/oder denselben Brechungsindex aufweisen.
10b ist eine schematische Seitendarstellung eines Laserbearbeitungskopfes 1 gemäß einer weiteren Ausführungsform. Der Laserbearbeitungskopf 1 weist eine Kollimationsoptik 16, z.B. eine Linse oder eine Linsengruppe, zum Kollimieren oder Bündeln des divergent aus dem Faserende 5 der Lichtleitfaser 4 austretenden Bearbeitungslaserstrahls 6 auf. Der Laserbearbeitungskopf 1 weist auch eine Fokussieroptik 15, z.B. eine Linse oder eine Linsengruppe, zum Fokussieren des Bearbeitungslaserstrahls 6 auf das Werkstück 2 auf. Die Kollimationsoptik 16 kann entlang der zentralen Längsachse 8 des Gehäuses 90 (z-Richtung des Koordinatensystems) verschoben werden, um die Fokuslage Δz auf einen gewünschten Wert einzustellen. Der Laserbearbeitungskopf 1 weist ferner vorzugsweise ein Schutzglas 21 hinter der Fokussieroptik 15 bzw. zwischen der Fokussieroptik 15 und dem Austrittsport 7 auf.
Zum zweidimensionalen Auslenken des Bearbeitungslaserstrahls 6, insbesondere des fokussierten Bearbeitungslaserstrahls 61 bzw. des Fokuspunkts, umfasst der Laserbearbeitungskopf ferner zumindest eine Auslenkvorrichtung 30' mit zwei kippbaren Platten. Der Laserbearbeitungskopf 1 weist, wie in 10b gezeigt, drei mögliche Positionen auf, an denen Auslenkvorrichtungen 30 oder 30' angeordnet sein können, und zwar a) direkt hinter dem Eintrittsport 91 und vor der Kollimationsoptik 16 in einem divergenten Bereich, b) zwischen der Kollimationsoptik 16 und der Fokussieroptik 15 in einem kollimierten Bereich und c) nach der Fokussieroptik 15 vor dem Austrittsport 7 in einem konvergenten Bereich.
Im Folgenden werden Ausführungsformen für die Anordnung der Auslenkvorrichtungen 30' an diesen Positionen im Einzelnen betrachtet. 11-13b veranschaulichen die Situation c),
14 und 16 veranschaulichen die Situation a), und 17 und 18 veranschaulichen die Situation b).
11 zeigt in der Teilabbildung A eine schematische Darstellung einer optischen Anordnung in einem Strahlengang eines Laserbearbeitungskopfes ohne eine Auslenkvorrichtung und in den Teilabbildungen B und C jeweils eine schematische Darstellung einer optischen Anordnung in einem Strahlengang eines Laserbearbeitungskopfes mit einer Auslenkvorrichtung 30' zur zweidimensionalen Ablenkung des Laserstrahls mit zwei Platten 30a₁, 30a₂ in Nullstellung bzw. mit zwei verkippten Platten 30a₁, 30a₂. Die Auslenkvorrichtung 30' ist hier nach der Fokussieroptik 15 angeordnet, insbesondere zwischen der Fokussieroptik 15 und dem Austrittsport 7 bzw. dem Schutzglas 21. Außerdem sind die resultierenden Intensitätsverteilungen 65 des fokussierten Laserstrahls 61 in der Ebene der Fokuslage, die die entsprechenden Verschiebungen bzw. Strahlversätze des fokussierten Bearbeitungslaserstrahls 61 in einer Ebene senkrecht zur Strahlausbreitungsrichtung bzw. zur zentralen Längsachse 8 veranschaulichen, in inversen Graustufen und willkürlicher Einheit dargestellt.
In einer beispielhaften Ausführungsform kann der Laserbearbeitungskopf 1 eine Kollimationslinse 16 mit einer Brennweite von etwa 100 mm und eine Fokussierlinse 15 mit einer Brennweite von etwa 200 mm aufweisen. Bei einem Faserkerndurchmesser des Lichtleitfaser 4 von etwa 100 µm ergibt sich ein Fokusdurchmesser von etwa 200 µm. Die Auslenkvorrichtung 30' weist zwei planparallele Platten 30a₁, 30a₂, beispielsweise umfassend Quarzglas, mit einer Dicke von etwa 2 mm auf.
