DE102022130840A1

DE102022130840A1 - Prozessmonitor für Laserbearbeitungskopf

Info

Publication number: DE102022130840A1
Application number: DE102022130840.5A
Authority: DE
Inventors: Danny Chan
Original assignee: II VI Delaware Inc
Current assignee: II VI Delaware Inc
Priority date: 2022-09-20
Filing date: 2022-11-22
Publication date: 2024-03-21
Also published as: CN117733321A; US20240091883A1

Abstract

Ein Laserbearbeitungskopf leitet Laserenergie zum Bearbeiten eines Werkstücks. Ein Fasereingang emittiert die Laserenergie und eine interne Optik fokussiert die Laserenergie als Laserstrahl auf einen Fokuspunkt relativ zu einem Ausgang an dem Kopf. Ein Relais zwischen dem Fasereingang und der internen Optik lenkt einen Abschnitt des Prozesslichts, der von dem Prozess zurückgekehrt ist, durch die interne Optik zu dem Relais. Die Auswirkungen der internen Optik bilden das zurückgekehrte Prozesslicht als hohlen konvergierenden Kegel in Richtung des Fasereingangs. Das Relais befindet sich in einem Winkelraum, der sich in einem Ausmaß außerhalb des divergierenden Kegels der emittierten Laserenergie von dem Fasereingang befindet, wie etwa bei einer numerischen Apertur, die etwa 10 Prozent größer ist als die numerische Apertur des Fasereingangs. Ein Sensor detektiert den auf ihn gelenkten Abschnitt des Prozesslichts.

Description

Gebiet der Erfindung
Der Gegenstand der vorliegenden Erfindung betrifft einen Prozessmonitor für einen Laserbearbeitungskopf.
Kurze Beschreibung des Stands der Technik
Ein Laserbearbeitungskopf, wie er beispielsweise zum Schneiden oder zur Materialbearbeitung verwendet wird, kann einen Hochleistungslaserstrahl von 10 kW und sogar bis zu 30 kW bereitstellen. Der Lasermaterialbearbeitungskopf verwendet häufig einstellbare Optiken, wie etwa Zoomoptiken, zum Einstellen des Fokus des Laserstrahls.
Bei der Lasermaterialbearbeitung wird häufig ein Prozesssensor (z. B. Einstechsensor) zum Überwachen des Prozesses eingesetzt. Dazu muss Prozesslicht aus der Prozesszone den am Kopf befindlichen Prozesssensor erreichen. Die interessierende Prozesszone kann jedoch sehr weit vom Fokuspunkt der Optik entfernt sein, sodass es schwierig sein kann, Licht aus der Prozesszone an dem Prozesssensor zu erhalten.
Außerdem kann für einige Lasermaterialbearbeitungsanwendungen (z. B. Schneidanwendungen oder Fernschweißanwendungen unter Verwendung eines Scannersystems) die Fokusposition dynamisch eingestellt werden. In diesem Fall kann das Signal an dem Prozesssensor nicht nur durch Schwankungen im Prozess, sondern auch durch die beabsichtigten Einstellungen der Punktposition des Laserstrahls beeinflusst werden.
Bei einem zweidimensionalen Schneidkopf wird eine Schneidgasmechanik mit einer Düse verwendet, um das auf das zu schneidende Werkstück gerichtete Schneidgas zur Prozesszone zu führen. Die Schneidgasmechanik ist darauf ausgelegt, den Schneidgasstrom zur Prozesszone zu maximieren. Daher ist die Schneidgasmechanik typischerweise so bemessen, dass sie nahe an der maximal möglichen Laserstrahlkontur liegt. Aus diesem Grund definiert die Schneidgasmechanik eine Begrenzungsapertur, die einschränkt, welches Prozesslicht von dem Prozess zurück durch den Schneidkopf reflektiert werden kann.
Eine übliche Anordnung zur Prozessüberwachung in einem Laserschneidkopf verwendet einen Umlenkspiegel (z. B. einen dichroitischen Spiegel), der im kollimierten Strahl innerhalb des Kopfes positioniert ist. Hinter dem Umlenkspiegel befinden sich ein Sensor und eine Optik. Bei dieser Anordnung ist der Sensor koaxial zur optischen Achse des Prozesses und kann das Prozesslicht überwachen, das durch den Umlenkspiegel verläuft. Diese Anordnung erfordert jedoch viel Platz und macht den Laserschneidkopf erheblich schwerer.
Eine weitere Anordnung zur Prozessüberwachung in einem Laserschneidkopf verwendet ebenfalls einen Umlenkspiegel (z. B. einen dichroitischen Spiegel), aber der Spiegel ist zwischen der Eingangsfaser und der Kollimatorlinse innerhalb des Kopfes positioniert. Der Umlenkspiegel in dieser Position lenkt Prozesslicht zu einem Sensor, doch der Spiegel kann eine beträchtliche Menge an Platz beanspruchen. Da das Laserlicht von der Faserspitze durch den Umlenkspiegel verläuft, beeinflusst der Platzbedarf des Umlenkspiegels in jedem Fall das optische Design des Kopfes. Außerdem ist die Leistungsdichte auf dem Umlenkspiegel hoch.
Eine weitere Anordnung zur Prozessüberwachung in einem Laserschneidkopf verwendet einen in das Laserlichtkabel oder in die Laserquelle selbst eingebetteten Sensor, um das zurückreflektierte Prozesslicht zu detektieren. Ein Beispiel ist in US 2020/0298334 offenbart. Diese Anordnung kann kostspielig sein und die Qualität der Laserquelle beeinträchtigen, bedeutet aber in jedem Fall eine Einschränkung bei der Auswahl der Laserquelle
Der Gegenstand der vorliegenden Offenbarung ist darauf gerichtet, eines oder mehrere der oben dargelegten Probleme zu überwinden oder zumindest deren Auswirkungen zu reduzieren.
Kurzdarstellung der Erfindung
Ein hierin offenbarter Laserbearbeitungskopf leitet Laserenergie zu einem Prozess an einem Werkstück. Der Laserbearbeitungskopf umfasst einen Fasereingang, ein einstellbares optisches System, einen Ausgang und einen Prozessmonitor. Der Fasereingang emittiert die Laserenergie entlang einer optischen Achse und das auf der optischen Achse angeordnete einstellbare optische System ist dazu konfiguriert, die Laserenergie als Laserstrahl zu fokussieren. Das einstellbare optische System beinhaltet ein oder mehrere einstellbare optische Elemente. Ein erstes des einen oder der mehreren einstellbaren optischen Elemente ist zwischen dem Fasereingang und einem beliebigen anderen des einen oder der mehreren einstellbaren optischen Elemente angeordnet. Der Ausgang ist auf der optischen Achse angeordnet, durch die der Laserstrahl konfigurationsgemäß zu einem Fokuspunkt verläuft. Der Prozessmonitor ist dazu konfiguriert, einen Abschnitt des Prozesslichts zu erfassen, der von dem Prozess durch mindestens einen Abschnitt des einstellbaren optischen Systems zu einer Erfassungsposition zurückgekehrt ist. Die Erfassungsposition ist seitlich von der optischen Achse angeordnet und ist in dem Abschnitt des Prozesslichts außerhalb des Laserstrahls positioniert. Die Erfassungsposition ist längs entlang der optischen Achse angeordnet und ist zwischen dem Fasereingang und dem ersten einstellbaren optischen Element positioniert.
