DE202010006047U1

DE202010006047U1 - Strahlformungseinheit zur Fokussierung eines Laserstrahls

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Publication number: DE202010006047U1
Application number: DE202010006047U
Authority: DE
Original assignee: Trumpf Werkzeugmaschinen SE and Co KG
Current assignee: Trumpf Werkzeugmaschinen SE and Co KG
Priority date: 2010-04-22
Filing date: 2010-04-22
Publication date: 2010-07-22
Anticipated expiration: 2020-04-23
Also published as: US20130044371A1; PL2560783T3; US20140307312A1; EP2560783A1; JP5767315B2; JP2013528494A; JP6092309B2; US8804238B2; CN102985214A; KR20130020892A; WO2011131541A1; JP2015205346A; CN102985214B; US9329368B2; KR101502672B1; EP2560783B1

Abstract

Strahlformungseinheit (1) zur Fokussierung eines Laserstrahls (3) zur Lasermaterialbearbeitung auf ein Werkstück (9), umfassend:
ein erstes optisches Element (5), auf das der Laserstrahl (3) trifft,
ein zweites optisches Element (7), das dem ersten optischen Element (5) in Strahlausbreitungsrichtung nachgeordnet ist, und
eine dem zweiten optischen Element (7) in Strahlausbreitungsrichtung nachgeordnete Fokussieroptik (8), wobei
dem ersten optischen Element (5) eine erste Fokuseinstelleinrichtung (10) zur Einstellung eines Fokusdurchmessers (D) durch Beeinflussung des ersten optischen Elements (5) zugeordnet ist, und wobei
dem zweiten optischen Element (7) eine zweite Fokuseinstelleinrichtung (12) zur Einstellung einer Fokuslage in Strahlausbreitungsrichtung des Laserstrahls (3) durch Beeinflussung des zweiten optischen Elements (7) zugeordnet ist,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Laserstrahl (3) durch das erste optische Element (5) über einen Zwischenfokus (6) auf dem zweiten optischen Element (7) abgebildet wird.

Description

Die Erfindung betrifft eine Strahlformungseinheit zur Fokussierung eines Laserstrahls zur Lasermaterialbearbeitung auf ein Werkstück.
In der Lasermaterialbearbeitung muss der Laserstrahl für unterschiedliche Prozesse und Applikationen immer wieder angepasst werden. Neben der Einstellung der jeweils erforderlichen Leistungsniveaus spielen insbesondere auch der Fokusdurchmesser sowie die Fokuslage des Laserstrahls eine erhebliche Rolle. In vielen Fällen, beispielsweise bei einem Wechsel von dünnen zu dicken Blechen oder von dicken zu dünnen Blechen beim Laserschneiden, erfordert diese Anpassung einen Austausch der Bearbeitungsoptik, ggf. sogar des gesamten Bearbeitungskopfes. Die damit verbundenen Rüstzeiten reduzieren die Produktivität der eingesetzten Laserbearbeitungsanlagen.
Zur Einstellung verschiedener Fokusdurchmesser an einem Arbeitspunkt mit minimalem Strahldurchmesser des Laserstrahls ist aus der JP 2009226473 eine Vorrichtung und ein Verfahren bekannt geworden, bei dem ein divergenter Laserstrahl zunächst auf eine verschiebbare Kollimationslinse trifft. Der Fokusdurchmesser, der durch eine in Strahlausbreitungsrichtung nachgelagerte Fokussieroptik auf ein Werkstück abgebildet wird, ist in Abhängigkeit von der Position der Kollimationslinse in Strahlausbreitungsrichtung, d. h. entlang der Laserstrahlachse, einstellbar. Durch diese Durchmesseränderung wird jedoch auch die Fokuslage beeinflusst, so dass diese zur Erhaltung eines konstanten Arbeitspunkts nachgestellt werden muss. Dies kann beispielsweise durch einen zwischen Kollimationslinse und Fokussieroptik angeordneten adaptiven Spiegel erfolgen, der über seinen variablen Krümmungsradius eine Nachstellung der Fokuslage ermöglicht. Der über den adaptiven Spiegel realisierbare Nachstellbereich ist allerdings vergleichsweise gering. Bei guter Abbildungsqualität liegt der Nachstellbereich z. B. in Verbindung mit einer Fokussierlinse mit einer Brennweite von 200 mm bei weniger als 10 mm. Ein weiterer Nachteil des adaptiven Spiegels ist die daraus resultierende aufwendigere Bauform, da in diesem Fall eine lineare Bauweise nicht möglich ist.