In Teilabbildung B sind die beiden Platten 30a₁, 30a₂ in Nullstellung, sodass kein Strahlversatz des Bearbeitungslaserstrahls 6 erzeugt wird.
Wie in Teilabbildung C gezeigt ist, können beide Platten 30a₁, 30a₂ jeweils unabhängig voneinander gekippt werden. Die erste Platte 30a₁ ist um eine erste Achse 30d₁, die im Wesentlichen parallel zur perspektivisch dargestellten horizontalen Achse x verläuft, gekippt, während die zweite Platte 30a₂ um eine zweite Achse 30d₂, die im Wesentlichen parallel zur horizontalen Achse y verläuft, gekippt ist. Die Werte der jeweiligen Kippwinkel θx, θy können hier etwa 25° betragen, was bei einer Laserwellenlänge von etwa 1 µm zu einem Parallelversatz des fokussierten Bearbeitungslaserstrahls 61 von jeweils etwa 0,3 mm in die horizontalen Richtungen x und y führt. In Teilabbildung C ist die Fokusverschiebung d' in jeder der beiden Richtungen ähnlich zu dem Parallelversatz d des Bearbeitungslaserstrahls 6, da in diesem Fall keine Vergrößerung durch eine Optik berücksichtigt werden muss. Wie aus dem Graphen der 3 (unten links) zu entnehmen ist, entspricht ein Strahlversatz von etwa 0,3 mm einem Neigungswinkel von etwa 25°.
12 zeigt in vier Teilabbildungen A-D jeweils schematische Darstellungen einer optischen Anordnung im Strahlengang eines Laserbearbeitungskopfes 1 gemäß der Ausführungsform der Teilabbildungen B und C der 11 in vier verschiedenen Kippstellungen, sowie die entsprechenden Strahlversätze des fokussierten Bearbeitungslaserstrahls 61 in einer Ebene senkrecht zur Strahlausbreitungsrichtung. Aus dieser Darstellung, insbesondere aus den Teilabbildungen C und D geht der Einfluss der Verkippung einer einzelnen Platten 30a₁, 30a₂ noch deutlicher hervor. In der Teilabbildung A ist keine der Platten 30a₁, 30a₂ geneigt bzw. gekippt und der Fokus ist zentriert in der angedeuteten xy-Ebene. In Teilabbildung B sind beide Platten 30a₁, 30a₂ geneigt und die Fokusposition ist in beide Richtungen x und y verschoben bzw. ausgelenkt. In Teilabbildung C ist nur die erste Platte 30a₁ geneigt und daher ist die Fokusposition nur in y-Richtung verschoben bzw. ausgelenkt. In Teilabbildung D ist nur die zweite Platte 30a₂ geneigt, daher ist die Fokusposition nur in x-Richtung verschoben bzw. ausgelenkt.
13a und 13b zeigen jeweils schematische Darstellungen einer optischen Anordnung in einem Strahlengang eines Laserbearbeitungskopfes 1 gemäß der Ausführungsform der Teilabbildungen B und C der 11 in zwei verschiedenen Kippstellungen, und zwar in 13a ohne Verkippung der Platten 30a₁, 30a₂ (Nullstellung) und in 13b mit Verkippung beider Platten 30a₁, 30a₂. Die Auslenkvorrichtung 30 ist zwischen der Fokussierlinse 15 und dem Austrittsport 7 bzw. dem Schutzfenster 21 angeordnet. Die erste Platte 30a₁ wird um eine erste Achse 30d₁ (beispielsweise parallel zu der horizontalen Richtung x) mit Hilfe eines ersten Aktuators um einen ersten Kippwinkel geneigt bzw. gekippt. In ähnlicher Weise wird die zweite Platte 30a₂ um eine zweite Achse 30d₂ (beispielsweise parallel zu der horizontalen Richtung y) mit Hilfe desselben oder eines anderen Aktuators oder eines Stellglieds zu einem zweiten Kippwinkel geneigt. Eine Steuervorrichtung (nicht gezeigt) wird verwendet, um die gewünschten Kippwinkel unter Verwendung der linearen Beziehung 3, bzw. Gleichung 3 von 3 einzustellen. Die Kippwinkel können durch den bzw. die Aktuatoren mit hoher Frequenz geändert werden, um eine schnelle Strahlauslenkung bzw. hochfrequente Strahloszillation zu ermöglichen, beispielsweise mit Frequenzen von ca. 100 bis 500 Hz oder von 1 bis 5 kHz oder mit Frequenzen von mehr als 500 Hz, bevorzugt mehr als 1 kHz, noch bevorzugter mehr als etwa 5 kHz.