Ein hierin offenbarter Laserbearbeitungskopf leitet Laserenergie zu einem Prozess an einem Werkstück. Der Laserbearbeitungskopf umfasst einen Fasereingang, ein einstellbares optisches System, einen Ausgang und einen oder mehrere Sensoren. Der Fasereingang emittiert die Laserenergie entlang einer optischen Achse und das auf der optischen Achse angeordnete einstellbare optische System ist dazu konfiguriert, die Laserenergie als Laserstrahl zu fokussieren. Das einstellbare optische System beinhaltet ein oder mehrere einstellbare optische Elemente. Ein erstes des einen oder der mehreren einstellbaren optischen Elemente ist zwischen dem Fasereingang und einem beliebigen anderen des einen oder der mehreren einstellbaren optischen Elemente angeordnet. Der Ausgang ist dazu konfiguriert, den Laserstrahl zu einem Fokuspunkt weiterzuleiten. Der eine oder die mehreren Sensoren sind dazu konfiguriert, einen Abschnitt des Prozesslichts zu erfassen, der von dem Prozess durch mindestens einen Abschnitt des einstellbaren optischen Systems zu einer Erfassungsposition zurückgekehrt ist. Die Erfassungsposition ist seitlich von der optischen Achse angeordnet und ist in dem Abschnitt des Prozesslichts außerhalb des Laserstrahls positioniert. Die Erfassungsposition ist längs entlang der optischen Achse angeordnet und ist zwischen dem Fasereingang und dem ersten einstellbaren optischen Element positioniert.
Ein hierin offenbarter Laserbearbeitungskopf leitet Laserenergie zu einem Prozess an einem Werkstück. Der Laserbearbeitungskopf umfasst einen Fasereingang, ein einstellbares optisches System, einen Ausgang, ein Relais und einen oder mehrere Sensoren. Der Fasereingang emittiert die Laserenergie entlang einer optischen Achse und das auf der optischen Achse angeordnete einstellbare optische System ist dazu konfiguriert, die Laserenergie als Laserstrahl zu fokussieren. Das einstellbare optische System beinhaltet ein oder mehrere einstellbare optische Elemente. Ein erstes des einen oder der mehreren einstellbaren optischen Elemente ist zwischen dem Fasereingang und einem beliebigen anderen des einen oder der mehreren einstellbaren optischen Elemente angeordnet. Der Ausgang, der auf der optischen Achse angeordnet ist, ist dazu konfiguriert, den Laserstrahl zu einem Fokuspunkt weiterzuleiten. Das Relais ist in einer Erfassungsposition zwischen dem Fasereingang und dem ersten einstellbaren optischen Element positioniert. Das Relais ist dazu konfiguriert, einen Abschnitt des Prozesslichts, der von dem Prozess durch mindestens einen Abschnitt des einstellbaren optischen Systems zu einer Erfassungsposition zurückgekehrt ist, zu lenken. Die Erfassungsposition ist seitlich von der optischen Achse angeordnet und ist in dem Abschnitt des Prozesslichts außerhalb des Laserstrahls positioniert. Die Erfassungsposition ist längs entlang der optischen Achse angeordnet und ist zwischen dem Fasereingang und dem ersten einstellbaren optischen Element positioniert. Ein oder mehrere Sensoren in optischer Verbindung mit dem Relais sind dazu konfiguriert, den darauf gelenkten Abschnitt des Prozesslichts zu detektieren.
Ein hierin offenbartes Laserbearbeitungsverfahren umfasst Folgendes: Leiten von Laserenergie zu einem Prozess an einem Werkstück durch: Emittieren der Laserenergie von einem Fasereingang eines Kopfes, Fokussieren der Laserenergie als Laserstrahl unter Verwendung eines einstellbaren optischen Systems des Kopfes und Weiterleiten des Laserstrahls durch einen Ausgang des Kopfes zu einem Fokuspunkt, wobei das einstellbare optische System ein oder mehrere einstellbare optische Elemente beinhaltet, wobei ein erstes des einen oder der mehreren einstellbaren optischen Elemente zwischen dem Fasereingang und einem beliebigen anderen des einen oder der mehreren einstellbaren optischen Elemente angeordnet ist; und Überwachen des Prozesses durch Detektieren eines Abschnitts des Prozesslichts, der von dem Prozess durch mindestens einen Abschnitt des einstellbaren optischen Systems zu einer Erfassungsposition zurückgekehrt ist, wobei die Erfassungsposition seitlich von der optischen Achse angeordnet und in dem Abschnitt des Prozesslichts außerhalb des Laserstrahls positioniert ist, wobei die Erfassungsposition längs entlang der optischen Achse angeordnet und zwischen dem Fasereingang und dem ersten einstellbaren optischen Element positioniert ist.
Die vorstehende Kurzdarstellung ist nicht dazu gedacht, jede mögliche Ausführungsform oder jeden Aspekt der vorliegenden Offenbarung zusammenzufassen.
Kurzbeschreibung der Figuren
Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Figuren näher dargestellt. Dabei ist für den Fachmann offensichtlich, dass es sich nur um mögliche Ausführungsformen handelt, ohne dass die Erfindung auf die gezeigten Ausführungsformen beschränkt wird. Es zeigt:

1 veranschaulicht ein Beispiel eines Laserbearbeitungskopfs, der einen Prozessmonitor verwenden kann, gemäß der vorliegenden Offenbarung.
2A veranschaulicht eine schematische Ansicht eines Laserbearbeitungskopfs mit einem Prozessmonitor gemäß der vorliegenden Offenbarung.
2B veranschaulicht den Laserbearbeitungskopf aus 2A in einem anderen Betriebszustand.
3 veranschaulicht eine schematische Ansicht eines Laserbearbeitungskopfes mit dem offenbarten Prozessmonitor.
4 veranschaulicht eine schematische Ansicht eines weiteren Laserbearbeitungskopfs mit dem offenbarten Prozessmonitor.
5 veranschaulicht eine schematische Ansicht noch eines weiteren Laserbearbeitungskopfs mit einem Prozessmonitor gemäß der vorliegenden Offenbarung.
6A-6B veranschaulichen schematische Ansichten eines Abschnitts eines Laserbearbeitungskopfs mit Prozessmonitoren der vorliegenden Offenbarung.
7A veranschaulicht einen Prozessmonitor der vorliegenden Offenbarung mit einem optischen Kollektor.
7B veranschaulicht einen Prozessmonitor der vorliegenden Offenbarung mit gegenüberliegenden reflektierenden Ringen.
7C veranschaulicht einen Prozessmonitor der vorliegenden Offenbarung mit einem konturierten Spiegel.
8 veranschaulicht einen Prozessmonitor der vorliegenden Offenbarung mit einer Aperturplatte mit einer reflektierenden Kante.

Ausführliche Beschreibung der Erfindung
Das technische Problem der Erfindung wird durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche gelöst. Weitere Ausführungsformen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
1 veranschaulicht einen Laserbearbeitungskopf 10, der einen Prozessmonitor 40 verwenden kann, gemäß der vorliegenden Offenbarung. Der Laserbearbeitungskopf 10 wird verwendet, um eine Laseroperation durchzuführen, wie etwa Laserschneiden, Schweißen, Löten, Oberflächenbehandlung, taktiles Löten, additive Fertigungsverfahren und dergleichen. Beispielsweise kann der Laserbearbeitungskopf 10 ein Laserschneidkopf sein, der verwendet wird, um ein Werkstück WP mit einem emittierten Laserstrahl L zu schneiden.
Der Laserbearbeitungskopf 10 beinhaltet ein Gehäuse 12, das ein einstellbares optisches System 30 hält. Eine Aufnahme 14 an einem Ende des Gehäuses 12 ist an ein Laserkabel C gekoppelt, das die Laserenergie in den Kopf 10 leitet. Eine (nicht gezeigte) Laserquelle erzeugt Hochleistungslaserlicht, das sich entlang des faseroptischen Kabels C zu der Aufnahme 14 ausbreitet. Intern fokussiert das einstellbare optische System 30, das mindestens ein einstellbares optisches Element aufweist, die Laserenergie in einen Laserstrahl L, der auf ein Werkstück WP gelenkt wird, um Schneiden, Löten, Schweißen, additive Fertigung oder einen anderen Laserprozess zu ermöglichen. Die Faser des Kabels C kann einen oder mehrere lichtführende Bereich haben und der Laserstrahl L kann eine beliebige gewünschte Form aufweisen. Beispielsweise kann der Laserstrahl L ein ringförmiger Laserstrahl sein, wie er beispielsweise beim Schneiden von dicken Materialien verwendet wird.
