DE3317022A1

DE3317022A1 - Materialbearbeitungsanlage

Info

Publication number: DE3317022A1
Application number: DE19833317022
Authority: DE
Inventors: Hans Dr. 8033 Krailling Opower
Original assignee: WC Heraus GmbH and Co KG
Current assignee: Heraeus Holding GmbH
Priority date: 1983-05-10
Filing date: 1983-05-10
Publication date: 1984-11-15
Also published as: DE3317022C2; GB2139936A; GB2139936B; US4551608A; GB8408736D0

Description

Hanau, 9. Mai 1983 ZPL-Dr.Hn/ha

W.C. Heraeus GmbH

Patentanmeldung

"Materialbearbeitungsanlage"

Materialbearbeitungsanlagen mit Lasern, mit denen präzise Bearbeitungen, wie Schneid- oder Schweißvorgänge, an einem Werkstück durchzuführen sind, müssen eine hohe Strahlintensität in einem möglichst kleinen, seinen Umrissen nach genau definierten und reproduzierbaren Querschnitt auf die Oberfläche des zu bearbeitenden Werkstücks aufbringen. In vielen Fällen, wie beim Schneiden von Metallen, ist auch die Einhaltung einer bestimmten Polarisationsrichtung erwünscht.

Üblicherweise versucht man diese Forderungen dadurch zu erfüllen, daß man laserseitig ein Strahlenbündel mit rotationssymmetrischem Querschnitt, wenn möglich, sogar mit einer Gauß'sehen Intensitätsverteilung anstrebt. Auf diese Weise sind für alle Richtungen des Bearbeitungsweges auf dem Werkstück gleiche Verhältnisse gewährleistet. Die Anforderungen an die Polarisationsrichtung wird in ähnlicher Weise durch Einführung eines starren Spiegelsystems erfüllt, das die den Laser verlassenden, linear polarisierte Strahlung in zirkulär polarisierte Strahlung umwandelt.

Die Forderung nach Rotationssymmetrie ist aber bei Hochleistungslasern, z.B. bei CO -Lasern mit einer Leistung von mehr als 1000 Watt, nur sehr schwer in reproduzierbarer Weise zu erfüllen,

so daß die bekannten, leistungsstarken Laser, insbesondere für präzise Schneidaufgaben, nur unzureichend geeignet sind.

Aufgabe der Erfindung ist es, bei Materialbearbeitungsanlagen mit Hochleistungslasern im Multikilowattbereich in der Bearbeitungsfläche stets eine, dem Bearbeitungsweg angepaßte, optimale und reproduzierbare Intensitätsverteilung und Polarisation zu gewährleisten.

Gelöst wird diese Aufgabe für eine Materialbearbeitungsanlage, die einen Hochleistungslaser, insbesondere einen CO -Laser,

2 aufweist, dessen Strahl nach Austritt aus einem optischen Resonator mittels eines Spiegels auf ein zu bearbeitendes Werkstück umgelenkt und auf der Oberfläche des Werkstückes fokussiert ist, erfindungsgemäß dadurch, daß im optischen Strahlengang nach dem Umlenkspiegel eine Bilddreheinrichtung angeordnet ist, die eine ungerade Anzahl, mindestens jedoch drei vollreflektierende Spiegel aufweist, und deren Drehwinkel um die optische Strahlachse in Abhängigkeit von der Richtung des Bearbeitungsweges elektronisch steuerbar ist.

Mit einer solchen Bilddreheinrichtung ist es möglich, daß auch ein ursprünglich unsymmetrisches Laserstrahlbündel in stets gleicher Weise auf die Richtung des Bearbeitungsweges ausgerichtet wird, so daß für alle Richtungen die gleichen und optimalen Ergebnisse erzielt werden. Eine solche Bilddreheinrichtung bewirkt auch eine entsprechende Drehung der Polarisationsebene der Laserstrahlung, so daß damit auch die Forderung hinsichtlich der optimalen Polarisationsrichtung erfüllt wird.

