DE102022123731A1

DE102022123731A1 - Laserbearbeitungskopf mit einer Scannereinheit oder einer Scanneranordnung

Info

Publication number: DE102022123731A1
Application number: DE102022123731.1A
Authority: DE
Inventors: Axel Paul; Tobias Kluehspies
Original assignee: Trumpf Werkzeugmaschinen SE and Co KG
Current assignee: Trumpf Werkzeugmaschinen SE and Co KG
Priority date: 2022-09-16
Filing date: 2022-09-16
Publication date: 2024-03-21
Also published as: WO2024056745A1

Abstract

Bereitgestellt wird ein Laserbearbeitungskopf (20) mit einer Scannereinheit, die Scannereinheit umfassend: Eine Spiegeleinheit mit einem Scannerspiegel (242), wobei die Spiegeleinheit eine in Umfangsrichtung umlaufende Nut (2432) aufweist; Einen Rahmen (241), der in einem Bearbeitungskopf (20) der Laserbearbeitungsanlage (10) befestigbar ist, wobei die Spiegeleinheit beweglich in dem Rahmen (241) gelagert ist; und ein ringförmiges, elastisches Dichtungselement (245), wobei das Dichtungselement (245) an seinem Außenumfang an dem Rahmen (241) befestigt ist und an seinem Innenumfang mit der umlaufenden Nut (2432) in Eingriff steht. Ferner werden ein Dichtungselement (245) für die Scannereinheit, sowie ein weiterer Laserbearbeitungskopf mit einer Scanneranordnung (24) bereitgestellt.

Description

Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft das Gebiet der Laserbearbeitung von Werkstücken, bevorzugt das Laserschneiden von metallischen Werkstücken. Insbesondere betrifft die Erfindung einen Laserbearbeitungskopf, insbesondere einen Laserschneidkopf, mit einer Scannereinheit oder einer Scanneranorndung zur dynamischen Ablenkung eines Laserstrahls in dem Laserbearbeitungskopf.
Stand der Technik
Scannersysteme, bei denen ein Laserstrahl innerhalb eines Laserbearbeitungskopfes durch eine gesteuerte Verkippung eines oder mehrerer Scannerspiegel dynamisch abgelenkt wird gehören zum Stand der Technik. Beispielsweise ist es bekannt, im kollimierten Strahlführungsbereich des Laserbearbeitungskopfs einen Umlenkspiegel anzuordnen, welcher um beide Querachsen unabhängig und dynamisch verkippbar ist. Die hochintegrierte Bauweise umfasst als Rotorbaugruppe den gefassten Scannerspiegel mit vier um den Umfang verteilten Magnetpaaren samt Eisenrückschluss. Der Rotor ist über vier Festkörpergelenkarme aufgehangen und wird durch vier entsprechend den Magneten gegenüberliegenden Spulen (Stator) um die Ausgangslage ausgelenkt bzw. gekippt. Während der Bewegung des Scannerspiegels kann es - insbesondere aufgrund von Abreibungserscheinungen zwischen beweglichen Komponenten der Baugruppe - zu Partikelbildung kommen. Um die Reinheitsanforderungen im Laserbearbeitungskopf zu erfüllen, die im Wesentlichen keine anhaftenden Verunreinigungen im Optikraum zulassen, muss der halbsaubere rückwärtige Bauraum der Scannerbaugruppe wirksam von dem Optikraum des Laserbearbeitungskopfes abgeschirmt werden.
Aus DE102016210698A1 ist eine Anordnung für die EUV-Lithographie bekannt, bei der in einem Gehäuse mindestens ein reflektierendes optisches Element beweglich gelagert ist, wobei eine Hülle den Halter und den Grundkörper des optischen Elements zumindest teilweise umhüllt und einen Aktorik-Raum von einem Optikraum abdichtet und wobei die Hülle mindestens einen flexiblen Abschnitt aufweist, um die Bewegung des optischen Elements zu ermöglichen. Der flexible Abschnitt kann durch ein flexibles Kunststoffbauteil gebildet sein. Zur Befestigung kann die Hülle am Grundkörper geklebt oder kraft- oder formschlüssig befestigt, beispielsweise mit einer Spiralfeder oder einem Klemmring festgeklemmt, sein.
In der WO2019145536A1 werden verschiedene Varianten beschrieben, wie ein Laserstrahl mit hoher Frequenz und kurzer Wegstrecke innerhalb der Düse eines Laserbearbeitungskopfs bewegt werden kann, u.a. mit Hilfe eines Scannerspiegels.
In der EP4000789A2 ist eine optische Vorrichtung mit einem Träger und einem daran beweglich befestigten Scannerspiegel beschrieben. Eine Dichtmembran formt eine luftdichte Verbindung zwischen dem Scannerspiegel und dem Träger.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde den Stand der Technik zu verbessern. Insbesondere soll eine effektive Abschirmung des Optikraumes eines Laserbearbeitungskopfes von dem Akrorik- bzw. Antriebsraum einer Scannereinheit oder einer Scanneranordnung bereitgestellt werden. Dabei soll ein Einfluss auf die Bewegungsdynamik des Scannerspiegels minimiert werden. Insbesondere soll ferner die Eignung bestehender Scannersysteme für den Einsatz in Multi-Kilowatt Laserschneidanlagen verbessert werden.