Wie gezeigt, kann das Ausgangsende des Gehäuses 12 eine Düse 20 aufweisen, die es ermöglicht, dass der fokussierte Laserstrahl L und jegliches Prozessgas während des Laserbetriebs aus dem Gehäuse 12 emittiert werden. Währenddessen kann der Laserbearbeitungskopf 10 relativ zu dem Werkstück WP bewegt werden und/oder kann das Werkstück WP relativ zu diesem bewegt werden. Beispielsweise kann der Laserbearbeitungskopf 10 durch ein Portalsystem, einen Roboterarm oder eine andere Vorrichtung (nicht gezeigt) bewegt werden, die in der Technik verwendet wird.
Um das einstellbare optische System 30 innerhalb des Gehäuses 12 zu schützen, kann der Kopf 10 einen Schutzglaseinsatz 18, der ein austauschbares Schutzglas hält, beinhalten. Dieses Schutzglas wirkt als transparentes Fenster zwischen dem Inneren des Gehäuses 12 (mit dem einstellbaren optischen System 30) und der Außenumgebung (die dem Laserprozess am Werkstück WP ausgesetzt ist). Eine Zugangsklappe in der Seite des Kopfes 10 ermöglicht das Entfernen und Austauschen des Einsatzes 18. Zwischen der Aufnahme 14 und dem einstellbaren optischen System 30 kann auch ein weiterer Schutzglaseinsatz 16 bereitgestellt sein, um das einstellbare optische System 30 vor Verunreinigung und Schmutz zu schützen. Die Düse 20 schützt auch den Laserschneidkopf 10.
Während des Betriebs ist der Prozessmonitor 40 innerhalb des Gehäuses 12 dazu konfiguriert, von dem Prozess (bei der Wechselwirkung des Laserstrahls L und des Werkstücks WP) zurückkehrendes Prozesslicht zu überwachen, das durch das Gehäuse 12 und das einstellbare optische System 30 zu dem Prozessmonitor 40 zurückkehrt. Im Allgemeinen kann der Prozessmonitor 40 auf beiden Seiten des Schutzglases 16 positioniert sein. Der Prozessmonitor 40 ist jedoch oberhalb des aller einstellbaren optischen Elemente des einstellbaren optischen Systems 30 positioniert. Insofern können beliebige optische Elemente über dem Prozessmonitor 40 positioniert sein, solange diese optischen Elemente nicht im laufenden Betrieb einstellbar sind.
Der Laserbearbeitungskopf 10 kann dann basierend auf dem überwachten Prozesslicht, das durch den Prozessmonitor 40 detektiert wird, gesteuert werden. Vorzugsweise weist der Prozessmonitor 40 für den Kopf 10 ein kleines Volumen innerhalb des Bearbeitungskopfs 10 auf, sodass der Prozessmonitor 40 nur eine begrenzte Menge an Platz innerhalb des Gehäuses 12 benötigt. Außerdem schreibt der Prozessmonitor 40 dem Kopf 10 vorzugsweise keine spezifische Geometrie vor, wie es erforderlich ist, wenn ein Ablenkspiegel innerhalb eines Kopfes verwendet wird. Ferner kann der Prozessmonitor 40 vorzugsweise mit dem einstellbaren optischen System 30 verwendet werden und kann den Prozess unabhängig von den Einstellungen an den einstellbaren optischen Elementen des einstellbaren optischen Systems 30 überwachen.
2A veranschaulicht eine schematische Ansicht eines Laserbearbeitungskopfs 10 mit einem Prozessmonitor 40 gemäß der vorliegenden Offenbarung und 2B veranschaulicht den Laserbearbeitungskopf 10 aus 2A in einem anderen Betriebszustand. Der Kopf 10 beinhaltet einen Eingang 15 für die Laserenergie und beinhaltet das einstellbare optische System 30 zum Lenken eines Laserstrahls L von der Düse 20 des Kopfes 10. Der Eingang 15 emittiert die Laserenergie entlang einer optischen Achse A, und das auf der optischen Achse A angeordnete einstellbare optische System 30 ist dazu konfiguriert, die Laserenergie als den Laserstrahl L zu fokussieren, der von der Düse 20 des Kopfes zu einem Fokuspunkt S verläuft. [0035] Wie gezeigt, kann das einstellbare optische System 30 ein oder mehrere optische Elemente 32, 34 beinhalten, und die Düse 20 zum Ausgeben des Laserstrahls L kann durch ein Schutzglas 19 von dem einstellbaren optischen System 30 getrennt sein. Wie angemerkt, sind der Eingang 15, das einstellbare optische System 30, das Schutzglas 19 und dergleichen in einem Gehäuse (nicht gezeigt) des Kopfes 10 angeordnet. Unterdessen erstreckt sich die Düse 20 von dem Gehäuse des Kopfes 10, um den Laserstrahl L und jegliches Prozessgas in Richtung des Werkstücks WP zu emittieren.
Im Allgemeinen kann das einstellbare optische System 30 ein oder mehrere einstellbare optische Elemente beinhalten, und ein erstes des einen oder der mehreren einstellbaren optischen Elemente ist zwischen dem Fasereingang 15 und einem beliebigen anderen des einen oder der mehreren einstellbaren optischen Elemente angeordnet. Der Prozessmonitor 40 ist dazu konfiguriert, einen Abschnitt des Prozesslichts P, der von dem Prozess durch mindestens einen Abschnitt des einstellbaren optischen Systems 30 zu einer Erfassungsposition 13 zurückgekehrt ist, zu erfassen. Die Erfassungsposition 13 ist seitlich von der optischen Achse A angeordnet und ist in dem Abschnitt des Prozesslichts P außerhalb des Laserstrahls L positioniert. Die Erfassungsposition 13 ist längs entlang der optischen Achse A angeordnet und ist zwischen dem Fasereingang 15 und dem ersten einstellbaren optischen Element positioniert.
In dem vorliegenden Beispiel, das in 2A-2B gezeigt ist, beinhaltet das einstellbare optische System 30 beispielsweise ein einstellbares optisches Element. In einigen Ausführungsformen des Kopfes 10, wie in dem Beispiel von 2A-2B, kann das erste optische Element oder die erste Linse 32 benachbart zu dem Eingang 15 einstellbar sein und durch Betätigung bewegt werden, während das zweite optische Element 34 in Richtung des Ausgangs des Kopfes 10 feststehend ist. (2A-2B zeigen das erste einstellbare optische Element 32, das auf unterschiedliche Positionen entlang der optischen Achse A eingestellt ist.)
Der Prozessmonitor 40 ist „über“ oder „vor“ dem ersten verstellbaren optischen Element 32 entlang der optischen Achse A positioniert. Insbesondere ist der Prozessmonitor 40 in einer Erfassungsposition 13 positioniert, die in einem Raum 11 zwischen dem Eingang 15 und dem ersten einstellbaren optischen Element 32 angeordnet ist. Es können jedoch auch andere Anordnungen verwendet werden. („Über“, „vor“ usw. werden lediglich der Einfachheit halber verwendet, um die Anordnung und Positionen des Eingangs 15, der Elemente 32, 34, des Prozessmonitors 40 und dergleichen entlang des optischen Pfads oder der Achse A des Kopfes 10 zu beschreiben.)
