DE19846368C1 - Vorrichtung zum Schneiden, Schweißen, Bohren oder Abtragen eines Werkstückes mittels eines Laserstrahles - Google Patents
Vorrichtung zum Schneiden, Schweißen, Bohren oder Abtragen eines Werkstückes mittels eines LaserstrahlesInfo
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Abstract
Eine Vorrichtung zum Schneiden, Schweißen, Bohren oder Abtragen eines Werkstückes umfaßt eine Laserlichtquelle, deren Strahl (2) nicht nur durch die übliche Abbildungsoptik (4), sondern zusätzlich durch ein diffraktives Element (3) geleitet wird. In dem diffraktiven Element (3) sind mindestens zwei Segmente ausgebildet, welche mindestens zwei Teilstrahlen (2a, 2b) erzeugen. Die beiden Teilstrahlen (2a, 2b) werden von der Abbildungsoptik (4) in zwei Brennflecke (F¶1¶, F¶2¶) abgebildet. Der erste dieser Brennflecke (F¶1¶) liegt verhältnismäßig nahe an der der Laserlichtquelle zugewandten Fläche (5) des Werkstücks (1), während der zweite Brennfleck (F¶2¶) dem ersten Brennflecks (F¶1¶) in Richtung der Relativbewegung (6) zwischen Laserstrahl (2) und Werkstück (1) nacheilt und einen größeren Abstand von der der Laserlichtquelle zugewandten Fläche (5) des Werkstückes (1) aufweist als der erste Brennfleck (F¶1¶). Hierdurch wird die Qualität des Laserbearbeitungsvorganges verbessert.
Description
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Schneiden, Schweißen
Bohren oder Abtragen eines Werktückes mittels eines Laserstrahle
nach dem Oberbegriff des Hauptanspruches.
Es ist bekannt, Werkstücke aus unterschiedlichsten Materialien
mit Hilfe von Laserstrahlen zu schneiden, zu schweißen, zu
bohren oder abzutragen. Hierzu wird im allgemeinen der von
einer Laserlichtquelle mit geeigneter Wellenlänge erzeugte
Laserstrahl in einem Brennfleck fokussiert, der verhältnis
mäßig nahe an derjenigen Fläche des Werkstückes liegt, die
der Laserlichtquelle zugewandt ist. Im allgemeinen ist dies
die obere Werkstückfläche, so daß nachfolgend vereinfachend
von "oberer" Fläche geredet wird, wenn diese Fläche gemeint
ist. Durch diese Lage des Brennflecks soll z. B. beim Schneiden
des Werkstückes eine gute Qualität der Schnittkanten und eine
schmale Schnittfuge erzielt werden. Nachteilig ist dabei ins
besondere bei verhältnismäßig dicken Werkstücken, daß das Auf
schmelzen des Materials im Werkstück, welches verhältnismäßig
tief im Werkstück liegt, erschwert ist. Insbesondere beim Schnei
den von Werkstücken entstehen an der Rückseite der Schneidfuge
Schnittkanten mit schlechter Qualität, die "Bärte" oder "Grate"
des ausgetriebenen Materials tragen.
Eine Vorrichtung der eingangs genannten Art ist aus der
DE 195 11 393 bekannt. Sie weist in der Abbildungsoptik ein dif
fraktives Element auf, das nicht segmentiert ist. Daher liegen
die erzeugten, zueinander versetzten Brennflecke in derselben
Brennebene, was zu den oben angesprochenen Problemen bei tiefem
Aufschmelzen des Materials im Werkstück führt.
Bei der aus der US 5 690 845 A bekannten Vorrichtung werden
zwar Brennflecke in verschiedenen Brennebenen erzeugt; dies
geschieht jedoch mit Hilfe konventioneller Optiken.
Die DE 43 17 137 A1 zeigt diffraktive Elemente mit unterschied
lichen Segemente in einem sogenannten "Vielstrahl-Generator".