Die Erfindung
Zur Lösung der der Erfindung zugrundeliegenden Aufgabe wird gemäß einem ersten Aspekt ein Laserbearbeitungskopf, insbesondere ein Laserschneidkopf, mit einer Scannereinheit bereitgestellt. Die Scannereinheit umfasst eine Spiegeleinheit mit einem Scannerspiegel, wobei die Spiegeleinheit eine in Umfangsrichtung umlaufende Nut aufweist. Die Spiegeleinheit kann vorzugsweise eine Spiegelfassung aufweisen, die am Außenumfang des Scannerspiegels angeordnet ist. Der Scannerspiegel kann dabei vorzugsweise fest, beispielsweise durch eine Klebverbindung, mit der Spiegelfassung verbunden sein. Die umlaufende Nut kann dann vorzugsweise am Außenumfang der Spiegelfassung angeordnet sein.
In der Regel umfasst ein Laserbearbeitungskopf zumindest eine Eintrittsöffnung für den Laserstrahl, einen Optikraum, in dem der Laserstrahl mittels optischer Elemente, insbesondere mittels Linsen und/oder Spiegel, durch den Laserbearbeitungskopf geführt wird, sowie eine Austrittsöffnung zum Austritt des Laserstrahls aus dem Laserbearbeitungskopf. Die Scannereinheit mit dem Scannerspiegel als strahlführendes optisches Element ist dann an den Optikraum des Laserbearbeitungskopfes angrenzend angeordnet.
Die Scannereinheit umfasst einen Rahmen, der in dem Laserbearbeitungskopf befestigbar ist, wobei die Spiegeleinheit beweglich in dem Rahmen gelagert ist. Insbesondere können der Rahmen und die Spiegeleinheit in einer gemeinsamen Ebene der Scannereinheit angeordnet sein, wobei der Rahmen die Spiegeleinheit in lateraler Richtung umgibt. Der Rahmen kann insbesondere eine seitliche Umhausung für die Scannereinheit bilden.
Ferner umfasst die Scannereinheit ein ringförmiges, elastisches Dichtungselement. Das Dichtungselement ist entlang seines Außenumfangs an dem Rahmen befestigt und steht entlang seines Innenumfangs mit der umlaufenden Nut in Eingriff. Das Dichtungselement ist vorzugsweise flächig ausgebildet.
Die vorgeschlagene Lösung erlaubt eine besonders kompakte und leichte Bauweise der Scannereinheit in dem Laserbearbeitungskopf. Durch das Dichtungselement wird der prinzipbedingte Spalt zwischen Spiegeleinheit und Rahmen wirksam gegen einen Partikeldurchtritt abgedichtet. Partikel können durch die Relativbewegungen der mechanischen Komponenten der Spiegelaufhängung und einer Antriebseinheit entstehen, welche vorzugsweise zwischen dem Rahmen und der Spiegeleinheit angeordnet ist und welche dazu ausgebildet ist, die Spiegeleinheit zu verkippen. Durch das Dichtungselement wird der Optikraum des Laserbearbeitungskopfes von den beweglichen Antriebskomponenten der Scannereinheit abgeschirmt und somit die Sicherheit gegen einen Optikausfall wegen Kontamination verringert. Durch die Abdichtung wird ferner die Möglichkeit eröffnet, die Spiegeleinheit und/oder die Antriebseinheit an einer dem Optikraum abgewandten Rückseite der Scannereinheit mit einem Kühlgas zu beaufschlagen. Diese Option ist besonders vorteilhaft, wenn die Scannereinheit in einer Multi-Kilowatt Laserbearbeitungsanlage verwendet wird.
Der Scannerspiegel samt Spiegelfassung und die Antriebseinheit können beispielsweise ausgeführt sein wie in der EP4000789A2 beschrieben, wobei die Magnetpaare des Scannerantriebs vorzugsweise an der Spiegelfassung angeordnet sind.
Das Dichtungselement kann vorzugsweise einen wellenförmigen Querschnitt aufweisen. Durch den wellenförmigen Querschnitt kann die Verformungssteifigkeit des Dichtungselements, das auch als Dichtungsmembran bezeichnet werden kann, herabgesetzt werden. Der Widerstand bei einer Verkippung der Spiegeleinheit kann auf diese Weise reduziert und die Dynamik der Scannereinheit verbessert werden. Insbesondere kann das Dichtungselement im Querschnitt wenigstens eine Welle aufweisen, die so ausgebildet ist, dass sie auch bei vollständiger Auslenkung der Spiegeleinheit noch vorhanden ist.
Die umlaufende Nut der Spiegeleinheit kann vorzugsweise einen sich zum Nutgrund hin verjüngenden Querschnitt aufweisen. Mit dem Nutgrund wird vorliegend die tiefste Stelle der Nut bezeichnet, also bei einer zylindrischen Spiegeleinheit die Stelle, an der die Nut ihren geringsten Durchmesser aufweist. Insbesondere kann die umlaufende Nut einen trapezförmigen Querschnitt aufweisen. Ferner kann das Dichtungselement entlang seines Innenumfangs eine erste Verdickung aufweisen, die formkomplementär zu der Nut ausgebildet ist. Vorliegend ist darunter insbesondere zu verstehen, dass die Verdickung keil- oder trapezförmig ausgebildet ist, wobei die Außenschrägen im Wesentlichen die gleiche Neigung aufweisen, wie die Außenwände der Nut. Die Eingriffsschrägen der Verdickung und der Nut sorgen für einen verbesserten Form- und Haftschluss der Schnappverbindung zwischen Dichtungselement und Spiegeleinheit. Ferner hat sich eine trapezförmige Verbindungsform im Hinblick auf die angestrebte Massereduktion als besonders geeignet herausgestellt.
