DE4120905C2 - Fokussier- und Ablenkeinrichtung für einen Laserstrahl zur Bearbeitung von Werkstücken - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Fokussier- und Ablenkeinrichtung für einen Laserstrahl zur Bearbeitung von Werkstücken, bestehend aus einer Strahlungsquelle, einem mit Umlenkspiegeln bestückten Rotor, dessen Umlenkspiegel bei Drehung des Rotors nacheinander in den Strahlengang des Laserstrahls gelangen, und einem für alle Umlenkspiegel gemeinsamen, in Achsrichtung des Rotors sich erstreckenden, hohlzylindrischen Sammelumlenkspiegel, dem ein in Achsrichtung des Rotors sich erstreckender Fokussierspiegel zugeordnet ist, der den empfangenen Laserstrahl auf den axialen Abschnitten der einzelnen Umlenkspiegel entsprechenden Linien oder Punkten einer Linie auf dem Werkstück fokussiert.

Bei einer bekannten Fokussier- und Ablenkeinrichtung der eingangs genannten Art sind die als Flachspiegel ausgebildeten Umlenkspiegel auf dem Rotor nach Art eines Polygonrades aufgebracht und bilden seine Mantelfläche. Der Laserstrahl ist radial auf den Rotor gerichtet und wird von jedem einzelnen Spiegel bei Drehung des Rotors über die gesamte zu überstreichende Linie geführt. Da die Energiedichte des Brennflecks auf der Linie vom Abstand des Umlenkspiegels vom Auftreffpunkt auf der Linie abhängt, dieser Abstand aber über die Linie unterschiedlich ist, ergibt sich eine unterschiedliche Energieverteilung über die Linie. Eine linienförmige Fokussierung mit gewünschter Energieverteilung über die Linie oder eine Fokussierung auf einzelne in einer Reihe liegende Punkte mit vorbestimmter Energieverteilung ist deshalb mit einer solchen Einrichtung nicht zu erreichen (DE 37 11 905 A1).

Ferner ist eine Ablenkeinrichtung für einen Laserstrahl bekannt, die aus einem Rotor mit darauf axial und in Umfangsrichtung versetzt, also entlang einer Spirallinie angeordneten, ebenfalls als Flachspiegel ausgebildeten Umlenkspiegeln besteht. Bei Drehung des Rotors trifft ein axial zur Rotorachse gerichteter Laserstrahl nacheinander auf diese Spiegel. Aufgrund der axialen Versetzung der Spiegel springt also der Laserstrahl in Achsrichtung von einem Brennfleck zum anderen. Darüber hinaus überstreicht der abgelenkte Strahl aber auch einen Bereich in tangentialer Richtung. Das führt dazu, daß in dieser Richtung der Abstand zwischen Spiegel und Brennkraft im überstrichenen Bereich variiert und damit die Energieverteilung im überstrichenen Bereich unterschiedlich ist (US 49 61 080).

Schließlich ist eine Fokussiereinrichtung für einen Laserstrahl bekannt, die mittels eines konvexen und konkaven Zylinderspiegels den im Querschnitt kreisförmigen Brennfleck auf einen strichförmigen Brennfleck fokussiert (JP 61-193 798 A in: "Pat. abstr. of Japan").

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Fokussier- und Ablenkeinrichtung für einen Laserstrahl zur Bearbeitung von Werkstücken zu schaffen, die mit einfachen Mitteln eine Fokussierung des Laserstrahls auf eine Linie oder auf Punkten einer Linie mit gewünschter Energieverteilung und Genauigkeit ermöglicht.

Diese Aufgabe wird mit einer Fokussiereinrichtung der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß die Umlenkspiegel in Achs- und Umfangsrichtung des Rotors gegeneinander versetzt sind und ihre Spiegelflächen die Form von Kegelmantelausschnitten haben und koaxial zur Achse des Rotors angeordnet sind und daß der Laserstrahl parallel zur Achse des Rotors gerichtet ist.