Aus der DE-PS 40 24 299 sowie aus der EP-OS 0 098 048 schließ
lich ist es bekannt, durch Strahlteiler, bei denen es sich
um segmentierte Spiegel handelt, mehrere Brennflecke zu er
zeugen, die in dem Sinne nebeneinanderliegen, daß die effektive
Brennweite der Abbildungsoptik für alle Brennflecke die gleiche
und ihr Abstand von der Werkstückoberfläche daher identisch
ist. Hiermit lassen sich die eingangs beschriebenen Nachteile
nicht vermeiden. Zudem sind die hier als Strahlteiler einge
setzten Spezialspiegel teure Teile, deren optische Eigenschaf
ten nicht leicht veränderbar sind.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Vorrichtung
der eingangs genannten Art derart auszugestalten, daß eine
bessere Materialbearbeitung auch in den weiter von der oberen
Fläche des Werkstückes entfernt liegenden Materialbereichen
mit einfachen Mitteln möglich ist.
Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 beschriebene Erfin
dung gelöst.
Die erfindungsgemäß zur Strahlteilung eingesetzten diffraktiven
Elemente lassen sich sehr kostengünstig herstellen. Durch Wahl
der diffraktiven Strukturen auf den einzelnen Segmenten des
diffraktiven Elementes können die unterschiedlichsten Abbil
dungseigenschaften erzeugt werden. Insbesondere ist es so prob
lemlos möglich, die mittleren Teilstrahlen, die von dem diffrak
tiven Element entsprechend dessen Segmentzahl erzeugt werden,
mit unterschiedlichen effektiven Brennweiten zu versehen, so
daß also die durch diese Teilstrahlen erzeugten Brennflecke
unterschiedlich tief im Werkstück zu liegen kommen. Gleich
zeitig können die diffraktiven Strukturen der verschiedenen
Segmente problemlos mit unterschiedlichen "off axis"-Anteilen
versehen werden, wodurch der gewünschte "seitliche Versatz"
der einzelnen Brennflecke entsteht.
Insbesondere beim Schneiden kommt eine Ausgestaltung der Er
findung zum Einsatz, bei welcher der zweite Brennfleck dem
ersten in Richtung der Relativbewegung nacheilt.
Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel sind die Segmente
streifenförmig und durch Trennlinien voneinander getrennt,
die gerade sind und senkrecht zur Richtung der Relativbewegung
verlaufen. An den Trennlinien zwischen den Segmenten, die er
findungsgemäß an dem diffraktiven Element vorhanden sein müssen,
lassen sich Beugungsverluste nicht vollständig vermeiden. Haben
diese Trennlinien die oben angegebene Richtung, so liegen die
gebeugten Anteile des Laserlichtes in der Ebene, die durch die
Achsen der verschiedenen Teilstrahlen aufgespannt wird und
damit innerhalb der "Bearbeitungsfront", innerhalb welcher
die verschiedenen Brennflecke liegen. Die Beugungsanteile gehen
somit energetisch nicht verloren.
Alternativ ist es selbstverständlich auch möglich, die Segmente
des diffraktiven Elementes tortenstückförmig auszugestalten.
Hierbei müssen jedoch gewisse Beugungsverluste in Kauf genommen
werden.
Grundsätzlich ist die Wahl der Segmentzahl innerhalb des diffrak
tiven Elements beliebig: Um so mehr Segmente, um so mehr hier
durch erzeugte Brennflecke. Dieses Prinzip läßt sich im Extrem
fall so ausgestalten, daß die Segmente kontinuierlich ineinander
übergehen. Dies bedeutet im Ergebnis eine unendliche Anzahl
von Segmenten, denen eine unendliche Anzahl von auf einer Linie,
der "Bearbeitungsfront", liegenden, kontinuierlich ineinander
übergehenden Brennflecke entspricht.
Ein oder auch mehrere Segmente können unstrukturiert sein.
Hier kommen dann ausschließlich die Abbildungseigenschaften
der unmodifizierten Abbildungsoptik zum tragen.