Besonders vorteilhaft kann es sein, wenn die erste Verdickung des Dichtungselements eine größere Breite aufweist als die Nut im Nutgrund.
Dadurch kann gewährleistet werden, dass das Dichtungselement passgenau in der Nut eingreift bzw. einschnappt.
Ferner kann es bevorzugt sein, dass ein Innenumfang des Dichtungselements in einem entspannten Zustand geringer ist, insbesondere um wenigstens 2 % und/oder um höchstens 20 % geringer ist als ein Umfang der Nut im Nutgrund. Beispielsweise kann der Innenumfang des Dichtungselements um etwa 10 % kleiner sein als der Umfang des Nutgrunds. Auf diese Weise steht das Dichtungselement, wenn es in der Scannereinheit installiert ist, entlang seines Innenumfangs unter Spannung und wird in die Nut gepresst.
Das Dichtungselement kann entlang seines Innenumfangs innerhalb der Nut auch mit der Spiegeleinheit verklebt sein. Insbesondere kann dazu die Verdickung des Dichtungselements entlang des Innenumfangs beim Einsetzen in die Nut mit Kleber benetzt sein. Durch die Verklebung kann die Haftung des Dichtungselements in der Nut und damit die Dichtungswirkung weiter verbessert werden.
Entlang seines Außenumfangs kann das Dichtungselement eine zweite Verdickung aufweisen. Die zweite Verdickung kann entlang eines Innenumfangs des Rahmens verklemmbar sein. Die zweite Verdickung kann beispielsweise einen kreisförmigen Querschnitt aufweisen. Zur Ausbildung der Klemmverbindung mit dem Dichtungselement kann der Rahmen entlang seines Innenumfangs eine umlaufende Ausnehmung aufweisen, in welche die zweite Verdickung aufnehmbar und mittels eines Klemmrings befestigbar ist.
Zur Lösung der der Erfindung zugrundeliegenden Aufgabe wird gemäß einem zweiten Aspekt ein Dichtungselement für die Scannereinheit eines Laserbearbeitungskopfes nach einer der oben beschriebenen Varianten bereitgestellt. Das Dichtungselement umfasst einen ringförmigen Grundkörper aus einem elastischen Material, wobei der Grundkörper entlang seines Innenumfangs eine erste, insbesondere trapezförmige Verdickung und entlang seines Außenumfangs eine zweite, insbesondere kreisförmige Verdickung aufweist. Die Formangaben der Verdickungen beziehen sich jeweils auf die Form des Querschnitts in Umfangsrichtung des Grundkörpers.
In einem entspannten Zustand des Dichtungselements kann der Grundkörper vorzugsweise einen wellenförmigen Querschnitt aufweisen. Durch die Ausbildung wenigstens einer Welle im Grundkörper des Dichtungselements, wird der Widerstand gegen die Bewegung einer Spiegeleinheit reduziert, mit der das Dichtungselement in Eingriff steht. Besonders bevorzugt kann der Grundkörper im Querschnitt wenigstens eine Welle mit einem Innenradius von wenigstens 0,5 mm und/oder von höchstens 2 mm, vorzugsweise von etwa 1 mm bis 1,5 mm aufweisen. Die Welle kann in dem Grundkörper wahlweise als Erhöhung oder Vertiefung ausgebildet sein. Die Welle sollte grundsätzlich möglichst klein ausgebildet sein, um die Masse des Grundkörpers zu minimieren. Insgesamt kann die Welle vorzugsweise so ausgebildet sein, dass sie bei einer maximalen Verformung des Grundkörpers während der Verwendung in einer erfindungsgemäßen Scannereinheit gerade noch vorhanden ist.
Der Grundkörper des Dichtungselements kann vorzugsweise aus Silikon bestehen. Alternativ kann das Dichtungselement auch aus einem anderen, insbesondere ausgasungsfreien, Kunststoff, wie beispielsweise Polytetrafluorethylen (PTFE, auch als Teflon bezeichnet) oder einem Fluorkautschuk (FKM), bestehen. Aufgrund seiner geringeren Dichte gegenüber FKM und dem dadurch insgesamt geringeren Gewicht, hat sich Silikon als besonders geeignet für die vorliegende Anwendung herausgestellt. Silikon weist ferner hinsichtlich seiner Härte, seiner minimalen spritz- oder gießbaren Materialdicke, seiner Stoßelestizität, und seiner elastomeren Eigenschaften insgesamt Vorzüge gegenüber anderen Materialien auf.
Eine Dicke des Grundkörpers kann vorzugsweise wenigstens 0,2 mm und/oder höchstens 0,8 mm, vorzugsweise etwa 0,6 mm, betragen.
Beispielsweise kann ein erfindungsgemäßes Dichtungselement aus Silikon mittels Vakuumguss hergestellt werden. Das Dichtungselement kann transluzent sein, eine Shore A Härte < 50, insbesondere ca. 20, aufweisen, 0,6 mm dick sein und/oder eine Masse > 20 g, vorzugsweise < 2 g, beispielsweise etwa 0,7 g aufweisen.
