DE112009001247T5

DE112009001247T5 - Einrichtung und Verfahren zur Laser-Oberflächenbehandlung unter Anwendung von Strahlquerschnittsformung und eines Polygonspiegels

Info

Publication number: DE112009001247T5
Application number: DE112009001247T
Authority: DE
Inventors: Do Youl Kim
Original assignee: HANA ENGINEERING Co Ltd; HANA ENGINEERING CO Ltd
Current assignee: HANA ENGINEERING Co Ltd; HANA ENGINEERING CO Ltd
Priority date: 2008-05-26
Filing date: 2009-05-26
Publication date: 2011-04-14
Also published as: KR100900466B1; WO2009145542A3; CN102046323A; WO2009145542A2; CN102046323B

Abstract

Laser-Oberflächenbehandlungseinrichtung, die mit Strahlquerschnittsformung und einem Polygonspiegel arbeitet, die mindestens einen Oberflächenbehandlungssatz (300) umfaßt, wobei der Oberflächenbehandlungssatz (300) aufweist:
eine Fördereinheit (10) zum Fördern eines zu behandelnden Ziels (100),
einen Lasergenerator, der einen ersten Laserstrahl (21) mit einem vorgegebenen Durchmesser erzeugt,
eine erste Strahlformungseinheit (30), bestehend aus einem konkaven Spiegel oder einer konvexen Linse, zum Formen des Querschnitts des ersten Laserstrahls (21), um einen zweiten Laserstrahl (22) zu erhalten,
einen zweite Strahlformungseinheit (40), bestehend aus einem konvexen Spiegel oder einer konkaven Linse, zum Formen des Querschnitts des zweiten Laserstrahls (22), um einen dritten Laserstrahl (23) zu erhalten, der einen ovalen Querschnitt hat, der nicht von einer reflektierenden Fläche (51a) eines Polygonspiegels (5) abweicht und nicht eine reflektierende Fläche (51b) angrenzend an die reflektierende Fläche (51a) erreicht, wenn der dritte Laserstrahl auf dem Polygonspiegel (50) projiziert wird,
wobei der Polygonspiegel (50) den dritten Laserstrahl (23)...

Description

Hintergrund der Erfindung
Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung und ein Verfahren zur Laser-Oberflächenbehandlung unter Anwendung von Strahlquerschnittsformung und eines Polygonspiegels, und mehr im einzelnen auf eine Einrichtung und ein Verfahren zur Laser-Oberflächenbehandlung unter Verwendung von Strahlquerschnittsformung und eines Polygonspiegels zur Formung des Querschnitts eines Laserstrahls zum Minimieren eines auf einer reflektierenden Fläche des Polygonspiegels verlorenen abgeschwächten Laserstrahls und zum Erreichen einer kompakten Anordnung.
Hintergrund des einschlägigen Standes der Technik
Allgemein wird eine Oberflächenbehandlungseinrichtung unter Verwendung eines Laserstrahls für eine Vielfalt von Vorgängen eingesetzt, einschließlich eines Verfahrens des Projizierens eines Laserstrahls auf ein Objekt zur Bildung von Nuten in dem Objekt in vorgegebenen Intervallen, eines Verfahrens zum Gleichförmigmachen der Innenstruktur einer Stahlplatte, und eines Oberflächenbehandlungsverfahrens. Ein Beispiel der Oberflächenbehandlungseinrichtung unter Verwendung eines Laserstrahls ist eine Magnetbereich-Aufbereitungseinrichtung.
Bezugnehmend auf 1 weist eine herkömmliche Magnetbereich-Aufbereitungseinrichtung eine Mehrzahl von Laserstrahlgeneratoren 200, 200', eine Mehrzahl von Spiegeln 210, 210' zum Führen von Laserstrahlen, die von den Laserstrahlgeneratoren 200, 200' erzeugt werden, in spezifischer Richtungen, eine Mehrzahl von Strahlverteilungsspiegeln 240, 240' zum Verteilen der von den Spiegeln 210, 210' reflektierten Laserstrahlen in spezifischen Richtungen, und eine Mehrzahl von Spiegeln 250, 250', 260, 260' zum Bestrahlen eines Ziels 100, das von einem Fördermittel 10' gefördert wird, mit den von den Strahlverteilungsspiegeln 240, 240' reflektierten Laserstrahlen auf. Das Magnetbereich-Aufbereitungseinrichtung umfasst weiter einen Fokussierspiegel 220 zum Projizieren der von den Spiegeln 250, 250', 260, 260' reflektierten Laserstrahlen zu dem Ziel 100 in der Breitenrichtung des Ziels 100.
Wenn die herkömmliche Magnetbereich-Aufbereitungseinrichtung die Verteilungsspiegel 240, 240' benutzt, können die Spiegel 250, 250', 260, 260' so angeordnet sein, dass die Spiegel 250, 250', 260, 260' pendeln können, um den Bestrahlungsbereich zu verbreitern.
Des weiteren nimmt die Anzahl der Strahlverteilungsspiegel 240, 240' und der Spiegel 250, 250', 260, 260' zu, und die Anordnungen der Strahlverteilungsspiegel 240 und 240' und der Spiegel 250, 250', 260, 260' wird kompliziert, wenn die Magnetbereich-Aufbereitungseinrichtung die Strahlverteilungsspiegel 240, 240' und die Spiegel 250, 250', 260, 260' benutzt, und daher benutzt die Mangetbereich-Aufbereitungseinrichtung einen Polygonspiegel, der in der Lage ist, die Spiegel zu ersetzen. Der Polygonspiegel verändert einen Laserstrahl-reflektierenden Bereich automatisch entsprechend der Position einer reflektierenden Fläche, die entsprechend einer Drehung des Polygonspiegels verändert wird.
Jedoch hat die herkömmliche Magnetbereich-Aufbereitungseinrichtung die folgenden Probleme.

