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Die Erfindung betrifft einen Laserbearbeitungskopf mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1. Die Erfindung betrifft des Weiteren einen Träger mit Bearbeitungsoptiken für den Laserbearbeitungskopf sowie eine Laseranlage mit dem Laserbearbeitungskopf.
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Derartige Laserbearbeitungsköpfe werden in Laseranlagen eingesetzt, um den Laserstrahl entsprechend der geforderten Anwendung zu formen und gegebenenfalls weitere Funktionskomponenten, wie zum Beispiel Sensoren, Zuführung für Zusatzwerkstoffe, Arbeitsgas, Schutzgas etc., bereitzustellen. Übliche Laserbearbeitungsköpfe sind genau einer Anwendung zugeordnet, so dass die Laserbearbeitungsköpfe getauscht werden müssen, wenn sich die Anwendung ändert.
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Um die Variabilität von Laserbearbeitungsköpfen zu erhöhen, ist es bekannt, beispielsweise Zoom-Optiken oder Wechselobjektive zu verwenden, so dass bei einer Änderung der Anwendung nur Komponenten des Laserbearbeitungskopfes geändert oder eingestellt werden müssen.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Laserbearbeitungskopf vorzuschlagen, welcher einen schnellen Wechsel der Anwendung ermöglicht.
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Diese Aufgabe wird durch ein Laserbearbeitungskopf mit den Merkmalen des Anspruchs 1, durch einen Träger mit den Merkmalen des Anspruchs 39 sowie durch eine Laseranlage mit den Merkmalen des Anspruchs 40 gelöst. Bevorzugte oder vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, der nachfolgenden Beschreibung sowie den beigefügten Figuren.
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Es wird ein Laserbearbeitungskopf vorgeschlagen, welcher zum Einsatz in einer Laseranlage geeignet und/oder ausgebildet ist. Die Laseranlage weist vorzugsweise eine Laserquelle auf, wobei die Laserquelle beispielsweise als ein Diodenlaser, insbesondere als ein fasergekoppelter Diodenlaser ausgebildet ist. Besonders bevorzugt weist die Laseranlage einen Roboter zum Verfahren des Laserbearbeitungskopfes auf, wobei der Roboter als ein kartesicher Roboter, Knickarmroboter etc. ausgebildet sein kann. Besonders bevorzugt weist die Laserquelle eine Laserleistung von mehr als 500 W, vorzugsweise mehr als 1000 W auf.
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Der Laserbearbeitungskopf weist eine Eingangsschnittstelle zur Einkopplung eines Laserstrahls von der Laserquelle auf. Ferner weist der Laserbearbeitungskopf eine Ausgangsschnittstelle zur Auskopplung des Laserstrahls auf. Die Ausgangsschnittstelle kann einen unmittelbaren Ausgang zur Bearbeitungsstelle darstellen. Es ist jedoch auch möglich, dass nach der Ausgangsschnittstelle weitere Komponenten, wie zum Beispiel Schutzgläser oder dergleichen, angeordnet sind.
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Zwischen der Eingangsschnittstelle und der Ausgangsschnittstelle verläuft ein Strahlengang des Laserstrahls. Im Betrieb verläuft der Laserstrahl entlang des Strahlengangs.
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Ferner weist der Laserbearbeitungskopf mindestens eine Bearbeitungsoptik zur Strahlführung und/oder Strahlformung des Laserstrahls auf. In der allgemeinen Ausgestaltung kann die Bearbeitungsoptik eine transmissive oder eine reflexive Optik sein. Es kann sich dabei um eine strahlführende Optik handeln, welche keine Strahlformung umsetzt, wie zum Beispiel einen Planspiegel. Bevorzugt ist die Bearbeitungsoptik jedoch als eine strahlformende Optik ausgebildet.
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Es wird vorgeschlagen, dass der Laserbearbeitungskopf mehrere derartige Bearbeitungsoptiken sowie einen gemeinsamen Träger aufweist, wobei die Bearbeitungsoptiken auf dem gemeinsamen Träger angeordnet sind. Insbesondere sind die Bearbeitungsoptiken über dem gemeinsamen Träger mechanisch miteinander starr verbunden. Ferner weist der Laserbearbeitungskopf eine Stelleinrichtung, insbesondere eine motorische Stelleinrichtung, auf, welche ausgebildet ist, den Träger zu bewegen. Die Bewegung des Trägers erfolgt derart, dass durch die Stelleinrichtung die Bearbeitungsoptiken selektiv, insbesondere wechselweise und/oder abwechselnd, in den Strahlengang eingebracht werden können. Es kann somit eine der Bearbeitungsoptiken ausgewählt werden und über die Stelleinrichtung in den Strahlengang eingebracht werden, sodass diese Bearbeitungsoptik als aktive Bearbeitungsoptik in dem Strahlengang angeordnet ist. Wird zum Beispiel ein Wechsel der Anwendung erforderlich, so kann eine andere der Bearbeitungsoptiken ausgewählt werden und über die Stelleinrichtung in den Strahlengang eingebracht werden, sodass diese andere Bearbeitungsoptik dann als aktive Bearbeitungsoptik in dem Strahlengang angeordnet ist.
