DE4234342C2 - Verfahren zur Materialbearbeitung mit Laserstrahlung - Google Patents
Verfahren zur Materialbearbeitung mit LaserstrahlungInfo
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Description
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Materialbearbeitung mit Laserstrahlung,
insbesondere zum Schweißen, Bohren, Schneiden, Wärmebehandeln, etc., wobei
verschiedene Werkstoffe bearbeitet werden können.
Die im Stand der Technik offenbarten Vorrichtungen zur Materialbearbeitung mit
Laserstrahlung verwenden fast ausschließlich CO2-, Excimer-, oder Nd:YAG-Laser, mit
denen die erforderlichen Intensitäten von mehr als 103 W/cm2 ohne weiteres erreicht
werden. Der prinzipielle Aufbau dieser Laser ist gleich. Er besteht im wesentlichen aus
dem Lasermedium, dem Resonator, der Pumpquelle und der Kühlung. Das
Anwendungsspektrum dieser Laser unterscheidet sich hinsichtlich der Leistungsdichte und
der Wechselwirkungszeit mit dem Werkstück. Dieser Zusammenhang ist für metallische
Werkstoffe für verschiedene spezifische Energien in Fig. 1 dargestellt.
Die Nachteile dieser bekannten Vorrichtungen sind zum einen der geringere Wirkungs
grad (< 10%) und die auf durchschnittlich ca. 10.000 Stunden begrenzte Lebensdauer
der Lasersysteme sowie zum anderen die hohe thermische und mechanische Empfindlich
keit der Laser und die damit verbundene arbeits- und kostenintensive Wartung dieser
Lasersysteme. Darüber hinaus haben die bekannten Lasersysteme einen hohen Bedarf an
Kühlleistung, Netzteilleistung, u. ä. sowie an Raum zum Aufbau der Systeme.
Eine Alternative hierzu bilden Diodenlaser, die seit langem als Strahlquelle für die Infor
mationstechnik mit einigen Milliwatt mittlerer Leistung eingesetzt werden. Führt man eine
entsprechende Kühlung und eine Zusammenfassung mehrerer Einzelemitter zu einem
Laserbarren ein, lassen sich mit diesen sehr kompakten Strahlquellen auch höhere
Leistungen erzielen, so daß diese Laser auch für Materialbearbeitung eingesetzt werden
können. In der Literatur sind hierzu einige Verfahren und Vorrichtungen zu Diodenlasern
beschrieben, durch die hohe mittlere Leistungen zur Erzielung eines hohen Durchsatzes
bzw. einer hohen Bearbeitungsgeschwindigkeit erzielt werden können. In der Patent
schrift DE 33 10 927 C2 wird z. B. ein Verfahren beschrieben, mit dem Zigaretten mit einer
Vielzahl von Laserdioden perforiert werden. Die hierbei insgesamte eingesetzte Leistung
ist zwar hoch, im einzelnen Laserstrahlfokus sind jedoch nur Intensitäten < 104 W/cm2
nötig, um das Papier zu bohren. Für das Schweißen, Schneiden und Bohren von Metallen
werden jedoch deutlich höhere Intensitäten < 105 W/cm2 benötigt.
Die meisten bisherigen Anwendungen von Diodenlasern betreffen das Löten, für das
intensitäten im Bereich 103 W bis 104 W/cm2 benötigt werden. Für einen hohen Durchsatz
ist jedoch eine hohe mittlere Leistung im Bereich einiger 100 W nötig. Da die einzelnen
Dioden lediglich eine mittlere Leistung von ca. 100 mW aufweisen, werden insbesondere
in den Patenten JP 2-142695, der US 4,963,714 sowie in der US 5,099,488 Verfahren
und Vorrichtungen zur Kopplung einer Vielzahl von Diodenlasern zur Erzielung hoher
mittlerer Leistungen beschrieben. All diesen Schriften liegt zugrunde, daß in einem ersten
Schritt bereits eine Vielzahl von Einzelemittern in eine Lichtleitfaser bzw. eine Optik
eingekoppelt werden und die hierbei entstehenden Teilstrahlen anschließend zu einem
Gesamtstrahl zusammengesetzt werden. Durch das Zusammenfassen von Einzelemittern
in eine gemeisame Übertragungsstrecke werden typischerweise 0,5 W-1 W mittlere
Leistung pro Teilstrahl erzielt. Jedoch lassen sich mit diesen Teilstrahlstrahlen durch die
schlechtere Strahlqualität nur Intensitäten bis maximal 3 × 104 W/cm2 erzeugen. Für das
Schweißen, Schneiden, Bohren und bestimmte Verfahren des Oberflächenbehandelns
sind jedoch weit höhere Intensitäten im Bereich 105 bis 106 W/cm2 notwendig. Dies kann
mit den bekannten Vorrichtungen nicht erreicht werden.