Alternativ zur Verwendung eines adaptiven Spiegels kann in der JP 2009226473 auch die Fokussieroptik vergleichbar zur Kollimationslinse in Strahlausbreitungsrichtung bewegbar angeordnet sein, um die Fokuslage entsprechend der Fokusdurchmesseränderung anzupassen. Eine Bewegung der Fokussieroptik erfordert jedoch einerseits präzise Führungselemente sowie anderseits Dichtungselemente, um den Optikraum bei der Bewegung der Fokussieroptik hermetisch abdichten zu können. Diese Anforderungen resultieren in einem komplexen Aufbau des Strahlführungssystems. Zudem erschwert der auf der dem Optikraum abgewandten Seite der Fokussieroptik herrschende Gasdruck eine entsprechende Bewegung.
Aufgabe der Erfindung
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Strahlformungseinheit, die in bautechnisch einfacher Weise eine flexible Einstellung von Fokusdurchmesser und Fokuslage und insbesondere eine Erweiterung des Nachstellbereichs der Fokuslage ermöglicht, bereitzustellen.
Gegenstand der Erfindung
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Strahlformungseinheit zur Fokussierung eines Laserstrahls zur Lasermaterialbearbeitung auf ein Werkstück gelöst, die ein erstes optisches Element, auf das ein Laserstrahl trifft, ein zweites optisches Element, das dem ersten optischen Element in Strahlausbreitungsrichtung nachgeordnet ist, und eine dem zweiten optischen Element in Strahlausbreitungsrichtung nachgeordnete Fokussieroptik umfasst, wobei dem ersten optischen Element eine erste Fokuseinstelleinrichtung zur Einstellung eines Fokusdurchmessers durch Beeinflussung des ersten optischen Elements zugeordnet ist, wobei dem zweiten optischen Element eine zweite Fokuseinstelleinrichtung zur Einstellung einer Fokuslage in Strahlausbreitungsrichtung des Laserstrahls durch Beeinflussung des zweiten optischen Elements zugeordnet ist, und wobei der Laserstrahl durch das erste optische Element über einen Zwischenfokus auf dem zweiten optischen Element abgebildet wird.
Durch das erfindungsgemäße Vorsehen eines Zwischenfokus zwischen dem ersten und zweiten optischen Element kann der Fokusdurchmesser über einen größeren Bereich variiert werden. In einer vorteilhaften Ausführungsform wird hierzu das erste optische Element als transmissives optisches Element, insbesondere als Linse, ausgebildet, die bevorzugt eine Brennweite von weniger als 50 mm, besonders bevorzugt eine Brennweite von weniger als 40 mm, insbesondere eine Brennweite im Bereich um ca. 30 mm aufweist.
Die Änderung der Abbildungseigenschaften des ersten optischen Elements erfolgt vorteilhafter Weise, indem das erste optische Element entlang der optischen Achse des Laserstrahls über die ihr zugeordnete erste Fokuseinstelleinrichtung zur Einstellung des Fokusdurchmessers bewegbar ist. Die Fokuseinstelleinrichtung sieht hierzu einen Motor oder vergleichbare Antriebsmittel vor.