Die hohe Flexibilität der Erfindung kommt besonders in der
jenigen Ausgestaltung zum Ausdruck, bei welcher zumindest eines
der Segmente so gestaltet ist, daß seine Abbildungseigenschaf
ten einen Zylinderanteil enthalten. Somit kann z. B. ein ellip
tischer oder linenförmiger Brennfleck erzeugt werden. Dieser
läßt sich beispeilsweise beim Laserschneiden so auf die Schnitt
fuge legen, daß die Linie bzw. im Falle eines elliptischen
Brennflecks die größere Hauptachse auf die Schnittfuge proje
ziert wird.
Je nach Wellenlänge des Laserstrahles kann das diffraktive
Element aus transmittivem oder reflektivem Material sein.
Besonders bei der Nachrüstung bereits bestehender Vorrich
tungen ist diejenige Ausgestaltung der Erfindung von
großem Vorteil, bei welcher das diffraktive Element
eben ist und zusätzlich zu einem abbildenden Element
in der Abbildungsoptik vorgesehen ist. Eine bereits
existierende Laserbearbeitungsvorrichtung kann so in
eine erfindungsgemäße Vorrichtung einfach dadurch umge
baut werden, daß das ebene diffraktive Element zusätz
lich in den Strahlengang eingebracht wird.
Selbstverständlich ist es aber auch möglich, daß ein
abbildendes Element (z. B. eine Linse oder ein gekrümmter
Spiegel) durch Einbringen entsprechender Segmente gleich
zeitig als diffraktives Element ausgestaltet ist. Zum
Nachrüsten einer bereits vorhandenen Vorrichtung muß
in diesem Falle das dort vorhandene abbildende Element
(Linse oder Spiegel) gegen ein entsprechend modifiziertes,
mit diffraktiven Segmenten ausgestattetes abbildendes
Element ausgetauscht werden.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend
anhand der Zeichnung näher erläutert; Es zeigen
Fig. 1: schematisch in der Seitenansicht den Strahlen
gang einer Vorrichtung zum Schneiden von Werk
stücken;
Fig. 2: in der Draufsicht in vergrößertem Maßstab
das diffraktive Element, welches in der Vor
richtung von Fig. 1 enthalten ist;
Fig. 3: schematisch den Strahlengang eines zweiten
Ausführungsbeispieles einer Vorrichtung zum
Schneiden von Werkstücken.
In Fig. 1 ist ein Werkstück, welches bereits teilweise
durchschnitten ist, mit dem Bezugszeichen 1 gekennzeichnet.
Es wird von einem Laserstrahl 2 durchtrennt, der von
einer in der Zeichnung nicht mehr dargestellten Laser
lichtquelle erzeugt wird. Der Laserstrahl 2 durchtritt,
von der Laserlichtquelle her kommend, zunächst zwei
Segmente 3a, 3b eines diffraktiven Elementes 3 (vergleiche
insbesondere Fig. 2).
Durch das diffraktive Element 3 werden, wie weiter unter
noch näher erläutert wird, aus dem zunächst einheitlichen
Laserstrahl 2 zwei Teilstrahlen 2a (in Figur durchgezogen
dargestellt) und 2b (in Fig. 1 gestrichelt dargestellt)
erzeugt. Der Teilstrahl 2a ist stärker konvergent als
der Teilstrahl 2b. Bei dem dargestellten Fall des Laser
schneidens ist die Ebene, in welcher die Achsen der Teil
strahlen 2a, 2b liegen, die Schnittebene, in welcher das
Werkstück 1 von dem Laserstrahl durchtrennt wird.
Die Teilstrahlen 2a und 2b durchtreten sodann die übliche
Abbildungsoptik der Vorrichtung, die im vorliegenden
Falle durch eine Sammellinse 4 gebildet wird. Die Sammel
linse 4 bildet den Teilstrahl 2a in einem ersten Brennfleck
(Fokus) F1 ab, der verhältnismäßig nahe an der oberen
Fläche 5 des Werkstückes 1 liegt. Der zweite Teilstrahl
2b wird von der Sammellinse 4 in einem zweiten Brennfleck
F2 abgebildet, der weiter entfernt von der oberen Fläche
5 des Werkstückes 1 liegt. Der Brennpunkt F2 befindet
sich zudem außerhalb der Achse des ursprünglichen Laser
strahles 2.
