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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Formung eines Laserstrahls für eine Materialbearbeitung nach der im Oberbegriff von Anspruch 1 näher definierten Art.
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Einige Lasermaterialbearbeitungsprozesse benötigen einen konstanten Einstrahlwinkel auf der Bauteiloberfläche. Falls diese jedoch in ihrer Kontur nicht gleichmäßig ist, kann dies entsprechend komplex in der Ansteuerung werden. Da nach dem aktuellen Stand der Technik typischerweise für solche Bearbeitungsprozesse Scanneroptiken eingesetzt werden, wie sie beispielsweise auch beim Laserschweißen zum Einsatz kommen, ist es so, dass typischerweise ein Rohstrahl mit konstantem Strahlprofil ausgelenkt und so in der Lage und in seinem Winkel über die Scanneroptik positioniert werden kann. Nachteilig ist es jedoch, wenn eine komplette Umorientierung des Strahls in alle Raumrichtungen notwendig ist, so, dass beispielsweise bei Reinigungsprozessen durch Ungenauigkeiten in der Positionierung des Laserstrahls Überlappungen in den einzelnen Bahnen auftreten. Dies führt dann zu einer inhomogen bearbeiteten Oberfläche, was einen gravierenden Nachteil darstellt.
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Aus dem Stand der Technik sind Scanneroptiken insbesondere zum Schweißen bekannt. Die
DE 10 2020 121 283 A1 beschreibt ein Verfahren zur Materialbearbeitung eines Werkstücks mit einem Laserstrahl. Das Werkstück selbst weist dabei eine gekrümmte Oberfläche auf. Der Laserstrahl wird dabei über eine entsprechend aufwändige Optik hieran angepasst.
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Die Aufgabe der Erfindung liegt nun darin eine verbesserte Vorrichtung zur Formung eines Laserstrahls zur Materialbearbeitung anzugeben, welche homogene Bearbeitungszustände mit konstantem Einstrahlwinkel auch bei komplexen Bauteiloberflächen ermöglicht.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen im Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung ergeben sich aus den hiervon abhängigen Unteransprüchen. Im Anspruch 10 ist außerdem ein Verfahren zur Materialbearbeitung mit einer derartigen Vorrichtung angegeben.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Formung eines Laserstrahls weist, ähnlich wie diese bei herkömmlichen Scanneroptiken der Fall ist, wenigstens einen Spiegel auf. Dieser oder ein zusätzlicher Spiegel ist erfindungsgemäß hinsichtlich seiner Form und/oder seiner Position veränderbar und leitet den von einer Laserlichtquelle eingehenden Rohstrahl dann als Bearbeitungsstrahl weiter.
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Durch die Veränderung der Position und/oder der Oberfläche des Spiegels während der Bearbeitung ist es möglich den Bearbeitungsstrahl aktiv anzupassen, um so die gewünschten Parameter bei der Laserbearbeitung generieren zu können, und zwar insbesondere ohne die eigentliche Vorrichtung aufwendig bewegen zu müssen, was immer zu Ungenauigkeiten hinsichtlich der Positionierung eben dieser Vorrichtung führen kann.
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Gemäß einer sehr günstigen Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind dabei starr angeordnete nicht veränderbare Umlenkspiegel vorgesehen, welche den Rohstrahl aufteilen, wobei der veränderbare Spiegel den aufgeteilten Rohstrahl zu dem Bearbeitungsstrahl rekombiniert. Hierdurch wird also eine immer gleichartige Aufteilung des Laserstrahls über die Umlenkspiegel geschaffen, bevor über den veränderlichen Spiegel dieser in mehrere Teilstrahlen aufgeteilte Laserstrahl zu dem Bearbeitungsstrahl kombiniert wird. Durch die Veränderbarkeit des veränderlichen Spiegels in seiner Oberfläche und/oder Position ist dabei eine Anpassung des Bearbeitungsstrahls an dem gewünschten Bearbeitungsprozess und die vorgegebene Oberflächenkontur des zu bearbeitenden Bauteils möglich, und zwar insbesondere ohne, dass die Vorrichtung selbst bewegt werden muss.
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Gemäß einer sehr vorteilhaften Weiterbildung hiervon ist es dabei möglich, dass der Aufbau so realisiert ist, dass der aufgeteilte Rohstrahl ebenso wie der rekombinierte Bearbeitungsstrahl als Ringstrahl ausgebildet ist. Ein solcher Ringstrahl ermöglicht eine einfache Variation, beispielsweise hinsichtlich der Fokussierung im örtlichen Bezug zu der Bearbeitungsfläche.
