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GEBIET DER ERFINDUNG
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Die Erfindung betrifft eine optische Vorrichtung und deren Verwendung zur Erzeugung einer gewünschten Form des Fokus eines Laserstrahls. Mittels einer solchen Vorrichtung können im Fokusbereich des Laserstrahls Änderungen der Strahlfleck-Geometrie erreicht werden.
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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Bei der Materialbearbeitung werden zumeist fasergeführte Laser verwendet. Der aus einem Lichtleitkabel austretende Laserstrahl wird in einem an dessen Ende angebrachten Laserkopf zuerst mittels Laseroptiken mit entsprechender Linsen kollimiert und anschließend fokussiert.
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Die Kollimation dient dazu aus dem divergenten Laserstrahlkegel ein nahezu paralleles Strahlenbündel zu machen. Die Fokussierung dient dazu den kollimierten Strahl zu einem Laserspot zu formen, der dann zur Materialbearbeitung verwendet wird.
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Der Abstand zwischen Kollimation und Fokussierung hat keinen wesentlichen Einfluss auf die so genannte Abbildungsleistung im Sinne der Größe des Laserspots. Im Bereich des kollimierten, parallelen Strahlenbündels lassen sich daher verschiedene Sensoren und Kameras einspiegeln, ohne Einfluss auf das System. Fokusformungselemente werden aus diesem Grund auch in diesem Bereich angeordnet.
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Für die Herstellung von stoffschlüssigen Verbindungen mittels Hartlöten oder Schweißen mit Zusatzdraht unter Zuhilfenahme von Hochleistungslasern, insbesondere von galvanisch oder Tauch-verzinken Blechen, existieren verschieden technische Lösungen im Stand der Technik. Dabei werden opto-mechanische Systeme mit Laserkopf genutzt, welche die Laserstrahlung auf das Werkstück projizieren, den Kopf entlang der zu erstellenden Naht führen und einen Zusatzwerkstoff, beispielsweise für einen Fügeprozess, zuführen.
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Bei derartigen bekannten Systemen wird in der Regel beim Hartlöten ein runder Bereich auf dem Werkstück mit einem Durchmesser von einigen Millimetern mit einem fokussierten Laserspot bestrahlt. Der Zusatzwerkstoff wird dabei über einen Draht schleppend, also entgegengesetzt zur Vorschubrichtung des Laserkopfs dem Werkstück zugeführt.
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Eine besondere Ausführungsform von Laserköpfen erzeugt dabei auf dem Werkstück einen Hauptspot für den eigentlichen Fügeprozess von zwei Teilen und zwei vorlaufende kleine Bereiche, die ebenfalls mit Laserleistung beaufschlagt werden. Die vorlaufenden kleinen Bereiche sorgen für eine Wärmevorbehandlung der Oberflächen der miteinander zu verbindenden Teile, wodurch das Fließverhalten des Zusatzwerkstoffes im anschließenden Fügeprozess positiv beeinflusst wird.
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Für die Erzeugung eines Hauptspots mit den zwei Zusatzspots bestehen verschiedene Möglichkeiten: So werden die speziellen drei Fokusse auf dem Werkstück durch einen Faserstecker, in dem drei Glaserfasern an einen Quarzblock gespleißt wurden, erzeugt. Daraus ergibt sich eine Spotgeometrie mit einem großen runden Hauptspot sowie zwei weiteren kleinen runden Nebenspots. Nachteilig an dieser Lösung ist, dass hierfür drei Laserquellen benötigt werden.
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Eine andere Umsetzung zur Erzeugung mehrerer Spots erzeugt eine spezielle Fokusform indem die drei Fokusse über ein Fokusformungselement gebildet werden. So besteht die Möglichkeit eine Spotgeometrie mit einem Hauptspot und zwei Nebenspots zu erzeugen, wobei alle drei Spots eine im Wesentlichen rechteckige Form haben. Das hierfür benötigte Fokusformungselement basiert auf einer einfach zu berechnenden und einfach darzustellenden Geometrie. Nachteilig an dieser Ausführungsform ist, dass die Energie im Hauptlaserspot über die Breite der Lötnaht nahezu gleichförmig eingebracht wird. Dies führt entweder zu einer Überhitzung oder einer zu langsamen Erstarrung der Löt- oder Wärmeleitschweißnaht im Randbereich oder zu einer zu geringen Energieeinbringung in der Mitte der Naht.