Bei der vorliegenden Patentanmeldung wird demgegenüber von einer Übertragung der
vom Einzelemitter erzeugten Intensität von < 106 W/cm2 ausgegangen. Unter Ein
rechnung von Verlusten lassen sich hiermit immerhin noch einige 105 W/cm2 erreichen,
die über Einzelfasern bzw. optische Systeme auf das Werkstück gelenkt werden. Dadurch
läßt sich der Einsatzbereich der Diodenlaser als kompakte und kostengünstige Strahlquelle
auch auf Bereiche erweitern, die bisher den Hochleistungs-Nd:YAG-Lasern und CO2-
Lasern vorbehalten waren.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Materialbearbeitung mit
Laserstrahlung anzugeben, welche sich auch zum Schweißen, Bohren, Schneiden, Ober
flächenbehandeln, etc. eignet, und die die zuvor genannten Nachteile vermeidet.
Die Lösung dieser Aufgabe wird durch die Merkmale der beiden nebengeordneten
Ansprüche 1 und 2 gegeben. Vorteilhafte Weiterbildungen sind mit den Merkmalen der
Unteransprüche 3 bis 7 gekennzeichnet.
Die Vorteile der Erfindung bestehen insbesondere darin, daß durch die Kombination einer
Vielzahl von Laserdioden in einer hohen Packungsdichte mit einer geeigneten Strahl
formung und -führung die zur Materialbearbeitung, insbesondere Schneiden, Bohren,
Schweißen und Oberflächenbehandlung erforderlichen Intensitäten im Fokus auf der
Bearbeitungsstelle erreicht werden, wobei mit diesem Lasersystem der elektrisch/optische
Wirkungsgrad von < 10% auf < 30% gesteigert wird. Damit verbunden sind als weitere
Vorteile Einsparungen im Bereich der Netzteile und der Kühlung möglich. Auch wird die
Größe des Lasersystems zur Materialbearbeitung entscheidend reduziert. Ebenso wird der
Preis pro Watt Laserleistung, unterstützt durch den Preisverfall der Laserdioden-Bauteile
(siehe Fig. 2) gesenkt und eine weitgehende Wartungsfreiheit erreicht.
Die besondere Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung gemäß dem Unteran
spruch 3 ermöglicht mit den aus der Halbleitertechnik bekannten Methoden eine einfache
und damit preiswerte Herstellung der Laserdiodenarrays mit einer großen Anzahl von
einzelnen Laserdioden pro Flächeneinheit.
Die Verwendung von Mikrolinsen entsprechend der Ausgestaltung nach Unteranspruch 4
hat den Vorteil, daß fast die gesamte von den Laserdioden erzeugte Laserstrahlung in den
Fokus übertragen werden kann und damit beispielsweise ein Fokuspunkt mit geringem
Durchmesser erzeugt werden kann, wodurch auf dem zu bearbeitenden Material eine
hohe Leistungsdichte erzeugt wird.
Den Vergleich einiger Eigenschaften von Laserdioden mit Nd:YAG- und CO2-Lasern zeigt
die Tabelle in Fig. 9.
Die Erfindung ist in den Fig. 3 bis 8 an Hand von Ausführungsbeispielen dargestellt
und wird im folgenden näher beschrieben.
Es zeigen:
Fig. 1: Parameterbereich für den Einsatz von Laserdioden im Bereich der
Materialbearbeitung
Fig. 2: zeitliche Entwicklung der Leistung von Laserdioden und des Preis-
Leistungsverhältnisses
Fig. 3: einen Laserdiodenbarren mit einzelnen Laserdioden, montiert auf
einem Kühlelement
Fig. 4: vergrößerter Ausschnitt des Laserdiodenbarrens von Fig. 3
Fig. 5: Stapelung von Laserdioden zu einem Laserdiodenarray
Fig. 6: Strahlformungsoptik mit Linsen zur Erzeugung eines Fokuspunktes
Fig. 7: Strahlformungsoptik zur Materialbearbeitung mittels Lichtleitfaser
Fig. 8: Anordnung zum Löten mit Lichtleitfaserübertragung der Laserstrahlung
Fig. 9: Tabellarischer Vergleich der Eigenschaften von Laserdioden mit
Nd : YAG- und CO2-Lasern
Der in Fig. 1 gezeigte Vergleich mit den Bearbeitungs-Parameterfeldern von bekannten
Materialbearbeitungsverfahren (graue Felder) zeigt, daß zu dem bereits bekannten
Verfahren des Lötens als neue Bereiche für Laserdioden-Anwendungen das Schneiden,
Schweißen und die Oberflächenbehandlung hinzuzurechnen ist. Damit ist die direkte
Materialbearbeitung mit Laserdioden für viele Bereiche der Technik, insbesondere der
Medizintechnik und des Maschinenbaus von Nutzen, wie beispielsweise die Verpackungs
maschinentechnik sowie die Fertigungstechnik mit den Schwerpunkten Automobilindus
trie, Luft- und Raumfahrt, etc. und vieles andere mehr.