1) Da die Reflektionsbereiche der Spiegel begrenzt sind, sollte ein Laserstrahl aus einer Distanz auf ein Ziel projiziert werden, wenn das Ziel eine große Breite hat und eine hohe Fördergeschwindigkeit aufweist. Dies erfordert einen breiten Raum und macht die Wartung schwierig.
2) Eine Spiegelpendelkonstruktion weist an beiden Enden Beschleunigungs- und Verzögerungsbereiche auf, und folglich konzentriert sich die Energie an beiden Enden, und das bringt Qualitätsungleichförmigkeiten mit sich.
3) Die herkömmlichen Spiegel sind schwer mit Hochleistungs-Laserstrahlen in Einklang zu bringen, weil die Spiegel klein sind.
4) Der herkömmliche Polygonspiegel hat eine komplizierte Struktur. Insbesondere erfordert der Polygonspiegel eine Mehrzahl von Linsen, damit von reflektierenden Flächen des Polygonspiegels reflektierte Laserstrahlen einen Arbeitsbereich treffen.
5) Wenn der herkömmliche Polygonspiegel angewendet wird, werden zahlreiche gedämpfte Laserstrahlen von den reflektierenden Flächen des Polygonspiegels abgelenkt und gehen verloren, wenn der Laserstrahl einen kreisförmigen Querschnitt hat. Dies verschlechtert die Effizienz.
6) Die Lasergeneratoren sind vertikal angeordnet, und folglich werden die von den Lasergeneratoren erzeugten Laserstrahlen unter Verwendung eines optischen Werkzeugs eingeebnet. Dementsprechend wird die Konfiguration der herkömmlichen Magnetbereich-Aufbereitungseinrichtung kompliziert und die Einrichtung wird groß.