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Der Vorteil des Laserbearbeitungskopfes ist darin zu sehen, dass ein Wechsel der aktiven Bearbeitungsoptik in dem Strahlengang durch die insbesondere motorische Stelleinrichtung automatisiert und insbesondere ohne menschliche Interaktion schnell und effektiv umgesetzt werden kann. Dadurch kann der Laserbearbeitungskopf in kurzer zeitlicher Abfolge unterschiedliche Anwendungen umsetzen bzw. zwischen unterschiedlichen Anwendungen wechseln. Damit kann die Automatisierung in der Fertigung verbessert und zudem die Fertigungsgeschwindigkeit durch Reduzierung von Rüstzeiten reduziert werden.
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Bei einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung sind die Bearbeitungsoptiken als Reflektionsoptiken ausgebildet. Beispielsweise können die Bearbeitungsoptiken als Spiegeloptiken, insbesondere Metallspiegeloptiken, realisiert sein. Besonders bevorzugt sind die Bearbeitungsoptiken als 90°-Umlenkoptiken ausgebildet. Derartige 90°-Umlenkoptiken sind weit verbreitet, führen zur einem einfachen Strahlengang und sind weit verfügbar.
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Prinzipiell ist es möglich, dass mindestens eine der Bearbeitungsoptiken als ein Planspiegel ausgebildet ist. Besonders bevorzugt ist mindestens eine, einige oder alle der Bearbeitungsoptiken als Fokussieroptiken ausgebildet. Alternativ hierzu und insbesondere um das Anwendungsspektrum zu erweitern, kann mindestens eine, einige oder alle Bearbeitungsoptiken als Homogenisierungsoptiken ausgebildet sein.
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Beispielsweise kann die Bearbeitungsoptik als eine Facettenoptik realisiert sein. Es ist auch möglich, dass die Bearbeitungsoptiken unterschiedliche Brennfleckformen, wie z.B. rund, insbesondere kreisrund, oder eckig erzeugen.
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Prinzipiell kann der Träger als ein Linearträger realisiert sein, welcher zum Wechsel der Bearbeitungsoptiken in der Linearrichtung verschoben wird. Es ist jedoch besonders bevorzugt, dass der Träger als ein Rotationsträger ausgebildet ist, wobei der Rotationsträger durch die Stelleinrichtung um eine Rotationsachse drehbar ist. Durch die Ausbildung als Rotationsträger wird besonders Bauraum in dem Laserbearbeitungskopf eingespart.
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Prinzipiell kann der Rotationsträger eine beliebige Anzahl von Bearbeitungsoptiken tragen und somit als ein Vieleck ausgebildet sein. Es ist jedoch bevorzugt, dass der Rotationsträger als ein Vierfachträger ausgebildet ist, welcher vier Bearbeitungsoptiken trägt, wobei die Bearbeitungsoptiken jeweils um 90° um die Rotationsachse in Umlaufrichtung zueinander versetzt angeordnet sind.
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Besonders bevorzugt ist der Rotationsträger als Vierfachträger in axialer Draufsicht in Bezug auf die Rotationsachse als ein Quadrat ausgebildet, wobei jeweils eine Bearbeitungsoptik auf einer Seitenfläche des Quadrats angeordnet ist. Durch die gewählte Anzahl der Bearbeitungsoptik können viele Anwendungen abgedeckt werden, zugleich bleibt der Laserbearbeitungskopf kompakt. Zudem weisen die Bearbeitungsoptiken zu der Rotationsachse den gleichen Abstand auf, sodass diese als aktive Bearbeitungsoptiken jeweils an der gleichen Position stehen.