In Fig. 3 ist ein Laserdiodenbarren (1) dargestellt, der eine Länge von 10 mm, eine Breite
von 0,6 mm und eine Höhe von 0,1 mm aufweist, und dessen Längsseite 800 einzelne
Laserdioden aufweist. Die von diesem Laserdiodenbarren ausgestrahlte Leistung erreicht
einen Wert von bis zu 50 W. Die Qualität des Laserstrahls jeder einzelnen Laserdiode ist
hierbei beugungsbegrenzt. Aufgrund der kleinen Strahlfläche von 1 × 3 µm2 besitzt die
emitierte Laserstrahlung einen großen Divergenzwinkel. Die Werte des Divergenzwinkels
liegen im Bereich von 1.000 mrad in der Ebene orthogonal zu der Reihe der einzelnen
Laserdioden und etwa 200 mrad in der parallelen Ebene. Die maximal erreichbare
Leistung der einzelnen Laserdioden ist auf einen Wert von etwa 60 mW begrenzt. Mit der
zuvor genannten Größe der strahlenden Fläche von etwa 1 µm × 3 µm wird somit eine
Leistungsdichte von etwa 2 × 106 W/cm2 erreicht.
Um eine Lasersystem mit einer hohen Gesamtleistung zu erhalten, muß das Lasersystem
eine genügend große Anzahl an einzelnen Laserdioden aufweisen. Hierzu werden die
einzelnen Laserdioden auf verschiedene Weise miteinander kombiniert.
Fig. 5 zeigt die Kombination der einzelnen Laserdioden zu einem Stapel von Laserdio
denbarren (2), die durch Kühlelemente voneinander beabstandet sind. Die Kühlelemente
haben eine Dicke von etwa 0,3 bis 2 mm. Ferner sind Öffnungen vorgesehen, durch die
ein flüssiges oder gasförmiges Kühlmittel (3) zur Abführung der beim Betrieb der Laser
dioden entstehenden Wärme geführt werden kann. Mit dieser Stapeltechnik kann eine
Packungsdichte von bis zu 25.000 einzelnen Laserdioden pro cm2 erreicht werden. Die
damit erzielbare mittlere Leistungsdichte der Laserstrahlung hängt wesentlich von der
verwendeten Kühltechnik ab. Zur Übertragung der Laserstrahlung, die von dem
Laserdiodenarray erzeugt wird, kann im einfachsten Fall eine Abbildung dieses Laserdio
denarrays auf das zu bearbeitende Werkstück vorgesehen werden. Zur Erzielung einer
hohen Leistungsdichte ist es jedoch erforderlich, die von dem Laserdiodenarray abge
strahlte Laserstrahlung mit Kollimatorlinsen sowie Kopplungs- und Übertragungsoptiken
auf das Werkstück zu fokussieren (8).
Die hierfür vorgesehenen Anordnungen sind in den Fig. 6 und 7 dargestellt und
können außer für das gestapelte Laserdiodenarray auch für die Übertragung der Laser
strahlung von einzeln angeordneten Laserdioden verwendet werden.
In der in Fig. 6 dargestellten Anordnung ist vor jeder einzelnen Laserdiode eine Mikro
linse, vgl. (4), angeordnet, die einen gebündelten Laserstrahl erzeugt. Die damit erziel
bare Leistungsdichte hängt ab von dem Verhältnis der Oberfläche der strahlenden zu den
nichtabstrahlenden Flächen und liegt im Bereich von etwa 0,3 für den in Fig. 3
dargestellten Laserdiodenbarren (1). Je nach Verhältnis der Fläche der Mikrolinse zu der
Systemfläche sowie in Abhängigkeit von optischen Verlusten und Linsenfehlern werden
schließlich Leistungsdichten im Bereich bis zu etwa 5 × 105 W/cm2 erreicht.