In einem weiteren Beispiel kann der Prozessmonitor 40, wie in 3 gezeigt, zwischen einem ersten optischen Element 33 und dem Eingang 15 positioniert sein. Das erste optische Element 33 kann jedoch feststehend sein, während ein zweites optisches Element 35 einstellbar sein und durch Betätigung bewegt werden kann. Mit anderen Worten ist der Prozessmonitor 40 in 3 immer noch „über“ oder „vor“ dem ersten einstellbaren optischen Element 35 positioniert. Tatsächlich kann, wie in 4 gezeigt, der Prozessmonitor 40 in einer alternativen Anordnung für den Kopf 10 zwischen dem feststehenden optischen Element 33 und dem ersten einstellbaren optischen Element 35 positioniert sein.
Während des Betriebs des Kopfes 20 in 2A-2B emittiert der Eingang 15 (z. B. eine Hochleistungs-Laserübertragungsfaser) im Kopf 10 einen Hochleistungslaserstrahl L im Kopf 10, der entlang der optischen Achse A durch das einstellbare optische System 30 verläuft. Von dem einstellbaren optischen System 30 wird der Laserstrahl L fokussiert, um durch das schützende Schutzglas 19 und dann zu der Düse 20 zu verlaufen. Der Laserstrahl L wird auf den Fokuspunkt S fokussiert, und der Laserstrahl L trifft dann an oder nahe einem Werkstück WP oder einer anderen gewünschten Prozesszone für den Laserbetrieb auf. Je nach Laserprozess kann sich der Fokuspunkt San oder nahe dem Werkstück WP befinden, kann sich wie in 2A in der Austrittsebene der Düse 20 befinden oder kann sich an einer anderen Stelle entlang der optischen Achse befinden, die für den vorliegenden Prozess geeignet ist. Beispielsweise veranschaulicht 2B den Laserbearbeitungskopf 10 aus 2A, wobei der Laserstrahl L auf den Fokuspunkt S fokussiert ist, der sich außerhalb der Düse 20 befindet.
Der Laserbearbeitungskopf 10 kann in einem Laserprozess verwendet werden, bei dem der Fokuspunkt S des Laserstrahls L in der optischen Achse A relativ zum Werkstück WP eingestellt werden kann. Beispielsweise ermöglichen ein oder die mehrere bewegliche Linsenelemente 34, dass der Fokuspunkt S des Laserstrahls L entlang der optischen Achse A in der Z-Richtung eingestellt wird. Auf diese Weise kann der Fokuspunkt S an unterschiedliche Konturen des Werkstücks WP oder an unterschiedliche für den Laserprozess benötigte Prozesszonen angepasst werden. Diese Einstellung entlang der optischen Achse A kann durchgeführt werden, während der Kopf 10 relativ zu dem Werkstück WP stationär bleibt, während sich der Kopf 10 in der XY-Ebene relativ zu dem Werkstück WP bewegt, während der Kopf 10 auch entlang der Z-Richtung bewegt wird, oder wenn eine Kombination solcher Bewegungen durchgeführt wird.
Beispielsweise verwendet der Laserbearbeitungskopf 10 als ein Laserschneidkopf den Laserstrahl L, um Schneidevorgänge an dem Werkstück WP, wie etwa Blechen aus unterschiedlichen Materialien, durchzuführen. Der Laserschneidprozess erfordert eine präzise Steuerung des Schneidkopfs 10 und erfordert eine besondere Steuerung des Spalts zwischen der Spitze der Düse 20 des Schneidkopfs (wo der Laserstrahl L austritt) und der Oberfläche des zu schneidenden Materials (d. h. des Werkstücks WP) sowie eine besondere Steuerung der Position des Laserfokuspunkts S relativ zum Werkstück WP. Zusätzlich können bestimmte Strahlformen, eine seitliche Dezentralisierung des Laserstrahls L in der Düse 20 oder eine Änderung der Vergrößerung für das Schneiden des konkreten Materials vorteilhaft sein. Zu diesem Zweck verwendet der Laserschneidkopf 10 das einstellbare optische System 30 zum Steuern des Schneidprozesses. Andere Sensoren, wie etwa ein kapazitiver Höhensensor der Düse 20, werden zum Steuern anderer Aspekte des Schneidprozesses verwendet.
Allgemein ausgedrückt wandelt der Laserschneidkopf 10 die Energie einer Hochleistungslaserquelle (typischerweise ein CO2- oder YAG-Laser) in den Laserstrahl L um, der in der Lage ist, ein Metallblech WP auf präzise und kontrollierte Weise durchzuschneiden (zu durchtrennen). Der Schneidkopf 10 kann den Laserstrahl L durch die Reihe von Linsen 32, 34 weiterleiten, die den Laserstrahl L auf den für den Schneidprozess bemessenen Fokuspunkt S fokussieren. Der fokussierte Strahl wird durch die Düse 20 des Schneidkopfs 10 und auf die zu schneidende Materialbahn WP gelenkt.
Gleichzeitig wird zusammen mit dem Laserstrahl L auch ein Begleitgas (typischerweise Stickstoff oder Sauerstoff und manchmal als Schneid- oder Prozessgas bezeichnet) von der Düse 20 an die Oberfläche des Werkstücks WP abgegeben. Das Schneidgas dient entweder dazu, den Schmelzprozess zu unterstützen (z. B. „Oxy-Brennprozess“) oder dazu beizutragen, geschmolzenes Material von dem Werkstück WP wegzublasen. Zum Beispiel kann das Schneidgas Material von der Düse 20 weg und nach unten durch die Schnittfuge blasen, sodass das Material von der Unterseite des Werkstücks WP ausgestoßen wird. Unterdessen ist die Düse 20 typischerweise in einem konkreten Abstand von dem Werkstück WP positioniert, um ein ordnungsgemäßes Schneiden zu erreichen und um zu vermeiden, dass geschmolzenes Material die Düse 20 und den Schneidkopf 10 verunreinigt.
Um einen solchen Laserprozess zu überwachen, beinhaltet der Kopf 10 den Prozessmonitor 40, wie in 2A-2B, 3 und 4 gezeigt, der mindestens einen optischen Sensor 60 beinhaltet. In dem vorliegenden Beispiel ist ein Relais 50 in der Erfassungsposition 13 zwischen dem Fasereingang 15 und dem ersten einstellbaren optischen Element des einstellbaren optischen Systems 30 positioniert. In 2A-2B ist das Relais 50 beispielsweise in der Erfassungsposition 13 zwischen dem Fasereingang 15 und dem ersten einstellbaren optischen Element 32 positioniert. In 3 ist das Relais 50 in der Erfassungsposition 13 zwischen dem Fasereingang 15 und dem optischen Element 33 positioniert, sodass das Relais 50 immer noch „über“ oder „vor“ dem ersten einstellbaren optischen Element 35 ist. In 4 ist das Relais 50 in der Erfassungsposition 13 zwischen dem optischen Element 33 und dem einstellbaren optischen Element 35 positioniert, sodass das Relais 50 immer noch „über“ oder „vor“ dem ersten einstellbaren optischen Element 35 ist.
Das Relais 50 lenkt den Abschnitt des Prozesslichts P zu dem mindestens einen Sensor 60, der in optischer Verbindung mit dem Relais 50 steht und dazu konfiguriert ist, den darauf gelenkten Abschnitt des Prozesslichts P zu detektieren. In 2A-2B und 3 kann das Relais 50 mindestens ein Reflektor sein, wie etwa ein Spiegel, der in dem Raum 11 zwischen der Faserspitze 15 und dem ersten optischen Element (32 oder 33) des einstellbaren optischen Systems 30 in dem Kopf 10 positioniert ist. In 4 kann das Relais 50 mindestens ein Reflektor sein, wie etwa ein Spiegel, der in dem Raum 11 zwischen den optischen Elementen (33 und 35) des einstellbaren optischen Systems 30 in dem Kopf 10 positioniert ist. Wenn im Raum 11 genügend Platz vorhanden ist, kann sich der mindestens eine Sensor 60 direkt an der geeigneten Erfassungsposition 13 befinden, anstatt die Verwendung des Relais 50 zu erfordern.