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Bei einer bevorzugten Realisierung der Erfindung ist der Träger, insbesondere der Rotationsträger, und/oder die Bearbeitungsoptiken aktiv durch eine Kühlflüssigkeit gekühlt. Die Kühlflüssigkeit kann beispielsweise Wasser sein oder zumindest Wasser enthalten. Insbesondere handelt es sich um eine Durchflusskühlung, wobei die Kühlflüssigkeit durch den Träger durchgeführt wird. Die Bearbeitungsoptiken stehen in thermischen Kontakt mit dem Träger und/oder mit der Kühlflüssigkeit, sodass diese durch die Flüssigkeitskühlung gekühlt sind. Insbesondere kann vorgesehen sein, dass die Flüssigkeitskühlung die Bearbeitungsoptiken unmittelbar kühlt. So ist es beispielsweise möglich, dass die Kühlflüssigkeit durch die Bearbeitungsoptiken durchgeführt wird.
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Bei einer konkreten Ausgestaltung weist der Rotationsträger einen Bolzenabschnitt und einen Tragkörperabschnitt auf, wobei der Bolzenabschnitt mit dem Tragkörperabschnitt verbunden oder einteilig ausgebildet ist. Der Rotationsträger ist vorzugsweise über den Bolzenabschnitt drehbar in dem Laserbearbeitungskopf gelagert. Der Bolzenabschnitt weist einen Kühlungszulauf und einen Kühlungsablauf auf. Es ist vorgesehen, dass der Tragkörperabschnitt und/oder die Bearbeitungsoptiken gegebenenfalls jeweils mit dem Kühlungszulauf und dem Kühlungsablauf verbunden sind. Auf diese Weise werden der Tragkörperabschnitt und/oder die Bearbeitungsoptiken mit der Kühlflüssigkeit durchströmt.
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Bei einer vorteilhaften technischen Ausgestaltung weist der Laserbearbeitungskopf mindestens eine Drehdurchführung zur strömungstechnischen Ankopplung des Kühlungszulaufs und/oder des Kühlungsablaufs auf. Nachdem sich der Rotationsträger beim Wechsel der Bearbeitungsoptik im Betrieb dreht, muss auch die Übergabe von der Kühlflüssigkeit so ausgelegt sein, dass diese nicht durch die Drehung abgerissen wird.
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Beispielsweise ist der Kühlungszulauf und/oder der Kühlungsablauf gegebenenfalls jeweils als ein Sackloch in dem Bolzenabschnitt ausgebildet. Es kann vorgesehen sein, dass ausgehend von dem Kühlungszulauf Radialbohrungen in dem Bolzenabschnitt angeordnet sind, wobei die Radialbohrungen den Kühlungszulauf strömungstechnisch mit dem Tragkörperabschnitt und/oder den Bearbeitungsoptiken verbinden. In gleicher Weise kann vorgesehen sein, dass ausgehend von dem Kühlungsablauf Radialbohrungen in dem Bolzenabschnitt angeordnet sind, welche einen Rücklauf von dem Tragkörperabschnitt bzw. von den Bearbeitungsoptiken für die Kühlflüssigkeit bilden.
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Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist in dem Strahlengang in Laufrichtung von dem Laserstrahl vor der Bearbeitungsoptik ein Auskoppelspiegel zur Auskopplung von Strahlung, welche in Gegenrichtung zu dem Laserstrahl läuft, angeordnet. Der Auskoppelspiegel koppelt die rücklaufende Strahlung in eine Auskoppelrichtung aus.
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Es ist besonders bevorzugt, dass der Auskoppelspiegel zur Auskopplung von Prozessstrahlung ausgebildet ist. Besonders bevorzugt ist der Auskoppelspiegel als ein dichroitischer Spiegel ausgebildet, wobei dieser die Laserstrahlung nahezu vollständig, insbesondere mehr als 98 %, reflektiert und die Prozessstrahlung in die Auskoppelrichtung durchlässt. Beispielsweise ist die Prozessstrahlung als eine Wärmestrahlung ausgebildet, wobei der dichroitische Spiegel Strahlung in einem Wellenlängenbereich zwischen 0,8 µm und 2 µm transmittieren lässt.
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Besonders bevorzugt ist der Auskoppelspiegel als ein 90°-Umlenkspiegel ausgebildet.
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Bei einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung weist der Laserbearbeitungskopf eine Sensoreinrichtung auf, wobei die Sensoreinrichtung hinter dem Auskoppelspiegel in der Auskoppelrichtung angeordnet ist. Insbesondere empfängt die Sensoreinrichtung die ausgekoppelte Prozessstrahlung. Insbesondere ist die Sensoreinrichtung als eine optische Sensoreinrichtung ausgebildet. Beispielsweise ist die Sensoreinrichtung als ein Pyrometer zur Temperaturmessung und insbesondere als ein Quotientenpyrometer ausgebildet. Das Quotientenpyrometer hat den Vorteil, dass die Temperatur über den Vergleich der Intensitäten von zwei unterschiedlichen Wellenlängen oder Wellenlängenbereichen gemessen wird, sodass die optische Abbildung der Prozessstrahlung unproblematisch ist.