Insbesondere hat sich die erfindungsgemäße Bilddreheinrichtung in Kombination mit einem Hochleistungslaser bewährt, der einen instabilen optischen Resonator mit mindestens drei vollreflektierenden Spiegeln mit zylindrischer Krümmung

besitzt, wobei die Spiegel, deren Krümmungsebenen zueinander parallel verlaufen, den optischen Resonator begrenzen und der dritte Spiegel oder jeder weitere Spiegel in einer gegenüber den den Resonator begrenzenden Spiegeln senkrechten Ebene konkav gekrümmt ist. Ein solcher Hochleistungslaser ist in der älteren deutschen Patentanmeldung P 33 15 620.4 beschrieben, auf die hiermit Bezug genommen wird.

Bei diesem Hochleistungslaser besitzen die Spiegel vorteilhafterweise rechteckigen Querschnitt und die den optischen .Resonator begrenzenden Spiegel bilden einen konfokalen Resonator. Die vollreflektierenden Spiegel sind vorteilhafterweise metallische Spiegel.

In der einfachsten Ausführung besteht die Bilddreheinrichtung aus drei ebenen Spiegeln, wobei zwei Spiegel stumpfwinklig zueinander angeordnet sind und der dritte Spiegel der Spitze des stumpfen Winkels gegenüberliegt.

Eine wesentliche Vereinfachung, verbunden mit einer Verminderung der Zahl der optischen Elemente, wird bei einer erfindungsgemäßen Materialbearbeitungsanlage dadurch erreicht, daß die Bilddreheinrichtung auch die Aufgabe der Fokussierung übernimmt. Dabei besteht die Bilddreheinrichtung vorteilhafterweise aus drei Spiegeln, wovon mindestens einer der Spiegel den Laserstrahl auf die zu bearbeitende Werkstückoberfläche fokussiert. In einer bevorzugten Ausführung der Bilddreheinrichtung sind zwei Spiegel eben und stumpfwinklig zueinander angeordnet und der dritte Spiegel,der der Spitze des stumpfen Winkels gegenüberliegt, weist eine konkave Krümmung auf. Diese Krümmung wird zweckmäßigerweise zur Vermeidung von Bildfehlern asphärisch sein.

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Die Bildfehlerfreiheit kann auch dadurch erreicht werden, daß der den Laserstrahl fokussierende Spiegel sphärisch und wenigstens einer der übrigen zwei Spiegel der Bilddreheinrichtung schwach zylindrisch gekrümmt sind.

In den Figuren sind die erfindungswesentlichsten Teile einer Materialbearbeitungsanlage schematisch dargestellt.

Es zeigen:

Figur 1 den Strahlengang einer Materialbearbeitungsanlage mit Bilddreheinrichtung und nachgeordneter Fokussiereinrichtung,

Figur 2 den Strahlengang einer Materialbearbeitungsanlage bei der Bilddreheinrichtung und Fokussiereinrichtung zu einem Bauelement zusammengefaßt sind,

Figur 3 eine Bilddreheinrichtung für eine Materialbearbeitungsanlage gemäß Figur 1,

Figur 4 eine Bilddreheinrichtung und Fokussiereinrichtung für eine Materialbearbeitungsanlage gemäß Figur 2.

In Figur 1 ist die Bezugsziffer 1 dem Laserresonator zugeordnet mit den drei Spiegeln 10, 11, 12, die zylindrisch gekrümmtsind. Die Spiegel 10, 12, deren Krümmungsebenen zueinander parallel verlaufen, begrenzen den optischen Resonator und der Spiegel 11 ist in einer gegenüber den den Resonator begrenzenden Spiegeln 10, 12 senkrechten Ebene, konkav gekrümmt. Das den Resonator verlassende Strahlenbündel 4 wird mittels des Spiegels 2 umgelenkt und gelangt über die Bilddreheinrichtung 5 und die Fokussiereinrichtung 13 als fokussierter Strahl auf die Oberfläche des zu bearbeitenden Werkstücks 3. Die Bilddreheinrichtung 5 wird über den Antrieb 14 gedreht. Der Antrieb 14 ist mittels der Steuereinheit 15 elektronisch steuerbar.

