DE19960690A1

DE19960690A1 - Precise processing of components involves freely adjusting polarization orientation, preferably at defined angular settings to relative motion of workpiece and electromagnetic radiation

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Publication number: DE19960690A1
Application number: DE19960690A
Authority: DE
Inventors: Thorsten Temme; Christian Kulik
Original assignee: LZH Laser Zentrum Hannover eV
Current assignee: LZH Laser Zentrum Hannover eV
Priority date: 1999-12-15
Filing date: 1999-12-15
Publication date: 2001-07-05

Abstract

The method involves freely adjusting the polarization orientation of the electromagnetic radiation, preferably at defined angular settings with respect to the relative motion of a workpiece and the radiation, which is produced in a preferred form by reflective deflection units. The adjustable polarization orientation is used to achieve defined processing geometries, especially cutting geometries, irrespective of the instantaneous relative motion. Independent claims are also included for the following: an arrangement for converting linear or circularly polarized input radiation.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren sowie eine Vorrichtung, unter deren Einsatz präzise Bearbeitungsergebnisse, beispielsweise Schnitte und Bohrungen, mittels elektromagnetischer Strahlung hergestellt werden können, indem stets die lineare Polarisation der Strahlung der aktuellen Relativbewegung zwischen Werkstück und Laserstrahl angepaßt wird.The invention relates to a method and a device, using which precise Machining results, such as cuts and bores, using electromagnetic Radiation can be produced by always using the linear polarization of the radiation current relative movement between workpiece and laser beam is adjusted.

Es ist bekannt, daß zum Bearbeiten, beispielsweise zum Schneiden verschiedenster Werkstoffe, elektromagnetische Strahlung (z. B. Laserstrahlung) einsetzbar ist. Hierbei wird der Laserstrahl in bevorzugten Ausführungsformen durch optische Komponenten geformt, und im Allgemeinen senkrecht auf das Werkstück geführt. Die Einbringung der elektromagnetischen Energie in das Werkstück führt zu lokaler Aufschmelzung oder Sublimation des zu bearbeitenden Werkstoffs. Sublimiertes Material wird im Allgemeinen durch eine Gasspülung abgeführt, während aufgeschmolzenes Material vorzugsweise durch axial zum Laserstrahl geführtes Prozessgas entlang der Schneidfront auszublasen ist. Durch die Relativbewegung zwischen elektromagnetischem Strahl und Werkstück erfolgt die Ausbildung von Schnitten entlang beliebiger Strecken. Sonderfall des Schneidens ist das Trepanierbohren, bei dem die Bohrungen mit gewünschtem Durchmesser ausgeschnitten werden. Im Allgemeinen ist hierbei der Durchmesser des Strahls kleiner als jener der zu erzielenden Bohrung. Sowohl beim Schneiden mittels Sublimation als auch mittels Schmelze ist die Strahleinkopplung und die nachfolgende Strahl-Stoff-Wechselwirkung von entscheidender Bedeutung für geometrische und werkstoffliche Eigenschaften des erzeugten Bearbeitungsergebnisses. Die Einflußgrößen auf Art und Umfang der Strahleinkopplung sind unter anderem Werkstoff, Wellenlänge, Größe der Leistungsdichte, Profil der Leistungdichte, sowie die Polarisation der Strahlung.It is known that for processing, for example for cutting various Materials, electromagnetic radiation (e.g. laser radiation) can be used. Here will in preferred embodiments the laser beam is formed by optical components, and generally guided perpendicular to the workpiece. The introduction of the electromagnetic energy in the workpiece leads to local melting or Sublimation of the material to be processed. Sublimated material is generally discharged through a gas purging, while melted material preferably through Process gas guided axially to the laser beam must be blown out along the cutting front. By the relative movement between the electromagnetic beam and the workpiece takes place Formation of cuts along any route. This is a special case of cutting Trepanning drilling, in which the holes are cut out with the desired diameter become. In general, the diameter of the beam is smaller than that of the achieving bore. Both when cutting with sublimation and with melt is the beam coupling and the subsequent beam-material interaction of crucial for the geometric and material properties of the generated Processing result. The factors influencing the type and scope of the beam coupling are among other things material, wavelength, size of the power density, profile of the power density, as well as the polarization of the radiation.