Zusammenfassung der Erfindung
Dementsprechend ist die vorliegende Erfindung im Hinblick auf die oben erwähnten Probleme beim Stand der Technik gemacht worden, und es ist ein hauptsächliches Ziel der vorliegenden Erfindung, eine Einrichtung und ein Verfahren zur Laser-Oberflächenbehandlung unter Verwendung von Strahlabschnittsformung und eines Polygonspiegels zum Formen der Querschnittsform eines Laserstrahls unter Verwendung eines Strahlformungsmittels zu schaffen, um einen gedämpften Laserstrahl zu minimieren, der verloren ist, wenn der Laserstrahl auf den Polygonspiegel projiziert wird, und zum Erreichen einer kompakten Ausrüstung und zum Erleichtern der Wartung der Ausrüstung durch Anordnen von Lasergeneratoren von Oberflächenbehandlungssätzen auf der gleichen Ebene, wenn die Ausrüstung aus den Oberflächenbehandlungssätzen zusammengesetzt wird.
Zum Erreichen des obigen Ziels der vorliegenden Erfindung ist gemäß der vorliegenden Erfindung eine Laser-Oberflächenbehandlungseinrichtung vorgesehen, die mit Strahlquerschnittsformung und einem Polygonspiegel arbeitet, der mindestens einen Oberflächenbehandlungssatz 300 aufweist, wobei der Oberflächenbehandlungssatz 300 eine Fördereinheit 10 zum Fördern eine zu behandelnden Ziels 100, einen Lasergenerator 20, der einen ersten Laserstrahl 21 mit einem vorgegebenen Durchmesser erzeugt, eine erste Strahlformungseinheit 30, die den Querschnitt des ersten Laserstrahls 21 formt, um einen zweiten Laserstrahl 22 zu erhalten, einen zweite Strahlformungseinheit 40, die den Querschnitt des zweiten Laserstrahls 22 formt, um einen dritten Laserstrahl 23 zu erhalten, einen Polygonspiegel 50, der den dritten Laserstrahl 23 aufnimmt, während er mit einer spezifischen Geschwindigkeit umläuft, einen Fokussierspiegel 60, der den vom Polygonspiegel 50 reflektierten dritten Laserstrahl 23 fokussiert und eine vierten Laserstrahl 24 projiziert, der einen Strahlfleck auf dem Ziel 100 erzeugt, und einen Regler aufweist, der die Fördergeschwindigkeit des Ziels 100, die Drehgeschwindigkeit des Polygonspiegels 50, die in Zusammenhang mit der Fördergeschwindigkeit steht, und die Leistung des Lasergenerators steuert.
Die Fördereinheit 10 kann das Ziel 100 mit einer Geschwindigkeit im Bereich von 80 bis 200 m/min. fördern.
Die erste Strahlformungseinheit 30 kann ein konkaver Spiegel oder eine konvexe Linse sein, und die zweite Strahlformungseinheit 40 kann ein konvexer Spiegel oder eine konkave Linse sein. Die erste und die zweite Strahlformungseinheit 30 und 40 können verschiedene Radien haben.
Die Drehgeschwindigkeit des Polygonspiegels 50 kann im Bereich von 1000 bis 2000 Upm liegen.
Das Ziel 100 kann Gewebe, Glas, Holz, Leder, eine Stahlplatte, eine Aluminiumplatte, eine Kupferplatte, eine rostfreie Stahlplatte, Keramik, Kunststoff oder Gummi sein.
Die Laser-Oberflächenbehandlungseinrichtung kann weiter einen Strahlablenker 80 aufweisen, der in der Lage ist, die Abtastbreite zu steuern.
Der dritte Laserstrahl 23 hat einen ovalen Querschnitt, der nicht von einer reflektierenden Fläche 51a des Polygonspiegels 50 abweicht und nicht eine reflektierende Fläche 51b angrenzend an die reflektierende Fläche 51a erreicht.
Der vierte Laserstrahl 24 kann einen Querschnitt in Form eines Schlitzes mit einer Breite von 0,4 mm und einer Länge von 5 mm haben.
Die Längen der langen Achsen und kurzen Achsen der Querschnitte des zweiten, dritten und vierten Laserstrahls 20 bis 24 werden entsprechend der Art und der Handlungsform des Ziels 100 gesteuert.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung ist eine Laser-Oberflächenbehandlungseinrichtung vorgesehen, die mit Strahlquerschnittsformung und einer Polygonspiegel arbeitet, die mindestens zwei Oberflächenbehandlungssätze 300 umfaßt, die in der breiten Richtung des Ziels 100 angeordnet sind. Entsprechende Lasergeneratoren 20a, 20b, 20c, 20d der Oberflächenflächenbehandlungssätze 300 sind auf der gleichen Ebene angeordnet.
Die Laser-Oberflächenbehandlungseinrichtung kann weiter die Fördereinheit 10 umfassen, welche das Ziel 100 mit einer vorgegebenen Geschwindigkeit fördert, wenn das Ziel 100 gerollt wird.
Nach einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Laser-Oberflächenbehandlungsverfahren unter Anwendung von Strahlquerschnittsformung und eines Polygonspiegels vorgesehen, mit einem ersten Schritt S100 des Montierens eines zu behandelnden Ziels 100 auf einer Fördereinheit 10, einem zweiten Schritt S200 des Eistellens von Steuervariablen einschließlich der Drehgeschwindigkeit eines Polygonspiegels 50, der Fördergeschwindigkeit des Ziels 100, das in Zusammenhang mit der Drehgeschwindigkeit steht, und der Leistung von Lasergeneratoren 20a, 20b, 20c, 20d eines Oberflächenbehandlungssatzes 300, einem dritten Schritt S300 des Antreibens des Polygonspiegels 50 und des Ziels 100 mit einer eingestellten Geschwindigkeit, einem vierten Schritt S400 des Erzeugens eines ersten Laserstrahls 21 mit einem vorgegebenen Durchmesser von den Lasergeneratoren 20a, 20b, 20c, 20d des Oberflächenbehandlungssatzes 300, einem fünften Schritt S500 der Formung des Querschnitts des ersten Laserstrahls 21 unter Verwendung von mindestens zwei Formungseinheiten 30 und 40 zum Erhalten eines dritten Laserstrahls 23, einem sechsten Schritt S600 des Projezierens des dritten Laserstrahls 23 auf eine reflektierende Fläche 51a des Polygonspiegels 50, und einem siebten Schritt S700 des Fokussierens eines vierten Laserstrahls 24, der gemäß dem Aufteilen des dritten Laserstrahls 23 an der reflektierenden Fläche 21a erhalten wird, und des Projizierens des fokussierten vierten Laserstrahls 24 auf das Ziel 100.
Der Polygonspiegel 50 kann mit einer Geschwindigkeit im Bereich von 1000 bis 2000 Upm im Zusammenhang mit der Fördergeschwindigkeit des Ziels 100 drehen, und das Ziel 100 wird mit einer Geschwindigkeit im Bereich von 80 bis 200 m/min gefördert.
Der dritte Laserstrahl 23 kann einen ovalen Querschnitt haben, der nicht von der reflektierenden Fläche 51a des Polygonspiegels 50 abweicht und nicht eine reflektierende Fläche 51b angrenzend an die reflektierende Fläche 51a erreicht.
Die vorliegende Erfindung hat die folgenden Vorteile.

1) Wenn eine Mehrzahl von Oberflächenbehandlungssätzen benutzt wird, kann die Gesamteinrichtung schlanker werden, da Lasergeneratoren der Oberflächenbehandlungssätze auf einer gleichen Ebene angeordnet werden können.
2) Der Querschnitt eines Laserstrahls wird unter Verwendung von Strahlformungseinheiten zu einem Oval verändert, um Verluste des auf den Polygonspiegel projizierten Laserstrahls zu minimieren, und deshalb kann die Laserstrahl-Ausnutzungseffizienz maximiert werden.
3) Die Strahlformungseinheiten benutzen einen konkaven oder konvexen Spiegel oder eine solche Linse und folglich kann der Oberflächenbehandlungssatz leicht aufgebaut werden.
4) Die kurze Achse eines auf dem Ziel geformten Laserstrahlflecks kann unter Verwendung der Fokussierlinse reduziert werden, um eine Mikrobearbeitung zu realisieren.