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Bei einer bevorzugten konstruktiven Ausgestaltung der Erfindung weist der Laserbearbeitungskopf ein Gehäuse auf, wobei der Träger, insbesondere der Rotationsträger, in einem Trägerabschnitt des Gehäuses angeordnet ist. Es ist ferner bevorzugt, dass das Gehäuse einen Sensorabschnitt zur Aufnahme der Sensoreinrichtung aufweist. Um einen kompakten Aufbau zu realisieren ist die Eingangsschnittstelle in einem Schnittstellenabschnitt des Gehäuses angeordnet, wobei der Schnittstellenabschnitt zwischen dem Trägerabschnitt und dem Sensorabschnitt angeordnet ist. Vorzugsweise ist der Auskoppelspiegel in dem Schnittstellenabschnitt angeordnet. Es kann vorgesehen sein, dass die Eingangsschnittstelle als eine Aufnahme für einen Faserstecker von der Laserquelle ausgebildet ist. Besonders bevorzugt ist die Aufnahme und/oder der Faserstecker gleichgerichtet zu einer Strahlrichtung des Laserstrahls an der Ausgangsschnittstelle.
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Besonders bevorzugt wird der Laserstrahl in dem Laserbearbeitungskopf genau zweimal umgelenkt, nämlich einmal über den Auskoppelspiegel und ein zweites Mal über die Bearbeitungsoptik.
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Um den Laserbearbeitungskopf möglichst kompakt zu halten ist es bevorzugt, dass der Strahldurchmesser des Laserstrahls in dem Strahlengang, insbesondere zwischen dem Auskoppelspiegel und der Bearbeitungsoptik, und/oder als kollimierter Strahl kleiner als 30 mm (FWHM), vorzugsweise kleiner als 28 mm (FWHM) ausgebildet ist.
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Bei einer möglichen konstruktiven Umsetzung weist die Stelleinrichtung einen Elektromotor und einen Übertragungsabschnitt auf. Der Elektromotor ist insbesondere als ein permanenterregter Servomotor mit Haltebremse und Absolutmesssystem ausgebildet. Es kann vorgesehen sein, dass die Übertragungsstufe als eine Getriebestufe ausgebildet ist. Besonders bevorzugt weist die Getriebestufe und/oder die Übertragungsstufe ein Antriebsritzel und ein Abtriebsritzel auf. Das Antriebsritzel sitzt vorzugsweise auf einer Rotorwelle des Elektromotors, das Abtriebsritzel sitzt bevorzugt koaxial zu der Rotationsachse des Rotationsträgers.
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Besonders bevorzugt ist das Abtriebsritzel in dem Trägerabschnitt, insbesondere in einem Innenraum des Trägerabschnitts angeordnet.
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Bei einer bevorzugten Weiterbildung weist der Laserbearbeitungskopf eine Kontrolleinrichtung auf. Die Kontrolleinrichtung kann integriert sein oder als eine separate Komponente ausgebildet sein. Es kann auch sein, dass die Kontrolleinrichtung als Teil einer übergeordneten Steuerung ausgebildet ist. Die Kontrolleinrichtung ist signaltechnisch mit der Sensoreinrichtung verbunden, so dass diese Sensorsignale von der Sensoreinrichtung übernehmen kann. Ferner weist die Kontrolleinrichtung eine Ausgabeschnittstelle zur Ausgabe von Prozessparametern, insbesondere SOLL-Prozessparametern, bzw. von Werten auf, die als Prozessparameter interpretiert werden können. Als Prozessparameter sind insbesondere die Laserleistung und Zuführmengen von Zusatzstoffen bei der Lasermaterialbearbeitung zu nennen. Die Ausgabeschnittstelle kann signaltechnisch mit der Laserquelle verbunden sein.
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Bei einer ersten möglichen Anwendung ist der Laserbearbeitungskopf mit einer ersten Bearbeitungsoptik als ein Härtekopf zum Härten von Metallen ausgebildet. Dabei ist besonders bevorzugt vorgesehen, dass die Kontrolleinrichtung einen ersten Kontrollmodus aufweist, wobei die Kontrolleinrichtung programmtechnisch und/oder schaltungstechnisch ausgebildet ist, eine Härtetemperatur auf einem Werkstück zu kontrollieren, insbesondere zu steuern oder zu regeln. Insbesondere ist die Kontrolleinrichtung in dem ersten Kontrollmodus ausgebildet, eine SOLL-Laserleistung über die Ausgabeschnittstelle auszugeben, um eine Härtetemperatur zu kontrollieren.
