DE202020000354U1

DE202020000354U1 - Einrichtung zur großflächigen Laserbearbeitung zur Kornorientierung von Elektroblechen

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Publication number: DE202020000354U1
Application number: DE202020000354.9U
Authority: DE
Original assignee: Moewe Optical Solutions GmbH
Current assignee: Moewe Optical Solutions GmbH
Priority date: 2020-01-25
Filing date: 2020-01-25
Publication date: 2020-02-10
Anticipated expiration: 2030-01-26

Abstract

Einrichtung zur großflächigen Laserbearbeitung zur Kornorientierung von Elektroblechen (1) mit wenigstens einem Laser (2), in dessen Strahlengang (9) ein Kollimator (3), ein eindimensionalen Strahlaufweiter (4) mit Linsen mit veränderbarer Fokusposition zur Erzeugung von Laserstrahlung (9) mit einem elliptischen Querschnitt, wobei wenigstens eine der Linsen mit einem Linearantrieb verbunden ist, ein Scanner (5) mit wenigstens einem angetriebenen Polygonspiegel zur Erzeugung eines Linienscans und eine Linienoptik (6) zur linearen Fokussierung der Laserstrahlung (9) des Linienscans über die Breite der Bearbeitungsfläche, nacheinander angeordnet sind, einer mit einem Antrieb verbundenen Transporteinrichtung (7), einer die Vorschubgeschwindigkeit des Elektrobleches (1) erfassenden Messeinrichtung (8) und einem mit dem Laser (2), dem Linearantrieb der Linse des Strahlaufweiters (4), dem Scanner (5), dem Antrieb (10) der Transporteinrichtung (7) und der Messeinrichtung (8) verbundenen Datenverarbeitungssystem, welches ein den Linearantrieb zur Änderung der Fokusposition zwischen den Linsen des Strahlaufweiters (4) und damit der Länge des Fokus auf der Bearbeitungsfläche, die Scangeschwindigkeit und damit die Zeilenfrequenz der auf das Elektroblech (1) gerichteten Laserstrahlung und die Laserleistung in Abhängigkeit der Vorschubgeschwindigkeit des Elektrobleches (1) steuerndes Datenverarbeitungssystem ist.

Description

Die Erfindung betrifft Einrichtungen zur großflächigen Laserbearbeitung zur Kornorientierung von Elektroblechen.
Durch die Druckschrift DE 603 10 305 T2 ist ein kornorientiertes Elektroblech mit hervorragenden magnetischen Eigenschaften und eine Herstellung derselben bekannt. Bei dem Verfahren wurde ein von einer Laservorrichtung ausgehender Laserstrahl abtastend auf ein kornorientiertes Elektroblech mit Hilfe eines Abtastspiegels und einer F-Theta-Linse abgestrahlt. Eine Zylinderlinse wird bei Bedarf zur Umwandlung der Form eines kondensierten Laserstrahls von einem Kreis in ein Oval verwendet, wobei diese sich zwischen der Laservorrichtung und dem Abtastspiegel angeordnet ist. Der Linienscan ist auf die Breite der F-Theta-Linse beschränkt.
Der im Schutzanspruch 1 angegebenen Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung zur großflächigen Kornorientierung von Elektroblechen durch Laserbearbeitung zu schaffen.
Diese Aufgabe wird mit den im Schutzanspruch 1 aufgeführten Merkmalen gelöst.
Die Einrichtungen zeichnen sich insbesondere dadurch aus, dass eine großflächige Kornorientierung von Elektroblechen durch Laserbearbeitung realisierbar und an die Vorschubgeschwindigkeit des Elektrobleches stufenlos anpassbar ist.
Dazu weist die Einrichtung

- wenigstens einen Laser, in dessen Strahlengang ein Kollimator, ein eindimensionalen Strahlaufweiter mit Linsen mit veränderbarer Fokusposition zur Erzeugung von Laserstrahlung mit einem elliptischen Querschnitt, wobei wenigstens eine der Linsen mit einem Linearantrieb verbunden ist, ein Scanner mit wenigstens einem angetriebenen Polygonspiegel zur Erzeugung eines Linienscans und eine Linienoptik zur linearen Fokussierung der Laserstrahlung des Linienscans über die Breite der Bearbeitungsfläche nacheinander angeordnet sind, und
- eine mit einem Antrieb verbundenen Transporteinrichtung,
- eine die Geschwindigkeit des Elektrobleches erfassenden Messeinrichtung und
- ein mit dem Laser, dem Linearantrieb der Linse des Strahlaufweiters, dem Scanner, dem Antrieb der Transporteinrichtung und der Messeinrichtung verbundenes Datenverarbeitungssystem

- den Linearantrieb zur Änderung der Fokusposition zwischen den Linsen des Strahlaufweiters und damit der Länge des Fokus auf der Bearbeitungsfläche,
- die Scangeschwindigkeit und damit die Zeilenfrequenz der auf das Elektroblech gerichteten Laserstrahlung und
- die Laserleistung in Abhängigkeit der Vorschubgeschwindigkeit des Elektrobleches steuerndes Datenverarbeitungssystem ist.

