DE19634190A1 - Mehrkopf-Lasergravuranlage - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Mehrkopf-Lasergravuranlage, mit einem Laser, mindestens zwei Belichtungsköpfen mit jeweils einer Optik- /Ablenkeinheit, die einen Teil der Laserstrahlenergie als Gravurstrahl auf einen Arbeitsbereich einer Werkstückoberfläche lenkt, und einer Steuereinheit.

Derartige Mehrkopf-Lasergravuranlagen, die typischerweise als Zwei­ kopf-Anlagen ausgeführt sind, dienen beispielsweise zum effizienten Beschriften von Kunststoffteilen, beispielsweise Radioblenden (Ulrich Over, Ulrich Hartmann: "Laserbeschriftung µ-genau", Beiblatt zu Hanser Fachzeitschriften, Oktober 1991, Seiten LS113, LS114, Karl Hanser Verlag, München).

Der Laser ist typischerweise ein Nd:YAG-Laser mit einer Leistung von 50 bis 100 Watt. Dem einen Belichtungskopf ist ein Strahlteiler, dem anderen Belichtungskopf ein Umlenkspiegel vorgeschaltet. Eine in jedem Belichtungskopf vorhandene Galvanometer-Ablenkeinheit mit nachge­ ordneter Optik bewegt den Strahl im Arbeitsbereich auf einer Werk­ stückoberfläche. Durch Ein-Aus-Steuern des Laserstrahls wird die Werk­ stückoberfläche in jedem Arbeitsbereich graviert oder beschriftet. Da Laserbeschriftung eine häufige Anwendung für eine solche Anwendung ist, nennt man einen solchen Belichtungskopf auch Beschriftungskopf oder Ablenkkopf.

Typischerweise werden die Ablenkeinheiten in jedem Belichtungskopf synchron bewegt, so daß bei entsprechender Steuerung des Lasers die gleiche Beschriftung in jedem Arbeitsbereich stattfindet.

Als alternative Ausgestaltung kann für den dem Laser direkt nachge­ ordneten Belichtungskopf anstelle eines Strahlteilers auch ein Schwenk­ spiegel oder dergleichen vorgesehen sein, so daß die gesamte Energie des Laserstrahls von dem Schwenkspiegel über die Ablenkeinheit auf den ersten Arbeitsbereich geführt wird, oder aber von dem Umlenk­ spiegel und dem zweiten Belichtungskopf auf den diesem zugeordneten Arbeitsbereich geführt wird. Auf diese Weise lassen sich mit den zwei Belichtungsköpfen unterschiedliche Muster gravieren, jedoch nur zeitlich gestaffelt. Im Stand der Technik gibt es also nur die zwei einander ausschließenden Möglichkeiten, mit Hilfe eines Strahlteilers gleiche Beschriftung in den Arbeitsbereichen oder mit Hilfe eines Strahlum­ schalters zwar eine unabhängige Beschriftung, diese jedoch nicht gleich­ zeitig zu erreichen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Mehrkopf-Lasergravur­ anlage der genannten Art anzugeben, mit deren Hilfe auch eine gleich­ zeitige unabhängige Beschriftung mit den einzelnen Belichtungsköpfen möglich ist.

Gelöst wird diese Aufgabe bei einer Mehrkopf-Lasergravuranlage der genannten Art erfindungsgemäß dadurch, daß jedem Belichtungskopf ein gesteuerter schneller optischer Schalter zugeordnet ist, der den zuge­ hörigen Teil der Laserstrahlenergie entweder durchläßt oder sperrt, und daß die Schalter von der Steuereinheit unabhängig voneinander ansteuer­ bar sind.

In einer bevorzugten Ausführungsform ist die erfindungsgemäße Laser­ gravuranlage als Doppelkopf-Anlage ausgeführt, d. h., es sind zwei Belichtungsköpfe vorhanden, wobei in jedem Belichtungskopf die Hälfte der Ausgangsleistung des Lasers für die Beschriftung zur Verfügung steht. Hierzu ist dem Laser direkt ein Strahlteiler nachgeordnet, der die Energie hälftig aufteilt. Bei einer Dreikopf-Anlage wären ein erster und ein zweiter Strahlteiler vorhanden, um zunächst 2/3 der Strahlenergie durchzulassen, während der zweite Strahlteiler dann die Strahlenergie hälftig aufteilen würde, so daß für jeden Belichtungskopf 1/3 der Laser­ energie zur Verfügung steht. Anlagen mit noch mehr Laserköpfen sind entsprechend mit Strahlteilern ausgestattet, um eine gleichmäßige Energieverteilung auf sämtliche Belichtungsköpfe zu erreichen.