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Bei einer möglichen Weiterbildung der Erfindung ist der Laserbearbeitungskopf mit einer zweiten Bearbeitungsoptik als ein Auftragsschweißkopf ausgebildet. Insbesondere in dieser Ausgestaltung ist es bevorzugt, dass der Laserbearbeitungskopf eine Zusatzwerkstoffzuführung zur Zuführung eines Zusatzwerkstoffes für ein Auftragsschweißen aufweist. Der Zusatzwerkstoff kann beispielsweise als Pulver, Draht etc. ausgebildet sein.
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Es ist bevorzugt vorgesehen, dass die Kontrolleinrichtung einen zweiten Kontrollmodus aufweist, wobei die Kontrolleinrichtung programmtechnisch und/oder schaltungstechnisch ausgebildet ist, eine Schweißtemperatur und/oder Schweißprozessemissionen zu kontrollieren, insbesondere zu steuern oder zu regeln.
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Bei einer möglichen Weiterbildung der Erfindung ist es bevorzugt, dass die Kontrolleinrichtung dem zweiten Kontrollmodus eine SOLL-Laserleistung und/oder eine SOLL-Ausgabe für den Zusatzwerkstoff über die Ausgabeschnittstelle ausgibt, um das Auftragsschweißen zu kontrollieren.
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Es ist weiterhin bevorzugt, dass die Kontrolleinrichtung einen dritten Kontrollmodus aufweist, wobei die Kontrolleinrichtung programmtechnisch und/oder schaltungstechnisch ausgebildet ist, den Träger, insbesondere den Rotationsträger, bei aktivierter Laserquelle zu bewegen, so dass ein Brennfleck des Laserstrahls auf einem Werkstück bewegt wird. Dabei ist es beispielsweise möglich, durch ein schnelles Oszillieren ein Wobbeln umzusetzen. Beim Wobbeln wird der Laserstrahl mit einer einstellbaren Amplitude vorzugsweise quer zum Vorschub über das Werkstück geführt.
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Ein weiterer Gegenstand der Erfindung wird durch einen Träger mit einer Mehrzahl von Bearbeitungsoptiken gebildet, wobei die Mehrzahl von Bearbeitungsoptiken an dem Träger angeordnet sind. Der Träger ist zum Einsatz in dem Laserbearbeitungskopf geeignet und/oder ausgebildet, wie dieser zuvor beschrieben wurde. Insbesondere entspricht der Träger dem Träger, der zuvor beschrieben wurde.
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Ein weiterer Gegenstand wird durch die Laseranlage gebildet, welcher einen Laserbearbeitungskopf wie zuvor beschrieben aufweist. Insbesondere weist die Laseranlage die Laserquelle und/oder den Roboter auf.
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Weitere Merkmale, Vorteile und Wirkungen der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele der Erfindung. Dabei zeigen:
- 1 ein schematisches Blockdiagramm einer Laseranlage mit einem Laserbearbeitungskopf als ein erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung;
- 2 eine schematische dreidimensionale Darstellung des Laserbearbeitungskopfes in der 1;
- 3 eine schematische dreidimensionale und teilgeschnittene Darstellung des Laserbearbeitungskopfes der vorhergehenden Figuren.
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Einander entsprechende oder gleiche Teile sind in den Figuren jeweils mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
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Die 1 zeigt in einem schematischen Blockdiagramm eine Laseranlage 1 als ein Ausführungsbeispiel der Erfindung. Die Laseranlage 1 weist eine Laserquelle 2 auf, wobei die Laserquelle 2 einen Laserstrahl erzeugt. Die Laseranlage 1 ist beispielsweise als ein Diodenlaser ausgebildet. Der Laserstrahl wird in eine Faser 3 eingekoppelt, wobei die Faser 3 in einem Faserstecker 4 endet.
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Die Laseranlage 1 weist ein Laserbearbeitungskopf 5 und einen Roboter 6 auf, wobei der Roboter 6 den Laserbearbeitungskopf 5 für eine Materialbearbeitung bewegt. Der Roboter kann beispielsweise als ein Knickarmroboter oder ein kartesischer Roboter ausgebildet sein.
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Der Laserbearbeitungskopf 5 weist eine Eingangsschnittstelle 7 auf, welcher als eine Buchse für den Faserstecker 4 ausgebildet ist und diesen aufnimmt. Auf diese Weise wird der Laserstrahl in den Laserbearbeitungskopf 5 eingekoppelt. Ferner weist der Laserbearbeitungskopf eine Ausgangsschnittstelle 8 auf, über die der Laserstrahl aus dem Laserbearbeitungskopf 5 aus gekoppelt wird, um diesen auf ein Werkstück 9 zu führen.