Kornorientiertes Elektroblech ist ein weichmagnetisches Material und wird hauptsächlich für Verteiltransformatoren oder in Leistungstransformatoren als Kernblech verwendet. Mit einer zusätzlichen thermischen Oberflächenbehandlung nach dem Walzprozess werden die magnetischen Domänen verfeinert und damit die Qualität verbessert. Das betrifft insbesondere die magnetische Eigenschaften. Durch ein zusätzliches Beaufschlagen des Elektrobleches mit Laserstrahlung wird ein zeitlich und lokal begrenzter thermischer Stress erzeugt und die magnetische Struktur des Bleches lokal geändert. Bei der Herstellung von Elektroblech werden so die Domänen in bestimmten Abständen mittels Laserbearbeitung modifiziert. Das Verfahren ist auch als Laser-Scribing von Elektroblech bekannt. Dadurch werden die Wirbelstromverluste bei der Ummagnetisierung um größer 10% reduziert.
Mit dem eindimensionalen Strahlaufweiter wird die Länge des Fokus festgelegt. Mit der Länge muss die Laserleistung und die Scangeschwindigkeit geregelt werden. Bei beispielsweise doppelter Länge wird die Laserleistung verdoppelt. Damit bleibt die Intensität gleich. Gleichzeitig kann die Scangeschwindigkeit verdoppelt werden, durch die doppelte Länge bleibt dann die Einwirkdauer gleich. Die Linienoptik wiederum dient vorteilhafterweise zur eindimensionalen Fokussierung der Laserstrahlung (Fokusbreite quer zur Scanrichtung), im Bereich jeweils einschließlich von 30 µm bis 100 µm. Die Linienlänge wiederum ist 100mal bis 1000mal länger, da auch bei hohen Geschwindigkeiten die Einwirkdauer zur Erzielung der Einwirktiefe gewährleistet werden muss. Durch die Verbindung der Funktionen mit dem Datenverarbeitungssystem sind die Prozessparameter Intensität und Einwirkdauer an die Vorschubgeschwindigkeit des Elektrobleches stufenlos anpassbar und bleiben auch bei Veränderung der Geschwindigkeit gleich.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Schutzansprüchen 2 bis 9 angegeben.
Die Linienoptik kann vorteilhafterweise eine Zylinderlinse oder mindestens ein Zylinderspiegel sein.
Der Laser ist vorteilhafterweise ein Festkörperlaser, vorzugsweise ein Faserlaser.
Der Kollimator ist vorteilhafterweise ein die Fokussierung der Linienoptik bestimmender Kollimator.
Der Strahlaufweiter weist in einer Ausführungsform Zylinderlinsen auf.
Der Scanner besitzt optional einen angetriebenen Doppelpolygonspiegel und einen im Strahlengang der Laserstrahlung nachgeordneten Spiegel oder Schwenkspiegel.
Die Linienoptik ist optional an einer Seite drehbar gelagert und mit einem Rotationsantrieb verbunden, so dass die Linienoptik zur Erzielung gerader Linienscans auf dem Elektroblech verdrehbar ist. Weiterhin ist der Rotationsantrieb mit dem Datenverarbeitungssystem verbunden.
In einer Ausführungsform ist der Laser ein erster Laser. Im Strahlengang des ersten Lasers sind der Kollimator, der Strahlaufweiter und der Scanner angeordnet. Die Einrichtung zur großflächigen Laserbearbeitung zur Kornorientierung von Elektroblechen weist einen zweiten Laser auf. Im Strahlengang des zweiten Lasers sind ein Kollimator, ein eindimensionaler Strahlaufweiter mit Linsen mit veränderbaren Fokus zur Erzeugung von Laserstrahlung mit einem elliptischen Querschnitt, wobei wenigstens eine der Linsen an einen Linearantrieb verbunden ist, und ein Scanner mit wenigstens einem angetriebenen Polygonspiegel zur Erzeugung eines Linienscans angeordnet. Weiterhin befindet sich im Strahlengang nach den Scannern die Linienoptik zur linearen Fokussierung der Laserstrahlungen der Linienscans über die Breite der Bearbeitungsfläche. Die Laser, die Linearantriebe der Strahlaufweiter, die Scanner, der Antrieb der Transporteinrichtung und die Messeinrichtung sind mit dem Datenverarbeitungssystem verbunden, welches ein die Linearantriebe zur Änderung des Fokus zwischen den Linsen der Strahlaufweiter, die Laserleistungen und die Scangeschwindigkeiten und damit die Zeilenfrequenz der auf das Elektroblech gerichteten Laserstrahlungen in Abhängigkeit der Geschwindigkeit des Elektrobleches steuerndes Datenverarbeitungssystem ist. Damit sind vorteilhafterweise redundant betreibbare Einrichtungen vorhanden.
Die Laser und die Scanner können mit dem Datenverarbeitungssystem so verbunden sein, dass die Laser mit den Scannern synchronisiert zueinander betrieben werden.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Zeichnungen jeweils prinzipiell dargestellt und wird im Folgenden näher beschrieben.
Es zeigen:

1 eine Einrichtung zur großflächigen Laserbearbeitung zur Kornorientierung von Elektroblechen und
2 ein Scanner.

Eine Einrichtung zur großflächigen Laserbearbeitung zur Kornorientierung von Elektroblechen 1 besteht im Wesentlichen aus einem Laser 2, einem Kollimator 3, einem eindimensionalen Strahlaufweiter 4, einem Scanner 5, einer Linienoptik 6, einer Transporteinrichtung 7, einer Messeinrichtung 8 zur Messung der Vorschubgeschwindigkeit des Elektrobleches 1 und einem Datenverarbeitungssystem.
Die 1 zeigt eine Einrichtung zur großflächigen Laserbearbeitung zur Kornorientierung von Elektroblechen 1 in einer prinzipiellen Darstellung.
Im Strahlengang der Laserstrahlung 9 des Lasers 2 sind der Kollimator 3, der eindimensionale Strahlaufweiter 4, der Scanner 5, die Linienoptik 6 in Form einer Zylinderlinse 6 und das Elektroblech 1 angeordnet.
Der Laser 1 kann dazu ein bekannter Faserlaser 1 sein.
Als Kollimator 3 wird vorteilhafterweise ein Kollimator zur Erzeugung eines Fokus im Bereich jeweils einschließlich von 30 µm bis 100 µm verwendet.
Der eindimensionale Strahlaufweiter 4 weist Linsen mit veränderbarer Fokusposition zur Erzeugung von Laserstrahlung mit einem elliptischen Querschnitt auf. Dazu ist wenigstens eine der Linsen mit einem Linearantrieb zur Positionsveränderung und Positionseinstellung verbunden. Die Linsen sind insbesondere Zylinderlinsen.
Die 2 zeigt einen Scanner 5 in einer prinzipiellen Darstellung.
Der Scanner 5 besitzt einen angetriebenen Doppelpolygonspiegel 11 zur Erzeugung eines Linienscans und einen im Strahlengang der Laserstrahlung 9 nachgeordneten Spiegel oder Schwenkspiegel 12, letzteren für eine Justierung des Linienscans und/oder Zeilenweiterschaltung. Die Laserstrahlung 9 gelangt nach dem eindimensionalen Strahlaufweiter 4 auf den Doppelpolygonspiegel 11. Die Facettenflächen sind als gerade Spiegelflächen 13 des Doppelpolygonspiegels 11 in gleicher Richtung geneigt und weisen zueinander. Die Spiegelflächen 13 und die Rotationsachse des Doppelpolygonspiegels 11 schließen einen Winkel so ein, dass die Scanlinien der Laserstrahlung 9 gleich gerichtet sind. Die Anzahl der Spiegelflächen 13 der Polygonspiegel des Doppelpolygonspiegels 11 sind gleich. Die Laserstrahlung 9 gelangt nach diesem auf den Spiegel oder den Schwenkspiegel 12, der die Laserstrahlung 9 auf die Zylinderlinse 6 und folgend auf die Oberfläche des Elektroblechs 1 dynamisch ablenkt. Die Zylinderlinse 6 ist dazu eine die Breite der Bearbeitungsfläche überstreichende Zylinderlinse 6 zur linearen Fokussierung des Linienscans quer zur Scanrichtung.
Das Elektroblech 1 befindet sich auf der Transporteinrichtung 7, die mit einem Antrieb 10 verbunden ist. Weiterhin ist die die Vorschubgeschwindigkeit des Elektrobleches 1 erfassende Messeinrichtung 8 vorhanden. Die Bewegung des Elektrobleches 1 erfolgt quer zur Zylinderlinse 6.
Der Laser 2, der Linearantrieb der Linse des Strahlaufweiters 4, dem Scanner 5, dem Antrieb 10 der Transporteinrichtung 7 und der Messeinrichtung 8 sind mit dem Datenverarbeitungssystem verbunden, welches ein