Alternativ oder zusätzlich zu der Auslenkvorrichtung 30' nach der Fokussierlinse 15, wie in 11 bis 13 gezeigt, kann eine Auslenkvorrichtung 30' vor der Kollimationslinse 16 verwendet werden. Ein solcher Fall ist in Teilabbildungen B und C von 14 dargestellt. 14 zeigt in der Teilabbildung A eine schematische Darstellung einer optischen Anordnung in einem Strahlengang eines Laserbearbeitungskopfes 1 ohne eine Auslenkvorrichtung und in den Teilabbildungen B und C jeweils eine schematische Darstellung einer optischen Anordnung in einem Strahlengang eines Laserbearbeitungskopfes 1 mit einer Auslenkvorrichtung 30', und zwar in Teilabbildung B mit beiden Platten in Nullstellung und in Teilabbildung C mit zwei verkippten Platten, sowie die entsprechenden Verschiebungen bzw. Strahlversätze des Bearbeitungslaserstrahls 6 bzw. des fokussierten Bearbeitungslaserstrahls 61 in einer Ebene senkrecht zur Strahlausbreitungsrichtung.
Verschiedene Kippstellungen der Auslenkvorrichtung 30' von 14 bzw. von 11 sind in 15 gegenübergestellt. Die Hauptunterschiede zu der zuvor beschriebenen Ausführungsform werden im Folgenden diskutiert.
Obwohl die beiden Platten 30a₁, 30a₂ der Auslenkvorrichtungen 30' in der Anordnung von 11 und der Anordnung von 14 unterschiedliche Durchmesser haben können, weisen sie in 15 alle dieselbe Dicke auf, wie beispielsweise etwa 2 mm und bestehen aus demselben Material, beispielsweise aus Quarzglas.
Da der durch die Neigung bzw. Verkippung der Platten 30a₁, 30a₂ der vor der Kollimieroptik 16 angeordneten Auslenkvorrichtung 30' verursachte Strahlversatz d durch die Vergrößerung der Linsen des Laserbearbeitungskopfes 1 beeinflusst wird (Teilabbildungen B und D von 15), werden im Vergleich zu den Kippwinkeln der nach der Fokussieroptik 15 angeordneten Vorrichtung 30 (Teilabbildungen A und C von 15) andere Kippwinkel notwendig, um betraglich den gleichen oder einen ähnlichen Strahlversatz zu erzielen. Die seitliche Vergrößerung der optischen Anordnung des Laserbearbeitungskopfes 1 beträgt beispielsweise hier - 2. Daher beträgt der erforderliche absolute Wert des Kippwinkels für die Platten in der vor der Kollimieroptik 16 angeordneten Auslenkvorrichtung 30' etwa 12,5° im Vergleich zu dem erforderlichen absoluten Wert des Kippwinkels von 25° für die Platten in der nach der Fokussieroptik 15 angeordneten Auslenkvorrichtung 30`. Ferner sind die Kipprichtungen entgegengesetzt.
Der Unterschied in den Kippwinkeln dieser beider Ausführungsformen ist in 15 angedeutet. 15 zeigt in Teilabbildungen A und C schematische Darstellungen einer optischen Anordnung in einem Strahlengang eines Laserbearbeitungskopfes 1 gemäß der Ausführungsform der Teilabbildung C der 11 in zwei verschiedenen Perspektiven, und in Teilabbildungen B und D schematische Darstellungen einer optischen Anordnung in einem Strahlengang eines Laserbearbeitungskopfes 1 gemäß der Ausführungsform der Teilabbildung C der 14 in zwei verschiedenen Perspektiven. Um diesen Unterschied zu erkennen, sind beide Alternativen in den Teilabbildungen A und B bzw. C und D der 15 untereinander dargestellt.
