DE202008017745U1

DE202008017745U1 - Vorrichtung zum Führen eines Lichtstrahls

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Publication number: DE202008017745U1
Application number: DE202008017745U
Authority: DE
Original assignee: Laser und Medizin Technologie GmbH
Current assignee: Arges GmbH
Priority date: 2007-03-13
Filing date: 2008-03-13
Publication date: 2010-07-15
Anticipated expiration: 2018-03-14
Also published as: DE112008000681A5; WO2008110613A1

Abstract

Vorrichtung zum Führen eines Lichtstrahls, gekennzeichnet durch ein rotierend angetriebenes Lichtführungselement mit wenigstens einer optischen Gruppe, die
von zwei optischen Elementen gebildet ist und zwei plane Oberflächen als Stirnflächen aufweist, wobei die optischen Elemente der optischen Gruppe
– einander zugewandte, komplementäre sphärische Oberflächen aufweisen, von denen die eine sphärische Oberfläche eine konkave Fläche des ersten optischen Elementes bildet und die zweite sphärische Oberfläche eine konvexe Fläche des zweiten optischen Elementes bildet und die konkave Fläche und die konvexe Fläche den gleichen Krümmungsradius besitzen und
– derart relativ zueinander entlang der einander zugewandten sphärischen Oberflächen so zu verschieben sind, dass die planen Oberflächen als der jeweiligen sphärischen Oberfläche eines jeweiligen optischen Elementes abgewandte Oberflächen wahlweise planparallel oder in einem Winkel zueinander verlaufen.