Kurzbeschreibung der Zeichnungen
1 stellt eine Draufsicht ist, die eine herkömmliche Magnetbereich-Aufbereitungseinrichtung dar,
2 ist eine perspektivische Ansicht, die eine Konfiguration einer Laser-Oberflächenbehandlungseinrichtung mit Anwendung von Strahlquerschnittsformung und eines Polygonspiegels gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt,
3 zeigt eine perspektivische Ansicht einer Strahlformungseinheit gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,
4 zeigt eine perspektivische Ansicht einer Strahlformungseinheit gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,
5 zeigt eine Veränderung des Querschnitts eines Laserstrahls in der Laser-Oberflächenbehandlungseinrichtung unter Anwendung von Strahlquerschnittsformung und eines Polygonspiegels gemäß der vorliegenden Erfindung,
6 zeigt den Querschnitt eines dritten Laserstrahls gemäß der vorliegenden Erfindung, wenn der dritte Laserstrahl auf einen Polygonspiegel projiziert wird,
7 zeigt den Querschnitt eines auf einen herkömmlichen Polygonspiegel projizierten Laserstrahls,
8 zeigt eine schematische perspektivische Ansicht, die eine Konfiguration einer Laser-Oberflächenbehandlungseinrichtung unter Anwendung von Strahlquerschnittsformung und eines Polygonspiegels gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt,
9 zeigt eine perspektivische Ansicht zeigt, die einen Einstellzustand eines Lasergenerators gemäß der Laser-Oberflächenbehandlungseinrichtung nach 8, und
10 zeigt ein Flussdiagramm, das ein Laser-Oberflächenbehandlungsverfahren unter Anwendung von Strahlquerschnittsformung und eines Polygonspiegels gemäß der vorliegenden Erfindung darstellt.
Bezugszeichenliste

10: Fördereinheit
20: Lasergenerator
21–24: erster, zweiter, dritter, vierter Laserstrahl
30: erste Strahlformungseinheit
40: zweite Strahlformungseinheit
50: Polygonspiegel
51a, 51b: reflektierende Fläche
60: Fokussierungsspiegel
80: Strahlablenker
100: Ziel
300: Oberflächenbehandlungssätze

Detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform
Nachstehend wird die vorliegende Erfindung im einzelnen durch Erläuterung bevorzugter Ausführungsbeispiele der Erfindung mit Bezug auf die anliegenden Zeichnungen beschrieben.
Erste Ausführungsform
2 zeigt eine schematische perspektivische Darstellung, die eine Konfiguration einer Laser-Oberflächenbehandlungseinrichtung unter Anwendung von Strahlquerschnittsformung und eines Polygonspiegels gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt. Die Laser-Oberflächenbehandlungseinrichtung unter Verwendung von Strahlquerschnittsformung und eines Polygonspiegels gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weist einen Oberflächenbehandlungssatz 300 auf.
Der Oberflächenbehandlungssatz 300 umfaßt einen Lasergenerator 20, erste und zweite Strahlformungseinheiten 30, 40, einen Polygonspiegel 50, einen Fokussierspiegel 60, und einen Regler (nicht dargestellt). Der Oberflächenbehandlungssatz 300 umfaßt weiter eine Fördereinheit 10, wenn ein zu behandelndes Ziel 100 gerollt wird oder lang ist.
Die Fördereinheit 10 fördert das Ziel 100 und umfasst einen Förderer. Die Fördereinheit 10 fördert das Ziel 100 mit einer Geschwindigkeit von 80 bis 200 m/min unter der Steuerung des Reglers, der später beschrieben wird. Die Fördergeschwindigkeit wird gemäß der Art und Behandlungsform des Ziels 100 bestimmt.
Der Lasergenerator 20 erzeugt einen ersten Laserstrahl 21 mit einer vorgegebenen Größe. Der Laserstrahl 21 hat einen Querschnitt, der nicht einem perfekten Kreis entspricht und dem perfekten Kreis allgemein angenähert ist. Jedoch geht die folgende Beschreibung der Zweckmäßigkeit der Erläuterung halber von der Annahme aus, dass der Querschnitt des ersten Laserstrahls 21 eine perfekte Kreisform hat. Das bedeutet, der erste Laserstrahl 21 hat einen Querschnitt entsprechend einem perfekten Kreis, wie in 5(a) gezeigt ist.
Der Lasergenerator 20 kann einen CO₂-Laser, einen Nd:YAG-Laser, einen Halbleiterlaser, oder einen Optikfaser-Lasergenerator benutzen.
Die erste Strahlformungseinheit 30 empfingt den ersten Laserstrahl 21 und formt den Querschnitt des ersten Laserstrahls 21 zum Erzeugen eine zweiten Laserstrahl 22. Die erste Strahlformungseinheit 30 kann einen konkaven Spiegel oder eine konvexe Linse benutzen, wie in 3 gezeigt ist. Der Querschnitt des zweiten Laserstrahls 22 hat eine Form, wie in 5(b) gezeigt ist. In 5(b) stellt der durch eine gestrichelte Linie angedeutete Kreis die Spur des Querschnitts des ersten Laserstrahls 21 dar. Obwohl die erste Strahlformungseinheit 30 den konkaven Spiegel oder die konvexe Linse in der gegenwärtigen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung benutzt, ist es auch möglich, einen konvexen Spiegel oder eine konkave Linse als die erste Strahlformungseinheit 30 zu benutzen.
Die zweite Strahlformungseinheit 40 empfängt den zweiten Laserstrahl 22 und formt den Querschnitt des zweiten Laserstrahls 22 so, dass er einen ovalen Querschnitt hat, wobei eine kleinere Achse kürzer als diejenige des Querschnitts des zweiten Laserstrahls 22 ist, und eine größere Achse länger als diejenige des Querschnitts des zweiten Laserstrahls 22 ist. Die zweite Strahlformungseinheit 40 kann einen konvexen Spiegel oder eine konkave Linse benutzen, wie in 4 gezeigt. Der Querschnitt des dritten Laserstrahls 22 hat eine Form, die in 5(c) gezeigt ist. In 5(c) stellt der durch eine gestrichelte Linie dargestellte Kreis die Spur des Querschnitts des ersten Laserstrahls 21 dar.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann der dritte Laserstrahl 23 einen solchen Querschnitt haben, dass der dritte Laserstrahl 23 nicht von einer reflektierenden Fläche 51a des Polygonspiegels 50 abweicht, auf welchem der dritte Laserstrahl 23 tatsächlich reflektiert wird, um einen verlorenen gedämpften Laserstrahl zu minimieren, wie in 6 gezeigt. Des weiteren ist der dritte Laserstrahl 23 so geformt, dass der dritte Laserstrahl 23 eine andere reflektierende Fläche 51b angrenzend an die reflektierende Fläche 51a nicht erreicht, um den abgeschwächten Laserstrahl zu minimieren, der bei Vergleich mit einem Laserstrahl mit einem kreisförmigen Querschnitt, wie in 7 gezeigt, leicht erkannt werden kann. In 7 entspricht ein durch eine abweichende Linie angedeuteter Halbkreis einem abgeschwächten Laserstrahl.
Obwohl die zweite Strahlformungseinheit 40 den konvexen Spiegel oder die konkave Linse bei der vorliegenden Ausführungsform benutzt, kann ein konkaver Spiegel oder eine konvexe Linse als zweite Strahlformungseinheit 40 benutzt werden.
Des weiteren können die erste Strahlformungseinheit 30 und die zweite Strahlformungseinheit 40 mit verschiedenen Radien gefertigt werden, so dass die größere Achse des Querschnitts eines Laserstrahls länger wird und die kleinere Achse des Querschnitts kürzer wird, wenn der Laserstrahl durch die erste und die zweite Strahlformungseinheit 30 und 40 hindurch passiert. Beispielsweise kann die erste Strahlformungseinheit 30 unter Verwendung einer konvexen Linse mit einem Radius im Bereich von 1 bis 3 m gebildet werden, und die zweite Strahlformungseinheit 40 kann unter Verwendung einer konkaven Linse mit einem Radius im Bereich von 30 bis 80 cm gebildet werden.