Die Funktionsweise der beschriebenen Vorrichtung ist
wie folgt:
Wird das zu schneidende Werkstück 1 im Sinne des Pfeiles
6 vorwärtsbewegt, so wird mit dem ersten, der oberen
Fläche 5 des Werkstückes 1 nahen Brennpunkt F1 zunächst
das Werkstück 1 oberflächennah aufgeschmolzen, was zu
einer guten Qualität der Schnittkanten führt. Der in
Schnittrichtung "nacheilende" zweite Brennpunkt F2
vervollständigt das Aufschmelzen des Materials der Werk
stückes 1 in denjenigen Bereichen, die der oberen Fläche
5 weiter entfernt liegen, und hilft insbesondere beim
Austreiben der Schmelze nach unten, so daß auch die
Austrittsstelle des Schnittes eine gute Qualität mit
geringer Gratbildung aufweist.
Das diffraktive Element 3, mit welchem aus dem ursprüng
lichen Laserstrahl die beiden Teilstrahlen 2a und 2b
erzeugt werden, ist in Fig. 2 näher dargestellt. Es
umfaßt zwei streifenartige Segmente 3a, 3b, die an einer
geraden Trennlinie 3c aneinanderstoßen. Innerhalb des
Sektors 3b sind diffraktive Strukturen ausgebildet,
die sich als nahezu gerade, äquidistante Linien dar
stellen. Dieses Segment 3b erzeugt den Teilstrahl 2a
und damit den ersten Brennpunkt F1. Das zweite Segment
3a des diffraktiven Elementes 3 enthält diffraktive
Strukturen, welche im wesentlichen von konzentrischen
Kreisen gebildet sind. Der Mittelpunkt dieser konzentri
schen Kreise ist gegenüber der Achse des ursprünglichen
Laserstrahles 2 versetzt. Auf diese Weise erzeugt das
Segment 3a des diffraktiven Elementes 3 den zweiten
Teilstrahl 2b und damit den zweiten Brennpunkt F2 außer
halb der Achse ("off axis") des primären Laserstrahles
2.
Die Trennlinie 3c liegt senkrecht zur Schnittebene des
Werkstückes 1. Dies hat zur Folge, daß Beugungsverluste,
die grundsätzlich an der Trennungslinie 3c nicht voll
ständig vermieden werden können, innerhalb der Schnitt
ebene liegen und deshalb als Energie für den Schneidvor
gang nicht verloren gehen.
Die diffraktiven Strukturen in den Segmenten 3a, 3b
sind, was der Zeichnung nicht ohne weiteres zu entnehmen
ist, so ausgestaltet, daß sich eine gewisse Zylinderlinsen-
Wirkung ergibt. Dies bedeutet, daß die Brennflecke F1
und F2 nicht kreis- sondern ellipsenförmig sind. Die
Lage des Zylinderlinsenanteiles in den Segmenten 3a und
3b des diffraktiven Elementes 3 ist dabei so, daß die
längeren Achsen der Brennflecke F1, F2 in der Schnitt
ebene des Werkstückes 1 liegen. Auch hierdurch wird die
Schnittwirkung des Laserstrahles 2 verbessert.
In Fig. 3 ist ein zweites Ausführungsbeispiel einer
Vorrichtung zum Schneiden von Werkstücken dargestellt,
welches sich von dem zuerst anhand der Fig. 1 beschrie
benen hauptsächlich dadurch unterscheidet, daß transmittive
Elemente durch reflektive Elemente ersetzt sind. Da
die Funktionen der verschiedenen optischen Elemente
im wesentlichen dieselben sind, sind entsprechende Teile
mit demselben Bezugszeichen zzgl. 100 gekennzeichnet.