Dieser Raum 11 ist typischerweise innerhalb des Gehäuses des Kopfes 10 begrenzt. Der Raum 11 muss keine konkrete Form aufweisen und kann einfach jeden normalen dreidimensionalen Bereich umfassen, der in dem Gehäuse des Kopfes 10 frei oder verfügbar ist, wo sich ein Sensor oder Reflektor befinden kann, der auf einen bestimmten Winkelraum des Strahlkegels des zurückkehrenden Prozesslichts P blickt. Der zum Anordnen des Relais 50 verfügbare Raum 11 liegt außerhalb des divergierenden Kegels des Laserstrahls L zwischen dem Fasereingang 15 und dem Linsenelement 32. Allgemein ist dieser verfügbare Raum 11 in 2A-2B und 3 ein Volumen oder Bereich eckiger oder konischer Art, das bzw. der durch die inneren Abmessungen und die Form des umgebenden Gehäuses begrenzt ist. In 4 ist dieser verfügbare Raum 11 ein Volumen oder Bereich zylindrischer Art, das bzw. der durch die Innenabmessungen und die Form des umgebenden Gehäuses begrenzt ist.
Das Relais 50 als Spiegel besteht vorzugsweise aus einem Metallmaterial mit einer hochreflektierenden Beschichtung. Der mindestens eine optische Sensor 60 kann eine oder mehrere Fotodioden, eine Infrarotkamera, eine Hochgeschwindigkeitskamera, ein Spektrometer, ein Pyrometer oder eine andere Art von optischem Erfassungselement beinhalten, um eine Eigenschaft (z. B. Intensität) des zurückkehrenden Prozesslichts P zu detektieren.
Das von dem Prozess reflektierte Prozesslicht P wandert zurück zu dem Relais 50 durch das einstellbare optische System 30, das reversible optische Auswirkungen auf das Prozesslicht P hat. Daher sieht das Relais 50 mindestens einen Bereich eines Hohlkegels oder Zylinders des zurückgekehrten Prozesslichts P, der um den emittierten Laserstrahl L herum abgebildet wird. Die Belichtung des Bereichs des Hohlkegels oder Zylinders kann für die meisten Erfassungsvorgänge ausreichend sein, aber das Relais 50 und andere Komponenten des Prozessmonitors 40 können eine kompliziertere Anordnung aufweisen, um mehr oder weniger einen vollständigen 360-Grad-Ring um den Kegel oder Zylinder des Prozesslichts P zu erfassen. Der Hohlkegel oder Zylinder des Prozesslichts P wird immer dieselbe relative Größe (numerische Apertur) zu dem Laserstrahl L aufweisen, der zwischen dem Eingang 15 des ersten optischen Elements 32 emittiert wird, ungeachtet der tatsächlichen Einstellungen des einstellbaren optischen Systems 30. Da alle Aperturen in dem Kopf 10 leicht überdimensioniert ausgelegt werden müssen, damit der größtmögliche Strahl, der durch das einstellbare optische System 30 erzeugt wird, ungehindert durch den Kopf 10 verlaufen kann, wird dieser Kegel oder Zylinder des Prozesslichts P auch immer ungehindert sein.
Wie vorstehend angemerkt, ist das Relais 50 zum Lenken des Prozesslichts P in der Erfassungsposition 13 in dem Raum 11 „über“ einem, „vor“ einem oder „strahlaufwärts“ eines beliebigen einstellbaren optischen Element(s) oder einer beliebigen Linse des einstellbaren optischen Systems 30 positioniert und ist in einem Pfad des Prozesslichts P etwas neben dem Laserstrahl L positioniert. Wie beschrieben, beinhaltet das einstellbare optische System 30 ein oder mehrere optische Elemente oder eine oder mehrere Linsen - von denen mindestens eine einstellbar ist. Der Prozessmonitor 40 verwendet den Sensor 60, um das Prozesslicht P „über“ einem, „vor“ einem, „strahlaufwärts“ usw. des ersten einstellbaren optischen Elements des Systems 30 zu überwachen. Wenn das erste einstellbare optische Element das letzte Element im System 30 in Richtung des Ausgangs des Kopfes 30 ist, wie in 4, dann verwendet der Prozessmonitor 40 den Sensor 60, um das Prozesslicht P an jeder zur Implementierung geeigneten Erfassungsposition 13 zu überwachen, die vor oder über diesem Element liegt.
Diese Erfassungsposition 13 kann genau über dem einstellbaren optischen Element 32 sein, wie in 2A-2B, oder genau über dem einstellbaren optischen Element 35, wie in 3. Wenn davor nicht einstellbare optische Elemente vorhanden sind, kann die Erfassungsposition 13 an jeder geeigneten Position entlang der optischen Achse A liegen, wie in 3 oder 4.
Eine Standard-Erfassungsposition 13 befindet sich jedoch im oberen Raum 11 über dem ersten optischen Element, wie in 2A, 2B und 3. Da das Prozesslicht P größtenteils gleichförmig in Richtung des Kopfes 10 übertragen wird, wird es immer Prozesslicht P in diesem oberen Raum 11 geben. Die gesamte Manipulation des Laserstrahls L durch das einstellbare optische System 30 findet in dem Kopf 10 unterhalb dieses oberen Raums 11 statt. Daher wird das Prozesslicht P auch umgekehrt der inversen Manipulation des einstellbaren optischen Systems 30 unterzogen. Der Prozesssensor 60 sieht das Prozesslicht P immer auf die gleiche Weise zurückkehrend. h. als einen konvergierenden Lichtkegel um den divergierenden Lichtkegel des Laserstrahls L. Der Sensor 60 kann daher das entlang der Umrisslinie des Laserstrahls zurückkehrende Prozesslicht P an dem Material des Werkstücks WP oder innerhalb davon sehen.
Wie erwähnt, kann der Prozesssensor 60 eine Fotodiode, eine Infrarotkamera, eine Hochgeschwindigkeitskamera, ein Spektrometer, ein Pyrometer oder eine andere Art von optischem Erfassungselement sein, um eine Eigenschaft (z. B. Intensität) des darauf einfallenden Prozesslichts P zu detektieren und zu messen. Eine mit dem Sensor 60 verbundene Steuerung 62 kann eine oder mehrere gewünschte Eigenschaften des Schnitts (oder eines anderen Prozesses) basierend auf dem detektierten Prozesslicht bestimmen. Die Eigenschaften können Intensität, Schwankungsfrequenz, Penetration, Schnittfuge, Defekte, Qualität usw. beinhalten und können verwendet werden, um den Schnitt (oder einen anderen Prozess) zu überwachen, der durch den Laserstrahl L am Werkstück WP hergestellt wird. In einem Beispiel kann die Steuerung 62 Fotodioden des Sensors 60 verwenden, um die Schnittqualität in Echtzeit zu bestimmen, und die Steuerung 62 kann eine adaptive Rückkopplungssteuerung verwenden, um die Schnittgeschwindigkeit zu erhöhen oder die Schnittqualität zu verbessern. In einem weiteren Beispiel kann die Steuerung 62 detektieren, wann das Einstechen erfolgt ist, um den Schneidprozess einzuleiten.
Wie in 2A gezeigt, liegt der Fokus des Laserstrahls L an oder innerhalb der Düse 20. Das Prozesslicht P wird durch das einstellbare optische System 30 auf das Relais 50 (z. B. Spiegel) abgebildet, das einen Abschnitt des Prozesslichts P auf den Sensor 60 lenkt. Wie in 2B gezeigt, befinden sich die Fokuspunkte S des Laserstrahls L jedoch außerhalb (d. h. unter) der Düse 20. Da die Abbildung durch das einstellbare optische System 30 jedoch invertiert und umgekehrt werden kann, wird das Prozesslicht P an der gleichen Position und im gleichen Winkel zum Relais 50 zurückkehren.