Zur Lösung der der Erfindung zugrundeliegenden Aufgabe wird gemäß einem dritten Aspekt ein Laserbearbeitungskopf, insbesondere ein Laserschneidkopf, mit einer Scanneranordnung bereitgestellt. Die Scanneranordnung umfasst eine Scannereinheit mit einer einen Scannerspiegel umfassenden Spiegeleinheit und einem Rahmen, wobei die Spiegeleinheit beweglich in dem Rahmen gelagert ist. Ferner umfasst die Scanneranordnung eine Blende mit einer Blendenöffnung, wobei die Blende an dem Rahmen befestigt ist und wobei ein kleinster Durchmesser der Blendenöffnung kleiner ist als eine Apertur des Scannerspiegels. Die Blende und die Spiegeleinheit sind in axialer Richtung durch einen Spalt voneinander beabstandet, wobei eine minimale Spaltbreite höchstens 2 mm, bevorzugt höchstens 1 mm, noch bevorzugter etwa 0,8 mm beträgt. Mit der axialen Richtung ist vorliegend eine Richtung parallel zur Flächennormalen des Scannerspiegels in einer Ruhestellung gemeint, bzw. eine Richtung senkrecht zu einer Lagerebene der Blende.
Der Spalt gewährleistet für die Spiegeleinheit die benötigte Bewegungsfreiheit und ist gleichzeitig so klein, dass er den Austritt von Partikeln aus der Scannereinrichtung in den Optikraum des Laserbearbeitungskopfes erschwert, in dem die Scanneranordnung integriert ist. Mit anderen Worten bildet die Blende mit der Scannereinheit eine Labyrinthdichtung aus.
Der Scannerspiegel samt Spiegelfassung und die Antriebseinheit können beispielsweise ausgeführt sein wie in der EP4000789A2 beschrieben, wobei die Magnetpaare des Scannerantriebs vorzugsweise an der Spiegelfassung angeordnet sind.
Die Scanneranordnung kann insbesondere zur Verwendung in einem Laserschneidkopf ausgebildet sein und somit zur Führung eines Laserstrahls mit einer Leistung von mehreren Kilowatt, insbesondere von wenigstens 0,3 kW, bevorzugt von wenigstens 4 kW, noch bevorzugter von wenigstens 10 kW.
Zur Minimierung des Spalts zwischen Blende und Spiegeleinheit kann die Blende auf ihrer der Spiegeleinheit zugewandten Seite, insbesondere an ihrem kleinsten Öffnungsdurchmesser, einen schmalen, umlaufenden Kragen aufweisen, der in Richtung der Spiegeleinheit weist. Der Kragen erhöht die Dichtwirkung der Labyrinthdichtung.
Die Scannereinheit kann insbesondere so ausgeführt sein wie die Scannereinheit des Laserbearbeitungskopfes gemäß einer der weiter oben beschriebenen Varianten, und somit ein Dichtungselement zwischen Rahmen und Spiegeleinheit aufweisen. Gemäß dieser Konfiguration kann die Blende zusätzlich als Strahlschutz für das Dichtungselement dienen. Eine Kombination mit Dichtungselement und Blende kann somit die Langlebigkeit der Abdichtungsfunktion verbessern.
Die Scanneranordnung kann ferner eine Abdeckung umfassen, die an einer der Blende gegenüberliegenden Seite des Rahmens befestigbar ist und die eine durch den Rahmen der Scannereinheit gebildete Öffnung abdeckt. Die Abdeckung kann vorzugsweise an der Rückseite der Spiegeleinheit in den Rahmen hineinragen, sodass ein Spalt, der zwischen der Abdeckung und der Rückseite der Spiegeleinheit ausgebildet ist, eine kleinste Spaltbreite von höchstens 3 mm, vorzugsweise höchstens 0,7 mm aufweist. Bei einer Konfiguration mit Dichtungselement bildet die Scanneranordnung einen Antriebsraum der Scannereinheit aus, in dem die beweglichen Antriebskomponenten für die Spiegeleinheit angeordnet sind und der in Richtung des Optikraumes durch das Dichtungselement, seitlich durch den Rahmen und rückseitig durch die Abdeckung begrenzt ist.
Die Abdeckung kann seitlich bis auf 2 mm, vorzugsweise bis auf höchstens 1 mm heran, noch bevorzugter bis auf höchstens 0,7 mm heran, an die Spiegelfassung der Scannereinheit gelagert sein. Die Blende und/oder die Abdeckung können jeweils aus einem Material mit guten Wärmeleitungseigenschaften, beispielsweise aus einem Metall oder einer Metallegierung bestehen. Insbesondere kann die Blende und/oder die Abdeckung aus Stahl bestehen. Auf diese Weise können die Blende und/oder die Abdeckung zusätzlich als Kühlelemente für die Scanneranordnung eingesetzt werden. Durch die geringe Beabstandung zu der Spiegeleinheit kann Wärme durch freie oder erzwungene Konvektion aus der Spiegeleinheit, d.h. aus dem Scannerspiegel und/oder aus der Spiegelfassung, abgeführt werden.
Die Blende und/oder die Abdeckung können ferner an ein Kühlsystem angeschlossen sein und somit eine aktive Kühlung für die Scannernordnung bereitstellen. Dazu können beispielsweise ein oder mehrere Kühlkanäle in der Blende und/oder in der Abdeckung angeordnet sein, in denen ein Kühlfluid zirkulierbar ist.
Zur Verbesserung der Kühlwirkung kann alternativ oder zusätzlich ein Kühlgas durch den Spalt zwischen Spiegeleinheit und Abdeckung zirkuliert werden. Der Volumenstrom des Kühlgases muss dabei so gewählt werden, dass kein Staudruck in dem Spalt erzeugt wird, der die Spiegelbewegung negativ beeinflusst.