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Der Laserstrahl wird innerhalb des Laserbearbeitungskopfes 5 entlang eines Strahlenganges 10 geführt. Genauer betrachtet verläuft dieser von der Eingangsschnittstelle 7 zunächst über einen Auskoppelspiegel 11, wobei der Auskoppelspiegel 11 den Strahlengang 10 und/oder den Laserstrahl um 90° umgelenkt. Nachfolgend verläuft der Strahlengang 10 über eine Bearbeitungsoptik 12a, welche als eine aktive Bearbeitungsoptik ausgebildet ist. Der Strahlengang 10 wird durch die Bearbeitungsoptik 12a um 90° umgelenkt und tritt über die Ausgangsschnittstelle 8 aus. Der Auskoppelspiegel 11 und die Bearbeitungsoptik 12a sind jeweils als ein Spiegel ausgebildet.
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Prozessstrahlung, welche bei der Bearbeitung des Werkstücks 9 entsteht, kann den Strahlengang 10 in Gegenrichtung durchlaufen, sodass die Prozessstrahlung zunächst über die Bearbeitungsoptik 12a um 90° umgelenkt wird, nachfolgend auf den Auskoppelspiegel 11 trifft und dort in eine Auskoppelrichtung A ausgekoppelt wird. Die ausgekoppelte Prozessstrahlung wird über einen Umlenkspiegel 13 umgelenkt und trifft nachfolgend auf eine Sensoreinrichtung 14 und kann von dieser detektiert werden.
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In dem Laserbearbeitungskopf 5 sind neben der aktiven Bearbeitungsoptik 12a weitere Bearbeitungsoptiken 12b, c, d angeordnet, wobei die Bearbeitungsoptiken 12a, b, c, d auf einem Rotationsträger 15 angeordnet sind. Der Rotationsträger 15 kann um eine Rotationsachse R rotiert werden, sodass jede der Bearbeitungsoptiken 12a, b, c, d als aktive Bearbeitungsoptik in den Strahlengang 10 eingebracht werden kann. Auf diese Weise können die Bearbeitungsoptiken 12a, b, c, d selektiv, wechselweise oder abwechselnd in den Strahlengang 10 eingebracht werden.
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Der Laserbearbeitungskopf 5 kann in einen Schnittstellenabschnitt 16, einen Trägerabschnitt 17 und in einen Sensorabschnitt 18 unterteilt werden. Der Schnittstellenabschnitt 16 ist zwischen dem Trägerabschnitt 17 und dem Sensorabschnitt 18 angeordnet. In dem Schnittstellenabschnitt 16 sind die Eingangsschnittstelle 7 und der Auskoppelspiegel 11 angeordnet. In dem Trägerabschnitt 17 ist der Rotationsträger 15 mit den Bearbeitungsoptiken 12a, b, c, d angeordnet. In dem Sensorabschnitt 18 ist der Umlenkspiegel 13 sowie die Sensoreinrichtung 14 angeordnet.
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Zum Bewegen des Rotationsträgers 15 um die Rotationsachse R weist der Laserbearbeitungskopf 5 eine motorische Stelleinrichtung 19 auf.
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Der Laserbearbeitungskopf 5 weist eine Kontrolleinrichtung 20 auf, welche signaltechnisch mit der Sensoreinrichtung 14 verbunden ist. Die Kontrolleinrichtung 20 ist beispielsweise als eine digitale Datenverarbeitungseinrichtung, wie zum Beispiel ein Computer, Mikrocontroller etc. ausgebildet. Die Kontrolleinrichtung 20 weist eine Ausgabeschnittstelle 21 zur Ausgabe von Prozessparametern für die Materialbearbeitung auf. Die Kontrolleinrichtung 20 kann über die Ausgabeschnittstelle 21 beispielsweise mit der Laserquelle 2 zur Ansteuerung einer Laserleistung als ein Prozessparameter verbunden sein. Es ist auch möglich, dass die Kontrolleinrichtung 20 über die Ausgabeschnittstelle 21 mit dem Roboter 6 zur Ansteuerung einer Vorschubgeschwindigkeit des Laserstrahls auf dem Werkstück 9 als ein Prozessparameter signaltechnisch verbunden ist. Ferner ist es möglich, dass die Kontrolleinrichtung 20 die Stelleinrichtung 19 ansteuert, um eine der Bearbeitungsoptiken 12a, b, c, d als aktive Bearbeitungsoptik auszuwählen.