Das zweite optische Element wird ebenfalls bevorzugt als transmissives optisches Element, insbesondere als Linse, ausgebildet. Durch die Verwendung transmissiver Elemente in der Strahlformungseinheit, d. h. vom ersten optischen Element bis zur abschließenden Fokussieroptik, ergibt sich ein linearer Aufbau, der es ermöglicht, die Komplexität und den Bauraum der Strahlformungseinheit zu reduzieren.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird die Fokuslage über das zweite optische Element vergleichbar zum ersten optischen Element verändert, indem das zweite optische Element ebenfalls entlang der optischen Achse des Laserstrahls über die ihr zugeordnete zweite Fokuseinstelleinrichtung bewegbar ist. Die Bewegungsabläufe der ersten und der zweiten Fokuseinstelleinrichtung können dabei miteinander gekoppelt oder unabhängig voneinander erfolgen.
Alternativ kann die zweite Fokuseinstelleinrichtung derart ausgelegt sein, dass sie den Krümmungsradius des zweiten optischen Elements und somit seine Abbildungseigenschaften verändern kann, um die Fokuslage einzustellen. Das zweite optische Element ist dabei vorzugsweise als adaptive Linse ausgebildet, die mit der zweiten Fokuseinstelleinrichtung zur Veränderung der Abbildungseigenschaften z. B. durch Einstellung eines auf die adaptive Linse ausgeübten Drucks zur Veränderung von deren Krümmungsradius zusammenwirkt.
Sowohl die erste als auch die zweite Fokuseinstelleinrichtung sind dabei zur Einstellung des Fokusdurchmessers und/oder der Fokuslage bevorzugt durch eine Steuereinheit in Abhängigkeit von applikationsspezifischen Vorgabe- als auch von aktuellen Korrekturwerten, die insbesondere auf Messdaten einer Prozess überwachung basieren, ansteuerbar. Unter applikationsspezifischen Vorgabewerten sind in diesem Zusammenhang einzustellende Strahleigenschaften für eine bestimmte Bearbeitungsaufgabe zu verstehen, die ggf. auch die aus diesen Einstellungen resultierenden Wechselwirkungen zwischen Fokusdurchmesser und Fokuslage bei der Veränderung zumindest einer dieser Größen berücksichtigen bzw. kompensieren. Im Gegensatz hierzu ergeben sich aktuelle Korrekturwerte während des Prozesses, beispielsweise durch thermisch induzierte Veränderungen der Abbildungseigenschaften der einzelnen Komponenten der Strahlformungseinheit oder aber auf durch Abstandsänderungen zwischen Strahlformungseinheit und Werkstück, die ggf. aufgrund von an dem Werkstück gebildeten Konturen kompensiert werden müssen. Eine entsprechende Steuerungseinheit kann dabei sowohl Bestandteil der Strahlformungseinheit als auch peripherer Komponenten sein, beispielsweise Teil einer Laserbearbeitungsanlage, welche die Strahlformungseinheit enthält.
In einer bevorzugten Ausführungsform weist die Strahlformungseinheit ein Gehäuse auf, welches durch das erste optische Element und das zweite optischen Element sowie durch deren Halterungen in Kammern aufgeteilt ist, wobei Überströmkanäle zum Gas- und Druckaustausch zwischen den Kammern vorgesehen sind. Dies berücksichtigt den Umstand, dass im Bereich der Strahlformungseinheit bis zur Fokussieroptik möglichst Reinraumbedingungen vorliegen sollten. Eine Bewegung der ersten und/oder zweiten optischen Elemente bedingt jedoch veränderte Volumen in den durch diese Elemente begrenzten Kammern und würde ohne Überströmkanäle in entsprechende Unter- oder Überdrucksituationen resultieren.
