DE3906571A1 - Lichtleiter - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Lichtleiter für ein Laserwerk­ zeug, wie es beispielsweise in fester Anordnung an Werkzeug­ maschinen bekannt ist, wobei die zu bearbeitenden Werk­ stücke entsprechend der gewünschten Art der Bearbeitung unter dem Laserstrahl bewegt werden. Bei diesen Laseranord­ nungen werden gewöhnlich Gaslaser hoher Leistung verwendet, die sehr voluminös sind, so daß ihre Verwendung nur bei sehr großen Werkzeugmaschinen möglich ist. Eine Übertragung des Laserlichts über flexible Lichtleiter ist wegen des möglichen Frequenzbandes der Gaslaser nicht möglich. Die bekannten aufwendigen und teuren Anlagen sind daher nur begrenzt einsetzbar und insbesondere z.B. nicht für sehr große und sperrige Werkstücke, die nicht ohne weiteres auf einer Werkzeugmaschine bewegt werden können.

Weiterhin sind aus der Medizintechnik sehr feine Laser- Schneidmesser bekannt, die z.B. für Augenoperationen einge­ setzt werden. Dabei werden vor allem Halbleiterlaser mit sehr geringer Leistung eingesetzt, die zwar eine sehr ge­ ringe Baugröße aufweisen können, jedoch ebenfalls in ihrem Einsatzbereich stark begrenzt sind.

Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht daher dar­ in, einen Lichtleiter für ein Laserwerkzeug zu schaffen, der bei einfacher Bauweise flexibel ausgestaltet ist und für vielseitige Einsatzmöglichkeiten auch für die gleich­ zeitige Übertragung von Gasen geeignet ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der flexibel ausgebildete Lichtleiter zur Übertragung von Laserlicht von einem Lasererzeuger zu einem Laserwerkzeug vorgesehen ist und daß dieser Lichtleiter zur Zuführung von Schutzgas oder Sauerstoff schlauchförmig ausgebildet ist.

Hierdurch kann ein relativ großer, leistungsfähiger Laser­ erzeuger, z.B. ein Festkörperlaser, eingesetzt werden, während das Laserwerkzeug selbst und die Zuführung klein, flexibel und handlich ausgebildet sein können, z.B. für den Einsatz in kleinen Maschinen oder als rein manuelles Werkzeug. Durch die Ausbildung der Übertragungsleitung als flexibler, schlauchförmiger Lichtleiter kann gleich­ zeitig in diesem Lichtleiter erforderliches Schutzgas oder erforderlicher Sauerstoff zur Bearbeitungsstelle geführt werden. Die Übertragungsleitung weist dadurch einen ein­ fachen symmetrischen Aufbau auf und kann kostengünstig als endloser Strang hergestellt werden. Ein zusätzlicher Schlauch für die Gasübertragung kann entfallen.

Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des im Anspruch 1 angegebenen Lichtleiters möglich.

Der vorzugsweise als Glasfaserleitung ausgebildete Licht­ leiter ist zum Schutz gegen Beschädigungen im rauhen Werk­ stattbetrieb mit einer konzentrischen Schutzschicht um­ geben, die aus Kunststoff oder Metall bestehen kann.

Damit der flexible Lichtleiter zusätzlich noch zur Signal­ oder Energieübertragung verwendet werden kann, sind in der Schutzschicht oder zwischen der Schutzschicht und dem Lichtleiter elektrische Leitungen vorgesehen. Besteht die Schutzschicht aus Metall, so wird gleichzeitig noch eine Abschirmung der enthaltenen Signalleitungen erzielt.

Zum Anschluß des Lichtleiters sind zweckmäßigerweise am eingangsseitigen Ende ein Einkopplungsglied und am ausgangs­ seitigen Ende ein Auskopplungsglied für Laserlicht vorge­ sehen, wobei auch Mittel zum Ein- und Auskoppeln der elek­ trischen Signale und des elektrischen Stroms sowie der Gase vorgesehen sind. Durch Verwendung derartiger Ein­ und Auskopplungsglieder kann der flexible Lichtleiter steck­ bar und damit leicht auswechselbar ausgebildet werden.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine Anordnung eines über einen flexiblen Licht­ leiter mit einer Versorgungseinheit verbundenen Laserwerkzeugs und

Fig. 2 einen Querschnitt durch den flexiblen Lichtleiter.