Es gibt Lasergravuranlagen, die den Gravurstrahl durch eine Relativbe­ wegung zwischen Belichtungskopf und Werkstückoberfläche über den Arbeitsbereich auf der Werkstückoberfläche führen, wobei an den zu gravierenden Stellen von dem Laser Laserenergie geliefert wird, während an den nicht zu gravierenden Stellen keine Laserenergie ge­ liefert wird. Auch bei solchen Anlagen ist die erfindungsgemäße Maß­ nahme einsetzbar, d. h. man kann eine Mehrkopfanlage vorsehen, wobei jedem Belichtungskopf ein schneller optischer Schalter zugeordnet ist.

Vorzugsweise wird die Erfindung aber bei Anlagen mit einer Ablenk­ einheit in Form beispielsweise von Galvanometerspiegeln eingesetzt. In einer solchen Anlage gibt es während des Belichtungsvorgangs keine Relativbewegung zwischen der Werkstückoberfläche und der Laseroptik, statt dessen wird der zu beschriftende Arbeitsbereich der Werkstückober­ fläche von der Ablenkeinheit abgerastert.

Der erfindungsgemäß vorgesehene schnelle optische Schalter ist in der Lage, den Teilstrahl entweder durchzulassen, so daß er von der Ablenk­ einheit auf die erforderliche Stelle der Arbeitsfläche gelenkt wird, oder den Strahl zu sperren. Dieses Sperren geschieht vorzugsweise mit Hilfe eines Ablenkprismas, welches in den speziell für diesen Zweck ge­ bündelten Laserstrahl geschwenkt wird. Dieser mechanische Schwenk­ vorgang kann mit Hilfe einer speziellen Ablenkeinheit, beispielsweise einer nach Art eines Galvanometerspiegels ausgestalteten Ablenkeinheit, mit einer Frequenz von mehr als 1000 Hz geschaltet werden. Speziell dient als Schalter ein Ablenkprisma, welches den eine relativ hohe Energiedichte aufweisenden Teilstrahl im Sperrzustand des Schalters auf eine Absorbereinheit lenkt, wo die Energie des Teilstrahls abgeleitet wird.

Bei der erfindungsgemäßen Mehrkopf-Lasergravuranlage wird nicht der Laser selbst entsprechend dem Beschriftungsmuster angesteuert, sondern es werden die optischen Schalter so angesteuert, daß das gewünschte Beschriftungsmuster entsteht, während der Laser selbst dauernd angeschaltet bleibt.

Bei einer Doppelkopf-Lasergravuranlage mit einem Nd:YAG-Laser einer Leistung von beispielsweise 80 Watt wird jeder einzelne optische Schalter im ungünstigsten Fall dauernd von der vollen Leistung des Teilstrahls, also der halben Laserleistung (40 Watt) getroffen. Es hat sich gezeigt, daß mit Hilfe eines Ablenkprismas diese Energie auch in ihrer gebündelten Form ableitbar ist.

Durch die erfindungsgemäße Ausbildung der Lasergravuranlage können natürlich ebenso wie bei der bekannten Anlage die (beiden) Arbeitsbe­ reiche mit identischen Beschriftungsmustern bearbeitet werden. In diesem Fall werden die beiden optischen Schalter dann mit gleichen Steuersignalen angesteuert. Die Ansteuerung der beiden Schalter kann aber auch unabhängig erfolgen, so daß bei einer Doppelkopf-Laser­ gravuranlage die beiden Arbeitsbereiche unterschiedliche Beschriftungs­ muster erhalten können. Dabei sind dann die Belichtungsköpfe derart justiert, daß die beiden Arbeitsbereiche zueinander benachbart sind.

In einer anderen Ausführungsform der Erfindung sind die Arbeitsbe­ reiche aber derart eingestellt, daß sie sich zumindest teilweise über­ lappen. Man kann bei einer solchen Anlage im Überlappungsbereich doppelt so schnell beschriften wie in den übrigen Bereichen. Dies kann bei manchen Beschriftungsmustern von Vorteil sein.

Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Doppelkopf-Lasergravur­ anlage;

Fig. 2a und 2b schematisch die Anordnung von zwei Arbeits­ bereichen der Anlage nach Fig. 1,

Fig. 3 eine schematische Darstellung eines schnellen optischen Schalters, wie er in Fig. 1 in den Positionen 6 und 7 schematisch dargestellt ist,

Fig. 4 eine Doppelkopf-Lasergravuranlage entsprechend dem Stand der Technik,

Fig. 5 eine schematische Darstellung einer Doppelkopf-Lasergravur­ anlage für gleichzeitige und gleiche Beschriftung und

Fig. 6 eine schematische Darstellung einer Doppelkopf-Lasergravur­ anlage für unabhängige, aber nicht gleichzeitig durchführbare Beschriftung entsprechend dem Stand der Technik.

Bevor die erfindungsgemäße Mehrkopf-Lasergravuranlage näher erläutert wird, soll kurz der Stand der Technik anhand der Fig. 4 bis 6 er­ läutert werden.

Ein Nd:YAG-Multimode-Laser 101 mit einer schematisch angedeuteten elektronischen Steuereinheit 109 liefert einen Laserstrahl L1 auf ein erstes Belichtungsmodul KI. (Dieses "Modul" muß nicht unbedingt eine bauliche Einheit bilden.) In dem Belichtungsmodul KI befindet sich ein Strahlteiler oder ein Strahlumschalter, was weiter unten noch näher erläutert wird. Dem ersten Belichtungsmodul KI ist ein zweites Be­ lichtungsmodul KII nachgeordnet, das den Laserstrahl L1 entweder über­ haupt nicht, vollständig oder als Teilstrahl (50%) empfängt.

Zu jedem Belichtungsmodul KI und KII gehört ein Belichtungskopf 115, 116 (siehe Fig. 5 und 6) in Form einer Galvanometer-Ablenkeinheit und eine Optik, so daß er einen Gravurstrahl SI bzw. SII auf einen Arbeits­ bereich FI bzw. FII der Oberfläche eines Werkstücks W führt. Der Bearbeitungsstrahl rastert den Arbeitsbereich ab. Durch Ein-/Aus- Steuerung des Lasers 101 ist der Gravurstrahl SI bzw. SII entweder eingeschaltet oder ausgeschaltet, so daß ein entsprechendes Muster graviert (beschriftet) wird. Durch eine Trennlinie T in Fig. 4 ist ange­ deutet, daß die Arbeitsbereiche FI und FII nicht auf ein und demselben Werkstück W liegen müssen, sondern daß es sich um zwei einzelne Werkstücke handeln kann.

Fig. 5 zeigt eine Ausführungsform der Lasergravuranlage nach Fig. 4, und zwar eine Ausführungsform für gleichzeitige und gleiche Be­ schriftung. Hierzu befindet sich in dem ersten Belichtungsmodul KI ein Strahlteiler 103, der ca. 50% der Laserstrahlenergie durchläßt und 50% umlenkt. In dem Belichtungsmodul KII befindet sich ein Umlenk­ spiegel 104. Bei jedem Belichtungsmodul ist mit 115, 116 eine Gal­ vanometer-Ablenkeinheit in Verbindung mit einem Objektiv schematisch als Belichtungskopf angedeutet. Die hier als baulich integrierte Modulen ausgebildeten Teile KI und KII können auch räumlich getrennt sein, z. B. kann zwischen dem Strahlteiler bzw. Umlenkspiegel und dem nach­ geordneten Belichtungskopf eine optische Faser angeordnet sein. Durch Steuerung des Laserstrahls gelangt auf den Arbeitsbereich jedes Be­ lichtungskopfs eine gleichgroße Menge Laserstrahlenergie, so daß eine gleichzeitige Beschriftung mit gleicher Information (gleiches Muster) erfolgt.

Fig. 6 zeigt eine Ausführungsform, bei der das erste Belichtungsmodul KI′ einen Strahlumschalter in Form eines schwenkbaren Spiegels 105 enthält. Das Belichtungsmodul KII′ ist genauso ausgebildet wie in Fig. 5 der Belichtungskopf KII, d. h., es enthält einen Umlenkspiegel 104.

Je nachdem, ob der Schwenkspiegel 105 in Fig. 6 hochgeschwenkt ist oder in seine gestrichelt dargestellte Umlenkstellung verschwenkt ist, gelangt der Laserstrahl entweder voll in das Belichtungsmodul KII′, oder wird vollständig abgelenkt, um auf den Arbeitsbereich zu gelangen, der zu dem Belichtungsmodul KI′ gehört.

