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Technisches Anwendungsgebiet
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Die vorliegende Erfindung betrifft
eine laserjustierbare Halterung für Komponenten, insbesondere
für optische
Komponenten in Laseranordnungen, mit einem Justierelement, das die
Komponente oder ein diese tragendes Element in einer Justierebene
aufnimmt, wobei das Justierelement durch mehrere Doppelbrückenaktoren
gebildet ist, die bei geeigneter Laserbestrahlung eine Veränderung
der Lage der Justierebene bewirken.
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Durch die zunehmende Miniaturisierung
von der Feinwerktechnik bis hin zur Mikrosystemtechnik werden neben
den Herstellungsverfahren für
die Bauteile und Komponenten auch die Montageverfahren immer wichtiger.
So erfordert der hohe Miniaturisierungsgrad in der Mikrosystemtechnik
eine hochgenaue Positionierung der Einzelkomponenten bei der Montage.
Auch in der herkömmlichen
Feinwerktechnik werden die Anforderungen an die Positioniergenauigkeit
der Einzelkomponenten immer höher
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Dies betrifft auch das Gebiet der
Lasertechnik, auf dem insbesondere durch den Einsatz von Diodenlasern
als Pumpquelle eine Miniaturisierung von Festkörperlasern erfolgt, die steigende
Anforderungen an die Positionier- bzw. Justiergenauigkeit mit sich
bringt. Weiterhin besteht bei diesen Systemen auch ein Bedarf an Justagetechniken,
die sich automatisiert und somit kostengünstig durchführen lassen.
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Stand der Technik
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Für
die Laserjustage sind derzeit unterschiedliche Techniken bekannt.
Zum einen werden bspw. mechanisch einstellbare Spiegelhalter eingesetzt,
die über
Feingewinde oder Differentialgewinde manuell oder über Piezoaktoren
elektrisch gesteuert verstellt werden können. Weiterhin ist es bekannt,
zunächst
eine mechanische Justage mit einer externen Justiereinheit durchzuführen und
die Komponenten anschließend
durch Kleben oder Löten
fest zu fixieren. Andere Montagetechniken zeichnen sich durch eine
justagefreie Montage aus, die durch eine ultrapräzise Fertigung der mechanischen
Träger,
wie bspw. Grundplatten und Spiegelhalter, erreicht wird.
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Weiterhin ist es bekannt, die Technik
des Laserstrahlumformens zum Justieren von Mikrosystemkomponenten
einzusetzen. So wird in der Dissertation von A. Huber, Justieren
vormontierter Systeme mit dem Nd:YAG-Laser unter Einsatz von Aktoren,
Bamberg: Meisenbach, 2001, Seiten 107 – 112, der Einsatz einer laserjustierbaren
Halterung zur Justage einer Linse beschrieben. Die laserjustierbare
Halterung besteht aus einem Träger
und einem Justierelement, das am Träger befestigt ist und die Linse
in einer Justierebene aufnimmt. Das Justierelement ist hierbei durch
vier Doppelbrückenaktoren
gebildet, die bei geeigneter Laserbestrahlung eine Veränderung
der Lage der Justierebene und somit der Linse bewirken.
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Für
das thermische Umformen von Blechen durch Laserstrahlung spielen
unterschiedliche Mechanismen eine Rolle, die sich hauptsächlich in
der Temperaturführung
während
der Laserbestrahlung unterscheiden. Im Folgenden wird nur kurz auf
den für
den Einsatz der vorliegenden laserjustierbaren Halterung wesentlichen
Stauchmechanismus eingegangen. Durch lokale Erwärmung des Bleches bei der Bestrahlung
mit dem Laserstrahl entsteht durch Wärmeleitung ein über die
Blechdicke annähernd
homogenes Temperaturfeld. Die thermische Expansion in der Blechebene
wird durch das umgebende Material behindert, so dass nur die Ausdehnungsrichtung
senkrecht zur Blechebene als Freiheitsgrad erhalten bleibt. Durch
die steigende Temperatur sinkt die Fließgrenze des Werkstoffs. Die
thermisch induzierten Spannungen übersteigen die Fließspannung und
es kommt zu einer plastischen Stauchung des Materials. Beim Abkühlen nach
dem Laserpuls zieht sieh der plastisch gestauchte Bereich zusammen,
wobei durch die Stauchung jedoch die Ausgangsgröße nicht mehr erreicht werden
kann. Das umgebende Material verhindert gleichermaßen die
Schrumpfung wie die Dehnung in der Aufheizphase. Durch die wieder
sinkende Temperatur steigt auch die Fließgrenze wieder an.