Vorteilhafterweise wird die Strahlformungseinheit in den Bearbeitungskopf einer Laserbearbeitungsmaschine, insbesondere einer Laserschneidanlage, integriert bzw. bildet zumindest einen Bestandteil dieses Bearbeitungskopfes. Zwischen der Fokussieroptik und dem zu bearbeitenden Werkstück kann eine weitere, der Fokussieroptik in Strahlausbreitungsrichtung nachgeordnete Optik, insbesondere ein Schutzglas (Planfenster) zur Abdichtung der Strahlformungseinheit gegen Gasdruck vorgesehen sein. Das Schutzglas in Form eines planparallelen (Glas-)Fensters wird in der Strahlformungseinheit oder dem Bearbeitungskopf gehalten. Hierdurch ist die Strahlformungseinheit zum einen gegen Gasdruck abgedichtet, wobei aber auch gerade ein Austausch oder eine Reinigung der der Bearbeitungsstelle zugewandten letzten Optik, in diesem Falle des Schutzglases, ohne Nachzentrierung des Laserstrahls erfolgen kann.
In einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist zwischen der Fokussieroptik und der weiteren Optik eine Trennstelle eines Kollisionsschutzes vorgesehen, wobei der Bereich der Trennstelle von einem elastischen Balg überdeckt ist. Der Kollisionsschutz ermöglicht eine Trennung zwischen dem Halter des Schutzglases und der Fokussieroptik bei Überlast. Der Bereich, in dem die Trennung vorgenommen wird, ist dabei von einem elastischen Balg, beispielsweise in Form eines Faltenbalgs, umgeben, so dass bei der Trennung keine Partikel in den Bereich zwischen Schutzglas und Fokussieroptik eindringen und sich insbesondere auf der Fokussieroptik absetzen können.
Die erfindungsgemäße Strahlformungseinheit kann dabei bevorzugt bei Laserbearbeitungsmaschinen zum Einsatz kommen, deren Laserstrahlquelle ein Festkörperlaser, d. h. ein Laser mit einer Lasergrundwellenlänge im Nah-Infrarot-Bereich von ca. 1 μm ist. Die Zuführung der Laserstrahlung von der Laserstrahlquelle zur Strahlformungseinheit bzw. zum Bearbeitungskopf erfolgt in einem solchen Aufbau bevorzugt über eine Transportfaser. Das erste optische Element der Strahlformungseinheit befindet sich dabei in Strahlausbreitungsrichtung im Anschluss an die Transportfaser, so dass der Laserstrahl divergent auf das erste optische Element auftrifft.
Bei einem Verfahren zur Ansteuerung der oben beschriebenen Strahlformungseinheit werden die Fokuseinstelleinrichtungen in Abhängigkeit von applikationsspezifischen Vorgabewerten angesteuert und bei der Ansteuerung der Fokuseinstelleinrichtungen aktuelle Korrekturwerte berücksichtigt.
Hierzu ist eine Steuerungseinheit vorgesehen, die der ersten und der zweiten Fokuseinstellvorrichtung Steuersignale vorgibt, über die das erste und/oder zweite optische Element derart eingestellt werden, dass sich die gewünschte Strahleigenschaft über die Fokussierung im Bearbeitungspunkt ergibt. Hierzu greift die Steuerung sowohl auf applikationsspezifische Vorgabe- als auch aktuelle Korrekturwerte zurück. Wie bereits weiter oben ausgeführt, beziehen sich die applikationsspezifischen Vorgabewerte auf einzustellende Strahleigenschaften für eine bestimmte Bearbeitungsaufgabe, ggf. auch unter Berücksichtigung der aus diesen Einstellungen resultierenden Wechselwirkungen zwischen Fokusdurchmesser und Fokuslage bei der Veränderung zumindest einer dieser Größen. Für die Kompensation der angeführten Wechselwirkungen kann die Steuerungseinheit beispielsweise auf hinterlegte Kennfelder oder funktionale Zusammenhänge zugreifen. Zudem kann vorgesehen werden, dass eine Kompensation erst bei Überschreitung definierter Grenzwerte vorgenommen wird. Die zusätzlich zu berücksichtigenden aktuellen Korrekturwerte ergeben sich aus Messdaten einer ggf. vorzusehenden Prozessüberwachung oder ebenfalls aus Kennlinienfeldern, die z. B. von der Strahlungsleistung und der Bestrahlungsdauer abhängig sind.