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Optional weist der Laserbearbeitungskopf eine Zusatzwerkstoffzuführung 22 zur Zuführung eines Zusatzwerkstoffes, wie zum Beispiel eines Pulvers, insbesondere Metallpulvers, eines Draht oder dergleichen auf. Die Zusatzwerkstoffzuführung 22 führt den Zusatzwerkstoff in die Bearbeitungszone zwischen dem Laserstrahl und dem Werkstück 9. Es ist auch möglich, dass die Kontrolleinrichtung 20 über die Ausgabeschnittstelle 21 mit der Zusatzwerkstoffzuführung 22 zur Ansteuerung einer Zuführgeschwindigkeit oder Zuführmenge als ein Prozessparameter signaltechnisch verbunden ist.
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Die Sensoreinrichtung 14 ist als ein Pyrometer, diesem Ausführungsbeispiel als ein Quotientenpyrometer, zur Messung einer Temperatur an dem Werkstück 9 ausgebildet. Der Auskoppelspiegel 11 ist als ein dichroitischer Spiegel ausgebildet, welcher den Laserstrahl vollständig oder nahezu vollständig reflektiert und dagegen die Prozessstrahlung in Auskoppelrichtung A durchlässt.
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Durch den Rotationsträger 15 können unterschiedliche Bearbeitungsoptiken 12a, b, c, d in den Strahlengang 10 eingebracht werden, sodass dem Laserbearbeitungskopf 5 unterschiedliche Anwendungen zugeordnet werden können.
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Für den Fall, dass der Laserbearbeitungskopf 5 als ein Härtekopf eingesetzt wird, kann eine der Bearbeitungsoptiken12a, b, c, d gewählt und in den Strahlengang 10 eingebracht werden, welche für eine Strahlformung zum Härten ausgelegt ist. Die Kontrolleinrichtung 20 kann optional ergänzend in einen ersten Kontrollmodus geschalten werden, wobei die Kontrolleinrichtung 20 auf Basis der Sensorsignale der Sensoreinrichtung 14 eine SOLL-Laserleistung als Prozessparameter über die Ausgabeschnittstelle 21 ausgibt und an die Laserquelle 2 leitet, um eine Härtetemperatur auf dem Werkstück 9 zu kontrollieren.
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Für den Fall dass der Laserbearbeitungskopf 5 als ein Auftragsschweißkopf eingesetzt wird, kann eine andere der Bearbeitungsoptiken 12a, b, c, d als aktive Bearbeitungsoptik gewählt und in den Strahlengang 10 eingebracht werden, welche für eine Strahlformung zum Auftragsschweißen ausgelegt ist. Die Kontrolleinrichtung 20 kann optional ergänzend in einen zweiten Kontrollmodus geschalten werden, wobei die Kontrolleinrichtung 20 auf Basis der Sensorsignale der Sensoreinrichtung 14 eine SOLL-Laserleistung und/oder eine SOLL-Zuführgeschwindigkeit und/oder Zuführmenge über die Ausgabeschnittstelle 21 an die Zusatzwerkstoffzuführung 22 ausgibt.
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Unabhängig von der Anwendung kann der Rotationsträger 15 um die Rotationsachse R durch die Stelleinrichtung 19 oszilliert werden, so dass ein Brennfleck auf dem Werkstück 9 verbreitert wird. Dies kann zum Beispiel durch die Kontrolleinrichtung 20 in einem dritten Kontrollmodus umgesetzt und angesteuert werden. Damit können unterschiedliche, anwendungsspezifische Vorteile erreicht werden. Beim Schweißen ist es durch das Oszillieren möglich, ein sogenanntes Wobbeln zur Überbrückung eines Schweißspaltes umzusetzen. Bei dem Härten kann durch eine Linienbewegung mit hoher Frequenz senkrecht zur Vorschubrichtung eine variable Breite der Härtespur erreicht werden. Beim Auftragschweißen kann mit variabler Spurbreite der Laserstrahl auf das Werkstück 9 gebracht werden, beim Härten kann eine Rechteckabbildung des Laserstrahls oszilliert werden.
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Die 2 zeigt in einer schematischen teilgeschnittenen, dreidimensionalen Darstellung den Laserbearbeitungskopf 5 in einer möglichen konstruktiven Umsetzung. Der Laserbearbeitungskopf 5 weist ein Gehäuse 23 auf, welches so aufgegliedert ist, dass dieses wie in der 1 bereits erläutert, in den Trägerabschnitt 17, Sensorabschnitt 18 und Schnittstellenabschnitt 16 unterteilt werden kann. In dem Gehäuse 23 ist in dem Trägerabschnitt 17 ein Innenraum ausgebildet, in dem der Rotationsträger 15 mit den aufgesetzten Bearbeitungsoptiken 12a, b, c, d um die Rotationsachse R drehbar angeordnet ist.