16a und 16b zeigen jeweils schematische Darstellungen einer optischen Anordnung in einem Strahlengang eines Laserbearbeitungskopfes 1 gemäß der Ausführungsform der Teilabbildungen Bund C der 14. Die Auslenkvorrichtung 30' wird zwischen dem Eintrittsport 91 bzw. dem Faserende 5 der Lichtleitfaser 4 und der Kollimationslinse 16 angeordnet. Die erste Platte 30a₁ wird um die horizontale Achse 30d₁ (beispielsweise parallel zur Richtung x) mit Hilfe eines ersten Aktuators um einen ersten Kippwinkel geneigt. In ähnlicher Weise wird die zweite Platte 30a₂ um die horizontale Achse 30d₂ (beispielsweise parallel zur der horizontalen Richtung y) mit Hilfe eines Stellglieds oder des ersten Aktuators oder eines zweiten Aktuators um einen zweiten Kippwinkel geneigt. Eine Steuervorrichtung (nicht gezeigt) kann verwendet werden, um die gewünschten Kippwinkel unter Verwendung der linearen Beziehung bzw. Gleichung 3 von 3 einzustellen.
Alternativ oder zusätzlich zu den Anordnungen der Auslenkvorrichtung 30' gemäß 11 oder 14 kann eine Auslenkvorrichtung 30' zwischen der Kollimationslinse 16 und der Fokussierlinse 15 verwendet werden. Ein solcher Fall ist in 16 dargestellt. Ein Detail dieser optischen Anordnung ist in 18a und 18b dargestellt. Die Unterschiede zu den zuvor beschriebenen Ausführungsformen werden im Folgenden diskutiert.
17 zeigt in der Teilabbildung A eine schematische Darstellung einer optischen Anordnung in einem Strahlengang eines Laserbearbeitungskopfes 1 ohne eine Auslenkvorrichtung und in den Teilabbildungen B und C jeweils eine schematische Darstellung einer optischen Anordnung eines Laserbearbeitungskopfes 1 mit einer Auslenkvorrichtung 30' mit beiden Platten in Nullstellung bzw. mit zwei verkippten Platten, sowie die entsprechenden Verschiebungen bzw. Strahlversätze des fokussierten Bearbeitungslaserstrahls 61 in einer Ebene senkrecht zur Strahlausbreitungsrichtung bzw. zur zentralen Längsachse 8. Die Auslenkvorrichtung 30' ist hier zwischen der Kollimationslinse 16 und der Fokussierlinse 17 angeordnet. Ein Detail dieser Vorrichtung ist in 18 gezeigt. Da ein Strahlversatz d des kollimierten Bearbeitungslaserstrahls nicht zu einer seitlichen Verschiebung der Fokusposition bzw. des fokussierten Bearbeitungslaserstrahls 61 führen würde, wird eine optische Anordnung zur Erzeugung eines Zwischenfokus zwischen der Kollimationslinse 16 und der Fokussierlinse 17 eingefügt. Die optische Anordnung vereinfacht die Integration der Auslenkvorrichtung 30' und schafft zusätzlichen Platz. Die optische Anordnung umfasst zwei Linsen 17, 17' mit gleicher Brennweite. Die Linsen 17, 17' können identisch sein. Der durch die Kollimieroptik 16 kollimierte Bearbeitungslaserstrahl wird zunächst durch die erste Linse 17 fokussiert und anschließend durch die zweite Linse 17' mit gleicher Brennweite wiederkollimiert, wodurch ein afokales Vergrößerungssystem entsteht mit Vergrößerung -1. Auf diese Weise wird bei Bedarf genügend Raum für die Integration geschaffen und zwei Platten können zur Strahlauslenkung genutzt werden. Zudem sind die für eine vorgegebene Verschiebung der Fokusposition erforderlichen Kippwinkel verkleinert. Wenn die Linsen 17, 17' beispielsweise eine Brennweite von 50 mm aufweisen, ergibt sich eine Vergrößerung für die Strahlverschiebung von 4, so dass der für eine Verschiebung von 0,3 mm erforderliche Neigungswinkel nur ca. 6,25° beträgt. Auch hier wurde eine Plattendicke von 2 mm für alle Platten angenommen.