In einer bevorzugten Variante werden die aktuellen Korrekturwerte zur Kompensation thermisch induzierter Abbildungsfehler der Strahlformungseinheit herangezogen, die insbesondere mit zunehmender Bestrahlungszeit der optischen Komponenten und/oder deren Verschmutzung auftreten und die vornehmlich eine ungewollte Veränderung der Fokuslage betreffen. Bei der Ermittlung der Korrekturwerte und entsprechenden Steuersignalen zur Ansteuerung der Fokuseinstelleinrichtungen fließen ebenfalls die bekannten Wechselwirkungen zwischen Fokusdurchmesser und Fokuslage bei der Veränderung zumindest einer dieser Größen ein.
Vorzugsweise werden die aktuellen Korrekturwerte basierend auf der Bestrahlungsdauer und der Laserleistung ermittelt, die zumindest einer optischen Komponente der Strahlformungseinheit zugeführt wird. Die thermisch induzierten Abbildungsfehler sind in diesem Fall in Abhängigkeit von Laserleistung und Bestrahlungsdauer beispielsweise in der Steuereinheit hinterlegt.
Alternativ hierzu kann auch zur Ermittlung der aktuellen Korrekturwerte an zumindest einer der optischen Komponenten der Strahlformungseinheit eine Temperaturmessung erfolgen, wobei die aktuell ermittelte Temperatur mit einem entsprechend thermisch induzierten Abbildungsfehler korreliert werden kann. Besonders bevorzugt wird dabei die Temperatur im Zentrum der zumindest einen optischen Komponente ermittelt. Die Messung erfolgt dabei über dem Fachmann bekannte, ggf. berührungslose Messmittel (Wärmesensoren).
In einer im Rahmen der Temperaturmessung besonders bevorzugten Variante wird lediglich die Temperatur der in Ausbreitungsrichtung der Laserstrahlung letzten optischen Komponente ermittelt, d. h. die Temperatur der Fokussieroptik oder des Schutzglases. Der ermittelte Korrekturwert berücksichtigt in diesem Fall nicht nur die Fokuslagenverschiebung infolge der Laserleistung und Bestrahlungsdauer hinsichtlich der Absorption des Schutzglases als solches, sondern mittels der Temperaturmessung auch eine durch prozessbedingte Verschmutzung erhöhte Absorption des Schutzglases. Eine solche Schutzglasüberwachung, die über die Temperaturmessung den Verschmutzungsgrad ermittelt, kann ggf. auch bei Erreichen eines zuvor definierten Grenzwertes ein Abschalten des Prozesses gewährleisten. Über eine weitere Signalverwertung (s. o.) kann der Temperaturmesswert zur Fokuslagenregelung herangezogen werden.
Der aktuelle Korrekturwert bezieht sich bei thermisch induzierten Abbildungsfehlern vornehmlich auf die Fokuslage, so dass das zur Kompensation verwendete Steuerungssignal in der Regel nur an die zweite Fokuseinstelleinrichtung übermittelt werden muss.
Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der Zeichnung. Ebenso können die vorstehend genannten und die noch weiter aufgeführten Merkmale je für sich oder zu mehreren in beliebigen Kombinationen Verwendung finden. Die gezeigten und beschriebenen Ausführungsformen sind nicht als abschließende Aufzählung zu verstehen, sondern haben vielmehr beispielhaften Charakter für die Schilderung der Erfindung.
Es zeigen:
1a–c eine schematische Darstellung einer Ausführungsform der Strahlformungseinheit bei drei unterschiedlichen Einstellungen des Fokusdurchmessers bzw. der Fokuslage, und
2 die Strahlformungseinheit von 1a–c in einer in ein Gehäuse integrierten Bauform.