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Der Rotationsträger 15 weist einen Bolzenabschnitt 24 und einen Trägerabschnitt 25 auf. Der Trägerabschnitt 25 weist in axialer Draufsicht eine quadratische Form auf, wobei die Bearbeitungsoptiken 12a, b, c, d jeweils auf einer Seitenfläche aufgesetzt sind.
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Die 3 zeigt ebenfalls in einer schematischen dreidimensionalen Darstellung den Trägerabschnitt 17 des Laserbearbeitungskopfes 5, wobei eine Schnittdarstellung gezeigt ist, die durch die Rotationsachse R durchgeführt ist. Der Laserbearbeitungskopf 5 weist eine Flüssigkeitskühlung zur Kühlung der Bearbeitungsoptiken 12a, b, c, d auf, wobei in der 3 ein Kühlungszulauf 26 und einen Kühlungsablauf 27 dargestellt ist, welche durch Kühlungsschläuche umgesetzt sind. Der Bolzenabschnitt 24 des Rotationsträgers 15 ist abschnittsweise als Hohlbolzen ausgebildet und weist eine Zulaufbohrung 28 und einen Ablaufbohrung 29 auf. Der Kühlungszulauf 26 ist über eine Drehdurchführung 30a mit der Zulaufbohrung 28 strömungstechnisch verbunden, der Kühlungsablauf 27 ist über eine Drehdurchführung 30 b mit der Ablaufbohrung 29 strömungstechnisch verbunden. Die Zulaufbohrung 28 und die Ablaufbohrung 29 sind strömungstechnisch voneinander getrennt, in diesem Beispiel durch eine Zwischenwand. Die Zulaufbohrung 28 und die Ablaufbohrung 29 sind jedoch jeweils mit Radialbohrungen 36 versehen, welche eine Kühlflüssigkeit in radialer Richtung führen. Wie sich wieder aus der 2 ergibt verlaufen die Radialbohrungen 36 zu den Bearbeitungsoptiken 12a, b, c, d, sodass diese mit der Kühlflüssigkeit hinterspült und aktiv gekühlt sind.
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Die Stelleinrichtung 19 weist einen Elektromotor 31 und einen Übertragungsabschnitt 32 auf. Der Elektromotor 31 ist auf einem Dachbereich des Gehäuses 23 angeordnet, wobei eine Rotorwelle 33 parallel zu der Rotationsachse R ausgerichtet ist. Der Übertragungsabschnitt 32 weist ein Antriebsritzel 34 auf, welches auf der Rotorwelle 33 drehfest angeordnet ist oder zumindest mit dieser drehfest und koaxial verbunden ist. Das Abtriebsritzel 35 ist auf dem Bolzenabschnitt 24 angeordnet und somit koaxial zu der Rotationsachse R. Das Antriebsritzel 34 kämmt mit dem Abtriebsritzel 35, sodass über den Elektromotor 31 der Rotationsträger 15 gedreht werden kann, um anwendungsgerecht eine der Bearbeitungsoptiken 12a, b, c, d als aktive Bearbeitungsoptik zu wählen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Laseranlage
- 2
- Laserquelle
- 3
- Faser
- 4
- Faserstecker
- 5
- Laserbearbeitungskopf
- 6
- Roboter
- 7
- Eingangsschnittstelle
- 8
- Ausgangsschnittstelle
- 9
- Werkstück
- 10
- Strahlengang
- 11
- Auskoppelspiegel
- 12a, b, c, d
- Bearbeitungsoptik
- 13
- Umlenkspiegel
- 14
- Sensoreinrichtung
- 15
- Rotationsträger
- 16
- Schnittstellenabschnitt
- 17
- Trägerabschnitt
- 18
- Sensorabschnitt
- 19
- Stelleinrichtung
- 20
- Kontrolleinrichtung
- 21
- Ausgabeschnittstelle
- 22
- Zusatzwerkstoffzuführung
- 23
- Gehäuse
- 24
- Bolzenabschnitt
- 25
- Tragkörperabschnitt
- 26
- Kühlungszulauf
- 27
- Kühlungsablauf
- 28
- Zulaufbohrung
- 29
- Ablaufbohrung
- 30a, b
- Drehdurchführung
- 31
- Elektromotor
- 32
- Übertragungsabschnitt
- 33
- Rotorwelle
- 34
- Antriebsritzel
- 35
- Abtriebsritzel
- 36
- Radialbohrung
- R
- Rotationsachse
- A
- Auskoppelrichtung