Der Polygonspiegel 50 reflektiert den dritten Laserstrahl 23, der auf ihr projiziert wird, während er mit einer vorgegebenen Geschwindigkeit umläuft. Insbesondere läuft der Polygonspiegel 50 um, um den reflektierenden Bereich für den dritten Laserstrahl 23 in einem spezifischen Bereich die ganze Zeit flexibel zu steuern, wenn der dritte Laserstrahl 23 in eine spezifische Richtung projiziert wird. Der Polygonspiegel 50 wird vom Regler gesteuert, um entsprechend der Fördergeschwindigkeit des Ziels 100 betrieben zu werden. Das bedeutet, der Regler steuert die Drehgeschwindigkeit des Polygonspiegels 50 in einen Bereich einer benutzten Drehzahl von 1000 bis 2000 Upm. Die Drehgeschwindigkeit des Polygonspiegels 50 kann basierend auf der Geschwindigkeit des Ziels 100 im Hinblick auf die Art des Ziels 100 oder einer Zeitdauer bestimmt werden, während welcher der Laserstrahl auf dem Ziel 100 verbleibt.
Der Fokussierspiegel 60 projiziert einen vierten Laserstrahl 24, der durch Fokussieren des dritten Laserstrahls 23 erhalten wird, auf die Oberfläche des Ziels 100, um eine gewünschte Operation durchzuführen. Mehr im Einzelnen werden verschiedene Behandlungsoperationen auf der Oberfläche des Ziels 100 vorgenommen, Eingravieren eines Musters in das Ziel 100 und Stabilisieren der inneren Molekularstruktur des Ziels 100 werden entsprechend der Intensität des vierten Laserstrahls 24 durchgeführt. Hier hat der vierte Laserstrahl 24 einen ovalen Querschnitt. Beispielsweise kann der vierte Laserstrahl einen Querschnitt in Form eines Schlitzes mit einer kleineren Achse von 0,4 mm und einer größeren Achse von 4 mm haben.
Der Regler steuert die Intensität des vierten Laserstrahls 21, der vom Lasergenerator 20 erzeugt wird, und die Drehung des Polygonspiegels 50 entsprechend der Art des Ziels 100 und der am Ziel 100 durchgeführten Operation. Der Regler ist in 2 nicht dargestellt.
Der Oberflächenbehandlungssatz kann weiter einen Strahlablenker 80 haben, der zwischen dem Polygonspiegel 50 und dem Fokussierspiegel 60 in einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung angeordnet ist. Der Strahldämpfer 80 wird benutzt, um die Strahlungsbreite des vierten Laserstrahls 24 zu steuern. Dies bedeutet, der Strahldämpfer 80 absorbiert Laserstrahlen, die aus einem gewünschten Bereich abweichen, und bewirkt eine Laserstrahlbestrahlung jederzeit nur innerhalb eines feststehenden Bereichs.
Des weiteren kann das Ziel aus einer Vielfalt von Platten, Kunststoffen und Gewebe, wie beispielsweise Gewebe, Glas, Holz, Leder, einer Stahlplatte, einer Aluminiumplatte, einer Kupferplatte, einer Platte aus rostfreiem Stahl, Keramik, Kunststoff und Gummi ausgewählt werden.
Darüber hinaus können die Längen der größeren Achsen und kleineren Achsen der Querschnitte des zweiten, dritten und vierten Laserstrahl 22 bis 24 entsprechend der Art und Behandlungsform des Ziels 100 verändert werden. Um dies zu erreichen, können die erste und die zweite Strahlformungseinheit 30 und 40 in der Form eines optischen Moduls konfiguriert sein, der in der Lage ist, den Fokus eines Laserstrahls so zu steuern, dass das Längenverhältnis der größeren Achse zur kleineren Achse des Querschnitts des Laserstrahls willkürlich eingestellt werden kann.
Zweite Ausführungsform
8 zeigt eine schematische perspektivische Ansicht, die eine Konfiguration einer Laser-Oberflächenbehandlungseinrichtung unter Anwendung von Strahlquerschnittsformung und eines Polygonspiegels gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt. Erläuterungen der gleichen Komponenten wie denjenigen der Laser-Oberflächenbehandlungseinrichtung nach der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung sind weggelassen.
Wenn ein einziger Oberflächenbehandlungssatz die Breite des Ziels 100 nicht überdecken kann, weil das Ziel 100 eine große Breite hat, werden mindestens zwei Oberflächenbehandlungssätze in der breiten Richtung des Ziels 100 angeordnet.
8 zeigt vier Oberflächenbehandlungssätze 300a, 300b, 300c, 300d. Jeweilige Lasergeneratoren 20a, 20b, 20c und 20d der Oberflächenbehandlungssätze 300a, 300b, 300c und 300d sind auf der gleichen Ebene senkrecht zu den Oberflächenbehandlungssätzen 300a, 300b, 300c, 300d angeordnet, wie in 9 gezeigt ist. Die Lasergeneratoren 20a, 20b, 20c, 20d können auf der gleichen Ebene installiert sein, die von der herkömmlichen Laser-Oberflächenbehandlungseinrichtung verschieden ist, und daher kann die Laser-Oberflächenbehandlungseinrichtung mit Strahlquerschnittsformung und einem Polygonspiegel in einer kompakten Struktur gefertigt werden.
Oberflächenbehandlungsverfahren
10 zeigt ein Flussdiagramm, das ein Laser-Oberflächenbehandlungsverfahren unter Anwendung von Strahlquerschnittsformung und einem Polygonspiegel gemäß der vorliegenden Erfindung darstellt. Bei der gegenwärtigen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung fördert die Fördereinheit 10 das Ziel 100.