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Der veränderbare Spiegel kann dabei gemäß einer sehr vorteilhaften Ausgestaltung der Vorrichtung gemäß der Erfindung als aufblasbarer rotationssymmetrischer Spiegelkörper ausgebildet sein, welcher je nach Druck als ein Kegel ausgebildet ist oder dessen Oberflächen eine konkave Krümmung nach innen oder eine konvexe Krümmung nach außen aufweisen. Gemäß einer sehr vorteilhaften Weiterbildung kann die Krümmung dabei parabolisch sein.
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Der veränderbare Spiegel kann also insbesondere als rotationssymmetrischer Aufbau realisiert sein, welcher in einem Zustand als Kegel ausgebildet ist. Vorzugsweise fällt die Rotationsachse des Kegels dabei mit dem Zentrum des als Ringstrahl ausgebildeten Bearbeitungsstrahls zusammen, sodass der veränderbare Spiegel zentrisch in dem Bearbeitungsstrahl, welchen er rekombiniert, sitzt.
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Gemäß einer sehr vorteilhaften Weiterbildung ist der Steuerbereich dabei zwischen der konkaven Krümmung als Ausgangspunkt und der Kegelform als Endpunkt ausgebildet. Die Oberfläche des Spiegels wird also, insbesondere parabolisch, nach innen gekrümmt oder gerade sein. Hierdurch lässt sich der Fokus, die Ausrichtung und der Durchmesser des Bearbeitungsstrahls entsprechend beeinflussen.
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Alternativ oder insbesondere ergänzend hierzu kann der veränderliche Spiegel außerdem entlang der Achse des austretenden Bearbeitungsstrahls verschieblich sein. Er kann also zusätzlich in eine Höhenrichtung verschoben werden, insbesondere kann dies in Kombination mit der Veränderung der Oberflächenform erfolgen.
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Um nun über den Strahlquerschnitt hinweg die Intensität des Bearbeitungsstrahls verstellen zu können, kann ergänzend hierzu eine Keilplatte in der Vorrichtung vorgesehen werden, welche je nach Anforderungen in dem Bearbeitungsstrahl nach dessen Rekombination bzw. nach dem Passieren des veränderlichen Spiegels angeordnet werden kann.
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Die Vorrichtung erlaubt es nun ein besonders effizientes Verfahren zur Materialbearbeitung mittels des Lasers, insbesondere zur Reinigung von Oberflächen, zu realisieren. Ohne oder ohne eine nennenswerte Verstellung der Vorrichtung selbst kann während der Bearbeitung der Laserstrahl verändert und damit an die geforderten Bedingungen angepasst werden, in dem der veränderbare Spiegel hinsichtlich seiner Position und/oder seiner Form variiert wird.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung und des Verfahrens ergeben sich auch anhand der Ausführungsbeispiele, welche nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figuren näher dargestellt sind.
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Dabei zeigen:
- 1 eine schematische Darstellung eines möglichen Aufbaus einer Vorrichtung gemäß der Erfindung;
- 2 eine Darstellung des veränderlichen Spiegels in einem Ausgangszustand;
- 3 eine Darstellung des veränderlichen Spiegels in einem Endzustand;
- 4 ein Strahlprofil des Bearbeitungsstrahls gemäß der Schnittlinie A-A und B-B in 1;
- 5 eine beispielhafte Anwendung zur Laserreinigung von Hohlkörpern mittels aktiver Strahlformung;
- 6 eine beispielhafte Anwendung zur Laserreinigung von Bauteilen mit nicht konstanten Oberflächen mittels aktiver Strahlformung;
- 7 eine Darstellung analog zu der in 5 mit einer Verstellung des Bearbeitungsstrahls in Höhenrichtung.
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In der Darstellung der 1 ist eine Vorrichtung 1 zur Formung eines Laserstrahls für eine Materialbearbeitung zu erkennen. Von einer hier nicht dargestellten Laserquelle gelangt ein mit 2 bezeichneter Rohstrahl in die Vorrichtung 1. Über mehrere starr angeordnete Umlenkspiegel 3 und 4 wird der Rohstrahl aufgeteilt und als Ringstrahl weitergeführt. Über zwei weitere starre Umlenkspiegel 5 wird dieser Ringstrahl dann wieder in das Zentrum der Vorrichtung 1 gelenkt und dort von einem veränderbaren Spiegel 6 rekombiniert. Der ab dann als Bearbeitungsstrahl 8 bezeichnete Laserstrahl wird über eine Fokussierlinse 7 fokussiert und ggf. über eine optionale, nicht dargestellte Keilplatte zur Verstellung der Intensität des Bearbeitungsstrahls 8 aus der Vorrichtung 1 ausgekoppelt. Der Bearbeitungsstrahl 8 kann dann auf das zu bearbeitende Bauteil gelenkt werden. In der Darstellung der 1 ist der Bearbeitungsstrahl 8 lediglich bis zu seinem mit F bezeichneten Brennpunkt dargestellt.