Description

Die hier vorgestellte Erfindung beschreibt eine Vorrichtung zur Realisierung einer schnellen linearen oder kreis- bzw. ellipsenförmigen Führung eines Lichtstrahls, insbesondre eines Laserstrahls durch Ablenkung Strahls von der ursprünglichen Ausbreitungsrichtung bzw. optischen Achse. Eine solche Ablenkung ist gewünscht um durch Einsatz von gebündelter Laserstrahlung eine gezielte Mikromaterialbearbeitung von beliebigen Werkstoffen durchzuführen, indem ein Laserstrahl auf ein Werkstück fokussiert wird und über eine Kombination von Bewegungen, von der mindestens eine Bewegung eine hohe Geschwindigkeit aufweist, geführt wird. Eine solche Ausführungsvariante in der Laser-Mikrobearbeitung zur Einbringung von linearen Schnitten, zur Strukturierung von Oberflächen oder zum Trennen wird in dieser Erfindung als Laserstrahlhobel bezeichnet.
Aus DE 40 26 130 A1 ist hierzu eine Einrichtung zur Ablenkung eines Lichtstrahls mit einem kombinierten Spiegelsystem, welches es erlaubt, den Lichtstrahl ohne Verzerrung zum Ziel zu führen. Dies dient vorwiegend der Beschriftung mittels Laserstrahl.
Spiegelsysteme, die hinter der Fokussierungsoptik angeordnet sind, erlauben kein kurzbrennweitiges Fokussiersystem, da bei Spiegelsystemen – oder auch einzelnen Spiegeln – zur Reflektion meist die Umlenkung des Strahls genutzt wird, und diese nur mit einer bestimmten optischen Weglänge zu realisieren ist. Außerdem treten bei Nichtkompensieren der Spiegelablenkeinheit Verzerrungsfehler (kissen- und tonnenförmige Verzeichnung) auf, wie sie in „Laser Beam Scanning" von Marshall, Dekker, Basel, 1985, auf Seite 226 ff beschrieben sind.
Ein weiterer Nachteil ist die Schwierigkeit mit Spiegelsystemen kleine Wegstrecken zu realisieren, da aufgrund der Eigenschaft des Spiegels (Einfallswinkel gleich Ausfallswinkel) extrem kleine Anstellwinkel gefordert sind. Diese kleinen Wege können die derzeit erhältlichen Antriebe (Galvosysteme) bei hohen Frequenzen nicht leisten. Eine weitere Antriebsmöglichkeit stellen Piezoantriebe dar, die diese kurzen Wege gut bewältigen; jedoch haben diese den Nachteil, dass sich die Piezokeramik bei Dauerbetrieb auf ein und der selben Stelle in die Laufflächen einarbeitet und dies sehr schnell zu Ausfällen führt. Ein weiterer Nachteil von Spiegelsystemen ist, dass beim Richtungswechsel die Bewegung auf Null gefahren werden muss, bevor wieder in die Gegenrichtung beschleunigt werden kann.
Eine vorbekannte Möglichkeit kurzbrennweitig zu arbeiten, ist die Verwendung eines F-Theta-Objektivs hinter dem Spiegelsystem. Die derzeit auf dem Markt erhältlichen Objektive haben einen minimalen Arbeitsabstand von knapp 30 mm, jedoch werden in der Mikromaterialarbeit oft kürzere Brennweiten benutzt.
Weiterhin ist aus DE 100 54 853 A1 ein Verfahren zum Einbringen von Mikrobohrungen in vorwiegend metallische Werkstoffe bekannt, bei dem mittels rotierender Keilplatten ein Strahl in taumelnde Bewegung um die optische Achse versetzt wird. Hohe Drehgeschwindigkeiten sind bei diesem Verfahren durch die ungleiche Massenverteilung ausgeschlossen. Zudem stellt der beschriebene Laser ein System dar, welches mit Pulsbreiten im Nanosekunden-Bereich und moderaten Repetitionsraten ausgestattet ist und in Kombination mit der langsamen Bewegung des taumelnden Strahls für die Bearbeitung von spröden Materialien ungeeignet ist. Auch läuft der ausgelenkte Strahl nicht parallel zur optischen Achse, was dazu führt, dass ein Schutz vor Bearbeitungsrückständen nicht realisiert werden kann, ohne den Strahlweg und die Strahlqualität zu beeinflussen. Dies ist in der Lasermikrobearbeitung ein wesentlicher Punkt, der in die Qualität des Bearbeitungsergebnisses einfließt.
Aus DE 101 05 346 A1 ist eine Vorrichtung zum Wendelschneiden von Löchern in Werkstücke bekannt, bei der mittels Keilplatten ein Strahl so aus der optischen Achse ausgelenkt wird, das er beim Drehen der Keilplattenkombination um die optische Achse rotiert. Zusätzlich werden hier λ½- bzw. λ¼-Plättchen mit in Drehung gebracht, um die Polarisationsrichtung bezüglich der Bearbeitung mitzuführen. Auch dieses System dient der Herstellung von kleinen Bohrungen in überwiegend metallischen Werkstoffen mit hoher Effizienz. Jedoch sind auch hier die für die Herstellung von Mikrogräben notwendigen Parameter wie Rotationsgeschwindigkeit, planparalleler Versatz und Wellenlängen-Unabhängigkeit nicht gegeben.
In US 4,461,947 ist ein Verfahren beschrieben, bei dem mittels einer exzentrisch der optischen Achse angeordneten Linse durch deren Drehung der Strahl in eine rotierende Bewegung zur optischen Achse versetzt wird. Auch hier besteht nach den beschriebenen Ausführungen das Problem der ungleichen Masseverteilung, die hohe Drehzahlen nicht zulässt.
Aus DE 10 2005 047 328 B3 ist schließlich ein Verfahren bekannt, bei dem ein Doveprisma als Bildrotator in einem Hohlwellenmotor Verwendung findet. Vorteilhaft ist darin beschrieben, dass die Einstellung eines parallelen Strahlversatzes unabhängig von der Rotation des Doveprismas ist und dadurch der Verstellmechanismus für den Strahlversatz mechanisch relativ einfach ausgeführt werden kann. Nachteilig ist jedoch auch in dieser Vorrichtung die nicht rotationssymmetrische Massenverteilung des Doveprismas, wodurch bei hohen Drehzahlen eine Unwucht entsteht. Außerdem benötigt das Prisma aufgrund seiner Geometrie eine relativ große Hohlwelle beim Rotationsantrieb, was die Drehzahl der lieferbaren Motoren begrenzt.
Aufgabe der Erfindung ist es eine verbesserte Vorrichtung zum Führen eines Laserstrahls zu schaffen, die es insbesondere erlaubt, den Fokus eines Lichtstrahls mit hoher Bahngeschwindigkeit zu bewegen.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch eine Vorrichtung zum Führen eines Lichtstrahls gelöst. die ein rotierend oder oszillierend angetriebenes Lichtführungselement mit wenigstens einer optischen Gruppe aufweist, die ihrerseits zumindest in einem Betriebszustand zwei planparallele Oberflächen aufweist, die quer zum Lichtstrahl um einen einstellbaren Kippwinkel geneigt ausgerichtet sind. Der Begriff optische Gruppe wird hier in herkömmlicher Manier so verwendet, dass die optische Gruppe ein einziges isoliertes optisches Element enthalten kann, oder mehrere unmittelbar aneinander angrenzende optische Elemente, die jedoch im vorliegenden Fall nicht miteinander verkittet sein müssen. Vielmehr soll sich der Begriff optische Gruppe auch auf eine Kombination von zwei optischen Elementen beziehen die entlang einander gegenüberliegender, kongruenter Oberflächen relativ zueinander verschieblich sind, wobei zwischen den beiden einander gegenüberliegenden Oberflächen auch ein zu vernachlässigender Luftspalt bestehen kann.
Gemäß einer ersten und zweiten, bevorzugten Ausführungsvariante ist die optische Gruppe von einem einzigen einem optischen Element mit zwei planparallelen Oberflächen gebildet, welches im Folgenden auch als planparallele Platte bezeichnet wird.
Dabei ist die planparallele Platte gemäß der ersten bevorzugten Ausführungsvariante mit einem Antrieb verbunden, der so gestaltet ist, dass er die planparallele Platte im Betrieb in eine oszillierende Schwenkbewegung um eine wenigstens annähernd senkrecht zur optischen Achse verlaufende Schwenkachse versetzt.