Die in Figur 2 dargestllte Anordnung unterscheidet sich von der in Figur 1 dargestellten im wesentlichen dadurch, daß die Bilddreheinrichtung und die Fokussiereinrichtung zu einem Bauelement 5¹ zusammengefaßt sind un die die Bilddreheinrichtung verlassende Strahlung konvergent und ohne Zwischenschaltung weiterer optischer Elemente auf das Werkstück 3 gelangt.

Die in Figur 3 dargestellte Bilddreheinrichtung '5 ist um die optische Achse 6 des Strahlenbündels 4, wie durch Pfeil 15 dargestellt, drehbar. Die Bilddreheinrichtung weist die drei ebenen Spiegel 1, 8 und 9 auf, wobei die Spiegel 7 und stumpfwinklig zueinander angeordnet sind und der Spiegel 9 der Spitze des stumpfen Winkels gegenüberliegt.

Wie die in Figur 4 dargestellte Anordnung zeigt, bilden die Bilddreheinrichtung und die Fokussiereinrichtung ein Bauelement 5'. Dieses Bauelement ist ebenfalls, wie durch Pfeil 15 angedeutet, um die optische Achse 6 des optischen Strahlenganges 4 drehbar. In diesem Ausführungsbeispiel besitzt das Bauelement 5' zwei ebene Spiegel 7 und 8, die stumpfwinklig zueinander angeordnet sind und der der Spitze des stumpfen Winkels gegenüberliegende Spiegel 9' weist eine konkave Krümmung auf, so daß das Strahlenbündel nach Verlassen des Bauelementes .5' auf die Oberfläche des Werkstoffes 3 fokussiert ist. In bevorzugter Ausführung ist der Spiegel 9¹ sphärisch gekrümmt und wenigstens einer der Spiegel 7, 8 schwach zyldindrisch gekrümmt. Auf die Darstellung dieser speziellen Ausführung wurde aus Gründen der Übersichtlichkeit verzichtet.

Claims

Hanau, 9. Mai 1983 ZPL-Dr.Hn/ha

W.C. Heraeus GmbH

Patentanme!dung

"Materialbearbeitungsanlage"

Patentansprüche

Materialbearbeitungsanlage, die einen Hochleistungslaser, insbesondere einen CO -Laser, aufweist, dessen Strahl nach Austritt aus einem optischen Resonator mittels eines Spiegels in Richtung auf ein zu bearbeitendes Werkstück umgelenkt und auf der Werkstückoberfläche fokussiert ist, dadurch gekennzeichnet, daß im optischen Strahlengang (4) nach dem Umlenkspiegel (2) eine Bilddreheinrichtung (5, 5') angeordnet ist, die eine ungerade Anzahl, mindestens jedoch drei, vollreflektierende Spiegel (7, 8, 9) aufweist und deren Drehwinkel um die optische Strahlachse (6) in Abhängigkeit von der Richtung des Bearbeitungsweges (3) elektronisch steuerbar ist.

2» Materialbearbeitungsanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Laser einen instabilen optischen Resonator (1) mit mindestens drei vollreflektierenden Spiegeln (10, 11, 12) mit zylindrischer Krümmung besitzt, wobei die Spiegel (10, 12), deren Krümmungsebenen zueinander parallel verlaufen, den optischen Resonator begrenzen und der dritte Spiegel (11) oder jeder weitere Spiegel in einer gegenüber den den Resonator begrenzenen Spiegeln senkrechten Ebene konkav gekrümmt ist.

3. Materialbearbeitungsanlage nach Anspruch 1 und/oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Bilddreheinrichtung (5) aus drei Spiegeln (7, 8, 9¹) besteht, wovon mindestens einer der Spiegel den Laserstrahl auf die zu bearbeitende Werkstückoberfläche (3) fokussiert.

4. Materialbearbeitungsanlage nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Spiegel (7, 8) eben und stumpfwinklig zueinander angeordnet sind und der dritte Spiegel (9¹), der der Spitze des stumpfen Winkels gegenüberliegt, eine konkave Krümmung aufweist.

5. Materialbearbeitungsanlage nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der den Laserstrahl fokussiereride Spiegel (9') spärisch und wenigstens einer der übrigen zwei Spiegel (7, 8) schwach zylindrisch gekrümmt ist.