In 1a ist eine Strahlformungseinheit 1 gezeigt, bei der ein Laserstrahl 3 divergent auf eine erste Linse 5 mit kurzer Brennweite (typischer Weise kleiner als ca. 50 mm, insbesondere im Bereich um ca. 30 mm) trifft und über einen Zwischenfokus 6 auf eine zweite Linse 7 (mit Strahldurchmesser D1) abgebildet wird. Der durch die zweite Linse 7 kollimierte Laserstrahl 3 wird über eine (ortsfeste) weitere Linse, die als Fokussieroptik 8 dient, auf eine Werkstückoberfläche 9 zur Lasermaterialbearbeitung fokussiert. Der am Arbeitspunkt auf der Werkstückoberfläche 9 gebildete Laserfokus weist hierbei einen Durchmesser d1 auf.
Bei einem Wechsel der Applikation, beispielsweise beim Umstellen auf eine andere Blechdicke oder ein anderes Material von zu schneidenden Werkstücken (Blechen), kann es erforderlich sein, den Fokusdurchmesser d1 auf der Werkstückoberfläche 9 zu verändern und beispielsweise einen kleineren Fokusdurchmesser d2 (< d1) zu wählen.
Zur variablen Einstellung des Fokusdurchmessers ist an der Strahlformungseinheit 1 eine erste Fokuseinstelleinrichtung 10 vorgesehen, welche mittels eines (nicht gezeigten) Antriebs, beispielsweise eines Linearmotors, die erste Linse 5 entlang der optischen Achse 11 des Laserstrahls 3 bewegen kann.
Wie in 1b gezeigt ist, kann bei einer Verschiebung Δz_L1 der ersten Linse 5 in Strahlausbreitungsrichtung des Laserstrahls 3 entlang der optischen Achse 11 der Strahldurchmesser des auf die zweite Linse 7 auftreffenden Laserstrahls 3 verringert werden (D2 < D1). Die Verschiebung Δz_L1 der ersten Linse 5 wird hierbei so gewählt, dass die Reduzierung des Strahldurchmessers an der zweiten Linse 7 (von D1 auf D2) die gewünschte Verringerung des Fokusdurchmessers (von d1 auf d2) ergibt.
Wie in 1b ebenfalls zu erkennen ist, führt die Verschiebung der ersten Linse 5 zu einer Fokuslagenverschiebung Δz_F in Strahlausbreitungsrichtung des Laserstrahls 3. Um die Fokuslagenverschiebung Δz_F zu kompensieren und den Laserfokus wieder an der Werkstückoberseite 9 zu positionieren, wird eine zweite Fokuseinstelleinrichtung 12 verwendet, welche die zweite Linse 7 in Strahlausbreitungsrichtung entlang der optischen Achse 11 des Laserstrahls 3 um einen Betrag Δz_L2 verschiebt, der so gewählt ist, dass die werkstückseitige Fokuslage wieder mit der Arbeitsposition an der Werkstückoberseite 9 übereinstimmt, wie in 1c dargestellt ist. Hierbei kann ausgenutzt werden, dass die Veränderung der Position der zweiten Linse 7 zwar zu einer Veränderung der Fokuslage führt, den Fokusdurchmesser d2 aber nicht beeinflusst. Handelt es sich bei der zweiten Linse 7 um eine adaptive Linse (mit einstellbarem Krümmungsradius), so kann alternativ oder zusätzlich zu einer Verschiebung der zweiten Linse 7 eine Kompensation der Fokuslagenverschiebung Δz_F auch dadurch erfolgen, dass die zweite Fokuseinstelleinrichtung 12 die Krümmung der zweiten Linse 7 geeignet einstellt.