Man sieht also durch Vergleich der Fig. 5 und 6, daß entweder nur eine gleichzeitige Beschriftung mit dem gleichen Beschriftungsmuster oder aber eine unabhängige, dafür aber nicht gleichzeitige Beschriftung möglich ist.

Bei der erfindungsgemäßen Mehrkopf-Lasergravuranlage gemäß Fig. 1 ist nicht nur eine gleichzeitige Beschriftung der Arbeitsbereiche mit gleichem Beschriftungsmuster, sondern auch eine unterschiedliche und gleichzeitige Beschriftung in beiden Arbeitsbereichen möglich.

Die in Fig. 1 schematisch dargestellte Anlage ist als Doppelkopf-Laser­ gravuranlage ausgebildet, wie aber bereits oben erläutert wurde, kann die Anlage auch mit entsprechender Modifizierung als Dreikopf-, Vier­ kopf-, . . . -Anlage ausgeführt sein.

Ein Nd:YAG-Laser mit einer Ausgangsleistung von 60 Watt liefert einen Laserstrahl L auf ein erstes Belichtungsmodul 2, das einen Strahlteiler 3 enthält. Der Strahlteiler 3 lenkt 50% des Laserstrahls ab und läßt 50% Energie durch. Der durchgelassene Laserstrahl (Teilstrahl) gelangt in das zweite Belichtungsmodul 8, das einen Umlenkspiegel 4 enthält.

Der umgelenkte Laserstrahl L₂ von dem Strahlteiler 2 und der umge­ lenkte Teilstrahl L₈ von dem Umlenkspiegel 4 gelangen jeweils auf einen schnellen Schalter 6 bzw. 7.

Ein dem schnellen Schalter 6 und 7 nachgeordneter Belichtungskopf 15 bzw. 16 enthält jeweils eine in Fig. 1 nicht näher dargestellte Ablenk­ einheit/Optik und bewegt den fokussierten Strahl S1 bzw. S2 in einem Raster über die zugehörige Arbeitsfläche F1 bzw. F2 auf der Oberfläche des Werkstücks W.

Wie bereits in Verbindung mit Fig. 4 erläutert, deutet auch in Fig. 1 eine Trennlinie T an, daß die Arbeitsbereiche F1 und F2 auch zu ver­ schiedenen Werkstücken gehören können.

Die beiden schnellen optischen Schalter 6 und 7 in Fig. 1 sind über eine nicht dargestellte Verbindung mit einer Steuereinheit 9 verbunden, die jeden Schalter 6 und 7 unabhängig öffnet oder schließt. Durch dieses Öffnen und Schließen wird der Gravurstrahl S1 bzw. S2 der Be­ lichtungsköpfe 15 und 16 hell-/dunkel getastet, so daß eine ent­ sprechende Beschriftung der Arbeitsfläche F1 bzw. F2 erfolgt.

Fig. 2a und 2b zeigen mögliche Ausführungsformen für die Arbeits­ bereiche F1 und F2. Nach Fig. 2a sind die beiden Arbeitsbereiche F1 und F2 einander benachbart. Nach Fig. 2b überlappen sich die Arbeits­ bereiche F1′ und F2′ teilweise, so daß im Überlappungsbereich O eine besonders schnelle Beschriftung erfolgen kann, weil dort nämlich die beiden unabhängig führbaren Gravurstrahlen S1 und S2 für die Be­ schriftung zur Verfügung stehen.

Fig. 3 zeigt schematisch die Ausgestaltung des in Fig. 1 schematisch dargestellten optischen Schalters 6. Da der optische Schalter 7 identisch wie der Schalter 6 ausgebildet ist, soll hier nur der Schalter 6 erläutert werden.

Das parallele Strahlenbündel des Laserstrahls wird von einer Linse 10 gebündelt. An der Engstelle des Strahls befindet sich ein um eine Schwenkachse 11 schwenkbares Prisma 13, welches in der ausgezogenen Stellung die gesamte Strahlenergie auf eine Absorbereinheit 14 ablenkt. Damit gelangt keine Strahlenergie zu der Ablenkeinheit/Optik, die sich rechts an die in Fig. 3 dargestellte Anordnung nach der Kollimator- Linse 12 anschließt. Die Linsen 10 und 12 bilden ein Kepler′sches Teleskop, in dessen Fokus das Prisma eingeschwenkt ist.