Bei der in Fig. 3 dargestellten Vorrichtung fällt der
von einer nicht mehr dargestellten Laserlichtquelle
erzeugte Laserstrahl 102 unter einem Winkel von 45° auf
ein als Umlenkspiegel ausgebildetes diffraktives Element
103. Das diffraktive Element 103 ist, ähnlich wie das
transmittive diffraktive Element 3 von Fig. 2, in zwei
Segmente 103a, 103b unterteilt, die an einer senkrecht
zur Schnittebene liegendenen Trennlinie 103c aneinander
stoßen.
Die Segmente 103a, 103b tragen diffraktive Strukturen, die -
abgesehen von den reflektiven Eigenschaften - mit den
diffraktiven Strukturen des diffraktiven Elementes von
Fig. 3 übereinstimmen. Dies bedeutet, daß der Laserstrahl
102 in zwei Teilstrahlen 102a (in Fig. 3 durchgezogen
dargestellt) und 102b (in Fig. 3 gestrichelt dargestellt)
aufgeteilt wird. Beide Teilstrahlen 102a, 102b fallen auf
einen abbildenden Spiegel 104. Der von dem entsprechenden
Segment des diffraktiven Elementes 103 etwas stärker
konvergent gemacht Teilstrahl 102a wird von dem Spiegel
104 auf einen ersten Brennfleck F1 abgebildet, der
verhältnismäßig nahe an der oberen Fläche 105 des Werk
stückes 101 liegt. Der zweite Teilstrahl 102b wird vom
Spiegel 104 in einen zweiten Brennfleck F2 gebündelt,
der weiter von der oberen Fläche 105 des Werkstückes
101 entfernt liegt. Wird das Werkstück 101 im Sinne
des Pfeiles 106 vorgeschoben, so ist die Schnittwirkung
der beiden Teilstrahlen 102a, 102b ebenso, wie dies
oben schon für das Ausführungsbeispiel der Fig. 1 er
läutert wurde. Auch in diesem Falle ist es möglich,
die diffraktiven Strukturen auf dem diffraktiven Ele
ment 103 mit einem gewissen Zylinderlinsennanteil zu
versehen, so daß die Brennflecke F1 und F2 ellipsen
förmig sind.
Bei beiden oben beschriebenen Ausführungsbeispielen bestand
das diffraktive Element 3 bzw. 103 aus zwei Segmenten 3a,
3b bzw. 103a, 103b, was zur Ausbildung von zwei Brennflec
ken F1, F2 führte. Grundsätzlich kann die Segmentierung
des diffraktiven Elementes jedoch weiter fortgeführt
werden, d. h., die Zahl der enthaltenen Segmente kann über
2 hinaus erhöht werden, mit der Folge, daß eine entspre
chende Anzahl von Brennflecken entsteht. Die Gestalt der
Segmente bleibt vorzugsweise auch in diesem Fall streifen
förmig; d. h., die einzelnen Segmente werden durch Trenn
linien voneinander getrennt, die parallel zueinander und
senkrecht zur Schnittebene des Werkstückes sind. Diese
Ausgestaltung der Segmente als parallele Streifen hat den
schon erwähnten Vorteil, daß an den Trennlinien erzeugte
Beugungen für den Schneidvorgang energetisch verwendet
werden können. Wird auf diesen Vorteil verzichtet, kann
die Segmentierung des diffraktiven Elementes auch nach
Art von "Tortenstücken" erfolgen, wobei also die Trenn
linien zwischen den einzelnen Segmenten radial vom Mittel
punkt nach außen verlaufen.
Nicht dargestellt ist eine Ausführungsform des diffraktiven
Elements, bei dem die einzelnen Segmente kontinuierlich
ineinander übergehen. Dies kann als diffraktives Element
mit einer unendlichen Anzahl von Segmenten verstanden
werden. Es erzeugt dementsprechend eine unendliche Anzahl
von ineinander übergehenden, im Ergebnis eine Linie
bildenden Brennflecken.