In 2 ist die Strahlformungseinheit 1 in einem Einbauzustand in einem Gehäuse 2 gezeigt, in das der Laserstrahl 3 mit einer Lasergrundwellenlänge im Nah-Infrarot-Bereich von ca. 1 μm über eine Transportfaser 4 eingekoppelt wird. Zusätzlich zu den Fokuseinstelleinrichtungen 10, 12 sind jeweils Linsenhalterungen 13, 14 zur Führung der ersten Linse 5 bzw. der zweiten Linse 7 bei der Verschiebung entlang der optischen Achse 11 des Laserstrahls 3 gezeigt. Die Linsenhalterungen 13, 14 schließen auch bei der Bewegung der Linsen 5, 7 dichtend mit dem Gehäuse 2 ab, so dass die beiden Linsen 5, 7 zusammen mit den Linsenhalterungen 13, 14 drei Kammern 17, 18, 19 begrenzen. Die Linsenhalterungen 13, 14 zur Führung der ersten bzw. zweiten Linse 5, 7 weisen dabei Überströmungskanäle 15, 16 auf, die für einen Druckausgleich zwischen den Kammern 17, 18, 19 beim Bewegen der Linsen 5, 7 sorgen.
In Strahlausbreitungsrichtung der Fokussieroptik 8 nachgeordnet weist die Strahlformungseinheit 1 ein Schutzglas/Druckfenster 20 auf. Ein nicht näher gezeigter Kollisionsschutz sieht dabei vor, dass eine kollisionsbedingte Trennung 21a in dem Bereich zwischen Fokussieroptik 8 und Schutzglas/Druckfenster 20 erfolgt. Ein um diesen Bereich an dem Gehäuse 2 der Strahlformungseinheit 1 angebrachter Faltenbalg 21 verhindert in einem solchen Fall das Eindringen von Schmutzpartikeln, die sich im ungünstigsten Fall direkt an der Fokussieroptik 8 absetzen könnten.
Die Einstellung der Fokuslage und des Fokusdurchmessers über die Fokuseinstelleinrichtungen 10, 12 erfolgt durch von einer Steuerung 22 vorgegebene Steuersignale. Diese Steuersignale werden in Abhängigkeit von applikationsspezifischen Vorgabewerten 23 als auch aktuellen Korrekturwerten 24 bestimmt. Die durch die Vorgabewerte 23 ermittelten Steuersignale werden sowohl an die erste als auch an die zweite Fokuseinstelleinrichtung 10, 12 weitergeleitet und in entsprechende Bewegungen der ersten bzw. der zweiten Linse 5, 7 umgesetzt. Der in 2 dargestellte Fall geht hinsichtlich der aktuellen Korrekturwerte von einer Kompensation thermisch induzierter Abbildungsfehler aus, die im Wesentlichen die Fokuslage beeinflussen, so dass ein aufgrund einer Änderung eines aktuellen Korrekturwerts zur Kompensation der Fokuslagenverschiebung verwendetes Steuersignal hier nur an die zweite Fokuseinstelleinrichtung 12 weitergeleitet werden muss.
Es ist möglich, dass eine Kompensation der Fokuslagenverschiebung aufgrund aktueller Korrekturwerte erst bei Überschreitung definierter Grenzwerte vorgenommen wird, um zu verhindern, dass die Linsen 5, 7 auch dann bewegt werden müssen, wenn nur geringe Veränderungen der Fokuslage auftreten. Die zusätzlich zu berücksichtigenden aktuellen Korrekturwerte können sich aus Messdaten einer Prozessüberwachung ergeben, die bei dem in 2 gezeigten Beispiel von einem Temperatursensor 25 zur Überwachung der Temperatur des Schutzglases 20 gebildet wird. Die aktuell von dem Temperatursensor 25 ermittelte Temperatur wird in der Steuerungseinheit 22 mit einem entsprechend thermisch induzierten Abbildungsfehler korreliert und daraus der aktuelle Korrekturwert 24 zur Korrektur der Fokuslage berechnet.
Alternativ oder zusätzlich kann die Steuerungseinheit 22 für die Bestimmung der aktuellen Korrekturwerte 24 auch auf lastabhängige Kennlinienfelder zurückgreifen, in denen die thermisch induzierten Abbildungsfehler der Strahlformungseinheit 1 bzw. einzelner Komponenten der Strahlformungseinheit 1 in Abhängigkeit von Laserleistung und Bestrahlungsdauer hinterlegt sind. Durch eine Kombination der lastabhängigen Kennlinien mit der Temperaturmessung ist es hierbei möglich, die Verschmutzung des Schutzglases 20 zu bestimmen und deren Auswirkung bei der Bestimmung des aktuellen Korrekturwerts 24 zur Fokuslageregelung zu berücksichtigen.