- den Linearantrieb zur Änderung der Fokusposition zwischen den Linsen des Strahlaufweiters 4 und damit der Länge des Fokus auf der Bearbeitungsfläche,
- die Scangeschwindigkeit und damit die Zeilenfrequenz der auf das Elektroblech 1 gerichteten Laserstrahlung 9 und
- die Laserleistung

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Der dem Doppelpolygonspiegel nachgeordnete Schwenkspiegel 12 kann insbesondere ein Galvanometerspiegel 12 sein. Dieser ist mittels des Datenverarbeitungssystems so angesteuert, dass die Laserstrahlung 9 justiert auf die Zylinderlinse 6 gelangt. Der Transport des Elektroblechs 1 erfolgt kontinuierlich.
Die Zylinderlinse 6 kann an einer Seite drehbar gelagert und mit einem Rotationsantrieb verbunden sein, so dass die Zylinderlinse zur Erzielung gerader Linienscans auf dem Elektroblech verdrehbar ist. Der Galvanometerspiegel 12 wird mittels des Datenverarbeitungssystems so dynamisch angesteuert, dass die Laserstrahlung 9 der Drehung der Zylinderlinse 6 nachgeführt wird.
Die Einrichtung zur großflächigen Laserbearbeitung zur Kornorientierung von Elektroblechen 1 kann in einer Ausführungsform redundant oder für doppelte Vorschubgeschwindigkeiten des Elektrobleches ausgeführt sein. Dazu ist der Laser 2 ein erster Laser 2, in dessen Strahlengang der Kollimator 3, der Strahlaufweiter 4 und der Scanner 5 angeordnet sind. Die Einrichtung zur großflächigen Laserbearbeitung zur Kornorientierung von Elektroblechen 1 weist in dieser Ausführungsform einen zweiten Laser auf. In dessen Strahlengang sind ein Kollimator, ein eindimensionaler Strahlaufweiter mit Linsen mit veränderbaren Fokus zur Erzeugung von Laserstrahlung mit einem elliptischen Querschnitt, wobei wenigstens eine der Linsen an einen Linearantrieb verbunden ist, und ein Scanner mit wenigstens einem angetriebenen Polygonspiegel zur Erzeugung eines Linienscans angeordnet. Im Strahlengang nach den Scannern befinden sich die die Breite der Bearbeitungsfläche überstreichenden Zylinderlinsen 6 zur linearen Fokussierung der Linienscans quer zur Scanrichtung. Die Laser 2, die Linearantriebe der Strahlaufweiter 4, die Scanner 5, der Antrieb 10 der Transporteinrichtung 7 und die Messeinrichtung 8 sind mit dem Datenverarbeitungssystem verbunden, welches ein die Linearantriebe zur Änderung des Fokus zwischen den Linsen der Strahlaufweiter 4, die Laserleistungen und die Scangeschwindigkeiten und damit die Zeilenfrequenz der auf das Elektroblech 1 gerichteten Laserstrahlungen 9 in Abhängigkeit der Vorschubgeschwindigkeit des Elektrobleches 1 steuerndes Datenverarbeitungssystem.
Die Laser 2 der Einrichtung zur großflächigen Laserbearbeitung zur Kornorientierung von Elektroblechen 1 der Ausführungsform sind mit dem Datenverarbeitungssystem so verbunden, dass die Laser 2 mit den Scannern 5 zur Verdopplung der Vorschubgeschwindikeit des Elektrobleches 1 synchronisiert zueinander betrieben werden. Alternativ kann der zweite Laser ruhen und beim Ausfall des ersten Lasers schnell zugeschaltet werden, ohne den Prozess zu stoppen.
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 60310305 T2 [0002]