Aufgrund der zweimaligen Umlenkung des Laserstrahls an den einzelnen Umlenkspiegeln und am Sammelumlenkspiegel und der anschließenden Fokussierung wird erreicht, daß der Laserstrahl auf Abschnitte einer Linie oder auf in einer Linie liegende Punkte auf dem Werkstück fokussiert wird. Die Versetzung in Richtung der Linie erfolgt sprungweise, wenn der Laserstrahl von dem einen Umlenkspiegel auf den nächsten dazu axial versetzten Umlenkspiegel wechselt.

Bei der Erfindung ist die Brennweite f des Fokussierspiegels frei wählbar und wird parallel und nicht mit einem Radius über das Werkstück geführt. Man kann deshalb mit einer kleinen Brennweite und einer kleinen Rallylänge eine große Energiedichte auf der Linie auf dem Werkstück erreichen.

Die Energieverteilung über die Linie hängt von der Häufigkeit des Wechsels des Laserstrahls von einem Umlenkspiegel auf den anderen Umlenkspiegel ab. Dieser häufige Wechsel läßt sich einerseits mit einer hohen Drehzahl des Rotors erreichen. Andererseits läßt er sich bei niedrigen Drehzahlen auch dadurch erreichen, daß der Rotor mit mehreren Gruppen von Umlenkspiegeln bestückt ist, die bei Drehung des Rotors nacheinander in den Strahlengang gelangen.

Um die Beaufschlagung der Linie mit Energie zu verdoppeln, kann nach einer Ausgestaltung der Erfindung der Rotor mit zwei Gruppen von Umlenkspiegeln bestückt sein, deren Spiegelflächen in entgegengesetzter Richtung orientiert sind und im Strahlengang von zwei entgegengesetzt gerichteten Laserstrahlen liegen.

Bei Rotation des Rotors mit konstanter Winkelgeschwindigkeit und gleich großen Spiegelflächen ist der Energieeintrag des Laserstrahls in jedem Abschnitt gleich. Um über die Linie eine unterschiedliche Leistung in das Werkstück einzubringen gibt es verschiedene Möglichkeiten. Zum einen kann der Laserstrahl synchron zum Umlauf der einzelnen Umlenkspiegel gepulst sein. Zum anderen können die Umlenkspiegel eine in Umfangsrichtung unterschiedliche Länge haben. In diesem Fall verharrt der Laserstrahl auf dem Werkstück im Bereich langer Umlenkspiegel länger als im Bereich kurzer Umlenkspiegel. über die Länge der einzelnen Umlenkspiegel ist es so möglich, sprunghaft die Energie in einzelnen Abschnitten zu verändern oder die Energie entsprechend einer stetigen Kurve über die Linie zu verändern.

Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung kann der Fokussierspiegel in mindestens einem axialen Abschnitt eine vom übrigen Bereich unterschiedliche Brennweite haben. Diese Ausgestaltung ermöglicht es, bei einem beispielsweise stufenförmig ausgebildeten Werkstück auf jeder Stufe das Werkstück auf einer Linie mit Energie zu beaufschlagen.

In Verbindung mit der Punktfokussierung ist es möglich, mit dem Laserstrahl Konturen zu schneiden, insbesondere Löcher zu schneiden, wenn der für die Punktfokussierung ausgelegte Fokussierspiegel mit einem Antrieb für eine translatorische Drehbewegung gekuppelt ist.

Im folgenden wird die Erfindung anhand einer Ausführungsbeispiele darstellenden Zeichnung näher erläutert. Im einzelnen zeigt

Fig. 1 eine Fokussier- und Ablenkeinrichtung für einen Laserstrahl in perspektivischer schematischer Darstellung,

Fig. 2 die Fokussier- und Ablenkeinrichtung gemäß Fig. 1 im Aussschnitt im Bereich eines Ablenkspiegels links in Seitenansicht und rechts in Stirnansicht,

Fig. 3 einen Rotor der Fokussier- und Ablenkeinrichtung mit Umlenkspiegeln in drei verschiedenen Ausführungen oben in Abwicklung und unten die dazu gehörende Energieverteilung,

Fig. 4 einen Rotor mit zwei verschieden orientierten Umlenkspiegeln in Seitenansicht,