Bei dieser Ausführungsvariante ist somit das Lichtführungselement um eine wenigstens annähernd senkrecht zur optischen Achse verlaufende Schwenkachse oszillierend angetrieben. Vorzugsweise schneidet hierbei die Schwenkachse die optische Achse im rechten Winkel.
Gemäß einer zweiten und dritten bevorzugten Ausführungsvariante ist das Lichtführungselement um eine parallel zur optischen Achse des Lichtstrahls verlaufende Rotationsachse rotierend angetrieben. Vorzugsweise ist hierbei die optische Gruppe mit einer Einstelleinrichtung verbunden, die es erlaubt, den Kippwinkel der optischen Gruppe einzustellen. Besonders bevorzugt ist die Einstelleinrichtung so ausgebildet, dass sie das Einstellen des Kippwinkels sowohl bei ruhender als auch bei rotierender optischer Gruppe erlaubt.
Eine dritte bevorzugte Ausführungsvariante zeichnet sich dadurch aus, dass die optische Gruppe von zwei optischen Elementen gebildet ist und zwei plane Oberflächen als Stirnflächen aufweist. Hierbei weisen die optischen Elemente der optischen Gruppe einander zugewande, komplementäre sphärisch gekrümmte Oberflächen auf, von denen die eine gekrümmte Oberfläche eine konkave Fläche des ersten optischen Elementes bildet und die zweite gekrümmte Fläche eine konvexe Fläche es zweiten optischen Elementes bildet und die konkave Fläche und die konvexe Fläche den gleichen Krümmungsradius besitzen. Die beiden optischen Elemente der optischen Gruppe sind derart relativ zueinander entlang der einander zugewandten sphärischen Oberflächen so zu verschieben, dass die planen Oberflächen als der jeweiligen sphärischen Oberfläche eines jeweiligen optischen Elementes abgewandte Oberflächen wahlweise planparallel oder in einem Winkel zueinander verlaufen.
Ein weiterer Erfindungsaspekt besteht in einem Verfahren zum Führen eines Lichtstrahls, bei dem ein Lichtstrahl durch ein eine optische Gruppe mit wenigstens in einem Betriebszustand zueinander planparallelen Stirnflächen geführt wird, wobei die optische Gruppe kontinuierlich derart bewegt wird, dass sich die Richtung einer Flächennormalen einer der planen Stirnflächen der optischen Gruppe bezüglich der optischen Achse periodisch ändert.
Vorzugsweise wird hierbei die optische Gruppe kontinuierlich derart bewegt, dass sich der Winkel zwischen einer Flächennormalen einer der planen Stirnflächen der optischen Gruppe und der optischen Achse oszillierend ändert. Vorzugsweise wird als Lichtstrahl ein mit einer Repetitionsrate gepulster Laserstrahl verwendet und die optische Gruppe mit einer Oszillationsfrequenz hin- und herge schwenkt, die auf die Repetitionsrate abgestimmt ist. Auf diese weise lässt sich insbesondere auch ein gewünschter Impuls-zu-Impuls-Überlapp einstellen, wie er nachfolgend noch näher beschrieben ist.
Alternativ kann die optische Gruppe gegenüber der optischen Achse gekippt und in Rotation versetzt werden, so dass die Flächennormale einer der planen Stirnflächen der optischen Gruppe um die optische Achse rotiert und derart ihre Richtung gegenüber der optischen Achse ändert. Auch hierbei ist es vorteilhaft wenn der Lichtstrahl ein mit einer Repetitionsrate gepulster Laserstrahl ist und die optische Gruppe mit einer Drehzahl rotiert, die auf die Repetitionsrate abgestimmt ist, um beispielsweise einen gewünschten Impuls-zu-Impuls-Überlapp zu erzielen.
Die erfindungsgemäße Lösung und ihre Varianten haben den Vorteil, dass eine lineare oder kreisförmige Ablenkung des Lichtstrahles für kleine bis sehr kleine Amplituden mit hohen Bahngeschwindigkeiten ohne Verweilen in den Endlagen und mit kurzbrennweitigen Bearbeitungsoptiken realisiert werden kann. Ein weiterer Vorteil ist, dass der geradlinig oder kreisförmig ausgelenkte Strahl in allen Stellungen parallel zur optischen Achse ausgerichtet ist, und somit orthogonal zum Werkstück. Besonders bei der Bearbeitung von spröden Werkstoffen, wie z. B. Glas oder Keramik, ergibt sich durch diese Art der Strahlführung eine hohe Bearbeitungsqualität, die sich in der guten Kantenqualität (Minimierung der Ausmuschelung und Rissbildung) widerspiegelt.
Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Lösung ist, dass der Strahlengang bis auf den gewünschten Strahlversatz nicht weiter verändert oder gestört wird, was zu Folge hat, das die optimale Fokussierung (mit Sammellinse und Laserstrahlung hoher Qualität) erhalten bleibt. Insbesondere ist die erfindungsgemäße Lösung nicht durch Einschränkungen hinsichtlich der Pulsdauer oder Wellenlänge beschränkt. Es sind für alle Pulsdauern von Dauerstrich (cw) bis hin zu Femtosekunden-Pulsen geeignete Anordnungen in Strahlweg oder Materialien bekannt, die als planparallele Versatzplatte (3) in der beschriebenen Art genutzt werden können. Auch ist die Strahlauslenkung verschiedener Wellenlängen durch geeignete Materialauswahl von UV-Anwendungen bis hin zu Infrarot-Laserstrahlung mit dem beschriebenen Prinzip nutzbar.
Ein weiterer wesentlicher Vorteil besteht darin, dass durch die gezielte Steuerung der Oszillations- oder Rotationsgeschwindigkeit und damit die Festlegung einer Impuls-zu-Impuls-Überlappung der Laserstrahlung auf dem zu bearbeiteten Werkstück, die Applikation gesteuert werden kann, ohne in das Parameterfeld des Lasers, z. B. die Repetitionsrate, einzugreifen, was wiederum nicht nur eine möglichst schonende Bearbeitung liefert, sondern auch eine Maximierung der Bearbeitungseffizienz bedeutet.
Durch den Vorteil der mechanischen Verstellung des Strahlversatzes (S) kann die Amplitude für ein breites Applikationsspektrum angepasst werden.
In der Anwendung ist es außerdem von Vorteil, dass der Strahl auch leicht exzentrisch auf die Optik treffen kann, ohne dass dies eine Auswirkung auf den Strahlversatz hat. Ebenso lässt sich die Fokuslänge durch die Auswahl einer geeigneten Fokussieroptik bzw. deren räumliche Lage zur planparallelen Platte bestimmen. Es kann sogar die gleiche Fokussieroptik verwendet werden, die auch vor dem Einsatz der erfindungsgemäßen Lösung im Einsatz war.
In Weiterführung des Erfindungsgedankens können mehrere Vorrichtungen übereinander angeordnet werden, um zwei unabhängige Schwingungen wirken zu lassen und durch Abtrag Mikrobohrungen mit rechteckigem Profil zu erzeugen. Mit der gleichen Anordnung können auch Lissajousfiguren mit all ihren Varianten erstellt werden. Durch die Ausblendung der Umkehrpunkte in der Bewegung der planparallelen Platte erreicht man eine homogene Verteilung der Laserstrahlung über die Fläche.
Ein Vorteil der Ausführungsvariante mit rotierend angetriebener, gekippter planparalleler Platte (im Folgenden auch als Versatzplatte bezeichnet) ist die Möglichkeit einer Verstellung des Strahlversatzes während der Bearbeitung oder auch in ruhender Lage. Dies ermöglicht, durch einen motorischen X-Y-Antrieb an die Vorrichtung gekoppelt (etwa an einer CNC-Verfahreinheit), eine komplexe, programmgestützte Applikationen der Laserstrahlfräse. Somit können auch freigeformte Abtragsspuren mit einstellbarer Breite mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung erzeugt werden.
Auch bei nicht-rotierender Versatzplatte kann der Strahl in einer Achse bewegt werden, was sehr schmale Mikrogräben oder einen schlitzförmigen Durchbruch oder die Trennung von dünnen Bauteilen ermöglicht.