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Dieser Stauchmechanismus lässt sich
bei Einsatz von Doppelbrückenaktoren,
wie sie bspw. aus der vorgenannten Dissertation von A. Huber bekannt
sind, für
die Justage der Komponenten nutzen. Hierbei kann durch eine zeitversetzte
Bestrahlung zweier direkt benachbarter Stege des Brückenaktors
eine einseitige Verkürzung
und somit eine Drehung der freien Seite des Aktors erreicht werden.
Die aus zwei Stegen bestehende Geometrie wird als Doppelbrücke bezeichnet.
Durch Einsatz mehrerer dieser Doppelbrückenaktoren als Justierelement
kann auf diese Weise eine am Justierelement befestigte Komponente
durch geeignete Laserbestrahlung der einzelnen Doppelbrückenaktoren
in der Lage verändert
und somit justiert werden.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung
besteht darin, eine laserjustierbare Halterung für Komponenten, insbesondere
für optische
Komponenten in Laseranordnungen, anzugeben, die sich einfach und
kostengünstig
realisieren lässt
und eine genaue und automatisierbare Justage der eingesetzten Komponente
ermöglicht.
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Darstellung der Erfindung
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Die Aufgabe wird mit der laserjustierbaren
Halterung gemäß Schutzanspruch
1 gelöst.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der laserjustierbaren Halterung sind
Gegenstand der Unteransprüche
oder lassen sich aus der nachfolgenden Beschreibung sowie den Ausführungsbeispielen
entnehmen.
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Die vorliegende laserjustierbare
Halterung setzt sich zumindest aus einem Justierelement zusammen, das
eine zu justierende Komponente oder ein diese Komponente tragendes
Element in einer Justierebene aufnimmt. Das Justierelement ist durch
mehrere Doppelbrückenaktoren
gebildet, die bei geeigneter Laserbestrahlung eine Veränderung
der Lage der Justierebene bewirken. Die vorliegende Halterung zeichnet
sich dadurch aus, dass das Justierelement zu einem Rohr geformt
ist, wobei eine Stirnseite des Rohres die Justierebene bildet. Vorzugsweise
ist das Justierelement hierbei an einem Träger befestigt.
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Die Doppelbrückenaktoren sind beim vorliegenden
Justierelement somit ringförmig
angeordnet, wodurch sich die Möglichkeit
ergibt, eine Ebene – die
Justierebene – im
Raum zu bewegen. Der grundsätzliche Aufbau
von Doppelbrückenaktoren,
bei denen zwei Blechbereiche jeweils durch zwei nebeneinander liegende Stege
verbunden sind, kann bspw. der eingangs genannten Veröffentlichung
entnommen werden. Durch geeignete Beaufschlagung der Stege mit Laserstrahlimpulsen,
mit denen die beiden Stege jedes Doppelbrückenaktors zeitlich nacheinander
bestrahlt werden, erfolgt eine Verkürzung dieser Stege aufgrund
des Stauchmechanismus und somit eine Verringerung des Abstandes
zwischen den beiden Blechbereichen. Beim vorliegenden Justierelement
sind die Doppelbrückenaktoren
in einem zu einem Rohr geformten Blechteil ausgebildet. Die Stege
jedes Doppelbrückenaktors
verlaufen dabei zumindest annähernd
parallel zur Rohrachse. Auf diese Weise lässt sich – je nach Anzahl der eingesetzten
Doppelbrückenaktoren – durch
Laserstrahlumformen eine Verschiebung und/oder Verkippung der Justierebene
und somit der darin aufgenommenen Komponente erreichen.
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Mit dem Einsatz der vorliegenden
laserjustierbaren Halterung lassen sich Komponenten, insbesondere
optische Komponenten in Laseranordnungen, mit der Technik des Laserstrahlumformens
justieren. So ermöglicht
der Einsatz dieser Halterung bspw. die Justage von Resonatorspiegeln
in Lasern mit hoher Genauigkeit. Das Umformen mittels Laserstrahlung
erfüllt
alle wesentlichen Anforderungen an die präzise Justage optischer Elemente,
insbesondere eine sehr hohe Präzision
mit Justageschrittweiten im Sub-Mikrometerbereich. Der Justageablauf
lässt sich
algorithmisch beschreiben, so dass das Justageverfahren bei Einsatz
der erfindungsgemäßen Halterung
auch automatisierbar ist und somit zu einer Kostensenkung in der
Montage beiträgt. Das
Justierelement der vorliegenden Halterung lässt sich verglichen mit konventionellen
Justageelementen sehr leicht und kompakt ausführen und insbesondere kostengünstig, bspw.