Fig. 5 einen Rotor mit zwei verschieden orientierten Umlenkspiegeln in Seitenansicht und in einer zur Fig. 4 anderen Ausführung,

Fig. 6 einen Fokussierspiegel der Fokussier- und Ablenkeinrichtung der Fig. 1 für eine Linienfokussierung mit abschnittweise unterschiedlichen Brennweiten,

Fig. 7 einen Fokussierspiegel der Fokussier- und Ablenkeinrichtung gemäß Fig. 1 für eine Punktfokussierung,

Fig. 8 den Fokussierspiegel gemäß Fig. 7 im Schnitt nach Linie I-I der Fig. 7, und

Fig. 9 den Fokussierspiegel gemäß Fig. 7 mit einem Antrieb in Stirnansicht.

Die Fokussier- und Ablenkeinrichtung besteht aus einem kreiszylindrischen Rotor 1, dessen Mantel mit einer Vielzahl von zueinander axial und umfangsmäßig versetzten gleichen Umlenkspiegeln 2 besetzt ist, einem zur Rotorachse 6 achsparallel angeordneten hohlzylindrischen Sammelumlenkspiegel 3 und einem parallel zur Achse 6 des Rotors 1 angeordneten Fokussierspiegel 4. Die Umlenkspiegel 2 sind so angeordnet, daß sie bei Rotation des Rotors 1 nacheinander in den Strahlengang eines parallel zur Achse 6 des Rotors 1 verlaufenden Laserstrahls 8 mit einem Durchmesser d gelangen. Ihre Spiegelflächen 5 bilden Ausschnitte eines Kegelmantels, dessen Achse mit der Achse 6 des Rotors 1 identisch ist. Sie haben eine solche Orientierung, daß der auf sie treffende Laserstrahl 8 um 90° umgelenkt wird. Wie die in Fig. 3 oben dargestellten Abwicklungen für die Umlenkspiegel 2 zeigen, können diese in Umfangsrichtung sowohl gleich als auch verschieden lang sein, was später noch im einzelnen zu erläutern sein wird.

Den Umlenkspiegeln 2 ist der hohlzylindrische Sammelumlenkspiegel 3 zugeordnet. Die Spiegelfläche 7 des Sammelumlenkspiegels 3 ist derart auf die Spiegelflächen 5 der Umlenkspiegel 2 und damit auch auf die Achse 6 des Rotors 1 ausgerichtet, daß der Laserstrahl 8 den Sammelumlenkspiegel 3 als paralleles Strahlenbündel verläßt.

Dieses parallele Strahlenbündel wird von dem im einfachsten Fall eine hohlzylindrische Spiegelfläche aufweisenden Fokussierspiegel 4 umgelenkt und auf eine Linie 9 der Länge L fokussiert. Diese Linie 9 setzt sich aus einzelnen Abschnitten zusammen, die den Umlenkspiegeln 2 zugeordnet sind und aufgrund der Spiegelgeometrien die Länge d des Durchmessers des Laserstrahls 8 haben. Beim Wechsel des Laserstrahls 8 von einem Umlenkspiegel 2 auf den nächsten springt der Laserstrahl an der Linie 9 von einem Abschnitt auf den nächsten.

Wie bereits erwähnt, können die Umlenkspiegel 2 in Umfangsrichtung eine gleiche oder unterschiedliche Umfangslänge haben, wie in Fig. 3 oben als Abwicklung dargestellt ist. In der linken oberen Darstellung haben die Umlenkspiegel 2 die gleiche Umfangslänge. Das bedeutet, daß der Energieeintrag auf der Linie in jedem Abschnitt gleich ist, was in dem Schaubild darunter dargestellt ist. Sofern jedoch, wie im mittleren oberen Bild dargestellt, die Umfangslänge der Umlenkspiegel 2 sehr unterschiedlich ist, ist auch der Energieeintrag in den einzelnen Abschnitten unterschiedlich. In diesem Fall ändert er sich sprunghaft. In der rechten oberen Darstellung ist dagegen gezeigt, daß sich die Umfangslänge der Umlenkspiegel 2 von Umlenkspiegel zu Umfangsspiegel nur geringfügig verändert, mit der Folge, daß der Energieeintrag sich nicht sprunghaft ändert, sonderen einer kontinuierlichen Linie folgt. Ein unterschiedlicher Energieeintrag über die Linie läßt sich natürlich auch, wie schon erwähnt, mit einem gepulsten Laserstrahl erzielen. In diesem Fall erfolgt die Pulsung derart, daß die Strahlung gesperrt ist, wenn sich im Strahlengang ein bestimmter oder einige bestimmte oder eine Gruppe von bestimmten Umlenkspiegeln 2 befinden.