Das Ziel 100 wird auf der Fördereinheit 10 in einem ersten Schritt S100 montiert. Hier kann das Ziel 100 auf einem Förderer montiert werden.
Steuervariable werden in einem zweiten Schritt S200 eingestellt. Die Steuervariablen werden durch den Regler (nicht dargestellt) eingestellt. Die Steuervariablen umfassen die Drehgeschwindigkeit des Polygonspiegels 50, die Fördergeschwindigkeit des Ziels 100 und die Ausgangsleistungsintensitäten der Lasergeneratoren 20a, 20b, 20c, 20d. Diese Variablen können im Zusammenhang miteinander mit einer geeigneten Rate basierend auf der Art des Ziels 100 und der Art einer an dem Ziel 100 durchgeführten Operation gesteuert werden.
Der Polygonspiegel 50 und das Ziel 100 werden mit einer vorgegebenen Geschwindigkeit im dritten Schritt S300 angetrieben. Hier wird die Geschwindigkeit entsprechend der Steuervariablen bestimmt.
Der erste Laserstrahl 21 wird in einem vierten Schritt S400 erzeugt. Der erste Laserstrahl 21, der einen bestimmten Durchmesser hat, wird von den Lasergeneratoren 20a, 20b, 20c, 20d jedes Oberflächenbehandlungssatzes 300 erzeugt. Die Ausgangsleistungsintensität des ersten Laserstrahls 21 hängt von den Steuervariablen ab.
Der Querschnitt des ersten Laserstrahls 21 wird in einem fünften Schritt S500 geformt. Die Querschnittsformung wird durch die erste Strahlformungseinheit 30 entsprechend einem konkaven Spiegel oder einer konvexen Linse und die zweite Strahlformungseinheit 40 entsprechend einem konvexen Spiegel oder einer konkaven Linse durchgeführt. Im Einzelnen empfängt die erste Strahlformungseinheit 30 den ersten Laserstrahl 21, der einen kreisförmigen Querschnitt hat, und verändert den ersten Laserstrahl 21 zum zweiten Laserstrahl 22, der einen ovalen Querschnitt hat. Die zweite Strahlformungseinheit 40 empfängt den zweiten Laserstrahl 22 und erzeugt den dritten Laserstrahl 23, der einen ovalen Querschnitt hat, der nicht von der reflektierenden Fläche 51a des Polygonspiegels 50 abweicht.
Der dritte Laserstrahl 23 wird auf die reflektierende Fläche 51a des Polygonspiegels 50 in einem sechsten Schritt S600 projiziert. Der dritte Laserstrahl 23 wird kontinuierlich projiziert, und ein Arbeitsbereich fluktuiert, während der Polygonspiegel 50 umläuft.
Der vierte Laserstrahl 24, der erhalten wird, wenn der dritte Laserstrahl 23 von der reflektierenden Fläche 51a des Polygonspiegels 50 reflektiert wird, wird fokussiert und auf das Ziel 100 in einem siebten Schritt S700 projiziert.
Das bedeutet, eine Operation zur Behandlung der Oberfläche des Ziels 100, das Gleichförmigmachen der inneren Molekularstruktur des Ziels 100 oder das Bilden einer Nut in dem Ziel 100, kann durchgeführt werden, indem der vierte Laserstrahl 24 auf das Ziel 100 projiziert wird.
Während die vorliegende Erfindung unter Bezugnahme auf die besonderen erläuternden Ausführungsformen beschrieben worden ist, ist sie nicht durch die Ausführungsformen beschränkt, sondern nur durch die anliegenden Patentansprüche. Es versteht sich, dass der Fachmann die Ausführungsformen verändern oder modifizieren kann, ohne vom Schutzbereich und Konzept der vorliegenden Erfindung abzuweichen.
Zusammenfassung
Beschrieben werden hier eine Einrichtung und ein Verfahren zur Laser-Oberflächenbehandlung unter Anwendung von Strahlquerschnittsformung und eines Polygonspiegels. Der Querschnitt eines Laserstrahls wird mittels Strahlformungsmitteln geformt, um einen verlorenen abgeschwächten Laserstrahl zu minimieren, wenn der Laserstrahl auf einen Polygonspiegel projiziert wird. Wenn die Einrichtung aus einer Mehrzahl von Oberflächenbehandlungssätzen zusammengesetzt ist, sind Lasergeneratoren der Oberflächenbehandlungssätze auf der gleichen Ebene angeordnet, um die Größe der Einrichtung zu reduzieren und die Wartung der Einrichtung zu erleichtern. Die Laser-Oberflächenbehandlungseinrichtung unter Anwendung von Strahlquerschnittsformung und eines Polygonspiegels weist mindestens einen Oberflächenbehandlungssatz 300 auf. Der Oberflächenbehandlungssatz 300 umfaßt einen Lasergenerator, der einen ersten Laserstrahl 21 mit einem vorgegebenen Durchmesser erzeugt, eine erste Strahlformungseinheit 30, welche dem Querschnitt des ersten Laserstrahls 21 formt, um einen zweiten Laserstrahl 22 zu erhalten, eine zweite Strahlformungseinheit 40, die den Querschnitt des zweiten Laserstrahls 22 formt, um einen dritten Laserstrahl 23 zu erhalten, einen Polygonspiegel 50, der den dritten Laserstrahl 23 aufnimmt, während er mit einer spezifischen Geschwindigkeit umläuft, einen Fokussierspiegel 60, der den vom Polygonspiegel 50 reflektierten dritten Laserstrahl 23 fokussiert und einen vierten Laserstrahl 24 projiziert, der einen Strahlfleck auf dem Ziel 100 erzeugt, und einen Regler, der die Fördergeschwindigkeit des Ziels 100, die Leistung des Lasergenerators 20, und die Drehgeschwindigkeit des Polygonspiegels 50 im Zusammenhang miteinander steuert.