Gemäß einer dritten Ausführungsvariante erfolgt die Winkeleinstellung mit zwei Linsen mit gleicher Oberflächenkrümmung, genauer gesagt einer Kombination aus einer Konkavlinse und einer Konvexlinse. Je nach gewünschtem Winkel können hier Linsenpaare mit verschieden Radiuspaaren gewählt werden. Außerdem kann die Reihenfolge der Linsenkombination konkav-konvex bzw. konvex-konkav vertauscht werden, um eine Winkelumkehrung zu erzielen. Hierdurch wird es möglich, je nach Wahl der Linsenradien und Reihenfolge der Konkav- und Konvexlinsen relativ zur Laserstrahlausbreitungsrichtung einen vorbestimmten Anstellwinkel einzurichten.
Wesentlich ist hierbei, dass der Kippwinkel nur wegen der Strahlverzerrung begrenzt ist, was aber durch die Wahl der Materialien kompensiert werden kann. Eine Festlegung auf Mikro- oder Makro-Bearbeitung ist nicht notwendig, da dies nur von den gewählten Linsendurchmessern und der Brennweite der Fokussierlinse abhängt.
Ein wesentlicher Bestand dieser dritten Ausführungsvariante sind somit zwei mit ihren gekrümmten Oberflächen aufeinander liegende plan-konkav bzw. plan-konvex Linsen. Vorzugsweise ist die Verstellung des Winkels der Linsen zueinander, der die Winkelanstellung des Laserstrahls bewirkt, so realisiert, dass ich eine rotationssymmetrische Massenverteilung ergibt. Die Winkeleinstellung des fokussierten Bearbeitungsstrahles wird analog vorgenommen, wie gemäß der zweiten bevorzugten Ausführungsvariante für die planparallele Platte vorgesehen. Die Verstellung des Strahlversatzes erfolgt ebenfalls analog zur zweiten bevorzugten Ausführungsvariante.
Durch gleichzeitige Veränderung von Durchmesser und Anstellwinkel des Bearbeitungs-Lichtstrahls sind auch anspruchsvolle Bearbeitungsformen zu realisieren. Für eine Senkung muss beispielsweise der Durchmesser des Bearbeitungsfokus mit zunehmendem z-Vorschub (Bewegung des Fokus zur Werkstoffoberfläche) reduziert werden. Eine solche Ausführungsvariante zur Einbringung von Löchern auch in größerer Materialtiefe, zur präzisen Strukturierung von Oberflächen oder zum Trennen in beliebigen Konturen wird in dieser Erfindung als Laserstrahlfräse mit wählbarem Anstellwinkel bezeichnet.
Ein weiterer Vorteil der dritten Ausführungsvariante ist, dass die Winkeleinstellung völlig unabhängig von der Verstellung des parallelen Strahlversatzes wirkt und so zur Herstellung von Hohlräumen mit „punktförmiger” Öffnung dienen kann.
Ebenso sind die Anfertigung von zylindrischen Bohrungen mit kleinstem Durchmesser, die bei der konventionellen Laserbearbeitung mit einem bestimmten Aspektverhältnis behaftet, d. h. kegelförmig, sind, möglich. Ohne Anstellwinkel wird beobachtet, dass bei größerer Schnitt- oder Bohrtiefe die gewünschte Abtragstiefe nicht erzielt wird. Der Abtrag wird häufig durch eine Einkerbung bzw. Verjüngung in der Schnittbreite bzw. im Bohrlochdurchmesser mit zunehmender Tiefe unterbrochen. Eine Nachführung der fokussierten Laserstrahlung in eine größere Tiefe führt häufig zu keiner Lösung, da dann ein großer Anteil der Laserenergie an der bereits generierten Eintritts-Öffnung absorbiert oder reflektiert wird und somit nicht die zu bearbeitende Fläche in der Tiefe erreichen kann. Die Strahlverluste am Bohrungseingang verhindern somit einen weiteren Abtrag in größere Bearbeitungstiefe. Ein eingestellter Anstellwinkel der Laserstrahlung über 0°, der einer Einkerbung der Bearbeitung in größerer Tiefe entgegenwirkt und somit den Effekt der Verjüngung bei der Bearbeitung in größerer Tiefe minimiert bzw. sogar komplett ausschließt, gewährleistet so die Herstellung von deutlich höheren Aspektverhältnissen. Mit diesem Verfahren wird auch verhindert, dass durch Absorption der Laserstrahlung an der Werkstückkante unterschiedliche Durchmesser in der Eintritts- und Austrittsbohrung des Werkstücks entstehen. Dies geschieht zweckmäßigerweise dadurch, dass die Strahlflanke, die zum Außenrand der Bohrung steht, koaxial zur Achse der Bohrung ausge richtet ist. Somit ist der minimal erzielbare Durchmesser der zylindrischen Bohrung vom Strahldurchmesser in Höhe des Bohrungseinganges bestimmt.
Ein weiterer Vorteil der dritten Ausführungsvariante ist, dass bei der Änderung des Anstellwinkels des fokussierten Bearbeitungsstrahls durch Neigung der Konkavlinse sowie der Konvexlinse relativ zur optischen Achse, der optische Strahlengang bis auf die gewünschte Winkelverstellung nicht weiter verändert oder gestört wird, was zur Folge hat, dass die für die Bearbeitung optimale Fokussierung nur minimal gestört wird. Somit ist eine Verstellung des Winkels während der Bearbeitung ohne großen Einfluss auf die durch andere Einstellungen (Laserparameter, Bearbeitungsentfernung, Gasstrom, etc.) optimierte Schneid- bzw. Abtragsleistung möglich.
Ebenso ist eine Änderung des Anstellwinkels des fokussierten Bearbeitungsstrahls durch Neigung der Konkavlinse sowie der Konvexlinse relativ zur optischen Achse sowohl während der Bearbeitung oder auch in ruhender Lage möglich. Dies erlaubt bei nicht-rotierender Konkavlinse und Konvexlinse den Strahl z. B. mit einer Verfahreinheit lateral in den unterschiedlichen Achsen zu bewegen, etwa durch einen motorischen XY-Antrieb, der an die Vorrichtung oder das Werkstück gekoppelt ist (etwa eine CNC-Verfahreinheit). Hier können durch eine komplexe, programmgestützte Applikation der Laserstrahlfräse mit steuerbarem Anstellwinkel auch freigeformte Abtragsspuren mit einstellbarer Breite und Anstellwinkel mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung erzeugt werden (etwa beliebig zur Oberfläche geneigte Schlitze). Auch können beim Laserabtrag sehr schmale Mikrogräben oder einen schlitzförmigen Durchbruch oder die Trennung von dünnen Bauteilen unter einem einstellbaren Kantenwinkel ermöglicht werden, z. B. als Vorbereitung von (Laser-)Schweißungen von überlappenden Bauteilen bzw. geneigten Kanten bei Stoßschweißungen oder zur lasergestützten Trennung in Ecken und Winkeln sowie zum Abtrag (Bohrung, Schlitz, Senkung, Fase) in Winkelbauteilen oder zur Verjüngung eines Schenkels von winkligen Bauteilen. Auch eine Laserschweißung an geneigten Flächen ist somit möglich.
Die beschriebene Erfindung erlaubt auch eine unabhängige Bewegung von planparalleler Platte und der die Linsenkombination Konkavlinse und Konvexlinse umfassenden optischen Gruppe. Hierdurch wird eine Winkelbewegung entlang einer Kreisbahn mit geringem Durchmesser ermöglicht, die sich je nach Geschwindigkeit der bewegten Komponenten steuern lässt. So ist z. B. in Verbindung mit einer Linearachse eine komplex geformte Spur mit wechselnden Geometrien (Abtragsbreite, Winkel der Wandflächen, Verlauf, etc.) im Mikrometerbereich durch veränderte Anstellwinkel möglich.
In Weiterführung des Erfindungsgedankens können durch vorherige Aufteilung des Laserstrahls mehrere erfindungsgemäße Vorrichtungen zu versorgen und diese am Umfang eines zu bearbeiteten Werkstücks anzuordnen, um so mehrere Bearbeitungsschritte zeitgleich auszuführen.
Die Erfindung soll nun anhand mehrerer Ausführungsbeispiele mit Bezug auf die Figuren näher erläutert werden. Von diesen zeigt:
1 das physikalische Wirkprinzip der Erfindung mit ihren notwendigen Komponenten sowie ihren Bewegungsrichtungen;
2 eine Teilschnittdarstellung einer möglichen Realisierungsvariante mit exzentrischem Antrieb zur Verkippung der planparallelen Platte;
3 eine perspektivische Darstellung eines bearbeiteten Werkstücks mit Abtragsspur und Andeutung des oszillierenden Laserstrahls;
4 eine Schnittdarstellung einer möglichen Realisierungsvariante mit Stellring zur Verkippung der planparallelen Platte;
5 eine perspektivische Darstellung eines bearbeiteten Werkstücks mit Abtragsspur und Andeutung des taumelnden Laserstrahls;
6 das physikalische Wirkprinzip der Erfindung in Kombination mit einer planparallelen Platte als Anwendungsbeispiel. Die notwendigen Komponenten sowie ihre Bewegungsrichtungen sind dargestellt;
7 das physikalische Wirkprinzip der Erfindung mit Einbeziehung der Funktion der planparallelen Platte in die Linsenkombination. Die notwendigen Komponenten sowie ihre Bewegungsrichtungen sind dargestellt;
8 eine perspektivische Darstellung eines bearbeiteten Werkstücks mit Abtragsspur und einer Senkbohrung sowie eine Andeutung des taumelnden fokussierten Laserstrahls; und
9 bis 12 durch eine Simulation berechnete Strahlverläufe für verschiedene Umsetzungsbeispiele der Laserstrahlfräse mit wählbarem Anstellwinkel.
Die in 1 schematisch skizzierte Vorrichtung zur Mikrobearbeitung von Werkstoffen weist eine Anordnung auf, die auf dem physikalischen Prinzip der Brechung von Licht an einer planparallelen Platte 6 beruht.
Die planparallele Platte 6, die nicht eine Kreisform aufweisen muss, kann, wie weiter unten zu den 2 und 3 erläutert wird, in eine schnelle schwenkende Bewegung versetzt werden. Zusätzlich kann der Abstand von der Fokussieroptik 4 verändert werden.
Ebenfalls kann planparallele Platte 6, wie weiter unten zu den 4 und 5 erläutert wird, in Rotation versetzt und gekippt werden.
Beim Durchlaufen des Lichtstrahls 2 durch eine planparallele Platte 6 tritt eine Parallelverschiebung S auf. Die Größe von S wird durch den Einfallswinkel α des einfallenden Strahls 2 auf die planparallele Platte 6, die Dicke d der planparallelen Platte 6 und dem Brechungsindex n der planparallelen Platte 6 bestimmt. Daraus folgt: S = f(α, d, n)
Versetzt man nun die unter dem Einfallswinkel α stehende und hinter der Fokussierlinse 4 angeordnete planparallele Platte 6 in eine schwenkende oder kippende Bewegung (siehe auch die Beschreibungen zu den 2 und 3), ändert sich fortlaufend der Einfallswinkel α, was zu einem Parallelversatz S und somit zur linearen Bewegung orthogonal zur optischen Achse führt. Je nach Abstand bzw. Brennweite der Linse kann so der Fokusdurchmesser an die jeweilige Bearbeitungsebene sowie an die entsprechende Bearbeitung angepasst werden.
Versetzt man nun die unter dem Einfallswinkel α stehende, d. h., gegenüber dem Lichtstrahl gekippte, und hinter der Fokussierlinse 4 angeordnete planparallele Platte 6 in Rotation (siehe auch die Beschreibungen zu den 4 und 5), bewegt sich der Strahl auf Grund des Parallelversatzes S zentrisch um die optische Achse. Je nach Abstand bzw. Brennweite der Linse kann so der Fokusdurchmesser an die jeweilige Bearbeitungsebene sowie der entsprechenden Bearbeitung angepasst werden. Durch Verkippung der planparallelen Platte 6 wird der Einfallswinkel α verändert, was im Parallelversatz S der Strahlung resultiert. Somit wird der Durchmesser des sich zentrisch um die optische Achse bewegenden Strahls verändert.
Eine weitere Möglichkeit, den Planversatz S zu beeinflussen, wird über die Dicke d, sowie den Brechungsindex n der planparallelen Platte 6 erreicht. Hiermit lässt sich eine Vorauswahl des Planversatzes S bestimmen. Auf Grund der Anordnung und des Antriebs der sich bewegenden Teile ist es möglich, unterschiedlichste Bewegungsgeschwindigkeiten und Strahlauslenkungen zu realisieren, wobei der sich bewegende Strahl annähernd einer Sinusfunktion folgt. Der sich bewegende Strahl steht während der Versatz-Bewegung immer orthogonal zur Bearbeitungsebene, was die Qualität der Bearbeitung positiv beeinflusst.
In 2 ist eine erste Ausführungsvariante der Erfindung dargestellt, die es erlaubt, eine planparallele Platte 6 in eine oszillierende Bewegung zu versetzen, bei der die planparallele Platte 6 kontinuierlich oszillierend gekippt wird. Hierbei befindet sich die Fokussieroptik 4 in einer Fassung, die mit Hilfe eines entsprechenden Tubus (nicht dargestellt) auf unterschiedliche Varianten angepasst werden kann. Die planparallele Platte 6 wird in einer zweiten Fassung geführt, die ihrerseits in einem Lagerbock 12 so gelagert ist, dass sie senkrecht zur Zeichnungsebene gekippt werden kann. Über den Pleuel 10 und dessen exzentrischer Befestigung an der Kurbelscheibe 8 wird die planparallele Platte 6 in eine oszillierende Bewegung, um die Dreh-Achse 14, versetzt. Die Kurbelscheibe 8 ist hierbei so gestaltet, dass sie für eine ausgleichende Massenverteilung sorgt, und so ein Aufschwingen – gerade bei hohen Drehzahlen – verhindert.
Durch Verbindung einer zusätzlichen Exzenterscheibe (nicht dargestellt) mit der Kurbelscheibe 8 kann die Winkelverstellung und damit die Kippung der planparallelen Platte individuell vorgenommen werden. Hieraus folgt, dass der Strahlversatz S und damit die zu bearbeitende Strecke einstellbar ist.
Um Optik und Mechanik vor den Einflüssen der Bearbeitung zu schützen wird die Vorrichtung in ein Gehäuse integriert, welches an der Strahlaustrittseite mit einem Schutzglas versehen ist (nicht dargestellt). Vorteil der erfindungsgemäßen Lösung ist, dass der Strahl in jeder Stellung der planparallelen Platte 6 parallel der optischen Achse steht und störungsfrei das Schutzglas passieren kann.
Um die Werkstück-Bearbeitung zu unterstützen, bietet das Gehäuse auch die Möglichkeit, einen Gasanschluss vorzusehen, um an der Bearbeitungsstelle eine entsprechende (Schutzgas-)Atmosphäre zu schaffen.
3 zeigt ein Werkstück 18, in dem ein frei geformter Graben 20, im folgenden auch Abtragspur genannt, abgetragen ist, wie er mit der Vorrichtung gemäß 2 erzeugt werden kann. Hierbei beschreibt der oszillierende Strahl 16 eine linienförmige Bewegung orthogonal zur Bearbeitungsebene und trägt so – ähnlich eines Hobels – Material vom Werkstück ab. Die Effizienz des Abtrags wird sehr stark durch den Impuls-zu-Impuls-Überlapp und somit von der Oszillationsgeschwindigkeit der planparallelen Platte 6 bestimmt.
Besonders bei Applikationen, wo durch Linearbewegungen von wenigen μm im Zusammenhang mit hoch repetierenden Lasern bzw. schnellen Pulsfolgefrequenzen (z. B. 100 000 Impulse pro Sekunde) eine möglichst schonend Bearbei tung erfolgen soll, sind hohe Bahngeschwindigkeiten bei extrem kurzen Wegen notwendig.
Die erforderliche Oszillation und somit die Drehzahlen in U/min U_rO bei einem vorgegebenen optimalen Impuls-zu-Impuls-Überlapp O lässt sich nach folgender Beziehung ermitteln:
wobei f_r die Anzahl der Laserimpulse pro Sekunde (Repetitionsrate) bestimmt, d_L den wirksamen Laserstrahldurchmesser auf dem Werkstück und S die Parallelverschiebung nach Gleichung [1]. Strahlablenkung und somit die Amplitude ist gleich 2·S.
Anwendungsbeispiel 1 für die erste Ausführungsvariante:
Beim schonenden und präzisen Mikroabtrag mit kurzgepulster Laserstrahlung einer bestimmten Pulsdauer und Wellenlänge wird zur Erzeugung eines Mikroschnitts an einem Wendeldraht ein optimaler Impuls-zu-Impuls-Überlapp von O = 75% ermittelt bzw. festgelegt, d. h. nach Einwirkung des Laserimpulses auf die zu bearbeitende Oberfläche soll der nachfolgende Laserimpuls beim Auftreffen 75% der Fläche bedecken, die der vorangegangene Laserimpuls bestrahlt hat. Der gebündelte Laserstrahl hat auf dem Werkstück einen wirksamen Durchmesser d_L = 20 μm, so dass ein mittlerer Abstand von 50 μm zwischen den Laserimpulsen liegt. Eine geradlinige Bearbeitung mit einer Auslenkung S = 0,1 mm wird festgelegt. Erfolgt die Laserbearbeitung mit einer Repetitionsrate von f_r = 10 000 Laserimpulsen pro Sekunde, ergibt sich nach Gleichung [2] eine erforderliche Drehanzahl U_rO = 4 500 U/min. Das entspricht 9 000 Richtungswechsel pro min bei einer Bahngeschwindigkeit von durchschnittlich 3,6 m/min.
Anwendungsbeispiel 2 für die erste Ausführungsvariante:
Beim schonenden und präzisen Mikroabtrag mit kurzgepulster Laserstrahlung einer bestimmten Pulsdauer und Wellenlänge wird zur Erzeugung eines Präzisionsschnittes an einem zu bearbeitenden keramischen Werkstoff ein optimaler Impuls-zu-Impuls-Überlapp von O = 30% ermittelt bzw. festgelegt, um das Aufheizen und somit den thermischen Schock zu minimieren. Der gebündelte Laserstrahl hat auf dem Werkstoff einen wirksamen Durchmesser d_L = 10 μm. Eine linearförmige Bearbeitung mit einer Auslenkung von S = 0,25 mm wird festgelegt. Erfolgt die Laserbearbeitung mit einer Repetitionsrate von f_r = 5 000 Laserimpulsen pro Sekunde, ergibt sich nach Gleichung [2] eine erforderliche Drehanzahl U_rO = 4200 U/min.
Wie diese Berechnungen zeigen, sind am Markt erhältliche CNC-Maschinen (spanende Bearbeitung) hinsichtlich der sich aus der Vorrichtung ergebenden Oszillationsgeschwindigkeiten und den daraus folgenden häufigen Richtungswechsel um Größenordnungen entfernt.
In 4 ist eine Schnittdarstellung einer zweiten Ausführungsvariante der Erfindung dargestellt, bei der ein fester Kippwinkel eingestellt und die planparallele Platte 6 mit dem eingestellten Kippwinkel in Rotation versetzt werden kann. Hierbei befindet sich die Fokussieroptik in einer Fassung, die mit Hilfe eines entsprechenden Tubus auf unterschiedliche Varianten angepasst werden kann. Die planparallele Platte 6 wird in einer zweiten Fassung geführt, die ihrerseits in einer Laufhülse 22 gelagert ist. Die Laufhülse 22 wiederum wird von einer extern einwirkenden Kraft, in diesem Ausführungsbeispiel ein Zahnriemen, in Drehung versetzt. Drehzahlbegrenzend wirkt hier nur die Lagerung der Laufhülse 22, die im Ausführungsbeispiel in Form von Kugellagern ausgeführt ist. Natürlich sind alle anderen Arten von Lagerungen denkbar, die eine weit höhere Drehzahl ermöglichen, beispielsweise mit Magnet-, Gleit- oder Luftlagerung.
Mit einem Stellring 24 lässt sich eine Kippwinkel der planparallelen Platte 6 sowohl im ruhenden Zustand als auch während der schnellen Rotation einstellen, d. h. die planparallele Platte 6 kann sowohl im ruhenden Zustand als auch während der schnellen Rotation verkippt werden, um so einen Versatz des Strahls einzustellen. Um die Werkstück-Bearbeitung zu unterstützen, bietet der Stellring 24 auch die Möglichkeit, einen Gasanschluss vorzusehen, um an der Bearbeitungsstelle eine entsprechende (Schutzgas-)Atmosphäre zu schaffen. Das Schutzglas 26 schützt die innenliegenden Bauteile vor Verschmutzung und Beschädigung durch die Rückstände der Bearbeitung, ohne den ausgelenkten Strahl zu beeinträchtigen.
5 zeigt ein Werkstück 18', in dem ein frei geformter Graben 20' abgetragen ist, wie er mit der Vorrichtung gemäß 4 erzeugt werden kann. Hierbei beschreibt der taumelnde Strahl 28 eine kreisförmige Bewegung um die optische Achse und trägt so – ähnlich einem Fräskopf – Material vom Werkstück ab. Die Effizienz des Abtrags wird sehr stark durch den Impuls-zu-Impuls-Überlapp und somit von der Rotationsgeschwindigkeit der planparallelen Platte 6 bestimmt. Besonders bei Laserstrahlung mit hoher Repetitionsrate bzw. Pulsfolgefrequenz (z. B. 100 000 Impulse pro Sekunde) werden bei einer möglichst schonenden Bearbeitung extrem hohe Drehzahlen (bis zu 100 000 U/min) notwendig.
Die erforderliche Drehzahlen in U/min U_rT bei einem vorgegebenen optimalen Impuls-zu-Impuls-Überlapp O lässt sich nach folgender Beziehung ermitteln:
wobei f_r die Anzahl der Laserimpulse pro Sekunde (Repetitionsrate) bestimmt, d_L der wirksame Laserstrahldurchmesser auf dem Werkstück ist und S die Parallelverschiebung nach Gleichung [1] ist. Der Kreisumfang der Strahlablenkung ist gleich 2·π·S.
Anwendungsbeispiel 1 für die zweite Ausführungsvariante:
Beim schonendem und präzisen Mikroabtrag mit kurz gepulster Laserstrahlung einer bestimmten Pulsdauer und Wellenlänge wird zur Erzeugung einer Mikrobohrung an einem zu bearbeitenden Werkstoff ein optimaler Impuls-zu-Impuls-Überlapp von O = 50% ermittelt bzw. festgelegt, d. h. nach Einwirkung des Laser impulses auf die zu bearbeitende Oberfläche soll der nachfolgende Laserimpulse beim Auftreffen nur knapp 50% der Fläche bedecken, die der vorangegangene Laserimpuls bestrahlt hat. Der gebündelte Laserstrahl habe auf dem Werkstoff einen wirksamen Durchmesser d_L = 100 μm, d. h. ein mittlerer Abstand von 50 μm soll zwischen den Laserimpulsen liegen. Eine kreisförmige Bearbeitung mit einem Radius S = 0,5 mm wird festgelegt. Erfolgt die Laserbearbeitung mit einer Repetitionsrate von f_r = 10 000 Laserimpulsen pro Sekunde, ergibt sich nach Gleichung [3] eine erforderliche Drehanzahl U_rT = 10 000 U/min.
Anwendungsbeispiel 2 für die zweite Ausführungsvariante:
Beim schonendem und präzisen Mikroabtrag mit kurz gepulster Laserstrahlung einer bestimmten Pulsdauer und Wellenlänge wird zur Erzeugung eines Präzisionsschnittes an einem zu bearbeitenden Werkstoff ein optimaler Impuls-zu-Impuls-Überlapp von O = 70% ermittelt bzw. festgelegt. Der gebündelte Laserstrahl habe auf dem Werkstoff einen wirksamen Durchmesser d_L = 20 μm. Eine kreisförmige Bearbeitung mit einem Radius S = 0,1 mm wird festgelegt. Erfolgt die Laserbearbeitung mit einer Repetitionsrate von f_r = 10 000 Laserimpulsen pro Sekunde, ergibt sich nach Gleichung [3] eine erforderliche Drehanzahl U_rT = 6 000 U/min.
Anwendungsbeispiel 3 für die zweite Ausführungsvariante:
Beim schonendem und präzisen Mikroabtrag mit ultra-kurz gepulster Laserstrahlung einer bestimmten Pulsdauer und Wellenlänge wird zur Erzeugung einer Mikrostruktur an einem zu bearbeitenden Werkstoff ein optimaler Impuls-zu-Impuls-Überlapp von O = 99% ermittelt bzw. festgelegt. Der gebündelte Laserstrahl habe auf dem Werkstoff einen wirksamen Durchmesser d_L = 5 μm. Eine kreisförmige Bearbeitung mit einem Radius S = 1 mm wird festgelegt. Erfolgt die Laserbearbeitung mit einer Repetitionsrate von f = 100 Millionen Laserimpulsen pro Sekunde, ergibt sich nach Gleichung [3] eine erforderliche Drehanzahl U_rT = 50 000 U/min.
Wie diese Berechnungen zeigen, sind am Markt erhältliche CNC-Maschinen (spanende Bearbeitung) hinsichtlich der sich aus der Vorrichtung ergebenden Umfangsgeschwindigkeiten um Größenordnungen entfernt.