In 2A-2B und 3 ist das Relais 50, wie etwa der oben beschriebene Spiegel, bei einer erhöhten numerischen Apertur (NA) gegenüber der numerischen Apertur (NA) der Faserspitze 15 positioniert. In einer Konfiguration kann das Relais 50 auf 10 % jenseits der numerischen Apertur der Faserspitze 15 eingestellt sein. Auf diese Weise trifft das Relais 50 auf einen konvergierenden Kegel des Prozesslichts P, das durch das einstellbare optische System 30 zurückgegeben wird, der etwa 10 % größer ist als der divergierende Kegel des Laserstrahls L von der Faserspitze 15. In einem konkreten Beispiel kann der aus der Faserspitze 15 austretende Laserstrahl L eine numerische Apertur (NA) von 120 mrad aufweisen. Das Relais 50 (z. B. der Spiegel) kann so angeordnet sein, dass es auf Prozesslicht P mit einer numerischen Apertur (NA) von 132 mrad (z. B. 10 % größer) trifft. Auf diese Weise können der eine oder die mehreren Sensoren 60 in Kommunikation mit dem Spiegel 50 Licht von einem Hohlkegel mit einem Aperturwinkel detektieren, der 10 % größer als der Laserstrahl L ist. Diese Abbildung kann ungeachtet jeglicher Einstellung durch das einstellbare optische System 30 erreicht werden, da die optischen Auswirkungen des Systems 30 reversibel sind.
In 4 ist das Relais 50, wie etwa der Spiegel, bei einer erhöhten numerischen Apertur (NA) gegenüber der numerischen Apertur (NA) der Faserspitze 15 und des feststehenden optischen Elements 33 positioniert. In einer Konfiguration kann das Relais 50 auf 10 % jenseits der numerischen Apertur der Faserspitze 15 und des feststehenden optischen Elements 33 eingestellt sein. Auf diese Weise trifft das Relais 50 auf einen Hohlkegel des Prozesslichts P, das durch das einstellbare optische System 30 zurückgegeben wird, der etwa 10 % größer ist als der zylindrische kollimierte Laserstrahl L von der Faserspitze 15 und dem feststehenden optischen Element 33.
5 veranschaulicht eine schematische Ansicht eines weiteren Laserbearbeitungskopfs 10 mit einem Prozessmonitor 40 gemäß der vorliegenden Offenbarung. In diesem Beispiel beinhaltet das einstellbare optische System 30 des Kopfes 10 eine komplexe Zoomoptik 36, die einstellbar ist, um die Vergrößerung des Laserstrahls L zu ändern. Beispiele der Zoomoptik 36 sind in DE 102011117607 und DE 102019108084 offenbart, die hierin durch Bezugnahme eingeschlossen sind.
Die Zoomoptik 36 kann den Fokusdurchmesser und die Fokuslänge des Laserstrahls L einstellen. Je nach Einstellung durch die Zoomoptik 36 kann der Laserstrahl L einen kleineren oder größeren Außendurchmesser aufweisen. Der Hohlkegel des Prozesslichts P über der Zoomoptik 36 ist jedoch gleich groß (numerische Apertur), da das Prozesslicht P die Zoomoptik 36 des einstellbaren optischen Systems 30 in umgekehrter Richtung durchläuft. Dadurch kann der Prozessmonitor 40 in ähnlicher Weise wie vorstehend beschrieben arbeiten.
Die Anordnungen aus 2A-2B, 3, 4 und 5 sind nur schematisch gezeigt. Wie aus der vorliegenden Offenbarung hervorgeht, kann das Relais 50 (z. B. Spiegel) einen Abschnitt des zurückgekehrten Prozesslichts P in eine andere Richtung als gezeigt lenken. Insbesondere kann das Relais 50 (z. B. Spiegel) den Abschnitt des Prozesslichts P so lenken, dass er den emittierten Laserstrahl L nicht kreuzt.
Zusätzlich können andere Anordnungen des Prozessmonitors 40 verwendet werden. Das Relais 50 kann in andere Bauteile, insbesondere eine Apertur, im Kopf 10 integriert sein. Wenn es der Platz zulässt, kann ein Relais (z. B. ein Reflektor, ein Spiegel usw.) nicht verwendet werden, und ein Sensor 60 kann direkt an der Erfassungsposition 13 in dem Raum 11 angeordnet sein, um das Prozesslicht P zu überwachen.
Wie vorstehend erwähnt, ist das Relais 50 (z. B. Reflektor, Spiegel usw.) nicht erforderlich. Stattdessen kann der Sensor 60 des Prozessmonitors 40 an den geeigneten Positionen platziert sein, wenn es der Raum 11 zulässt. 6A veranschaulicht zum Beispiel eine schematische Ansicht eines Abschnitts eines Laserbearbeitungskopfs 10 mit einem weiteren Prozessmonitor 40 gemäß der vorliegenden Offenbarung. In dieser Konfiguration beinhaltet der Prozessmonitor 40 einen oder mehrere Sensoren 60, die in dem Winkelraum 11 positioniert und direkt im Weg des Hohlkegels des zurückgekehrten Prozesslichts P angeordnet sind. Diese Anordnung kann die Notwendigkeit eines Reflektors oder Spiegels wie bei anderen Konfigurationen eliminieren.
Im Allgemeinen kann der Prozessmonitor 40 ein Relais 50, wie etwa einen Reflektor, einen Spiegel, eine optische Glasfaser oder eine andere Art von Relaiskomponente verwenden, um die Erfassungsposition 13 mit dem Sensor 60 zu koppeln, wenn der Sensor 60 entfernt von der Erfassungsposition 13 angeordnet sein muss. Zum Beispiel zeigt 6B noch eine weitere Konfiguration für den Prozessmonitor 40, bei der das Relais 51a eine optische Glasfaser ist. Ein Eingangsende der optischen Glasfaser 51a kann an dieser Erfassungsposition 13 platziert sein und kann das optische Signal an den Sensor 60 weiterleiten. Im allgemeinsten Sinne beinhaltet der Prozessmonitor 40 der vorliegenden Offenbarung die Erfassungsposition 13 entlang des Strahlenwegs und den Sensor 60.
7A veranschaulicht eine weitere Ausführungsform des Prozessmonitors 40 der vorliegenden Offenbarung. In dieser Konfiguration verwendet der Prozessmonitor 40 einen optischen Kollektor 51b für das Relais, um das Prozesslicht auf einen oder mehrere Prozesssensoren 60 abzubilden. Der optische Kollektor 51b kann aus optischem Glas oder einem anderen geeigneten Material bestehen. Das auf die untere Oberfläche des Kollektors 51b einfallende Prozesslicht P kann intern zwischen seiner oberen und gegenüberliegenden unteren Oberfläche zu einem oder mehreren Sensoren 60 reflektiert werden, die an der Kante des Kollektors 51b angeordnet sind.
7B veranschaulicht eine weitere Ausführungsform des Prozessmonitors 40 der vorliegenden Offenbarung. In dieser Konfiguration verwendet der Prozessmonitor 40 gegenüberliegende reflektierende Oberflächen oder Ringe 52a-b für das Relais, um das Prozesslicht auf einen oder mehrere Prozesssensoren 60 abzubilden. Die Ringe 52a-b können aus Metall bestehen und können hochreflektierende Beschichtungen auf ihren gegenüberliegenden Oberflächen 53 aufweisen. Der untere Ring 52b weist eine größere Öffnung 54 auf als der obere Ring 52a. Das auf den oberen Ring 52a einfallende Prozesslicht kann zwischen den gegenüberliegenden Oberflächen 53 der beiden Ringe 52a-b zu einem oder mehreren Sensoren 60 reflektiert werden, die am Rand der Ringe 52a-b angeordnet sind.