Claims

Laser-Oberflächenbehandlungseinrichtung, die mit Strahlquerschnittsformung und einem Polygonspiegel arbeitet, die mindestens einen Oberflächenbehandlungssatz (300) umfaßt, wobei der Oberflächenbehandlungssatz (300) aufweist: eine Fördereinheit (10) zum Fördern eines zu behandelnden Ziels (100), einen Lasergenerator, der einen ersten Laserstrahl (21) mit einem vorgegebenen Durchmesser erzeugt, eine erste Strahlformungseinheit (30), bestehend aus einem konkaven Spiegel oder einer konvexen Linse, zum Formen des Querschnitts des ersten Laserstrahls (21), um einen zweiten Laserstrahl (22) zu erhalten, einen zweite Strahlformungseinheit (40), bestehend aus einem konvexen Spiegel oder einer konkaven Linse, zum Formen des Querschnitts des zweiten Laserstrahls (22), um einen dritten Laserstrahl (23) zu erhalten, der einen ovalen Querschnitt hat, der nicht von einer reflektierenden Fläche (51a) eines Polygonspiegels (5) abweicht und nicht eine reflektierende Fläche (51b) angrenzend an die reflektierende Fläche (51a) erreicht, wenn der dritte Laserstrahl auf dem Polygonspiegel (50) projiziert wird, wobei der Polygonspiegel (50) den dritten Laserstrahl (23) empfängt, während er mit einer spezifischen Geschwindigkeit umläuft, einen Fokussierspiegel (60), der den dritten Laserstrahl (23), der vom Polygonspiegel (50) reflektiert wird, fokussiert und einen vierten Laserstrahl (24) projiziert, der einen Strahl auf dem Ziel (100) erzeugt, und einen Regler, der die Fördergeschwindigkeit des Ziels (100), die Drehgeschwindigkeit des Polygonspiegels (50), die in Zusammenhang mit der Fördergeschwindigkeit steht, und die Leistung des Lasergenerators steuert.
Laser-Oberflächenbehandlungseinrichtung nach Anspruch 1, wobei die Fördereinheit (10) das Ziel (100) mit einer Geschwindigkeit im Bereich von 80 bis 200 m/min fördert.
Laser-Oberflächenbehandlungseinrichtung nach Anspruch 1, wobei die erste und die zweite Strahlformungseinheit (30) und (40) unterschiedliche Radien haben.
Laser-Oberflächenbehandlungseinrichtung nach Anspruch 1, wobei die Drehgeschwindigkeit des Polygonspiegels (50) im Bereich von 1000 bis 2000 Upm liegt.
Laser-Oberflächenbehandlungseinrichtung nach Anspruch 1, wobei das Ziel (100) ein Gewebe, Glas, Holz, Leder, eine Stahlplatte, eine Aluminiumplatte, eine Kupferplatte, eine Platte aus rostfreiem Stahl, Keramik, Kunststoff oder Gummi ist.
Laser-Oberflächenbehandlungseinrichtung nach Anspruch 1, weiter mit einem Strahlablenker (80), der in der Lage ist, eine Abtastbreite zu steuern.
Laser-Oberflächenbehandlungseinrichtung nach Anspruch 1, wobei der vierte Laserstrahl (24) einen Querschnitt in Form eines Schlitzes mit einer kleineren Achse von 0,4 mm und einer größeren Achse von 5 mm hat.
Laser-Oberflächenbehandlungseinrichtung nach Anspruch 1, wobei die Längen der größeren Achse und der kleineren Achse der Querschnitte des zweiten, dritten und vierten Laserstrahls (22, 23, 24) gemäß der Art und der Handlungsform und des Ziels gesteuert werden.
Laser-Oberflächenbehandlungseinrichtung nach Anspruch 1, wobei Lasergeneratoren (20a, 20b, 20c und 20d) des Oberflächenbehandlungssatzes (300) auf der gleichen Ebene angeordnet sind.
Laser-Oberflächenbehandlungsverfahren unter Anwendung von Strahlquerschnittsformung und eines Polygonspiegels, mit: einem ersten Schritt (S100) des Montierens eines zu behandelnden Ziels (100) auf einer Fördereinheit (10), einem zweiten Schritt (S200) des Einstellens von Steuervariablen einschließlich der Drehgeschwindigkeit eines Polygonspiegels, der Fördergeschwindigkeit des Ziels (100), die in Zusammenhang mit der Drehgeschwindigkeit steht, und der Leistung von Lasergeneratoren (20a, 20b, 20c und 20d) eines Oberflächenbehandlungssatzes (300), einem dritten Schritt (S300) des Antreibens des Polygonspiegels (50) und des Ziels (100) mit einer eingestellten Geschwindigkeit, einem vierten Schritt (S400) des Erzeugens eines ersten Laserstrahls (21) mit einem vorgegebenen Durchmesser von den Lasergeneratoren (20a, 20b, 20c und 20d) des Oberflächenbehandlungssatzes (300), einem fünften Schritt (S500) der Formung des Querschnitts des ersten Laserstrahls (21) unter Anwendung von mindestens zwei Formungseinheiten (30) und (40) zum Erhalten eines dritten Laserstrahls (23), einem sechsten Schritt (S600) des Projizierens des dritten Laserstrahls (23) auf eine reflektierende Fläche (51a) des Polygonspiegels (50), und einem siebten Schritt (S700) des Fokussierens eines vierten Laserstrahls (24), der durch Aufteilen des dritten Laserstrahls (23) an der reflektierenden Fläche (51a) erhalten wird, und des Projizierens des fokussierten vierten Laserstrahls (24) auf das Ziel (100).
Laser-Oberflächenbehandlungsverfahren nach Anspruch 10, wobei der Polygonspiegel (50) mit einer Geschwindigkeit im Bereich von 1000 bis 2000 Upm im Zusammenhang mit der Fördergeschwindigkeit des Ziels (100) umläuft, und das Ziel (100) mit einer Geschwindigkeit im Bereich von 80 bis 200 m/min gefördert wird.
Laser-Oberflächenbehandlungsverfahren nach Anspruch 10, wobei der dritte Laserstrahl (23) einen ovalen Querschnitt hat, der nicht von der reflektierenden Fläche (51a) des Polygonspiegels (50) abweicht und nicht eine reflektierende Fläche (51b) angrenzend an die reflektierende Fläche (51a) erreicht.