Der Scannerspiegel kann vorzugsweise ein Spiegelsubstrat aus einem transparenten Material, insbesondere aus Quarzglas, umfassen. Eine Resttransmission von Laserstrahlung durch den Scannerspiegel, die beim Auftreffen eines Laserstrahls auf der Reflexionsfläche unvermeidbar ist, kann auf diese Weise gezielt zur Rückseite des Scannerspiegels hin geleitet werden. Einer seitlichen Wärmeabfuhr in Richtung der Spiegelfassung und der Antriebseinheit kann dadurch vorgebeugt werden. Das Spiegelsubstrat weist vorzugsweise ein Verhältnis zwischen Dicke zu Durchmesser von höchstens 1:10 auf. Dadurch kann die notwendige Steifigkeit des Scannerspiegels gewährleistet werden. Beispielsweise kann der Scannerspiegel einen Durchmesser von 25 mm und eine Dicke von 2,5 mm aufweisen.
Der Scannerspiegel kann ferner eine oxidische Interferenzbeschichtung aufweisen.
Die vorliegende Erfindung gemäß dem dritten Aspekt weist also auch hinsichtlich der Kühlung nennenswerte Vorteile gegenüber dem Stand der Technik auf. Durch die verbesserte Kühlung wird die Anfälligkeit der Scannereinheit gegen Erhitzung bei steigender Laserleistung reduziert.
Die Scanneranordnung mit Dichtungselement und Abdeckung kann auch eine mit Partikelfilter versehene Bypass-Verbindung zur Überbrückung des Dichtungselements aufweisen. Die Bypass-Verbindung kann den Dichtungselements verbinden. Die Bypass-Verbindung sorgt für einen Druckausgleich zwischen Arbeitsraum und Optikraum und reduziert somit einen durckbedingten Widerstand, der anderenfalls die Bewegungen der Spiegeleinheit erschweren würde.
Die Scanneranordnung (vgl. dritter Aspekt der Erfindung) oder auch die Scannereinheit ohne Blende (vgl. erster Aspekt der Erfindung) können jeweils hängend in dem Laserbearbeitungskopf angeordnet sein. Eine hängende Anordnung beschreibt in diesem Zusammenhang eine Ausrichtung des Scannerspiegels nach unten bzw. in Schwerkraftrichtung. Die hängende Anordnung der Scanneranordnung bezieht sich auf eine bevorzugte Arbeitsposition des Laserbearbeitungskopfes, bei der der Laserstrahl senkrecht auf ein zu bearbeitendes Objekt, insbesondere ein metallisches, platten- oder rohrförmiges Werkstück, gerichtet wird. Hinsichtlich der Partikelabdichtung kommen die Vorteile der vorliegenden Erfindung bei einer hängenden Andordnung der Scanneranordnung besonders deutlich zum Tragen.
Ausführungsbeispiele
Die nachfolgende Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele dient im Zusammenhang mit den Zeichnungen der näheren Erläuterung der Erfindung.
Es zeigen:

1 eine Laserschneidanlage zum Laserstrahlschneiden in einer schematischen, perspektivischen Ansicht;
2 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Laserschneid kopfes;
3a eine Schnittdarstellung einer Scanneranordnung für einen erfindungsgemäßen Laserbearbeitungskopf;
3b einen vergrößerten Ausschnitt aus der Darstellung gemäß 3a; und
3c eine weitere Schnittdarstellung der Scanneranordnung gemäß 3a.

1 zeigt eine Laserbearbeitungsanlage in Form einer Laserschneidanlage 10. Die Laserschneidanlage 10 umfasst eine Laserstrahlquelle 12. Die Laserstrahlquelle 12 kann ein CO₂-Laser, ein Festkörperlaser oder ein Diodenlaser sein. Auch, wenn die vorliegende Darstellung eine CO₂-Laser Konfiguration zeigt, bei welcher der erzeugte Laserstrahl L über Umlenkspiegel zum Laserbearbeitungskopf - hier einem Laserschneidkopf 20 - geleitet wird, können als Strahlquellen Festkörperlaser, insbesondere Scheiben- oder Faserlaser, grundsätzlich bevorzugt sein. Bei Festkörperlasern wird der Laserstrahl L in der Regel mittels einer Lichtleitfaser (in 1 nicht dargestellt) zum Laserschneidkopf 20 transportiert und über eine Anschlussbuchse in den Laserschneidkopf 20 eingespeist.
Die Laserschneidanlage 10 umfasst ferner eine Schneidgaszufuhr 14, hier in Form einer Gasflasche 14, über welche ein Schneidgas, das in der Regel Stickstoff und/oder Sauerstoff enthält, über eine Leitung zum Laserbearbeitungskopf 20 transportiert und gemeinsam mit dem Laserstrahl L unter einem vorgegebenen Druck durch eine Schneiddüse auf ein zu bearbeitendes - hier plattenförmiges - Werkstück 30 gerichtet wird. Das Werkstück 30 ist zur Bearbeitung durch den Bearbeitungsstrahl aus Laserstrahl L und Schneidgasstrahl auf einer Werkstückauflage 20 gelagert. Durch eine Relativbewegung zwischen Werkstück 30 und Laserschneidkopf 20 wird das Werkstück 30, das vorzugsweise ein metallisches Werkstück 30 ist, lokal aufgeschmolzen und die entstandene Schmelze nach unten ausgetrieben, sodass ein Schnittspalt 32 in dem Werkstück 30 entsteht. Die Laserschneidanlage 10 umfasst ferner eine Steuerungseinrichtung, die programmiert ist, den Schneidkopf 20 entsprechend einer Schneidkontur relativ zum Werkstück 30 zu verfahren.