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Die
WO 2014/045147 A1 offenbart eine optische Vorrichtung, die eine erste Oberfläche mit einer Vielzahl von Facetten in Mikrogröße umfasst, wobei jede Facette eine jeweilige Ausrichtung aufweist. Die Mehrzahl von Facetten weist eine optische Achse auf, die sich parallel zu dem Normalenvektor zu einer durchschnittlichen Orientierung aller der jeweiligen Orientierungen erstreckt. Die Mehrzahl von Facetten mit Mikrogröße umfasst eine bedeutungsvolle, Muster bildende Untermenge von Facetten. Die Untermenge weist mindestens ein Merkmal auf, das ausgewählt ist aus: gleicher Orientierung (Neigung und Azimut), ähnlicher Farbe, ähnliche rMarkierung (Kratzen, Mattieren, Verrippung), ähnlicher Abstand zu benachbarten Facetten. Dieses Dokument bezieht sich nicht auf eine Anordnung von Linsen, die beim Laserstrahlschweißen verwendet werden, sondern auf optische Abflachungen, die in einer Beleuchtungsvorrichtung verwendet werden.
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Die US-Patentanmeldung
[0011] US 2013/0265755 A1 offenbart ein Linsensystem, das eine oder mehrere einführbare Linsen enthält, die gegen eine Bewegung relativ zu einem schützenden transparenten Medium gesichert sind, das selbst an einem Beleuchtungsgehäuse mit einer Lichtquelle in dem Beleuchtungsgehäuse befestigbar ist. Die einführbaren Linsen können entfernbar oder abwechselnd ausgerichtet sein, um die Lichtverteilung bzw. die Projektionsrichtung von Licht zu verändern. Dieses Dokument bezieht sich nicht auf die Formung eines Laserstrahls, sondern auf die Streuung von Licht oder die Projektionsrichtung von Licht.
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In der
EP 0 706 072 A2 wird eine Einheit zum Aufteilen eines Laserstrahls in eine Mehrzahl von Strahlen offenbart, welche getrennt ist von einer Konvergenzeinheit, so dass beide Einheiten leicht hergestellt werden können, bei geringen Kosten ersetzt werden können und weniger wahrscheinlich während der Laserbearbeitung verschmutzt oder beschädigt werden. Ein Laserstrahl, der von einem Laseroszillator erzeugt wird und durch einen Transmitter in einen Bearbeitungskopf geführt wird, wird durch einen ebenen reflektierenden Spiegel in mehrere Strahlen aufgeteilt. Die so geteilten Laserstrahlen werden von einem anderen reflektierenden Spiegel mit einer einzigen parabolischen Oberfläche reflektiert, so dass sie auf Brennpunkte konvergieren. Der erste reflektierende Spiegel umfasst zwei halbkreisförmige Spiegel, die unabhängig voneinander geneigt werden können. Dieses Dokument bezieht sich auf einen Splitter für einen Laserstahl indem eine Anordnung von gewinkelten Spiegeln verwendet wird, aber nicht auf ein monolithisches Element zum Splitten eines einzigen Strahls in separate Strahlen zur Erzeugung multipler Foci und zur Fokusformung.
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Eine Strahlformung mittels Linsenarray findet sich im Stand der Technik in den Dokumenten
WO 2006/066706 A2 ,
US 2006/0209310 A1 und
DE 11 2005 003 207 B4 .