7C veranschaulicht eine Alternative für den Prozessmonitor 40 der vorliegenden Offenbarung. In dieser Konfiguration verwendet der Prozessmonitor 40 einen konturierten Spiegel 55 für die Relayoptik, um das Prozesslicht auf den einen oder die mehreren Prozesssensoren 60 abzubilden. Der konturierte Spiegel 55 ist kegelstumpfförmig und weist eine reflektierende Oberfläche 56 auf, die einen Umfang um den Laserstrahl (L) umfassen kann, der durch seine Mitte verlaufen darf. Die Sensoren 60 können an verschiedenen Umfangsstellen angeordnet sein, um Abschnitte des Prozesslichts (P) zu detektieren, die von gegenüberliegenden Abschnitten der reflektierenden Oberfläche 56 des Spiegels 55 reflektiert werden. Obwohl nicht unbedingt dargestellt, erfassen die Sensoren 60 radial in Richtung der Mitte des Spiegels 55. Für diese Konfiguration kann der Spiegel 55 ein monolithischer Spiegel oder separate Spiegelabschnitte sein. Die reflektierende Oberfläche dieses Spiegels 55 kann in einen Teil des Gehäuses des Kopfes 10 eingearbeitet werden, sodass unabhängige Elemente des Spiegels 55 davon während der Herstellung nicht gehandhabt und zusammengebaut werden müssen.
8 veranschaulicht noch eine weitere Ausführungsform des Prozessmonitors 40 der vorliegenden Offenbarung. In dieser Konfiguration beinhaltet der Bearbeitungskopf (10) eine Aperturplatte 70, die aus einem geeigneten Metallmaterial bestehen und gekühlt werden kann. Die Aperturplatte 70 beinhaltet eine Apertur 72 darin zum Hindurchtreten des Laserstrahls L. Der Innenumfang der Apertur 72 auf der Platte 70 soll das Durchtreten von Streulicht von der Faserspitze 15 zu dem einstellbaren optischen System (30) verhindern.
Entweder als Teil der Aperturplatte 70 oder als separates Element weist ein Abstreifer 58 eine Innenkante 59 zum Reflektieren zumindest eines Abschnitts des Prozesslichts P zu dem einen oder den mehreren Sensoren 60 des Prozessmonitors 40 auf. Dieser Abstreifer 58 kann aus einem geeigneten Metallmaterial bestehen und zumindest an einem Abschnitt der einen Winkel definierenden Innenkante 59 eine hochreflektierende Beschichtung aufweisen. Die Innenkante 59 der Öffnung des Abstreifers kann auf eine Erhöhung von etwa 10 % über eine effektive numerische Apertur hinaus eingestellt werden. In diesem Fall ist die effektive numerische Apertur nicht die numerische Apertur des Laserstrahls von dem Eingang 15. Stattdessen wird die effektive numerische Apertur durch die Apertur 72 selbst definiert, da diese Apertur 72 bereits das kleinste Loch im System sein sollte.
Die vorstehende Beschreibung bevorzugter und anderer Ausführungsformen soll den Umfang oder die Anwendbarkeit der von den Anmeldern erdachten erfinderischen Konzepte nicht begrenzen oder einschränken. Es versteht sich aus dem Nutzen der vorliegenden Offenbarung, dass die oben beschriebenen Merkmale gemäß einer beliebigen Ausführungsform oder einem Aspekt des offenbarten Gegenstands entweder allein oder in Kombination mit jedem anderen beschriebenen Merkmal in jeder anderen Ausführungsform oder jedem anderen Aspekt des offenbarten Gegenstands genutzt werden können.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

US 20200298334 [0008]
DE 102011117607 [0045]
DE 102019108084 [0045]

Claims

Ein Laserbearbeitungskopf zum Leiten von Laserenergie zu einem Prozess an einem Werkstück, wobei der Laserbearbeitungskopf Folgendes umfasst: - einen Fasereingang, der die Laserenergie entlang einer optischen Achse emittiert; - ein einstellbares optisches System, das auf der optischen Achse angeordnet und dazu konfiguriert ist, die Laserenergie als Laserstrahl zu fokussieren, wobei das einstellbare optische System ein oder mehrere einstellbare optische Elemente beinhaltet, wobei ein erstes des einen oder der mehreren einstellbaren optischen Elemente zwischen dem Fasereingang und einem beliebigen anderen des einen oder der mehreren einstellbaren optischen Elemente angeordnet ist; - einen Ausgang, der auf der optischen Achse angeordnet ist, durch den der Laserstrahl konfigurationsgemäß zu einem Fokuspunkt verläuft; und - einen Prozessmonitor, der dazu konfiguriert ist, einen Abschnitt des Prozesslichts zu erfassen, der von dem Prozess durch mindestens einen Abschnitt des einstellbaren optischen Systems zu einer Erfassungsposition zurückgekehrt ist, wobei die Erfassungsposition seitlich von der optischen Achse angeordnet und in dem Abschnitt des Prozesslichts außerhalb des Laserstrahls positioniert ist, wobei die Erfassungsposition in Längsrichtung entlang der optischen Achse angeordnet und zwischen dem Fasereingang und dem ersten einstellbaren optischen Element positioniert ist.
Der Laserbearbeitungskopf nach Anspruch 1, wobei der Prozessmonitor einen oder mehrere Sensoren umfasst, die in der Erfassungsposition zwischen dem Fasereingang und dem ersten einstellbaren optischen Element positioniert und dazu konfiguriert sind, den Abschnitt des Prozesslichts zu erfassen.
Der Laserbearbeitungskopf nach Anspruch 1, wobei der Prozessmonitor Folgendes umfasst: - ein Relais, das in der Erfassungsposition zwischen dem Fasereingang und dem ersten einstellbaren optischen Element positioniert ist, wobei das Relais dazu konfiguriert ist, den Abschnitt des Prozesslichts zu lenken; und - einen oder mehrere Sensoren in optischer Verbindung mit dem Relais und dazu konfiguriert, den darauf gelenkten Abschnitt des Prozesslichts zu detektieren.
Der Laserbearbeitungskopf nach Anspruch 3, wobei das Relais einen Reflektor, einen Spiegel oder eine optische Glasfaser umfasst.
Der Laserbearbeitungskopf nach Anspruch 3, wobei das Relais einen Spiegel umfasst, der in einem Winkel relativ zu der optischen Achse angeordnet ist.
Der Laserbearbeitungskopf nach Anspruch 5, wobei der Spiegel in einem konvergierenden Kegel des Prozesslichts angeordnet ist, das von dem ersten einstellbaren optischen Element in Richtung des Fasereingangs konvergiert.
Der Laserbearbeitungskopf nach Anspruch 6, wobei der Spiegel eine Kegelstumpfform definiert.
Der Laserbearbeitungskopf nach Anspruch 3, wobei das Relais Folgendes umfasst: - eine Platte, die zwischen dem Fasereingang und der internen Optik angeordnet ist, wobei die Platte eine Apertur definiert, durch die ein divergierender Kegel der von dem Fasereingang emittierten Laserenergie zu der internen Optik verläuft; und - einen reflektierenden Abschnitt der Platte, der an der Apertur angeordnet und dazu konfiguriert ist, den Abschnitt des Prozesslichts auf den einen oder die mehreren Sensoren zu lenken.
Der Laserbearbeitungskopf nach Anspruch 3, wobei das Relais eine erste und eine gegenüberliegende zweite Oberfläche umfasst, die dazu konfiguriert sind, den Abschnitt des Prozesslichts zwischen ihnen in Richtung einer Kante des Reflektors zu reflektieren; und wobei der eine oder die mehreren Sensoren an der Kante des Reflektors angeordnet und dazu konfiguriert sind, den darauf gelenkten Abschnitt des Prozesslichts zu detektieren.
Der Laserbearbeitungskopf nach Anspruch 3, wobei ein oder mehrere Sensoren aus der Gruppe ausgewählt sind, die aus einer Fotodiode, einer Infrarotkamera, einer Hochgeschwindigkeitskamera, einem Spektrometer und einem Pyrometer besteht.