durch Laserschneiden oder Stanzen aus Rohr- oder Plattenmaterial,
herstellen.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform
der vorliegenden Halterung ist das Justierelement durch drei Doppelbrückenaktoren
gebildet. Diese Doppelbrückenaktoren
sind vorzugsweise in einer gemeinsamen zumindest annähernd senkrecht
zur Rohrachse liegenden Ebene angeordnet, so dass das Rohr in zwei
aneinander grenzende Teilrohre unterteilt ist, die durch insgesamt
drei Doppelbrücken
miteinander verbunden sind. Besonders vorteilhaft ist eine Ausgestaltung,
bei der die drei Doppelbrücken
gleichmäßig über den
Umfang des Rohres verteilt, d. h. jeweils um einen Winkel von 120°C voneinander
beabstandet auf dem Umfang angeordnet sind.
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Da die Bearbeitungsseite der Doppelbrücken keinen
Einfluss auf die Verformung hat, kann sowohl die Außenals auch
die Innenseite des Rohres als Bearbeitungsfläche dienen. Bei einem Justierelement
mit drei Doppelbrücken
ermöglicht
die Ausbildung einer Öffnung
im Rohr, die einer der Doppelbrücken
gegenüberliegt, die
Bearbeitung aller drei Doppelbrücken
von einer Seite des Justierelementes her. Zwei der Doppelbrücken werden
dabei von außen,
die verbleibende Doppelbrücke
von innen mit der Laserstrahlung beaufschlagt. Selbstverständlich lassen
sich zusätzliche Öffnungen
auch an anderer Stelle oder bei einer anderen Anzahl von Doppelbrückenaktoren
in das Rohr einbringen, um die geometrischen Möglichkeiten der Laserbestrahlung der
jeweiligen Doppelbrücken
zu erhöhen.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung
der vorliegenden Halterung wird das Justierelement durch vier Doppelbrückenaktoren
gebildet, die vorzugsweise ebenfalls gleichmäßig über den Umfang des Rohres verteilt
angeordnet sind, d. h. einen Winkel von jeweils 90° zueinander
bilden. Die einzelnen Doppelbrückenaktoren
können
auch hier in einer zumindest annähernd
senkrecht zur Rohrachse liegenden Ebene angeordnet sein.
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Selbstverständlich lässt sich das vorliegende Justierelement
auch mit Doppelbrückenaktoren
bilden, die in unterschiedlichen Ebenen senkrecht zur Rohrachse
angeordnet sind, wie bspw. in einem der nachfolgenden Ausführungsbeispiele
gezeigt wird. Weiterhin ist es selbstverständlich auch möglich, je
nach erwünschten
Justagemöglichkeiten,
lediglich zwei Doppelbrückenaktoren
einzusetzen. Auch mehr als vier Doppelbrückenaktoren sind möglich, führen jedoch
zu einer verringerten Steifigkeit des Justierelementes.
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Kurze Beschreibung der
Zeichnungen
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Die vorliegende laserjustierbare
Halterung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen in Verbindung
mit den Zeichnungen nochmals näher
erläutert.
Hierbei zeigen:
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1 ein
erstes Beispiel der vorliegenden Halterung;
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2 die
geometrischen Verhältnisse
bei dem Justierelement der 1;
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3 die
Abhängigkeit
des Kippwinkels αkipp der Justierebene für verschiedene Schrittweiten
s und verschiedene Rohrdurchmesser D;
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4 ein
zweites Beispiel für
die Ausgestaltung der vorliegenden Halterung;
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5 zur
Veranschaulichung das Justierelement der 4 in abgewickelter Form;
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6 ein
Beispiel für
die Veränderung
der Justierebene des Justierelementes der 4 bei Laserbestrahlung unterschiedlicher
Doppelbrücken,
wie sie mit einem Messstrahl vermessen wurde; und
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7 ein
Beispiel für
die Veränderung
der Justierebene des Justierelementes der
-
1 bei
Laserbestrahlung unterschiedlicher Doppelbrücken, wie sie mit einem Messstrahl
vermessen wurde.