2 zeigt schematisch einen erfindungsgemäßen Laserschneidkopf 20 bei dem die Optik eine Delta-Faltung des Laserstrahls L bewirkt. Der Laserstrahl L tritt durch eine Eintrittsöffnung 21 in den Laserschneidkopf 20 ein. Vorzugsweise kann die Eintrittsöffnung 21 als Anschlussbuchse für ein Lichtleitkabel ausgebildet sein, über welches der Laserstrahl L von einer Laserstrahlquelle zum Laserschneidkopf 20 transportiert wird. Der aus dem Lichtleitkabel austretende divergierende Laserstrahl L wird mittels einer Kollimationseinrichtung, hier einer Kollimationslinse 22, kollimiert. Der kollimierte Laserstrahl L wird anschließend über eine Umlenkeinheit, hier einen Umlenkspiegel 23, derart umgelenkt, dass er unter einem vordefinierten Einfallwinkel auf den Scannerspiegel 242 einer Scanneranordnung 24 gerichtet wird, die hängend im Laserschneidkopf 20 angeordnet ist. Die Scanneranordnung 24 ist dazu eingerichtet, den Scannerspiegel 242 in einem vergleichsweise kleinen Bewegungsintervall von bis zu ±2°, vorzugsweise bis zu ±0,3°, gegenüber einer Ruhelage bzw. Nullstellung des Scannerspiegels 242 um wenigstens zwei Rotationsachsen zu verkippen.
Die Scanneranordnung 24 umfasst eine Blende 246, die vor dem Scannerspiegel 242 angeordnet ist. Der Laserstrahl L wird an dem Scannerspiegel 242 um einen Winkel α, der vorzugsweise höchsten 60°, bevorzugt höchstens 45°, noch bevorzugter höchstens 30° beträgt, abgelenkt und auf eine Austrittsöffnung 28 des Laserschneidkopfes 20 gerichtet. Auf dem Weg zur Austrittsöffnung 28, die vorzugsweise als Schneiddüse ausgebildet ist, kann der Laserstrahl L durch eine Aufweitungseinrichtung, hier eine Negativlinse 25, zunächst aufgeweitet werden, bevor er über eine Fokussiereinrichtung, hier eine Fokussierlinse 26, in Richtung der Austrittsöffnung 28 fokussiert wird, über die er den Laserschneidkopf 20 gemeinsam mit einem Schneidgasstrahl (nicht dargestellt) verlässt und als Schneidstrahl auf ein zu bearbeitendes Werkstück gerichtet wird.
Durch die gesteuerte Verkippung des Scannerspiegels 242 kann der Laserstrahl L in einem vorbestimmten Bewegungsintervall innerhalb der Austrittsöffnung 28, also innerhalb der Schneiddüse sehr schnell in einer Ebene (hier x-y-Ebene) quer zur Austrittsrichtung des Laserstrahls 242 abgelenkt werden. Der primären Vorschubbewegung des Schneidstrahls während eines Schneidvorgangs kann also eine vergleichsweise kleine und schnelle Sekundärbewegung des Laserstrahls L überlagert sein. Durch diese überlagerte sekundäre Pendelbewegung bzw. Scanner-Bewegung des Laserstrahls L kann der Schneidprozess gezielt beeinflusst werden, beispielsweise der Schnittspalt stellenweise verbreitert oder die Schnittfrontneigung verändert werden.
Die Steckerbuchse an der Eintrittsöffnung 21 des Laserschneidkopfes 20 und/oder die Kollimationslinse 22 können quer zum Strahlengang, d.h. lateral, (hier in X-Richtung) verschiebbar sein. Zusätzlich kann der Umlenkspiegel 23 eine Neigungsjustage aufweisen. Dadurch kann der Laserstrahl L exakt auf ein Zentrum des Scannerspiegels 242 ausgerichtet werden. Die Negativlinse 25 kann entlang des Strahlengangs (hier in Z-Richtung) verschiebbar gelagert sein. Durch eine Verschiebung der Negativlinse 25 in Z-Richtung kann die Fokuslage L_f des Laserstrahls L auf einfache Weise verändert werden.
Eine waagerechte Anordnung der Eintrittsöffnung 21 gemäß der Darstellung in 2 ist in der Regel weniger kontaminationsanfällig als eine senkrechte Anordnung. Durch die waagerechte Anordnung der Eintrittsöffnung 21 ist die Kollimationslinse 22 ferner stehend im Laserschneidkopf 20 gelagert orientiert. Eine stehend angeordnete Kollimationslinse 22 ist ebenfalls in der Regel wenig kontaminationsanfällig, da die Linsenoberfläche keine Ablage für Partikel im Optikraum bildet.
Die 3a bis 3c zeigen jeweils eine Scanneranordnung 24 für einen erfindungsgemäßen Laserbearbeitungskopf in einer Schnittansicht. Die Scanneranordnung 24 umfasst eine Spiegeleinheit mit einem Scannerspiegel 242 und einer Spiegelfassung 243. Der Scannerspiegel 242 weist eine zylindrische Form auf und ist gemeinsam mit der Spiegelfassung 243 verkippbar in der Scanneranordnung 24 gelagert. Beispielsweise kann die Spiegelfassung 243 an vier gleichmäßig über ihren Umfang verteilten Stellen durch ein Festkörpergelenk in einem Rahmen 241 der Scannerandordnung 24 aufgehangen sein. Eine Antriebseinheit 244 (hier durch gestrichelte Linien angedeutet) ist dazu eingerichtet, die Spiegelfassung 243 zusammen mit dem Scannerspiegel 242 um wenigstens zwei, vorzugsweise senkrecht zueinander orientierte Rotationsachsen mit hoher Frequenz zu verkippen.