Eine Auslenkvorrichtung 30' mit zwei um jeweils eine Achse kippbaren Platten hat zudem den Vorteil, dass die Auslenkung schneller und präziser ist als bei einer Auslenkvorrichtung 30 mit einer um zwei Achsen kippbaren Platte. Daher wird die Auslenkvorrichtung 30' mit zwei um jeweils eine Achse kippbaren Platten bevorzugt zum Erzeugen von oszillierenden Strahlbewegungen während der Laserbearbeitung, sogenannte Wobbelbewegungen, verwendet.
Bezugszeichen

1: Laserbearbeitungskopf
2: Werkstück
4: Faserkabel bzw. Lichtleitfaser
5: Faserende
6: Bearbeitungslaserstrahl
6e: Einfallender Bearbeitungslaserstrahl
6a: Austretender Bearbeitungslaserstrahl
8: Zentrale Längsachse des Laserbearbeitungskopfes
81: Erster zentraler Längsachsenabschnitt
82: Zweiter zentraler Längsachsenabschnitt
83: Dritter zentraler Längsachsenabschnitt
10: bewegliche Optik
13: Bewegliche Linse
14: Bewegliche Linse
15: Fokussieroptik
16: Kollimationsoptik
17: Erste Linse der Optikanordnung
17': Zweite Linse der Optikanordnung
21: Schutzglas
30, 30': Auslenkvorrichtung
30a: Platte
30a1: Erste Platte
30a2: Zweite Platte
30b: Plattenebene
30c: Flächennormale der Platte bzw. Plattennormale
30d: Eine zur Plattenebene parallele Achse
30d1: Erste zur Plattenebene parallele Achse
30d2: Zweite zur Plattenebene parallele Achse
31: Gehäuserahmen der Auslenkvorrichtung
41: Einkoppelvorrichtung
61: Fokussierter Bearbeitungslaserstrahl
62: x-y Position des fokussierten Bearbeitungslaserstrahls
65: Intensitätsverteilung
70: Düse
71: Düsenöffnung
90: Gehäuse des Laserbearbeitungskopfs
91: Eintrittsport
100: mittlerer Abschnitt des Gehäuses
101: Eintrittsabschnitt des Gehäuses
102: Austrittsabschnitt des Gehäuses
301: Strahlversatz
501: Erster Spiegel
502: Zweiter Spiegel
DB: Divergenter Bereich
d: Parallelversatz
dx: Parallelversatz in x-Richtung
dy: Parallelversatz in y-Richtung
d': Verschiebung der Fokusposition
Δz: Fokuslage bzw. Höhenposition des Fokus
KB: Konvergenter Bereich
KMB: Kollimierter Bereich
θ: Kippwinkel
θ x: Erster Kippwinkel um eine erste Achse
θ y: Zweiter Kippwinkel um zweite Achse
v: Bewegungsrichtung des Laserbearbeitungskopfes über dem Werkstück

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 20160368089 A1 [0007]
US 20180369964 A1 [0007]
DE 102007012695 A1 [0008]
DE 102018221203 A1 [0008]

Claims

Auslenkvorrichtung (30) für einen Laserbearbeitungskopf (1) zur Erzeugung eines Strahlversatzes (d, dx, dy) eines Bearbeitungslaserstrahls (6), umfassend: zumindest eine Platte (30a), wobei die Platte (30a) um zumindest eine zur Plattenebene (30b) parallele Achse (30d) kippbar ist; und einen Aktuator zum Verkippen der Platte (30a); dadurch gekennzeichnet, dass ein Kippwinkel (Θ) der Platte (30a) auf einen vorgegebenen Winkelbereich von -30° bis +30° begrenzt ist.
Auslenkvorrichtung (30) gemäß Anspruch 1, wobei die Platte (30a) um eine zur Plattenebene (30b) parallele erste Achse (30d₁) mit einem ersten Kippwinkel (θx) und um eine zur Plattenebene (30b) parallele zweite Achse (30d₂) mit einem zweiten Kippwinkel (θy) kippbar ist, wobei die zweite Achse (30d₂) senkrecht zur ersten Achse (30d₁) angeordnet ist und der erste Kippwinkel (θx) und der zweite Kippwinkel (θy) jeweils auf einen Winkelbereich von -30° bis +30° begrenzt sind.