Bei der Bearbeitung mit polarisierter elektromagnetischer (em) Strahlung hat der Winkel α (siehe Fig. 1) zwischen der Polarisationsebene der Strahlung und der Relativbewegung zwischen Strahl und Werkstück einen maßgeblichen Einfluß auf das Bearbeitungsergebnis. Dieser Effekt ist oftmals nicht erwünscht, da er bei einem Wechsel der Orientierung der Relativbewegung zwischen Werkstück und Laserstrahl, wie er bereits bei einfachen zweidimensionalen Bearbeitungswegen (vorzugsweise bei Schnitten und Trepanierbohrungen) erfolgt, zu einer Veränderung der Schnittbreite führt. Diese Veränderung ist gerade bei kleinen Werkstücken mit hohen Präzisionsanforderungen zu vermeiden.When processing with polarized electromagnetic (em) radiation, the angle α (see FIG. 1) between the plane of polarization of the radiation and the relative movement between the beam and the workpiece has a significant influence on the processing result. This effect is often not desired because it changes the cutting width when the orientation of the relative movement between the workpiece and the laser beam changes, as is already the case with simple two-dimensional machining paths (preferably with cuts and trepanning holes). This change should be avoided especially for small workpieces with high precision requirements.

Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung anzugeben, mit der die Einflüsse der Polarisation der einwirkenden Laserstrahlung auf das Bearbeitungsergebnis gezielt zu deren Beeinflussung genutzt werden können.The invention is therefore based on the object of a method and a device specify with which the influences of the polarization of the laser radiation acting on the Machining results can be used to influence them.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß bei einem Verfahren der eingangs beschriebenen Art die Polarisierung der elektromagnetischen Strahlung räumlich stets an die aktuelle Form der Bearbeitung angepaßt wird. In Fig. 1a) ist beispielhaft dargestellt, daß auf der gesamten Bearbeitungsbahn der Winkel α zwischen momentaner Relativbewegung und Polarisationsebene konstant gehalten wird. Dieses Vorgehen führt auf der gesamten Bearbeitungsbahn zu einer gleichförmigen Beeinflussung des Bearbeitungsergebnisses durch die Polarisation der bearbeitenden Strahlung. Wie in Fig. 1b) dargestellt, kann der Winkel α im Verlauf einer Bearbeitung (Position A) gezielt variiert werden. Dieses Vorgehen kann eine veränderte Beeinflussung durch die Polarisierung herbeiführen. Beispielsweise ist so beim strahlungsgestützten Schneiden eine Veränderung der Schnittgeometrie, (zum Beispiel der Breite und Schnittflanke des Schnitts) möglich. According to the invention the object is achieved in that the polarization of the electromagnetic radiation is always spatially adapted to the current form of processing in a method of the type described above. In Fig. 1a) is shown as an example that the angle α between the current relative movement and the polarization plane is kept constant over the entire machining path. This procedure leads to a uniform influencing of the processing result by the polarization of the processing radiation on the entire processing path. As shown in Fig. 1b), the angle α can be varied in a targeted manner in the course of machining (position A). This procedure can change the polarization. For example, in the case of radiation-assisted cutting, a change in the cutting geometry (for example the width and cutting edge of the cut) is possible.

Die Vorrichtung beinhaltet vorzugsweise Elemente zur Variation der Polarisation der Eingangsstrahlung, zur Strahlführung, zur Erfassung und Verarbeitung der Strahlführungsdaten und zur Strahlformung. In einer bevorzugten Ausführungsform erfolgt die Anpassung der Polarisationsrichtung durch die Erfassung der Strahlführungsdaten und deren Verarbeitung entsprechend den Anforderungen an die Bearbeitung. Die Anpassung der Polarisationsrichtung erfolgt durch eine geeignete Ansteuerung des drehbar gelagerten optischen Elements.The device preferably contains elements for varying the polarization of the Input radiation, for beam guidance, for recording and processing the Beam guidance data and beam shaping. In a preferred embodiment the adaptation of the polarization direction by the acquisition of the beam guidance data and their processing in accordance with the processing requirements. The adjustment of the The direction of polarization takes place by suitable control of the rotatably mounted optical element.

Im folgenden wird ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnung (Fig. 2) näher erläutert: Die Eingangsstrahlung (1) durchtritt ein optisches Element (2) (beispielsweise eine λ/4-Platte), auf dessen dem Eingangsstrahl abgewandten Seite die Strahlung zircular polarisiert (3) in das zweite optische Element (4) eintritt. Dieses optische Element ist vorzugsweise axial zur Strahlausbreitungsrichtung drehbar gelagert. Durch diese Drehbarkeit kann auch die Polarisationsorientierung des austretenden Strahls (4a) axial zur Strahlausbreitungsrichtung gedreht werden. Alternativ kann die Variation der Polariastion linear polarisierter Eingangsstrahlung auch durch ein einzelnes axial bewegliches optisches Element (λ/2-Platte) erreicht werden. Die so modifizierte Strahlung kann auf ein Strahlablenksystem (5), beispielsweise auf axial beweglichen Spiegeln basierend, geführt werden, um eine Relativbewegung zwischen Werkstück (7) und Laserstrahl zu ermöglichen. Das dargestellte telezentrische F-Theta-Objektiv (6) hat lediglich beispielhaften Charakter und kann beispielsweise durch beliebige Planfeldoptiken ersetzt werden.A preferred exemplary embodiment of the invention is explained in more detail below with reference to the drawing ( FIG. 2): the input radiation ( 1 ) passes through an optical element ( 2 ) (for example a λ / 4 plate), on the side of which facing away from the input beam the radiation is circular polarized ( 3 ) enters the second optical element ( 4 ). This optical element is preferably rotatably mounted axially to the beam propagation direction. Due to this rotatability, the polarization orientation of the emerging beam ( 4 a) can also be rotated axially to the beam propagation direction. Alternatively, the variation of the polarization of linearly polarized input radiation can also be achieved by a single axially movable optical element (λ / 2 plate). The radiation modified in this way can be guided on a beam deflection system ( 5 ), for example based on axially movable mirrors, in order to enable a relative movement between the workpiece ( 7 ) and the laser beam. The telecentric F-theta lens ( 6 ) shown is merely of an exemplary character and can be replaced, for example, by any plane field optics.