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Mit keiner der bekannten Vorrichtungen ist es möglich, aus einer einzelnen Laserquelle mehrere Fokusse zu formen, ohne dass bei einem Hauptspot die Energie gleichmäßig über die Fläche des Hauptspots quer zur Vorschubrichtung eingebracht wird. Es besteht daher ein Bedarf an einer Vorrichtung welche die Erzeugung einer Mehrzahl an Foci erlaubt sowie der Fokusformung.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Fokusformung zu Verfügung zu stellen, bei welcher ein Hauptspot und Nebenspots gebildet werden. Die Leistungsdichte im Hauptspot ist dabei im Wesentlichen homogen und entspricht im Querschnitt einer top-hat-Verteilung. Die Spotgeometrie sorgt dafür, dass der Spot quer zur Vorschubrichtung am Rand scharf begrenzt ist und dabei gleichzeitig in der Mitte der Lötnaht eine höhere Einwirkdauer des Lasers erreicht wird. Dadurch ist die Energieeinbringung in der Nahtmitte höher als am Rand.
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Im Zusammenhang mit der vorliegenden Beschreibung soll Haupt- und Nebenspot sich auf Spots eines gesplitteten Laserstrahls beziehen. Der Hauptspot in bezogen auf seine Fläche und Leistung größer als der Nebenspot.
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Der Begriff Lenslet im Zusammenhang mit der vorliegenden Beschreibung bezieht sich auf kleine Linsen und nicht auf Facetten in der Bedeutung optischer Ebenen. Die Lenslets sind periodisch und daher gleichartig mit der Ausnahme eines parallelen Versatzes.
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Die Erfindung betrifft die Verwendung eines Fokusformungselements, welches refraktiv oder reflektiv ist, zur Erzeugung eines polygonalen Hauptspots und zumindest eines Nebenspots, wobei das Fokusformungselement einen ersten Teil aufweist, der den polygonalen Hauptspot erzeugt, und einen zweiten Teil, aufweist, der zumindest einen Nebenspot erzeugt, wobei der erste Teil einen segmentierten Bereich mit einer Anordnung von polygonalen Lenslets, welche Linsen sind, umfasst und der zweite Teil zumindest eine Planfläche umfasst.
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Bei der Verwendung des Fokusformungselements ist vorgesehen, dass der erste Teil nur gleichartiggeformte polygonale Lenslets umfasst, wobei die gleichartig geformten polygonalen Lenslets drei, vier oder sechs Ecken aufweisen können.
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Weiterhin ist für die Verwendung vorgesehen, dass der zweite Teil mit der zumindest einen Planfläche zum segmentierten Bereich gewinkelt sein kann und zudem zumindest zwei Planflächen umfassen kann, wobei die Planflächen zueinander gewinkelt sein können.
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Das zur Verwendung vorgesehene Fokusformungselement kann monolithisch sein.
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Es ist zudem vorgesehen, dass bei dem zur Verwendung vorgesehenen Fokusformungselement die Oberfläche eines Lenslets stetig differenzierbar ist, wobei die Oberfläche des segmentierten Bereichs stetig, aber nicht stetig differenzierbar sein kann.
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Das zur Verwendung vorgesehene Fokusformungselement kann in einer Laseroptik in einem kollimierten Laserstrahl angeordnet sein, wobei das Fokusformungselement zudem verschiebbar quer zur Strahlrichtung (Längsachse) des kollimierten Laserstrahls angeordnet sein kann.
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Für das zur Verwendung vorgesehene Fokusformungselement ist vorgesehen, dass es aus Zinksulfid, Quarzglas, Aluminium oder Kupfer oder einer Kombination aus Aluminium und Kupfer bestehen kann.
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Das zur Verwendung vorgesehene Fokusformungselement kann einen Durchmesser von bis zu 45 mm aufweisen, eine Tiefe der optisch wirksamen Teile von bis zu 6 mmm und bei refraktiven Elementen von bis zu 8 mm.
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Weiterhin kann der Winkel der Planflächen des zur Verwendung vorgesehenen Fokusformungselements zum segmentierten Bereich bis zu 2° betragen, wobei der Winkel von zumindest zwei Planflächen zueinander bis zu 1,5° betragen kann.
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Es ist weiterhin für das zur Verwendung vorgesehene Fokuselement vorgesehen, dass bis zu 60% der Gesamtfläche des Fokusformungselements polygonale Lenslets 5 aufweisen.