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Wege zur Ausführung der
Erfindung
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1 zeigt
ein erstes Ausführungsbeispiel
der vorliegenden laserjustierbaren Halterung in zwei unterschiedlichen
Ansichten. Das Justierelement 2 weist drei Doppelbrückenaktoren 3 – 5 auf,
die in einer gemeinsamen Ebene senkrecht zur Rohrachse 11 angeordnet
sind. Das Justierelement 2 ist hierbei als Rohr ausgeformt,
wobei eine Stirnseite des Rohres an einem Träger 1 befestigt wird,
der im rechten Teil der Figur schematisch angedeutet ist und die
zweite Stirnseite des Rohres zur Aufnahme bzw. Befestigung einer
zu justierenden Komponente oder eines eine derartige Komponente
tragenden Elementes dient. So kann im vorliegenden Beispiel an die
linke Stirnseite des Justierelementes 2 bspw. ein Laserspiegel 7 angebracht
werden. Der Träger 1 wird
in der Regel zur Montage auf einer Grundplatte fest fixiert.
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Beim vorliegenden Justierelement
wird das Rohr durch die drei Doppelbrückenaktoren 3 – 5 in
zwei Teilrohre unterteilt, die über
die Stege 9 der Doppelbrücken miteinander verbunden
sind. Die drei Doppelbrückenaktoren 3 – 5 sind
in diesem Beispiel symmetrisch über
den Umfang des Rohres verteilt. Eine gleichmäßige Bearbeitung aller drei
Doppelbrücken
resultiert in einer Verkürzung
des Justierelementes und somit in einer axialen Bewegung des Spiegels 7.
Unterschiedliche Bestrahlungsparameter bzw. die Bearbeitung nur
einzelner Stege 9 indes verursachen eine Verkippung der
Justierebene 10. Die Drehachse der Bewegung verläuft durch
die jeweils nicht bearbeiteten Stege. Die im vorliegenden Beispiel
realisierte Symmetrie der drei Doppelbrückenaktoren 3 – 5 erleichtert
die Entwicklung einer Bearbeitungsstrategie, ist allerdings zur
Realisierung des Justierelementes nicht zwingend notwendig. Zur
Verbesserung der Zugänglichkeit
der einzelnen Doppelbrücken
für die
Laserbestrahlung kann auch eine unsymmetrische Verteilung von Vorteil
sein.
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Das in diesem Ausführungsbeispiel
gezeigte Justierelement 2 mit lediglich drei Doppelbrücken hat
den Vorteil einer einfachen Herstellbarkeit sowie einer gegenüber Ausführungsformen
mit mehr als drei Doppelbrücken
erhöhten
Steifigkeit. Diese Ausführungsform
stellt eine einfache Form zur Justage von Komponenten, insbesondere
von Spiegeln und Linsen dar. Die steife Ausführung und die kompakte Anordnung
der Doppelbrücken
lassen die Realisierung kleinster Einheiten zu, die exakt auf den
Anwendungsfall optimiert werden können.
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In der dargestellten Ausführungsform
der 1 ist weiterhin
eine Öffnung 8 zu
erkennen, die einem der Doppelbrückenaktoren 5 gegenüberliegt.
Diese zusätzliche Öffnung 8 ermöglicht eine
Bearbeitung aller drei Doppelbrücken
von einer Seite. Gerade für
den Einsatz in einer automatisierten Montagelinie spielt die Handhabbarkeit
und Zugänglichkeit
eine große
Rolle. Durch die große Öffnung 8 auf
der einen Seite des Justierelementes 2 kann die dritte
Doppelbrücke 5 von
innen bestrahlt werden. Da der Einfallswinkel und die Bestrahlungsseite
keine Auswirkung auf das Ergebnis haben, ist die Umorientierung
des Aktors für
orthogonale Bestrahlung nicht notwendig. Lediglich eine Verschiebung
und ein evtl. Ausgleich der Fokuslage des Laserstrahls müssen vorgenommen
werden, damit alle drei Doppelbrücken
aus der selben Richtung bearbeitet werden können.
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2 zeigt
schematisch die geometrischen Verhältnisse, wie sie bei dem Justierelement
der 1 vorliegen. Die
bei geeigneter Laserbestrahlung einer Doppelbrücke 3 sich ergebende
Verkippung der Justierebene 10 soll im Folgenden näher erläutert werden.
Die Drehachse 12 dieser Verkippung mit dem Kippwinkel αKipp geht
jeweils durch die beiden anderen Doppelbrücken 4, 5.
Deshalb entspricht der Hebel der Höhe h einem gleichseitigen Dreieck.
Der Umkreis des Dreiecks wird durch den Durchmesser DRohr =
v + h bestimmt, wobei v die Höhe
des Kreisabschnitts darstellt, wie dies in der 2 zu erkennen ist. Aus der 2 ergibt sich für die Höhe h des
Dreiecks
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Die Höhe v des Kreisabschnitts folgt
zu
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mit α= 60°.