Bei der in Fig. 1 dargestellten Anordnung enthält eine Versorgungseinheit 10 für ein Laserwerkzeug 11 einen Laser­ erzeuger 12, wofür beim derzeitigen Entwicklungsstand von Lasern insbesondere ein Hochleistungs-Festkörperlaser, beispielsweise ein gepulster Nd:YAG-Laser, geeignet ist. Bei einer mittleren Laserleistung von beispielsweise 100 Watt können Stähle bis zu 10 mm Stärke durchschnitten werden. Ein solcher Laser erzeugt ein Laserlicht mit einer Wellen­ länge von 1060 nm, das über Glasfaserleitungen übertragen werden kann. Die Laserleistung und damit auch die Baugröße des Lasererzeugers hängen nicht zuletzt von der gewünschten Einsatzart ab. Beispielsweise kann ein solches Laserwerkzeug neben Trennvorgängen auch Schweißvorgänge ausführen oder lediglich Oberflächenstrukturen erzeugen, beispielsweise zur grafischen Gestaltung einer Oberfläche.

Über dem Lasererzeuger 12 ist ein Einkopplungsglied 13 angeordnet, das eine Kopplungsoptik enthält. Der Laser­ strahl wird fokussiert und in eine flexible Glasfaserleitung 14 eingekoppelt, die im Zusammenhang mit Fig. 2 noch näher erläutert wird. Ein reflektierter Kontrollstrahl wird ausge­ koppelt und einem Steuerrechner 15 als elektrisches Signal zugeführt. Hierdurch wird die Steuerung des Lasererzeugers 12 durch den Steuerrechner 15 ermöglicht.

Der Lasererzeuger 12 und der Steuerrechner 15 werden von einem Netzteil 16 mit elektrischer Energie versorgt.

Weiterhin sind in der Versorgungseinheit 10 ein Sauerstoff­ behälter 17 und ein Schutzgasbehälter 18 enthalten, wobei als Schutzgas z.B. Stickstoff vorgesehen sein kann. Die beiden Behälter 17, 18 sind über durch den Steuerrechner 15 steuerbare Ventile mit dem Einkopplungsglied 13 verbunden, durch das alternativ die beiden Gase und Signale des Steuer­ rechners 15 in die Glasfaserleitung 14 eingespeist bzw. eingekoppelt werden können.

Das mit der Versorgungseinheit 10 über die Glasfaserleitung 14 verbundene Laserwerkzeug 11 besteht im wesentlichen aus einem Gehäuse 19, das eine sich von seinem unteren Ende aus nach unten erstreckende Fokussieroptik 20 für den mittels eines Auskopplungsglieds 21 aus der Glasfaser­ leitung 14 ausgekoppelten Laserstrahls enthält. Der Laserstrahl tritt nämlich am Faserende der Glasfaserleitung leicht divergent aus und muß auf die Oberfläche des zu bearbeiten­ den Werkstücks fokussiert werden. Weiterhin erstreckt sich eine Gaszuleitung 22 vom Auskopplungsglied 21 nach unten bis zur Bearbeitungsstelle, auf die das Leitungsende ge­ richtet ist. Beim Bearbeiten von brennbaren Materialien, wie Holz, muß ein Schutzgas zugeführt werden, während beim Trennen beispielsweise von Metallen Sauerstoff zugeführt werden muß.

Das Laserwerkzeug 11 ist mittels drei Beinen 23 verschiebbar auf dem Werkstück geführt. Es ist jedoch alternativ hierzu auch möglich, eine höhere Anzahl von Auflagepunkten vorzu­ sehen, wobei ein oder mehrere Auflagepunkte auch in dem Gehäuse integriert sein können, das dann bis zur Werkstück­ oberfläche herunterreicht. Weiterhin ist es möglich, das Laserwerkzeug 11 ohne besondere Auflagevorrichtung manuell zu führen oder in eine Halterung einzusetzen, die Bestand­ teil einer größeren Maschine sein kann.

Die in Fig. 2 im Querschnitt dargestellte Glasfaserleitung besteht aus einem Glasfaserschlauch 24 mit ringförmigem Querschnitt, wobei die einzelnen Glasfasern eine Stärke von beispielsweise 0,6 mm haben können. Dadurch dient der Glasfaserschlauch 24 nicht nur zur Übertragung des Laser­ lichts durch seine Fasern, sondern gleichzeitig zur Zu­ leitung der bei der Bearbeitung erforderlichen Gase in seinem Inneren.