Der Laserbearbeitungskopf nach Anspruch 1, wobei der Fasereingang eine erste numerische Apertur aufweist; und wobei die Erfassungsposition bei einer zweiten numerischen Apertur angeordnet ist, die größer als die erste numerische Apertur des Fasereingangs oder gleich dieser ist.
Der Laserbearbeitungskopf nach Anspruch 11, wobei die zweite numerische Apertur mindestens 10 Prozent größer ist als die erste numerische Apertur.
Der Laserbearbeitungskopf nach Anspruch 1, wobei das einstellbare optische System Folgendes umfasst: - ein bewegbares Linsenelement als das erste einstellbare optische Element, das in dem Kopf benachbart zu der Faserspitze angeordnet ist; und - ein feststehendes Linsenelement, das in dem Kopf zwischen dem bewegbaren Linsenelement und dem Ausgang angeordnet ist.
Der Laserbearbeitungskopf nach Anspruch 1, wobei das eine oder die mehreren einstellbaren optischen Elemente ein optisches Zoomsystem umfassen.
Der Laserbearbeitungskopf nach Anspruch 1, wobei der Ausgang eine Düse umfasst.
Der Laserbearbeitungskopf zum Leiten von Laserenergie zu einem Prozess an einem Werkstück, wobei der Laserbearbeitungskopf Folgendes umfasst: - einen Fasereingang, der die Laserenergie entlang einer optischen Achse emittiert; - ein einstellbares optisches System, das auf der optischen Achse angeordnet und dazu konfiguriert ist, die Laserenergie als Laserstrahl zu fokussieren, wobei das einstellbare optische System ein oder mehrere einstellbare optische Elemente beinhaltet, wobei ein erstes des einen oder der mehreren einstellbaren optischen Elemente zwischen dem Fasereingang und einem beliebigen anderen des einen oder der mehreren einstellbaren optischen Elemente angeordnet ist; - einen Ausgang, durch den der Laserstrahl konfigurationsgemäß zu einem Fokuspunkt verläuft; und - einen oder mehrere Sensoren, die dazu konfiguriert sind, einen Abschnitt des Prozesslichts zu erfassen, der von dem Prozess durch mindestens einen Abschnitt des einstellbaren optischen Systems zu einer Erfassungsposition zurückgekehrt ist, wobei die Erfassungsposition seitlich von der optischen Achse angeordnet und in dem Abschnitt des Prozesslichts außerhalb des Laserstrahls positioniert ist, wobei die Erfassungsposition in Längsrichtung entlang der optischen Achse angeordnet und zwischen dem Fasereingang und dem ersten einstellbaren optischen Element positioniert ist.
Der Laserbearbeitungskopf nach Anspruch 16, wobei der eine oder die mehreren Sensoren in einem Winkel in einem Raum benachbart zu einem divergierenden Kegel der Laserenergie, die von dem Fasereingang zu der internen Optik emittiert wird, angeordnet sind.
Der Laserbearbeitungskopf nach Anspruch 17, wobei der eine oder die mehreren Sensoren in einem konvergierenden Kegel des Prozesslichts angeordnet sind, das von dem ersten einstellbaren optischen Element in Richtung des Fasereingangs konvergiert.
Der Laserbearbeitungskopf nach Anspruch 17, wobei der Fasereingang eine erste numerische Apertur aufweist; und wobei der eine oder die mehreren Sensoren bei einer zweiten numerischen Apertur angeordnet ist, die größer als die erste numerische Apertur des Fasereingangs ist.
Der Laserbearbeitungskopf nach Anspruch 19, wobei die zweite numerische Apertur mindestens 10 Prozent größer ist als die erste numerische Apertur.
Der Laserbearbeitungskopf zum Leiten von Laserenergie zu einem Prozess an einem Werkstück, wobei der Laserbearbeitungskopf Folgendes umfasst: - einen Fasereingang, der die Laserenergie entlang einer optischen Achse emittiert; - ein einstellbares optisches System, das auf der optischen Achse angeordnet und dazu konfiguriert ist, die Laserenergie als Laserstrahl zu fokussieren, wobei das einstellbare optische System ein oder mehrere einstellbare optische Elemente beinhaltet, wobei ein erstes des einen oder der mehreren einstellbaren optischen Elemente zwischen dem Fasereingang und einem beliebigen anderen des einen oder der mehreren einstellbaren optischen Elemente angeordnet ist; - einen Ausgang, der auf der optischen Achse angeordnet ist, durch den der Laserstrahl konfigurationsgemäß zu einem Fokuspunkt verläuft; - ein Relais, das in einer Erfassungsposition zwischen dem Fasereingang und dem ersten einstellbaren optischen Element positioniert ist, wobei das Relais dazu konfiguriert ist, einen Abschnitt des Prozesslichts, der von dem Prozess durch mindestens einen Abschnitt des einstellbaren optischen Systems zu der Erfassungsposition zurückgekehrt ist, zu lenken, wobei die Erfassungsposition seitlich von der optischen Achse angeordnet und in dem Abschnitt des Prozesslichts außerhalb des Laserstrahls positioniert ist, wobei die Erfassungsposition in Längsrichtung entlang der optischen Achse angeordnet und zwischen dem Fasereingang und dem ersten einstellbaren optischen Element positioniert ist; und - einen oder mehrere Sensoren in optischer Verbindung mit dem Relais und dazu konfiguriert, den darauf gelenkten Abschnitt des Prozesslichts zu detektieren.
Ein Laserbearbeitungsverfahren, das folgende Schritte umfasst: - Leiten von Laserenergie zu einem Prozess an einem Werkstück durch: Emittieren der Laserenergie von einem Fasereingang eines Kopfes, Fokussieren der Laserenergie als Laserstrahl unter Verwendung eines einstellbaren optischen Systems des Kopfes und Weiterleiten des Laserstrahls durch einen Ausgang des Kopfes zu einem Fokuspunkt, wobei das einstellbare optische System ein oder mehrere einstellbare optische Elemente beinhaltet, wobei ein erstes des einen oder der mehreren einstellbaren optischen Elemente zwischen dem Fasereingang und einem beliebigen anderen des einen oder der mehreren einstellbaren optischen Elemente angeordnet ist; und - Überwachen des Prozesses durch Detektieren eines Abschnitts des Prozesslichts, der von dem Prozess durch mindestens einen Abschnitt des einstellbaren optischen Systems zu einer Erfassungsposition zurückgekehrt ist, wobei die Erfassungsposition seitlich von der optischen Achse angeordnet und in dem Abschnitt des Prozesslichts außerhalb des Laserstrahls positioniert ist, wobei die Erfassungsposition in Längsrichtung entlang der optischen Achse angeordnet und zwischen dem Fasereingang und dem ersten einstellbaren optischen Element positioniert ist.
Das Verfahren nach Anspruch 22, wobei das Detektieren des Abschnitts des Prozesslichts, der von dem Prozess durch die interne Optik in den Winkelraum zwischen dem Fasereingang und der internen Optik zurückgekehrt ist, Folgendes umfasst: - Reflektieren des Abschnitts des Prozesslichts mit einem Reflektor, der in dem Winkelraum zwischen dem Fasereingang und der internen Optik positioniert ist; und - Erfassen des reflektierten Abschnitts des Prozesslichts mit einem oder mehreren Sensoren in optischer Verbindung mit dem Reflektor.
Das Verfahren nach Anspruch 22, wobei das Detektieren des Abschnitts des Prozesslichts, der von dem Prozess durch die interne Optik zu dem Winkelraum zwischen dem Fasereingang und der internen Optik zurückgekehrt ist, Erfassen des Abschnitts des Prozesslichts mit einem oder mehreren Sensoren, die in dem Winkelraum zwischen dem Fasereingang und der internen Optik positioniert sind, umfasst.