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Ein weiterer Gegenstand der Erfindung betrifft die Verwendung einer Laseroptik, umfassend ein Fokusformungselement, wobei das Fokusformungselement refraktiv oder reflektiv ist, zur Erzeugung eines Laserstrahls mit einem polygonalen Hauptspot und zumindest einem Nebenspot umfassend einen ersten Teil, der den polygonalen Hauptspot erzeugt, und einen zweiten Teil, der zumindest einen Nebenspot erzeugt, wobei der erste Teil einen segmentierten Bereich mit einer Anordnung von polygonalen Lenslets umfasst und der zweite Teil zumindest einer Planfläche umfasst.
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Für die Verwendung der Laseroptik ist weiterhin vorgesehen, dass die polygonalen Lenslets gleichartig sein können, wobei die polygonalen Lenslets drei, vier oder sechs Ecken aufweisen können.
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Die zur Verwendung vorgesehene Laseroptik kann weiterhin ein Fokusformungselement umfassen, welches zwischen Kollimationseinheit und Fokussiereinheit angeordnet ist, wobei Fokusformungselement und Kollimationseinheit zueinander verschiebbar, quer zur Längsachse, angeordnet sein können.
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Die zur Verwendung vorgesehene Laseroptik kann eine Brennweite von 123 mm bis 200 mm aufweisen.
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Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist die Verwendung eines Fokusformungselements oder einer Laseroptik wie zuvor ausgeführt zur Erzeugung eines Hauptspots mit einem Durchmesser von bis zu 4 mm und zumindest eines Nebenspots mit einem Durchmesser von bis zu 2,5 mm.
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Figurenliste
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Die Erfindung wird anhand von Figuren näher dargestellt. Es ist offensichtlich, dass die Ausführungsformen und Aspekte der beschriebenen Erfindung nicht beschränkend in Bezug auf den Schutzbereich der Ansprüche sind. Die Erfindung wird durch die Ansprüche und ihre Äquivalente definiert Es ist offensichtlich, dass Merkmale eines Aspekts oder Ausführungsform der Erfindung kombiniert werden können mit einem Merkmal eines anderen Aspekts und/oder Ausführungsform der Erfindung. Es zeigt:
- 1: Aufsicht auf Fokusformungselement
- 2: Schnitt durch Fokusformungselement, Schnittebene A-A'
- 3: Spotbild erzeugt durch erfindungsgemäßes Fokusformungselement mit zwei Planflächen
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AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG UND DER FIGUREN
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Die vorliegende Erfindung stellt ein Fokusformungselement zur Verfügung, welches ermöglicht einen sechseckigen Hauptspot zu erzeugen, bei welchem mittig quer zur Vorschubrichtung des Spots die Hauptenergie eingebracht wird. Zudem wird durch das erfindungsgemäße Fokusformungselement zumindest ein Nebenspot erzeugt. Zum Fügen von zwei Werkstücken ist vorgesehen, dass zwei runde Nebenspots erzeugt werden.
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Der sechseckige Hauptspot mit den beiden in Vorschubrichtung vorlaufenden Nebenspots wird über ein segmentiertes Fokusformungselement erzeugt. Wesentlich im Sinne der Erfindung ist die Verwendung eines monolithischen Elements, welches die Herstellung aus einem Stück und damit eine einfache und kostengünstige Herstellung ermöglicht. Ein Fügen von mehreren Elementen ist somit nicht erforderlich.
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1 zeigt eine Aufsicht auf eine schematische Darstellung eines Fokusformungselements 1 gemäß der Erfindung. Im oberen Bereich des Fokusformungselements 1 ist ein Bereich oder Segment zu erkennen, der aus sechseckigen Lenslets 5 gebildet wird. Jedes Lenslet hat eine stetig differenzierbare Oberfläche, d.h. die Oberfläche eines Lenslets 5 weist keine Kanten, Knicke, Höhensprünge oder einen Versatz auf.
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Die sechseckigen Lenslets 5 bilden eine geschlossene Oberfläche im oberen Teil des Fokussierungselements 1 gemäß der Erfindung. Zwischen den sechseckigen Lenslets 5 bilden sich Kanten mit dem in 1 dargestellten sechseckigen oder Wabenmuster.
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Im unteren Teil des Fokusformungselements 1 in 1 sind zwei Planflächen 10 zu sehen. Die Zahl der Planflächen 10 ist variabel.