In einer nicht weiter dargestellten Variante kann der aktuelle Korrekturwert 24 auch als eine Eingangsgröße für die Berechnung des applikationsspezifischen Vorgabewertes 23 dienen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- JP 2009226473 [0003, 0004]

Claims

Strahlformungseinheit (1) zur Fokussierung eines Laserstrahls (3) zur Lasermaterialbearbeitung auf ein Werkstück (9), umfassend: ein erstes optisches Element (5), auf das der Laserstrahl (3) trifft, ein zweites optisches Element (7), das dem ersten optischen Element (5) in Strahlausbreitungsrichtung nachgeordnet ist, und eine dem zweiten optischen Element (7) in Strahlausbreitungsrichtung nachgeordnete Fokussieroptik (8), wobei dem ersten optischen Element (5) eine erste Fokuseinstelleinrichtung (10) zur Einstellung eines Fokusdurchmessers (D) durch Beeinflussung des ersten optischen Elements (5) zugeordnet ist, und wobei dem zweiten optischen Element (7) eine zweite Fokuseinstelleinrichtung (12) zur Einstellung einer Fokuslage in Strahlausbreitungsrichtung des Laserstrahls (3) durch Beeinflussung des zweiten optischen Elements (7) zugeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Laserstrahl (3) durch das erste optische Element (5) über einen Zwischenfokus (6) auf dem zweiten optischen Element (7) abgebildet wird.
Strahlformungseinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das erste optische Element durch ein transmissives optisches Element, bevorzugt eine Linse (5), gebildet ist, die bevorzugt eine Brennweite von weniger als 50 mm, besonders bevorzugt eine Brennweite von weniger als 40 mm aufweist.
Strahlformungseinheit nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das erste optische Element (5) über die erste Fokuseinstelleinrichtung (10) zur Einstellung des Fokusdurchmessers (D) entlang der optischen Achse (11) des Laserstrahls (3) bewegbar ist.
Strahlformungseinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite optische Element, das bevorzugt durch ein transmissives optisches Element, insbesondere durch eine Linse (7), gebildet ist, über die zweite Fokuseinstelleinrichtung (12) zur Einstellung der Fokuslage entlang der optischen Achse (11) des Laserstrahls (12) bewegbar und/oder über zweite Fokuseinstelleinrichtung (12) in seinen Abbildungseigenschaften veränderbar ist.
Strahlformungseinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Steuereinheit (22) zur Ansteuerung der ersten Fokuseinstelleinrichtung (10) und/oder der zweiten Fokuseinstelleinrichtung (12) in Abhängigkeit von applikationsspezifischen Vorgabewerten (23) und von aktuellen Korrekturwerten (24), die insbesondere auf Messdaten einer Prozessüberwachung (25) basieren.
Strahlformungseinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, weiter umfassend ein Gehäuse (2), welches durch das erste optische Element (13) und das zweite optischen Element (7) sowie durch deren Halterungen (13, 14) in Kammern (17, 18, 19) aufgeteilt ist, wobei Überströmkanäle (15, 16) zum Gas- und Druckaustausch zwischen den Kammern (17, 18, 19) vorgesehen sind.
Strahlformungseinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine weitere, der Fokussieroptik (8) in Strahlausbreitungsrichtung nachgeordnete Optik, insbesondere ein Planfenster (20), zur Abdichtung der Strahlformungseinheit (1) gegen Gasdruck.
Strahlformungseinheit nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Fokussieroptik (8) und der weiteren Optik (20) eine Trennstelle (21a) eines Kollisionsschutzes vorgesehen ist, wobei der Bereich der Trennstelle (21a) von einem elastischen Balg (21) überdeckt ist.