Die Ausführungsbeispiele 4 und 5 zeigen, daß der Rotor 1 in der gleichen Axialebene mit zwei Umlenkspiegeln 2a, 2b, 2c, 2d entgegengesetzter Orientierung bestückt ist, die im Strahlengang jeweils eines Laserstrahls 8a, 8b, 8c, 8d liegen. Mit solchen Ausführungen läßt sich ein doppelt so hoher Energieeintrag erreichen.

Wie das Ausführungsbeispiel der Fig. 6 zeigt, kann der Fokussierspiegel 4a abschnittweise eine unterschiedliche Brennweite f1, f2 haben.

Das Ausführungsbeispiel der Fig. 7 und 8 zeigt, daß der Fokussierspiegel 4b durch eine zusätzliche Querwölbung für eine Punktfokussierung ausgebildet sein kann. In Verbindung mit dieser Ausbildung kann der Fokussierspiegel 4b mit einem Antrieb 10 für eine translatorische Kreisbewegung gekuppelt sein, wie in Fig. 9 dargestellt ist. Dadurch wird es möglich, in einem Werkstück Kreise zu schneiden.

Claims (6)

1. Fokussier- und Ablenkeinrichtung für einen Laserstrahl (8) zur Bearbeitung von Werkstücken, bestehend aus einer Strahlungsquelle, einem mit Umlenkspiegeln (2) bestückten Rotor (1), dessen Umlenkspiegel (2) bei Drehung des Rotors (1) nacheinander in den Strahlengang des Laserstrahls (8) gelangen, und einem für alle Umlenkspiegel (2) gemeinsamen, in Achsrichtung des Rotors (1) sich erstreckenden, hohlzylindrischen Sammelumlenkspiegel (3), dem ein in Achsrichtung des Rotors (1) sich erstreckender Fokussierspiegel (4) zugeordnet ist, der den empfangenen Laserstrahl auf den axialen Abschnitten der einzelnen Umlenkspiegel (2) entsprechenden Linien oder Punkten einer Linie auf dem Werkstück fokussiert, dadurch gekennzeichnet, daß die Umlenkspiegel (2) in Achs- und Umfangsrichtung des Rotors (1) gegeneinander versetzt sind und ihre Spiegelflächen (5) die Form von Kegelmantelausschnitten haben und koaxial zur Achse (6) des Rotors (1) angeordnet sind und daß der Laserstrahl (8) parallel zur Achse des Rotors (1) gerichtet ist.

2. Fokussier- und Ablenkeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotor (1) mit mehreren gleichartigen Gruppen von Umlenkspiegeln (2) bestückt ist, die bei Drehung des Rotors (1) nacheinander in den Strahlengang des Laserstrahls (8) gelangen.

3. Fokussier- und Ablenkeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotor (1) mit zwei Gruppen von Umlenkspiegeln (2a, 2b, 2c, 2d) bestückt ist, deren Spiegelflächen in entgegengesetzter Richtung orientiert sind und die im Strahlengang von zwei entgegengesetzt gerichteten Laserstrahlen (8a, 8b, 8c, 8d) liegen.

4. Fokussier- und Ablenkeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Länge der Umlenkspiegel (2) in Umfangsrichtung unterschiedlich ist.

5. Fokussier- und Ablenkeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Fokussierspiegel (4a) in mindestens einem axialen Abschnitt eine vom übrigen Bereich unterschiedliche Brennweite (f2) hat.

6. Fokussier- und Ablenkeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der für eine Punktfokussierung ausgelegte Fokussierspiegel (4b) mit einem Antrieb (10) für eine translatorische Drehbewegung gekuppelt ist.