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In 2 ist stark schematisch vereinfacht ein Schnitt durch die in 1 angegebene Ebene A-A' zu sehen, die durch eine Planfläche 10 und den segmentierten Bereich mit den sechseckigen Lenslets 5 geht. Die starke konkave Form der Lenslets 5 ist nur beispielhaft gezeigt. Für den zuständigen Fachmann ist ersichtlich, dass Winkel und Krümmung der Lenslets 5 stark übertrieben sind. In einem maßstabsgetreuen Schnitt würde das Element komplett flach aussehen und bestenfalls eine leichte Rauigkeit im Bereich der Lenslets 5 aufweisen. Der Fachmann erkennt zudem, dass der Schnitt, wie in 1 dargestellt, die Lenslets 5 unregelmäßig schneidet. Dargestellt sind diese in 2 aber gleichmäßig.
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Die stetig differenzierbare Form der Oberfläche der einzelnen sechseckigen Lenslets 5 ist in 2 gut zu erkennen. Die geschnittene Planfläche 10 ist in Bezug auf den segmentierten Bereich des Fokusformungselements 1 gewinkelt. Nicht zu erkennen ist, dass die beiden in 1 dargestellten Planflächen 10 zueinander gewinkelt sind. Durch den Winkel der Planflächen zueinander sowie zum segmentierten Bereich lässt sich der Abstand von Hauptspot und Nebenspots zueinander einstellen.
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3 zeigt Hauptspot 15, erzeugt durch den mit sechseckigen Lenslets 5 segmentierten Bereich des Fokusformungselements 1. Zudem sind die durch die beiden Planflächen 10 erzeugten Nebenspots 110 zu erkennen.
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Das Sechseck des Hauptspots befindet sich mittig auf der optischen Achse und entspricht damit der Position des Laserfokus ohne Fokusformungselement. Der ungeformte Laserfokus ist größer als der Hauptspot des Fokusformungselements. Der Anteil der Laserleistung in den einzelnen Laserspots entspricht dem Anteil der Laserleistung im Rohstrahl.
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Neben Sechsecken sind auf andere Formen zur Füllung des segmentierten Bereichs des Fokusformungselements denkbar. Es kommen alle Polygone, wie beispielsweise Dreiecke oder Vierecke ebenfalls in Betracht. Es hat sich gezeigt, dass Sechsecke besonders vorteilhaft sind, da dann die Energieverteilung in einem derart geformten Spot mittig quer zur Vorschubrichtung annähernd am größten ist. Grundsätzlich ist die Energieeinbringung am Rand scharf begrenzt und die in der Mitte eines Sechsecks deponierte Energie doppelt so hoch, was vorliegend als Vorteil angesehen werden kann.
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Die Planflächen erzeugen die Nebenspots. Es ist grundsätzlich denkbar die Zahl der Nebenspots an die Erfordernisse des jeweiligen Prozesses anzupassen, in dem die Erfindung Verwendung finden soll. Zwei Nebenspots sind beispielsweise besonders vorteilhaft beim Fügen von Dachnähten einer Autokarosserie, wenn beide Werkstücke aus verzinktem Stahl sind.
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Die durch die Planflächen erzeugten Nebenspots haben Größe und Form des Laserspots ohne Fokusformungselement. Durch die Neigung der Planflächen entstehen die Nebenspots jedoch leicht versetzt von der optischen Achse.
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Das Fokusformungselement kann im kollimierten Laserstrahl quer zur Strahlrichtung verschoben werden oder die Kollimationseinheit des Laserkopfs und damit das parallele Strahlenbündel auf dem optischen Strahlenbündel verschieben. Durch Verschieben des Fokusformungselements im kollimierten Laserstrahl lässt sich die Aufteilung der Leistung in den einzelnen Spots einstellen. Dieser erfindungsgemäße Vorteil ist nur durch die Ausführung als segmentiertes Fokusformungselement möglich.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Fokusformungselement
- 5
- polygonale Lenslet
- 10
- Planfläche
- 15
- Hauptspot
- 110
- Nebenspot