Zur Ansteuerung des optischen Elements zur Generierung der drehbaren, linear polarisierten Strahlung (4) wird vorzugsweise von der Strahlablenkeinheit die aktuelle Vorschubbewegung ermittelt (8) und an eine Kontrolleinheit (9) weitergeleitet. Diese ermittelt die akutelle Orientierung der Vorschubbewegung, berechnet in Abstimmung mit den Anwendervorgaben die erforderliche Position des optischen Elements und steuert den Stellantrieb (10) entsprechend an. Diese setzt die Vorgabe des Steuerelements in die entsprechende Winkelstellung des optischen Elements (4) um.To control the optical element for generating the rotatable, linearly polarized radiation ( 4 ), the current feed movement is preferably determined ( 8 ) by the beam deflection unit and forwarded to a control unit ( 9 ). This determines the current orientation of the feed movement, calculates the required position of the optical element in coordination with the user specifications and controls the actuator ( 10 ) accordingly. This converts the specification of the control element into the corresponding angular position of the optical element ( 4 ).

Das erfindungsgemäße Verfahren sowie die Vorrichtung ist insbesondere für das Laserstrahl schneiden und -trepanierbohren geeignet. Durch eine automatisierte Einstellung der Polarisationsrichtung in Abhängigkeit von der Relativbewegung zwischen Werkstück und Laserstrahl wird die prinzipbedingte Prozeßbeeinflussung durch die Laserstrahlpolarisation für eine Steigerung der Bearbeitungsqualität genutzt. Somit ergeben sich neuartige Bearbeitungmöglichkeiten mit höchster Qualität.The method according to the invention and the device are in particular for the laser beam suitable for cutting and trepanning. Through an automated setting of the Direction of polarization depending on the relative movement between workpiece and Laser beam becomes the principle-related process influence through laser beam polarization used to increase the processing quality. This results in new types Processing options with the highest quality.

Claims

1. Method for processing a component or a component arrangement by means of electromagnetic radiation and device for generating the necessary Beam properties.

2. The method according to claim 1 for separating, joining, drilling or removing any Materials using polarized electromagnetic radiation, characterized in that that the polarization orientation of the electromagnetic radiation is essentially free is adjustable and preferably in a defined angular position for the relative movement between Workpiece and electromagnetic radiation in a preferred embodiment is realized by reflecting beam deflection units, is tracked.

3. The method according to claim 1 and 2, characterized in that the adjustable polar station orientation of the radiation is used for this, regardless of the current one Relative movement between radiation and workpiece defined machining, in particular to achieve cutting geometries.

4. The method according to claim 1, 2 and 3, characterized in that a clear Relationship between the spatial relative movement between jet and Workpiece and the orientation of the polarization consists of preferably cuts adjustable width or holes with optimal approximation to the circular shape achieve.

5. The device according to claim 1, for converting linearly or circularly polarized using electromagnetic radiation in linearly polarized electromagnetic radiation adjustable direction of polarization.

6. Apparatus according to claim 1 and 5, characterized in that the linear or circular polarized input radiation by means of one or more axially Beam propagation direction arranged optical elements, of which at least one is rotatably mounted axially to the beam propagation direction, linear in the variable direction is polarized.

7. The device according to claim 1, 5, and 6, characterized in that the polarization of the electromagnetic radiation continuously depending on the orientation of the Relative movement between workpiece and machining beam is varied.

8. The device according to claim 1, 5 and 7, characterized in that the laser beam guided on one workpiece by means of one or more movable deflecting mirrors can be.

9. The device according to claim 1, 5, 6, 7 and 8, characterized in that the polarization direction of the electromagnetic radiation to be set on the Workpiece depending on the momentary movement of the beam guiding elements Arrangement calculated according to claim 8 and by means of a control or regulating unit Claim 6 is set in the device.