In Fig. 3 ist gestrichelt die Offenstellung des Schalters dargestellt. In dieser Stellung ist das Prisma 13 um die Schwenkachse 11 aus dem Strahlengang herausgeschwenkt, so daß die volle Energie des Strahls durch die Linse 12 auf die Ablenkeinheit/Optik und dann auf den zuge­ hörigen Arbeitsbereich gelangt.

Das Verschwenken des Prismas 13 um die Schwenkachse 11 erfolgt mit Hilfe einer Ablenkeinheit, die ähnlich wie ein Galvanometer-Spiegel ausgebildet ist. Eine solche Anordnung läßt ein Umschalten mit einer Zeitspanne von weniger als einer Millisekunde zwischen Offenstellung und Schließstellung (und umgekehrt) zu.

Die in Fig. 3 schematisch dargestellte Absorbereinheit 14 nimmt die auftreffende Strahlenergie auf und führt sie in die Umgebung ab. Bei dem hier gewählten Beispiel eines Nd:YAG-Lasers mit einer Leistung von 60 Watt muß von dem Prisma 13 und der Absorbereinheit 14 im ungünstigsten Fall eine gebündelte Leistung von 30 Watt abgelenkt bzw. abgeführt werden.

Abwandlungen der oben beschriebenen Ausführungsform sind im Rahmen der Erfindung möglich. Gemäß Fig. 1 sind Strahlteiler, schneller optischer Schalter und Belichtungskopf baulich zu einem Modul 2 zusammengefaßt, und der Umlenkspiegel 4, der optische Schalter 7 und der zugehörige Belichtungskopf sind zu einem Modul 8 baulich zusammengefaßt. Abweichend davon können die beiden optischen Schalter 6 und 7 gemäß Fig. 1 auch an einer anderen Stelle fern von dem Strahlteiler 3 bzw. dem Umlenkspiegel 4 angeordnet sein. Die Laserenergie der Teilstrahlen L₂ und L₈ wird dann z. B. über optische Fasern zu dem betreffenden optischen Schalter übertragen.

Auch brauchen die Belichtungsköpfe 15 bzw. 16 baulich nicht direkt dem betreffenden optischen Schalter 6 bzw. 7 nachgeordnet zu sein. Auch hier kann eine räumliche Trennung z. B. mit Hilfe optischer Fasern erfolgen.

Claims (8)

1. Mehrkopf-Lasergravuranlage, mit einem Laser (1), mindestens zwei Belichtungsköpfen (15, 16) mit jeweils einer Optik/Ablenkeinheit, die einen Teil der Laserstrahlenergie als Gravurstrahl (S1, S2) auf einen Arbeitsbereich (F1, F2) einer Werkstückoberfläche lenkt, und einer Steuereinheit (9), dadurch gekennzeichnet, daß jedem Belichtungskopf (15, 16) ein gesteuerter schneller optischer Schalter (6, 7) zugeordnet ist, der den zugehörigen Teil der Laserstrahlenergie entweder durchläßt oder sperrt, und daß die Schalter (6, 7) von der Steuereinheit (9) un­ abhängig voneinander ansteuerbar sind.

2. Anlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Be­ lichtungsköpfe (15, 16) mit je einem optischen Schalter (6, 7) vor­ gesehen sind.

3. Anlage nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Belichtungskopf (15) ein Strahlteiler (3) und dem zweiten Belichtungs­ kopf (16) ein Umlenkspiegel (4) vorgeschaltet ist.

4. Anlage nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß jeder Schalter (6, 7) ein in den gebündelten Teilstrahl schwenkbares Ablenkprisma (13) aufweist.

5. Anlage nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß eine Ab­ sorbereinheit (14) vorgesehen ist, die den von dem Ablenkprisma (13) abgelenkten Strahl aufnimmt.

6. Anlage nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekenn­ zeichnet, daß jeder Belichtungskopf (15, 16) eine Ablenkeinheit, ins­ besondere eine Galvanometerablenkeinheit aufweist.

7. Anlage nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekenn­ zeichnet, daß sich die Arbeitsbereiche (F1′, F2′′) zumindest teilweise überlappen.

8. Optischer Schalter, insbesondere für eine Mehrkopf-Lasergravur­ anlage nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Schalter als schwenkbares Ablenkprisma (13) ausgebildet ist, das abhängig von einem Ansteuersignal in den Zwischenfokus eines Kepler′schen Teleskops (10, 12) eines zu schaltenden Laserstrahlengangs bzw. aus dem Zwischenfokus herausschwenkbar ist.