Die in 6 schematisch skizzierte dritte Ausführungsvariante einer Vorrichtung zur Mikrobearbeitung von Werkstoffen weist eine Anordnung auf, die auf dem physikalischen Prinzip der Brechung von Licht an optischen Flächen der Bauteile Fokussierlinse 4, planparallele Platte 6, Konkavlinse 30 und Konvexlinse 32 beruht. Die Konkavlinse 30 und die Konvexlinse 32 bilden dabei eine optische Gruppe. Die planparallele Platte 6 sowie die Konkav- 30 und Konvexlinse 32 können gemeinsam in Rotation versetzt werden. Dabei lässt sich die planparallele Platte um den Winkel α kippen und die Konkav- 30 und die Konvexlinse 32 zu gleichen Teilen um den Winkel β und γ in entgegengesetzter Richtung verneigen. Der Abstand der Fokussieroptik 4 kann zur Einstellung der Brennweite verändert werden.
Die in 6 eingezeichneten Pfeile geben die Anlenkung der Bauteile an, d. h. die Kräfte, die eine Verstellung, bzw. Rotation bewirken.
Wie bereits zu 1 erläutert, tritt beim Durchlaufen des Lichtstrahls 2 durch eine geneigte planparallele Platte 6 eine Parallelverschiebung S auf. Die Größe von S wird durch den Einfallswinkel α des einfallenden Strahls 2 auf die planparallele Platte 6, die Dicke d der planparallelen Platte 6 und dem Brechungsindex n der planparallelen Platte 6 bestimmt. Daraus folgt für den Strahlversatz in Luft (Brechungsindex für Luft n_L = 1): S = f(α, d, n):
Beim weiteren Durchgang trifft der Strahl 2 auf eine Linsenkombination, bestehend aus einer Konkavlinse 30 mit Brechungsindex n₁ und einer Konvexlinse 32 mit Brechungsindex n₂ mit gemeinsamer Rotationsachse. Diese Linsenkombination gleicht in der optischen Wirksamkeit einem veränderlichen Prisma. Es ist bekannt, dass ein durch das Prisma geführter optischer Strahl, z. B. ein Laserstrahl, um einen Winkel δ abgelenkt wird. Ist das Prisma mit der Brechzahl (n₁₂ = n₁ = n₂) von Luft (Brechungsindex von Luft n_L = 1) umgeben, so erhält man für den Austrittswinkel δ am durch die Linsenkombination gebildeten Prisma: δ = f(χ β, γ, n₁₂)
Versetzt man nun die unter dem Einfallswinkel α relativ zum Laserstrahl stehende und hinter der Fokussierlinse 4 angeordnete planparallele Platte 6 sowie die Linsenkombination aus Konkav- 30 und Konvexlinse 32 in Rotation, bewegt sich der Strahl auf Grund des Parallelversatzes S unter dem Anstellwinkel δ auf einer kegelförmigen Bahn um die optische Achse. Je nach Wahl der Brennweite der Fokussierlinse 4 bzw. Abstand der Fokussierlinse 4 zum Werkstück 18 kann der Fokusdurchmesser an die jeweilige Bearbeitungsebene sowie die entsprechende Bearbeitung angepasst werden.
Mit Neigung der Linsenkombination aus Konkav- 30 und Konvexlinse 32 in die entgegengesetzte Richtung kann auch eine Winkelumkehrung des Anstellwinkels δ erzielt werden. Eine Winkelumkehrung lässt sich bei unveränderten Neigungswinkel auch durch einen einfachen Tausch der Reihenfolge innerhalb der Linsenkombination aus Konkav- 30 und Konvexlinse 32 erreichen.
Neben Winkelverstellung von α, β und γ zur Einstellung des Parallelversatzes S und des Anstellwinkels δ kann auch durch die Wahl der Dicke der planparallelen Platte d, sowie der Beeinflussung des Brechungsindexes n, n₁, n₂ der genannten optischen Komponenten Fokussierlinse 4, Konkav- 30 und Konvexlinse 32 Einfluss auf die Parameter S und δ genommen werden. Mit den zuletzt genannten Einflussgrößen lässt sich eine Vorauswahl der Parameter S und δ bestimmen, wobei Verkippung und Neigung der Feineinstellung dienen.
Die einfachen Zusammenhänge sind in den Gleichungen [1] und [4] dargestellt. Wegen der Komplexität der Berechnung sind für die zu wählenden Parameter Simulationsprogramme oder ein Ausprobieren erforderlich.
Auf Grund der Anordnung der sich bewegenden Teile, wodurch die optische Achse mit der mechanischen Achse zusammenfällt, sowie deren Gestaltung wird eine Ungleichverteilung der Massen exzentrisch der Achse vermieden, so dass eine sehr hohe Drehgeschwindigkeit und damit auch eine sehr hohe Bearbeitungsgeschwindigkeit erreicht werden kann.
Anwendungsbeispiel für die dritte Ausführungsvariante
Wird ein Laserstrahl mit einem Durchmesser von 5 mm mit einer Linse von f = 50 mm auf eine Fokusfläche von 50 μm fokussiert entsteht ein Strahlkegel von ca. 6°. Will man nun eine zylindrische Bohrung in ein Werkstück einbringen, muss der Strahlkegel im Winkel so verändert werden, dass auf der Außenseite des im Durchmesser rotierten Strahls eine Senkrechte zur Bohrungsachse entsteht. Hierzu werden wie in 6 gezeigt, die Konkavlinse 30 sowie die Konvexlinse 32 mit ihrem gemeinsamen Drehpunkt symmetrisch entgegengesetzt aus der Achse geneigt. Die Neigung beträgt hier jeweils ca. 3°.
Wie dieses Beispiel zeigt ist zur Herstellung von zylindrisch kleinen Bohrungen mit Laserstrahl eine Kompensation durch Neigung der Strahlachse und damit der optischen Achse notwendig. Natürlich ist es auch möglich, durch Überkompensation Unterschneidungen bzw. Senkungen herzustellen.
7 zeigt einen Aufbau analog zu 6, bei dem die planparallele Platte 6 zusammengefasst ist in den Bauteilen Konkav- 30 und Konvexlinse 32, daher bezeichnet als planparallele Platte mit Konkavlinse 40 und planparallele Platte mit Konvexlinse 42. Dies bedeutet, dass die Linsenkombination gegeneinander und außerdem gemeinsam um ihre Hauptebene verkippt sein kann. Solche Lösungen können auch mit einem festen Winkel α (bzw. austauschbaren Wechselsätzen) zur Anwendung kommen.
8 zeigt ein Werkstück 18'', in dem eine frei geformte Abtragsspur 20'' eingebracht wurde, wie sie mit den Vorrichtungen gemäß den 6 oder 7 erzeugt werden kann. Hierbei beschreibt der taumelnde Strahl 34 eine konzentrische Bewegung um die optische Achse und trägt so – ähnlich einem Fräskopf mit einem konischen Fräswerkzeug Material vom Werkstück ab. Die Effizienz des Abtrags wird sehr stark durch den Impuls-zu-Impuls-Überlapp und somit von der Rotationsgeschwindigkeit der optischen Komponenten planparallelen Platte 6, der Konkavlinse 30 und der Konvexlinse 32 bestimmt.
Umsetzungsbeispiele:
In 9 bis 12 sind Ergebnisse aus numerischen Berechnungen für den Strahlverlauf des fokussierten Laserstrahls für verschiedene Umsetzungsbeispiele der Vorrichtung aus 6 bezüglich der Wahl und Anordnung der optischen Komponenten für die beschriebene Erfindung dargestellt. In den vier Beispielen wurde eine Auswahl von den in 6 beschriebenen optischen Komponenten Fokussierlinse 4, planparallele Platte 6, Konkavlinse 30 und Konvexlinse 32 in einer numerischen Simulation zur Strahlpropagation mit unterschiedlichen Parametern wie Abstand der Flächen zueinander, Brechungsindex, Krümmungsradien und Verkippungswinkel, berechnet. Die folgende Tabelle zeigt die applikationsrelevanten Ergebnisse für einen fokussierten Laserstrahl mit einer Fokussierlinse 4 der Brennweite von 30 mm und einem Strahldurchmesser des einfallenden Laserstrahls 2 vor der Fokussierlinse 4 von 2 mm. Für die Simulation wurde ein Laserstrahl mit einem für die Fokussierung optimalen Modenprofil TEM₀₀ gewählt. Die Parameter für 9 erzeugen einen Kegel. In 10 ergibt sich ein Kegelstumpf mit gerader Seitenfläche, d. h. eine zylindrische Bohrung. Für 11 und 12 sind zur Erzeugung einer Unterschneidung Winkel gewählt, die so auch in der Literatur bei geneigten Strahlen angewendet werden.