Auslenkvorrichtung (30) gemäß einem der vorausgehenden Ansprüche, wobei die zumindest eine Platte (30a) umfasst: eine erste Platte (30a₁), die um eine zur ersten Plattenebene (30b) parallele erste Achse (30d₁) mit einem ersten Kippwinkel (θx) kippbar ist; und eine zweite Platte (30a₂), die um eine zur zweiten Plattenebene (30b) parallele zweite Achse (30d₂) mit einem zweiten Kippwinkel (θy) kippbar ist; wobei die zweite Achse (30d₂) senkrecht zur ersten Achse (30d₁) angeordnet ist, und wobei der erste Kippwinkel (θx) und der zweite Kippwinkel (θy) auf einen Winkelbereich von -30° bis +30° begrenzt sind.
Auslenkvorrichtung (30) gemäß einem der vorausgehenden Ansprüche, wobei die zumindest eine Platte (30a) eine Dicke von kleiner oder gleich 5 mm, vorzugsweise kleiner oder gleich 3 mm, aufweist.
Auslenkvorrichtung (30) gemäß einem der vorausgehenden Ansprüche, ferner umfassend mindestens eine Stoppvorrichtung, die eingerichtet ist, ein Verkippen der Platte (30a) um einen Kippwinkel außerhalb des vorgegebenen Winkelbereichs zu blockieren.
Laserbearbeitungskopf (1) zum Bearbeiten eines Werkstücks (2) mit einem Bearbeitungslaserstrahl (6), umfassend: ein Gehäuse (90) mit einem Eintrittsport (91) zum Einführen des Bearbeitungslaserstrahls (6) in den Laserbearbeitungskopf (1) und einem Austrittsport (7) zum Ausführen des Bearbeitungsstrahls (6) aus dem Laserbearbeitungskopf (1), wobei ein Strahlengang zwischen dem Eintrittsport (91) und dem Austrittsport (7) definiert ist; zumindest eine im Strahlengang beweglich angeordnete Optik (10); und zumindest eine im Strahlengang angeordnete Auslenkvorrichtung (30) nach einem der vorausgehenden Ansprüche.
Laserbearbeitungskopf (1) gemäß Anspruch 6, wobei die zumindest eine Auslenkvorrichtung (30) zwischen dem Eintrittsport (91) und der beweglichen Optik (10) und/oder zwischen der beweglichen Optik (10) und dem Austrittsport (7) angeordnet ist.
Laserbearbeitungskopf (1) gemäß Anspruch 6 oder 7, wobei die zumindest eine Auslenkvorrichtung (30) in einem divergenten Bereich (DB) des Strahlengangs, und/oder in einem konvergenten Bereich (KB) des Strahlengangs, und/oder in einem kollimierten Bereich (KMB) des Strahlengangs angeordnet ist.
Laserbearbeitungskopf (1) gemäß einem der Ansprüche 6 bis 8, wobei die bewegliche Optik (10) eine Fokussieroptik (15) und/oder eine Kollimieroptik (16) umfasst oder ein Teil davon ist.
Laserbearbeitungskopf (1) gemäß einem der Ansprüche 6 bis 9, wobei die bewegliche Optik (10) entlang ihrer optischen Achse im Strahlengang verschiebbar ist.
Laserbearbeitungskopf (1) gemäß einem der Ansprüche 6 bis 10, ferner umfassend eine Steuervorrichtung, die eingerichtet ist, durch Ansteuern des Aktuators der Auslenkvorrichtung (30) den Kippwinkel (Θ) der Platte (30a) einzustellen und/oder auf den vorgegebenen Winkelbereich zu begrenzen.
Laserbearbeitungskopf (1) gemäß Anspruch 11, wobei die Steuervorrichtung eingerichtet ist, durch Ansteuern des Aktuators der Auslenkvorrichtung (30) den Bearbeitungslaserstrahl (6) ein- oder zweidimensional oszillierend abzulenken und/oder bezüglich des Austrittsports (7) auszurichten.