In Fig. 7 ist die Übertragung der von Laserdioden (5) erzeugten Laserstrahlung mittels
Lichtleitfasern (6) dargestellt, wobei die Lichtleitfasern direkt an die Laserdioden ange
koppelt werden können oder die emittierte Laserstrahlung über eine geeignete Optik (7)
in die Lichtleitfasern eingekoppelt werden. Die einzelnen Lichtleitfasern werden schließlich
zu einem Faserbündel (9) zusammengefaßt und zu der Bearbeitungsstelle geführt. Dabei
ist jeder einzelnen Lichtleitfaser entweder eine einzelne Laserdiode oder eine Gruppe von
mehreren Laserdioden zugeordnet; der Querschnitt der einzelnen Fasern ist rund, oval
oder rechteckig. Die Verwendung von Lichtleitfasern zur Übertragung der Laserstrahlung
hat den Vorteil, daß die einzelnen Laserdioden unabhängig voneinander angeordnet
werden können, im Gegensatz zu der Stapelung der Laserdiodenbarren gemäß Fig. 3
oder bei Verwendung von Linsen gemäß Fig. 4.
Die Laserdioden können im gepulsten Betrieb oder als Dauer-Laser betrieben werden. Bei
Verwendung der Mikrolinsen können die höchsten Leistungsdichten erreicht werden;
diese liegen bei etwa 5 × 105 W/cm2 und darüber.
Claims (7)
1. Vorrichtung zum Schweißen, Schneiden, Bohren und Oberflächenbehandeln mit
Laserstrahlung, bei welcher zur Erzeugung der Laserstrahlung wenigstens ein mit
einem Kühlelement wärmeableitend verbundenes Laserdiodenarray mit mehreren,
Einzelemittern vorgesehen ist, und bei welcher zur Erzeugung eines gemeinsamen Fokus mit
einer zum Schweißen, Schneiden, Bohren und Oberflächenbehandeln ausreichend
hohen Strahlungsleistungsdichte im Bearbeitungsbereich jeder Einzelemitter beu
gungsbegrenzte Laserstrahlung emittiert und jeder Einzelemitter mittels einer
Kopplungsoptik oder durch direkten Anschluß mit je einer Lichtleitfaser eines
Faserbündels optisch derart verbunden ist, daß sich das von einem Einzelemitter
abgestrahlte Laserlicht in die jeweilige Lichtleitfaser einkoppelt, und bei welcher
die aus den Lichtleitfasern austretende Strahlung entweder direkt oder über eine
Fokussiereinrichtung auf den Bearbeitungsbereich gerichtet ist.
2. Vorrichtung zum Schweißen, Schneiden, Bohren und Oberflächenbehandeln mit
Laserstrahlung, bei welcher zur Erzeugung der Laserstrahlung wenigstens ein mit
einem Kühlelement wärmeableitend verbundenes Laserdiodenarray mit mehreren
Einzelemittern vorgesehen ist, und bei welcher zur Erzeugung eines gemeinsamen
Fokus mit einer für das Schweißen, Schneiden, Bohren und Oberflächenbehandeln
ausreichend hohen Strahlungsdichte im Bearbeitungsbereich jeder Einzelemitter
beugungsbegrenztes Laserlicht abstrahlt und vor jedem Einzelemitter oder einer
Mehrzahl von Einzelemittern eine aus einer Mikrolinse bestehende Kollimations
optik angeordnet ist, und bei welcher die von den einzelnen Kollimationsoptiken
ausgehende Laserstrahlung mit einer Fokussieroptik auf den Bearbeitungsbereich
gerichtet sind.
3. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, daß
die einzelnen Laserdioden eines Laserdiodenarrays in Laserdiodenbarren oder verti
kal in Laserdiodenwafern voneinander beabstandet angeordnet sind, und daß die
Laserdiodenbarren oder die Laserdiodenwafer mit einem Kühlelement wärmeleit
end verbunden sind.
4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß
die jeweils vor einer Mehrzahl von einzelnen Laserdioden oder vor jedem Laser
diodenbarren eines Laserdiodenarrays angeordnete Kollimationsoptik als Kollima
torlinse ausgebildet ist.
5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß
der Fokus linienförmig, punktförmig, oval oder rechteckförmig ausgebildet ist.
6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß
wenigstens 1.000, vorzugsweise mehr als 20.000 einzelne Laserdioden pro Laser
diodenarray vorgesehen sind.
7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß
die Wellenlänge der erzeugten Laserstrahlung im sichtbaren bis nahen Infrarot
(< 2.000 nm), vorzugsweise zwischen 750 nm und 950 nm liegt.
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