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Damit lässt sich die Höhe h des
Dreiecks bestimmen zu
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Der Kippwinkel αKipp ergibt
sich durch Einsetzen zu
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Für
den Rohraktor mit vier Doppelbrücken
lässt sich
die Beziehung für
den Kippwinkel αKipp in erster Näherung wie folgt darstellen:
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Die 3 zeigt
diesen Kippwinkel αKipp für
verschiedene Durchmesser des Rohres in zwei Ausführungen mit drei Doppelbrücken (gemäß 1) und mit vier Doppelbrücken (gemäß 4). Der Kippwinkel ist hierbei
in Abhängigkeit
von der Schrittweite s dargestellt. Diese Schrittweite hängt von
verschiedenen Faktoren ab und kann sowohl durch geometrische Vorgaben,
wie die Breite der Stege 9 und die Dicke des Materials
als auch durch die Laserparameter, bspw. die Laserleistung oder
die Laserpulsdauer, eingestellt werden.
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4 zeigt
ein weiteres Ausführungsbeispiel
des Justierelementes, bei dem dieses durch vier Doppelbrückenaktoren 3 – 6 gebildet
wird. Der Vorteil der Ausführung
mit vier Doppelbrücken
liegt darin, dass die Kippachsen senkrecht zueinander stehen und
somit der Justagealgorithmus vereinfacht wird. Dies wird allerdings
durch eine geringere Stabilität
erkauft, weil die Kippachsen der Ausgestaltung der 4 nicht in einer Ebene liegen. Die einzelnen
Doppelbrückenaktoren 3 – 6 dieses
in 4 gezeigten Justierelementes 2 liegen vielmehr
in parallel zueinander liegenden Ebenen, die senkrecht zur Rohrachse 11 angeordnet
sind. Bei dieser Ausgestaltung ist das Rohr somit in fünf Teilrohre
unterteilt, die jeweils durch eine Doppelbrücke, d. h. zwei Stege 9,
miteinander verbunden sind.
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5 zeigt
zur Verdeutlichung ein derartiges Justierelement 2 in abgewickelter
Form, in der die einzelnen Doppelbrückenaktoren 3 – 6 mit
den jeweiligen Stegen 9 zu erkennen sind. Auch in diesem
Beispiel sind die Doppelbrückenaktoren
symmetrisch über
den Umfang des Justierelementes 2 verteilt, so dass sich jeweils
zwei Doppelbrückenaktoren
gegenüber
liegen.
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Beim Einsatz eines derartigen Justierelementes
für die
Justage eines Spiegels kann die Veränderung der Justierebene und
somit der Spiegelebene bei der Laserbestrahlung der unterschiedlichen
Doppelbrückenaktoren
mit einem Messstrahl vermessen werden. 6 zeigt ein Beispiel für eine derartige
Vermessung bei Einsatz des Justierelementes gemäß 4. In diesem Beispiel wurden sich gegenüberliegende
Doppelbrückenaktoren 3 und 5 jeweils
wiederholt bearbeitet. Jeder Messpunkt stellt die Bearbeitung einer
Doppelbrücke dar.
Deutlich sind die seitlichen Nickbewegungen zu erkennen, die auf
die Anordnung von Doppelbrücken
und Gegenlager zurückzuführen sind.
Die schwarzen Quadrate zeigen die Ergebnisse bei der Bearbeitung
an der Doppelbrücke 3 des
Justierelementes 2. Die Rückbewegung erfolgt jeweils
durch Bearbeitung der gegenüberliegenden
Doppelbrücke 5.
Die Nickbewegungen sind vergleichbar.
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Die Hauptbewegungsrichtungen verlaufen
annähernd
parallel. Der Versatz liegt darin begründet, dass die Anfangsposition
aus der Überlagerung
von Kipp- und Nickwinkel der ersten Bearbeitung resultiert. Des Weiteren
ist ersichtlich, dass der zweite Bearbeitungspuls jeweils die doppelte
Schrittweite erzielt wie der erste. Die Laserbearbeitung wurde hierbei
mit einer Laserleistung von 250 W und einer Laserpulsdauer von 5
ms durchgeführt.
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7 zeigt
ein vergleichbares Beispiel bei Einsatz des Justierelementes gemäß 1, wobei die Laserbestrahlung
an allen drei Doppelbrücken 3 – 5 durchgeführt wurde.
Bei diesem Beispiel wurde mit einer Laserleistung von 150 W und
einer Laserpulsdauer von 5 ms gearbeitet.
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Bezugszeichenliste
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