Anstellwinkel des fokussierten Laserstrahls δ [°] Parallelversatz des Strahles S [μm]

Fig. 9 2 0

Fig. 10 2 130

Fig. 11 5 50

Fig. 12 5 140
In den Figuren sind jeweils 3 Aspekte dargestellt. Links oben der 3-D Fokus, wie er z. B. einem Einschussprofil von CO₂-Lasern in Plexiglas entspricht; Rechts oben die Strahlverzerrung. Hier wurde ein gleichmäßiges, rundes Punktraster von der Laserquelle durch die Optik propagiert und die Rasterpunkt-Verteilung am Bearbeitungspunkt dargestellt; Unten der Strahlverlauf mit dem Anstellwinkel und Strahlversatz in der Seitenansicht.

1 bis 12

2: einfallender Strahl
4: Fokussierlinse
6: planparallele Platte
8: Kurbelscheibe
10: Pleuel
12: Lagerbock
14: Dreh-Achse
16: oszillierender Strahl
18: Werkstück
18': Werkstück
18'': Werkstück
20: Graben/Abtragsspur
20': Graben/Abtragsspur
20'': Graben/Abtragsspur
22: Laufhülse
24: Stellring
26: Schutzglas
28: taumelnder/rotierender Strahl
30: Konkavlinse
32: Konvexlinse
34: fokussierter Strahl
36: Bearbeitungsfokus mit der erforderlichen Intensität für Abtrag oder Schweißung
38: Bohrung mit Senkung
40: planparallele Platte mit Konkavlinse
42: planparallele Platte mit Konvexlinse
α: Einfallswinkel
β: Kippwinkel von (30)
γ: Kippwinkel von (32)
δ: Anstellwinkel des fokussierten Laserstrahls auf (18)
χ: Winkel der Prismenflächen zueinander
d: Dicke von (6)
f_r: Anzahl der Laserimpulse pro Sekunde (Repetitionsrate)
n: Brechungsindex von (6)
n₁: Brechungsindex von (30)
n₂: Brechungsindex von (32)
n_L: Brechungsindex von Luft (n_L = 1)
O: Impuls-zu-Impuls-Überlapp
S: Parallelversatzes des Strahls
U_rO: Drehzahl der Oszillationsoptik bei gegebenem O
U_rT: Drehzahl der Taumeloptik bei gegebenem O

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

- DE 4026130 A1 [0002]
- DE 10054853 A1 [0006]
- DE 10105346 A1 [0007]
- US 4461947 [0008]
- DE 102005047328 B3 [0009]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

- „Laser Beam Scanning” von Marshall, Dekker, Basel, 1985, auf Seite 226 ff [0003]

Claims

Vorrichtung zum Führen eines Lichtstrahls, gekennzeichnet durch ein rotierend angetriebenes Lichtführungselement mit wenigstens einer optischen Gruppe, die von zwei optischen Elementen gebildet ist und zwei plane Oberflächen als Stirnflächen aufweist, wobei die optischen Elemente der optischen Gruppe – einander zugewandte, komplementäre sphärische Oberflächen aufweisen, von denen die eine sphärische Oberfläche eine konkave Fläche des ersten optischen Elementes bildet und die zweite sphärische Oberfläche eine konvexe Fläche des zweiten optischen Elementes bildet und die konkave Fläche und die konvexe Fläche den gleichen Krümmungsradius besitzen und – derart relativ zueinander entlang der einander zugewandten sphärischen Oberflächen so zu verschieben sind, dass die planen Oberflächen als der jeweiligen sphärischen Oberfläche eines jeweiligen optischen Elementes abgewandte Oberflächen wahlweise planparallel oder in einem Winkel zueinander verlaufen.
Vorrichtung zum Führen eines Lichtstrahls nach Anspruche 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Lichtführungselement um eine parallel zur optischen Achse des Lichtstrahls verlaufende Rotationsachse rotierend angetrieben ist.
Vorrichtung zum Führen eines Lichtstrahls nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Lichtführungselement eine planparallele Platte mit zwei planparallen Oberflächen aufweist, die quer zum Lichtstrahl um einen einstellbaren Kippwinkel geneigt ausgerichtet sind.
Vorrichtung zum Führen eines Lichtstrahls nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung eine Einstelleinrichtung zum Einstellen des Kippwinkels der planparallelen Platte aufweist, die mit der planparallelen Platte verbunden und ausgebildet ist, den Kippwinkel der planparallelen Platte einzustellen.
Vorrichtung zum Führen eines Lichtstrahls nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Einstelleinrichtung so ausgebildet ist, dass sie das Einstellen des Kippwinkels sowohl bei ruhender als auch bei rotierender planparalleler Platte erlaubt.
Vorrichtung zum Führen eines Lichtstrahls nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die planparallele Platte in Richtung des Lichtstrahls vor der optischen Gruppe angeordnet ist.
Vorrichtung zum Führen eines Lichtstrahls nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die planparallele Platte sowie die optische Gruppe gemeinsam in Rotation versetzt werden können.
Vorrichtung zum Führen eines Lichtstrahls nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung eine Fokussieroptik aufweist.
Vorrichtung zum Führen eines Lichtstrahls nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass ein Abstand der Fokussieroptik von einer jeweiligen Bearbeitungsebene verändert werden kann.
Vorrichtung zum Führen eines Lichtstrahls nach einem der Ansprüche 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Fokussieroptik in Richtung des Lichtstrahls vor der optischen Gruppe und, sofern vorhanden, vor der planparallelen Platte angeordnet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass sie mit einem gepulsten Laser als Quelle für den Lichtstrahl verbunden ist.