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Der Bearbeitungsstrahl 8 ist dabei als Ringstrahl ausgebildet und weist beispielsweise in den mit A-A und B-B bezeichneten Bereichen jeweils die in der 4 dargestellten Querschnitte auf.
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Das entscheidende Bauteil der Vorrichtung 1 ist nun der veränderbare Spiegel 6, welcher sowohl hinsichtlich seiner Oberfläche bzw. Form als auch hinsichtlich seiner Position verändert werden kann. Der veränderbare Spiegel 6 ist dabei rotationssymmetrisch ausgebildet und kann entlang seiner Rotationsachse, wie es durch den mit 9 bezeichneten Doppelpfeil angedeutet ist, entsprechend verfahren werden, hier also in einer in der 1 mit Z bezeichneten Höhenrichtung. Der veränderbare Spiegel 6 kann nun insbesondere als aufblasbarer Spiegel mit einer parabolischen Krümmung ausgebildet sein. In der Darstellung der 2 ist er in seinem Ausgangszustand mit einer parabolischen Krümmung seiner Oberfläche nach innen, also einer konkaven Krümmung, dargestellt. In der daneben befindlichen Abbildung der 3 ist er im aufgeblasenen Zustand mit geraden Oberflächen und damit letztlich als Kegel zu erkennen. Typischerweise ist ein Verstellbereich zwischen der kegligen Ausführung einerseits und der konkaven parabolischen Ausführung andererseits ausreichend. Prinzipiell ließe sich jedoch auch eine Variante des veränderbaren Spiegels 6 realisieren, bei welchem eine konvexe Krümmung nach außen, welche insbesondere ebenfalls parabolisch ausgebildet sein könnte, realisiert werden kann, nämlich immer dann, wenn er über die in 3 gezeigte Form des Kegels hinaus aufgeblasen wird.
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Die in der Darstellung der 1 bis 3 jeweils mit R bezeichnete Rotationsachse des veränderbaren Spiegels 6 fällt dabei mit dem Zentrum des Bearbeitungsstrahls 8 zusammen. Durch ein Verfahren in Z-Richtung und/oder eine Veränderung der Krümmung durch ein Aufblasen mit einem Medium oder ein Ablassen von selbigem lässt sich so während der Bearbeitung eines Bauteils der Bearbeitungsstrahl 8 und hier insbesondere die Lage seines Fokuspunkts F variieren.
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In der Darstellung der 5 ist rein beispielhaft eine Laserreinigung eines mit 10 bezeichneten Hohlkörpers in zwei unterschiedlichen Bearbeitungszuständen dargestellt.
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Ohne dass die Vorrichtung 1 in Z-Richtung verfahren werden muss, lässt sich ausschließlich über eine aktive Formung des Bearbeitungsstrahls ein Öffnungswinkel oberhalb und unterhalb des Fokuspunkts F verändern. In dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel sind zwei beispielhafte Winkel α1 und α2 dargestellt, welche unterschiedlich ausgeführt sind und damit zu unterschiedlichen bearbeiteten Bereichen der inneren Oberfläche des Hohlkörpers 10 führen.
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Dieses Konzept lässt sich nun nicht nur bei den Hohlkörpern 10 anwenden, sondern analog dazu auch bei anderen Bauteiloberflächen mit nicht konstantem Oberflächenverlauf. Im Beispiel der 6 ist eine solche Bauteiloberfläche 11 wiederum in zwei Bearbeitungszuständen angedeutet. Durch die Variation des Winkels α, welcher hier einerseits α1 und andererseits wieder α2 beträgt, lässt sich der Einstrahlwinkel β des Laserstrahls auf die Oberfläche konstant halten, um so einfach und effizient die gewünschte Bearbeitung realisieren zu können. Auch hier soll es sich beispielhaft wieder um eine Laserreinigung der entsprechenden Oberfläche handeln.
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Alternativ dazu ließe sich selbstverständlich auch die Vorrichtung 1 als Ganzes oder der veränderbare Spiegel 6 ausschließlich in seiner Position in Höhenrichtung Z entsprechend verfahren. Analog zur Darstellung in 5 ergibt sich dann das in der Darstellung der 7 gezeigte Bild. Die beiden Winkel α1 und α2 sind hier gleich, der Fokuspunkt F wandert jedoch um die Strecke z1 in der Höhenrichtung Z nach unten, insbesondere durch ein Verstellen der Höhenposition des veränderbaren Spiegels 6. Prinzipiell wäre hier auch ein Verstellen der gesamten Vorrichtung in Höhenrichtung Z denkbar, bei der beschriebenen Vorrichtung ist das Verstellen des Spiegels alleine jedoch typischerweise die bessere und einfachere Variante, welche zu einem sehr exakten Ergebnis der Positionierung führt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102020121283 A1 [0003]