Zwischen dem Rahmen 241, der in einem Laserbearbeitungskopf 20 befestigbar ist, und der Spiegeleinheit 242 ist ein ringförmiges Dichtungselement 243 aus Kunststoff angeordnet. Das Dichtungselement 243 weist einen wellenförmigen Querschnitt mit einer Welle 2456 auf. Entlang seines Innenumfangs weist das Dichtungselement 245 eine trapezförmige erste Verdickung 2452 auf, die in einer ebenfalls trapezförmigen umlaufenden Nut 2432 am Außenumfang der Spiegelfassung 243 gelagert ist. Entlang seines Außenumfangs weist das Dichtungselement 245 eine zweite Verdickung 2454 auf, die in einer umlaufenden Ausnehmung 2412 des Rahmens 241 mittels eines Klemmrings 2414 verklemmt ist. Der Rahmen 241, die Spiegeleinheit 242 und (optional) das Dichtungselement 243 bilden gemeinsam eine Scannereinheit der Scanneranordnung 24.
Die Scanneranordnung 24 umfasst ferner eine Blende 246 mit einer Blendenöffnung 2462. Die Blendenöffnung 2462 ist von einer trichterförmigen Innenwand der Blende 246 umgeben, wobei die Innenwand gegenüber einer Flächennormalen des Scannerspiegels 242 (in einer Ruhelage des Scannerspiegels 242) vorzugsweise einen maximalen Neigungswinkel von 30°, bevorzugt 22,5°, noch bevorzugter 15° aufweist. Der kleinste Öffnungsdurchmesser der Blendenöffnung 2462 ist kleiner als die Apertur des Scannerspiegels 242. Auf diese Weise kann die Spiegelfassung 243 wirksam durch die Blende 246 abgeschirmt und vor ungewollter Bestrahlung geschützt werden. Die Blende 246 weist einen umlaufenden Kragen 2464 auf, der nah an den Scannerspiegel 242 heranreicht und gleichermaßen als Partikelbarriere und als Strahlschutz dient.
An der der Blende 246 gegenüberliegenden Seite der Spiegeleinheit 242 ist Abdeckung 248 angeordnet und an dem Rahmen 241 befestigt. Gemeinsam mit dem Rahmen 241, der Spiegeleinheit 242 und dem Abdichtungselement 243 definiert die Abdeckung 248 einen Aktorik- bzw. Antriebsraum der Scanneranordnung. Die Abdeckung 248 ist vorliegend als Wärmesenke 248 ausgebildet und ragt dicht an die Rückseite des Scannerspiegels 242 heran. Die Blende 246 und die Wärmesenke 248 sind jeweils durch einen schmalen Spalt von dem Scannerspiegel 242 und Spiegelfassung 243 beabstandet, um deren Bewegungsfreiheit beim gesteuerten Verkippen zu gewährleisten. Gleichzeitig sind die Abstände der Blende 246 und der Wärmesenke 248 zu dem Scannerspiegel 242 und der Spiegelfassung 243 möglichst geringgehalten, um eine effiziente Wärmeabfuhr zu gewährleisten. Beispielsweise können die Bewegungen des Scannerspiegels 242 im Betrieb der Scanneranordnung 24 zu einem Hub am Außendurchmesser der Spiegelfassung 243 von ±80µm führen. Diese Relativbewegung muss entsprechend bei der Auslegung der Spaltmaße und auch der Dimensionierung des Dichtungselements 245 in diesem Anwendungsfall berücksichtigt werden.
Zur Verbesserung der Wärmeabfuhr aus dem Scannerspiegel 242 und/oder der Spiegelfassung 243 bestehen die Blende 246 und die Wärmesenke 248 vorzugsweise aus Stahl oder einem anderen Material mit guten Wärmeleiteigenschaften. Ferner können die Blende 246 und die Wärmesenke 248 aktiv gekühlt sein. Letzteres begünstig die Einstellung von natürlicher Konvektion in dem geringen Luftspalt. Dazu können sie jeweils einen oder mehrere Kühlkanäle 247 aufweisen. Über Kühlfluidanschlüsse 249 können die Kühlkanäle 247 an einen Kühlkreislauf angeschlossen sein, bei dem ein flüssiges oder gasförmiges Kühlfluid durch die Kühlkanäle strömt und dabei Wärme aus der Blende 246 und/oder der Wärmesenke 248 abgeführt wird.