Der Glasfaserschlauch 24 ist von einem ersten Kunststoff­ mantel 25 konzentrisch umgeben, in dem verschiedene elek­ trische Leitungen 26 zur Energie- und Signalübertragung zwischen der Versorgungseinheit 10 und dem Laserwerkzeug 11 verlaufen. Schließlich umgibt noch eine äußere Mantel­ schicht 27 aus Kunststoff oder Metall die beschriebene Anordnung. Diese schützt vor allem den Glasfaserschlauch 24 vor mechanischer Beschädigung und verhindert das Aus­ treten von Laserstrahlen. Bei einer Ausbildung dieser Mantel­ schicht 27 aus Metall oder Metallgeflecht wird gleichzeitig noch eine Abschirmung der elektrischen Leitungen 26 erreicht. An beiden Enden der so ausgebildeten Glasfaserleitung 14 sind optische Steckverbinder 28 vorgesehen, die ein leich­ tes Abtrennen der Versorgungseinheit 10 oder des Laserwerk­ zeugs 11 bzw. ein Auswechseln der Glasfaserleitung 14 er­ möglichen.

Die elektrischen Leitungen 26 im Kunststoffmantel 25 dienen zur Übertragung von Steuersignalen und Versorgungsspannun­ gen zum Betrieb von nicht näher dargestellten Servomotoren im Laserwerkzeug 11, die beispielsweise zur Fokussierung im Auskopplungsglied 21 oder zur automatischen Bewegung des Laserwerkzeugs 11 dienen können. Weitere Leitungen 26 dienen zur Übertragung von Sensorsignalen zur Erfassung der Position und der Bewegung des Laserwerkzeugs 11 oder von Teilen bzw. Bereichen desselben. Weitere Sensoren und entsprechende Leitungen können zur Sicherheitsüberwachung vorgesehen sein.

Bei einer einfacheren Ausführung kann selbstverständlich auch eine wesentlich geringere Anzahl von Leitungen 26 vorgesehen sein. In diesem Falle ist es prinzipiell auch möglich, diese wenigen Leitungen im Gaskanal des Glasfaser­ schlauchs 24 zu führen, wodurch der Kunststoffmantel 25 entfallen könnte.

Claims (10)

1. Lichtleiter für ein Laserwerkzeug, dadurch gekennzeich­ net, daß der flexibel ausgebildete Lichtleiter (14, 24) zur Übertragung von Laserlicht von einem Lasererzeuger (12) zu einem Laserwerkzeug (11) vorgesehen ist und daß dieser Lichtleiter (14, 24) zur Zuführung von Schutzgas oder Sauerstoff schlauchförmig ausgebildet ist.

2. Lichtleiter nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch die Ausbildung als Glasfaserleitung.

3. Lichtleiter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß er von einer konzentrischen Schutzschicht (25, 27) umgeben ist.

4. Lichtleiter nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß in der Schutzschicht (25) elektrische Leitungen (26) zur Signal- oder Energieübertragung vorgesehen sind.

5. Lichtleiter nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Schutzschicht und dem Lichtleiter elektri­ sche Leitungen zur Signal- oder Energieübertragung vorge­ sehen sind.

6. Lichtleiter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß er am eingangsseitigen Ende mit einem Einkopplungsglied (13) und am ausgangsseitigen Ende mit einem Auskopplungsglied (21) für Laserlicht verbind­ bar ist, wobei auch Mittel zum Ein- und Auskoppeln der elektrischen Signale und Ströme sowie der Gase vorgesehen sind.

7. Lichtleiter nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Schutzschicht (25, 27) aus Kunst­ stoff besteht.

8. Lichtleiter nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Schutzschicht (27) aus Metall be­ steht.

9. Lichtleiter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein daran anschließbarer Laser­ erzeuger (12) als Festkörperlaser ausgebildet ist.

10. Lichtleiter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Lasererzeuger (12) sowie Behälter (17, 18) für Schutzgas und/oder Sauerstoff in einer Versorgungseinheit (10) angeordnet sind.