Claims

Einrichtung zur großflächigen Laserbearbeitung zur Kornorientierung von Elektroblechen (1) mit wenigstens einem Laser (2), in dessen Strahlengang (9) ein Kollimator (3), ein eindimensionalen Strahlaufweiter (4) mit Linsen mit veränderbarer Fokusposition zur Erzeugung von Laserstrahlung (9) mit einem elliptischen Querschnitt, wobei wenigstens eine der Linsen mit einem Linearantrieb verbunden ist, ein Scanner (5) mit wenigstens einem angetriebenen Polygonspiegel zur Erzeugung eines Linienscans und eine Linienoptik (6) zur linearen Fokussierung der Laserstrahlung (9) des Linienscans über die Breite der Bearbeitungsfläche, nacheinander angeordnet sind, einer mit einem Antrieb verbundenen Transporteinrichtung (7), einer die Vorschubgeschwindigkeit des Elektrobleches (1) erfassenden Messeinrichtung (8) und einem mit dem Laser (2), dem Linearantrieb der Linse des Strahlaufweiters (4), dem Scanner (5), dem Antrieb (10) der Transporteinrichtung (7) und der Messeinrichtung (8) verbundenen Datenverarbeitungssystem, welches ein den Linearantrieb zur Änderung der Fokusposition zwischen den Linsen des Strahlaufweiters (4) und damit der Länge des Fokus auf der Bearbeitungsfläche, die Scangeschwindigkeit und damit die Zeilenfrequenz der auf das Elektroblech (1) gerichteten Laserstrahlung und die Laserleistung in Abhängigkeit der Vorschubgeschwindigkeit des Elektrobleches (1) steuerndes Datenverarbeitungssystem ist.
Einrichtung nach Schutzanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Linienoptik (6) eine Zylinderlinse (6) oder mindestens ein Zylinderspiegel ist.
Einrichtung nach Schutzanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Laser (2) ein Festkörperlaser (2) ist.
Einrichtung nach Schutzanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Kollimator (3) ein die Fokussierung der Linienoptik (6) bestimmender Kollimator (3) ist.
Einrichtung nach Schutzanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Strahlaufweiter (4) Zylinderlinsen aufweist.
Einrichtung nach Schutzanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Scanner (5) einen angetriebenen Doppelpolygonspiegel und einen im Strahlengang der Laserstrahlung (9) nachgeordneten Spiegel oder Schwenkspiegel besitzt.
Einrichtung nach Schutzanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Linienoptik (6) an einer Seite drehbar gelagert und mit einem Rotationsantrieb verbunden ist, so dass die Linienoptik (6) zur Erzielung gerader Linienscans auf dem Elektroblech (1) verdrehbar ist, und dass der Rotationsantrieb mit dem Datenverarbeitungssystem verbunden ist.
Einrichtung nach Schutzanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Laser (2) ein erster Laser (2) ist, dass im Strahlengang (9) des ersten Lasers (2) der Kollimator (3), der Strahlaufweiter (4) und der Scanner (5) angeordnet sind, dass die Einrichtung zur großflächigen Laserbearbeitung zur Kornorientierung von Elektroblechen (1) einen zweiten Laser aufweist, dass im Strahlengang des zweiten Lasers ein Kollimator, ein eindimensionaler Strahlaufweiter mit Linsen mit veränderbaren Fokus zur Erzeugung von Laserstrahlung mit einem elliptischen Querschnitt, wobei wenigstens eine der Linsen an einen Linearantrieb verbunden ist, und ein Scanner mit wenigstens einem angetriebenen Polygonspiegel zur Erzeugung eines Linienscans angeordnet sind, dass sich im Strahlengang (9) nach den Scannern (5) die Linienoptik (6) zur linearen Fokussierung der Laserstrahlungen (9) der Linienscans über die Breite der Bearbeitungsfläche befindet, und dass die Laser (2), die Linearantriebe der Strahlaufweiter (4), die Scanner (5), der Antrieb (10) der Transporteinrichtung (7) und die Messeinrichtung (8) mit dem Datenverarbeitungssystem verbunden sind, welches ein die Linearantriebe zur Änderung des Fokus zwischen den Linsen der Strahlaufweiter (4), die Laserleistungen und die Scangeschwindigkeiten und damit die Zeilenfrequenz der auf das Elektroblech (1) gerichteten Laserstrahlungen (9) in Abhängigkeit der Vorschubgeschwindigkeit des Elektrobleches (1) steuerndes Datenverarbeitungssystem ist.
Einrichtung nach Schutzanspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Laser (2) und die Scanner (5) mit dem Datenverarbeitungssystem so verbunden sind, dass die Laser (2) mit den Scannern (5) synchronisiert zueinander betrieben werden.