Bezugszeichenliste

10: Laserschneidanlage
12: Laserstrahlquelle
14: Schneidgaszufuhr
16: Werkstückauflage
20: Laserschneidkopf
21: Eintrittsöffnung
22: Kollimationslinse
23: Umlenkspiegel
24: Scanneranordnung
241: Rahmen
2412: Ausnehmung
2414: Klemmring
242: Scannerspiegel
243: Spiegelfassung
2432: Nut
244: Antriebseinheit
245: Dichtungselement
2452: Erste Verdickung
2454: Zweite Verdickung
2456: Welle
246: Blende
2462: Blendenöffnung
2464: Umlaufender Kragen
247: Kühlkanal
248: Abdeckung
249: Kühlfluidanschluss
25: Negativlinse
26: Fokussierlinse
28: Austrittsöffnung
30: Werkstück
32: Schnittspalt
L: Laserstrahl
Lf: Fokus des Laserstrahls
α: Umlenkwinkel am Scannerspiegel

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102016210698 A1 [0003]
WO 2019145536 A1 [0004]
EP 4000789 A2 [0005, 0012, 0027]

Claims

Laserbearbeitungskopf (20) mit einer Scannereinheit, die Scannereinheit umfassend: Eine Spiegeleinheit mit einem Scannerspiegel (242), wobei die Spiegeleinheit eine in Umfangsrichtung umlaufende Nut (2432) aufweist; Einen Rahmen (241), der in dem Laserbearbeitungskopf (20) befestigbar ist, wobei die Spiegeleinheit beweglich in dem Rahmen (241) gelagert ist; und Ein ringförmiges, elastisches Dichtungselement (245), wobei das Dichtungselement (245) an seinem Außenumfang an dem Rahmen (241) befestigt ist und an seinem Innenumfang mit der umlaufenden Nut (2432) in Eingriff steht.
Laserbearbeitungskopf (20) nach Anspruch 1, wobei das Dichtungselement (245) einen wellenförmigen Querschnitt aufweist.
Laserbearbeitungskopf (20) nach Anspruch 1 oder 2, wobei die umlaufende Nut (2432) einen sich zum Nutgrund hin verjüngenden Querschnitt aufweist, und wobei das Dichtungselement (245) entlang seines Innenumfangs eine erste Verdickung (2452) aufweist, die formkomplementär zu der Nut (2432) ausgebildet ist.
Laserbearbeitungskopf (20) nach Anspruch 3, wobei die erste Verdickung (2452) entlang des Innenumfangs des Dichtungselements (245) eine größere Breite aufweist als die Nut (2432) im Nutgrund.
Laserbearbeitungskopf (20) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei ein Innenumfang des Dichtungselements (245) in einem entspannten Zustand geringer ist, insbesondere um wenigstens 2 % und/oder um höchstens 20 % geringer ist, als ein Umfang der Nut (2432) im Nutgrund.
Laserbearbeitungskopf (20) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die das Dichtungselement (245) entlang seines Innenumfangs innerhalb der Nut (2432) mit der Spiegeleinheit verklebt ist.
Laserbearbeitungskopf (20) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Dichtungselement (245) entlang seines Außenumfangs eine zweite Verdickung (2454) aufweist, und wobei der Rahmen (241) entlang seines Innenumfangs eine Klemmverbindung mit der zweiten Verdickung (2454) des Dichtungselements (245) ausbildet.
Dichtungselement (245) für eine Scannereinheit eines Laserbearbeitungskopfes (20) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, das Dichtungselement (245) umfassend: Einen ringförmigen Grundkörper aus einem elastischen Material, wobei der Grundkörper entlang seines Innenumfangs eine erste, insbesondere trapezförmige Verdickung (2452) und entlang seines Außenumfangs eine zweite, insbesondere kreisförmige Verdickung (2454) aufweist.
Dichtungselement (245) nach Anspruch 8, wobei der Grundkörper in einem entspannten Zustand des Dichtungselements (245) einen wellenförmigen Querschnitt aufweist.
Dichtungselement (245) nach Anspruch 8 oder 9, wobei der Grundkörper aus Silikon besteht.
Dichtungselement (245) nach einem der Ansprüche 8 bis 10, wobei eine Dicke des Grundkörpers wenigstens 0,2 mm und/oder höchstens 0,8 mm, vorzugsweise etwa 0,6 mm, beträgt.
Laserbearbeitungskopf (20) mit einer Scanneranordnung (24), die Scanneranordnung (24) umfassend: Eine Scannereinheit mit einer einen Scannerspiegel (242) umfassenden Spiegeleinheit und einem Rahmen (241), wobei die Spiegeleinheit beweglich in dem Rahmen (241) gelagert ist; und Einer Blende (246) mit einer Blendenöffnung (2462), wobei die Blende (246) an dem Rahmen (241) befestigt ist, wobei ein kleinster Durchmesser der Blendenöffnung (2462) kleiner ist als eine Apertur des Scannerspiegels (242), und wobei die Blende (246) und die Spiegeleinheit in axialer Richtung durch einen Spalt voneinander beabstandet sind, wobei eine minimale Spaltbreite höchstens 2 mm, bevorzugt höchstens 1 mm, insbesondere etwa 0,8 mm, beträgt.
Laserbearbeitungskopf (20) nach Anspruch 12, wobei die Scannereinheit der Scannereinheit eines Laserbearbeitungskopfes (20) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7 entspricht.
Laserbearbeitungskopf (20) nach Anspruch 12 oder 13, ferner umfassend: eine Abdeckung (248), die an einer der Blende (246) gegenüberliegenden Seite des Rahmens (241) befestigbar ist und die eine durch den Rahmen (241) der Scannereinheit gebildete Öffnung abdeckt, wobei die Abdeckung (248) vorzugsweise an der Rückseite der Spiegeleinheit in den Rahmen (241) hineinragt, sodass ein Spalt, der zwischen der Abdeckung (248) und der Rückseite der Spiegeleinheit ausgebildet ist, eine kleinste Spaltbreite von höchstens 3 mm, vorzugsweise höchstens 0,7 mm aufweist.
Laserbearbeitungskopf (20) nach einem der Ansprüche 1 bis 7 oder nach einem der Ansprüche 12 bis 14, Wobei die Scannereinheit oder die Scanneranordnung (24) hängend in dem Laserbearbeitungskopf (20) angeordnet ist.