Bei den obigen Ausführungsbeispielen waren die diffraktiven
Elemente von den Haupt-Abbildungselementen, der Linse
4 bzw. dem Spiegel 104, getrennte Teile. Bei einem nicht
dargestellten Ausführungsbeispiel sind die diffraktiven
Segmente direkt in die Haupt-Abbildungselemente einge
bracht, wo sie die identische Fumktion ausüben.
Claims (8)
1. Vorrichtung zum Schneiden, Schweißen, Bohren oder Abtragen
eine Werkstückes (1; 101) mittels eines Laserstrahles (2;
102) mit
- a) einer den Laserstrahl (2; 102) erzeugenden Laserlicht quelle;
- b) einer zumindest ein diffraktives Element aufweisenden Ab bildungsoptik (3, 4; 104, 104), welche zumindest einen Teil (2a; 102a) des Laserstrahles (2, 102) zu einem ersten Brennfleck (F1) in einer ersten Ebene, die derjenigen Fläche (5; 105) des Werkstücks (1; 101) benachbart ist, welche der Laserlichtquelle zugewandt ist, und zumindest einen weiteren Teil (2b; 102b) zu einem weiteren Brennfleck fokussiert, der gegenüber dem ersten Brennfleck seitlich versetzt ist;
- c) einer Einrichtung, welche eine Relativbewegung (6; 106) zwischen dem Laserstrahl (2; 102) und dem Werkstück (1; 101) bewirkt;
- a) das diffraktive Element (3; 103) mindestens zwei unter schiedliche Segmente (3a, 3b; 103a, 103b) umfaßt, wobei
- b) die Segmente (3a, 3b; 103a, 103b) des diffraktiven Elements (3; 103) so gestaltet sind, daß ein erstes Segment (3a; 103a) den ersten Brennfleck (F1) erzeugt, während das mindestens eine weitere Segement (3b; 103b) mindestens einen der weiteren Brennflecken (F2) in mindestens einer weiteren Brennebene erzeugt, die einen größeren Abstand von der der Laserlichtquelle zugewandten Fläche (5; 105) des Werkstücks (1; 101) aufweist als die Brennebene des ersten Brennflecks (F1).
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
der weitere Brennfleck (F2) dem ersten (F1) in Richtung
der Relativbewegung nacheilt.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,
daß die Segemente (3a, 3b; 103a; 103b) streifenförmig und
durch Trennlinien (3c; 103c) voneinander getrennt sind, die
gerade sind und senkrecht zur Richtung der Relativbewegung
(6; 106) verlaufen.
4. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,
daß die Segmente des diffraktiven Elements tortenstück
förmig sind.
5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1, 2 oder 4, dadurch
gekennzeichnet, daß die Segmente kontinuierlich ineinander
übergehen.
6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da
durch gekennzeichnet, daß mindestens eines der Segmente
unstrukturiert ist.
7. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da
durch gekennzeichnet, daß mindestens eines der Segmente
(3a, 3b; 103a, 103b) so gestaltet ist, daß seine Abbildungs
eigenschaften einen Zylinderanteil enthalten.
8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch ge
kennzeichnet, daß das diffraktive Element (3) aus trans
mittiven Material ist.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE1998146368 DE19846368C1 (de) | 1998-10-08 | 1998-10-08 | Vorrichtung zum Schneiden, Schweißen, Bohren oder Abtragen eines Werkstückes mittels eines Laserstrahles |
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DE1998146368 DE19846368C1 (de) | 1998-10-08 | 1998-10-08 | Vorrichtung zum Schneiden, Schweißen, Bohren oder Abtragen eines Werkstückes mittels eines Laserstrahles |
Publications (1)
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DE1998146368 Expired - Fee Related DE19846368C1 (de) | 1998-10-08 | 1998-10-08 | Vorrichtung zum Schneiden, Schweißen, Bohren oder Abtragen eines Werkstückes mittels eines Laserstrahles |
Country Status (1)
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