EP4326478A1 - Device and method with an optically transmissive tool - Google Patents

Device and method with an optically transmissive tool

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Publication number
EP4326478A1
EP4326478A1 EP22726581.6A EP22726581A EP4326478A1 EP 4326478 A1 EP4326478 A1 EP 4326478A1 EP 22726581 A EP22726581 A EP 22726581A EP 4326478 A1 EP4326478 A1 EP 4326478A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
tool
laser
cutting edge
guiding element
coupled
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
EP22726581.6A
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Christian Wenzel
Thomas Gralla
Klaus SCHWEIZER
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Innolite GmbH
Original Assignee
Innolite GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Innolite GmbH filed Critical Innolite GmbH
Publication of EP4326478A1 publication Critical patent/EP4326478A1/en
Pending legal-status Critical Current

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Classifications

    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23KSOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K26/00Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/0093Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring combined with mechanical machining or metal-working covered by other subclasses than B23K
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23BTURNING; BORING
    • B23B27/00Tools for turning or boring machines; Tools of a similar kind in general; Accessories therefor
    • B23B27/14Cutting tools of which the bits or tips or cutting inserts are of special material
    • B23B27/18Cutting tools of which the bits or tips or cutting inserts are of special material with cutting bits or tips or cutting inserts rigidly mounted, e.g. by brazing
    • B23B27/20Cutting tools of which the bits or tips or cutting inserts are of special material with cutting bits or tips or cutting inserts rigidly mounted, e.g. by brazing with diamond bits or cutting inserts
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23PMETAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; COMBINED OPERATIONS; UNIVERSAL MACHINE TOOLS
    • B23P25/00Auxiliary treatment of workpieces, before or during machining operations, to facilitate the action of the tool or the attainment of a desired final condition of the work, e.g. relief of internal stress
    • B23P25/003Auxiliary treatment of workpieces, before or during machining operations, to facilitate the action of the tool or the attainment of a desired final condition of the work, e.g. relief of internal stress immediately preceding a cutting tool
    • B23P25/006Heating the workpiece by laser during machining
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23BTURNING; BORING
    • B23B2240/00Details of connections of tools or workpieces
    • B23B2240/21Glued connections
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23BTURNING; BORING
    • B23B2260/00Details of constructional elements
    • B23B2260/092Lasers
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23BTURNING; BORING
    • B23B2260/00Details of constructional elements
    • B23B2260/128Sensors

Definitions

  • the invention relates to a device with an optically transparent tool for processing a surface, a method for processing a surface with an optically transparent tool in which a laser beam is guided through the tool, and a method for coupling a radiation guide element to a tool .
  • the invention relates to the production of high or ultra-precise surfaces, such as are required in optics or for haptic applications, by machining with geometrically defined cutting edges from monocrystalline natural or synthetic diamond.
  • the diamond is preferably so sharp and easy to cut that subsequent polishing steps are no longer necessary.
  • the materials that can be machined with monocrystalline diamond are limited. Traditionally, only non-ferrous metals, certain infrared materials and certain plastics can be processed.
  • hybrid cutting with a geometrically defined cutting edge is possible.
  • the material to be machined is locally heated and softened by a laser beam, so that a machining process is possible. Due to its high thermal conductivity, diamond is a suitable cutting material, but other cutting materials such as PCD or CBN (synthetic polycrystalline diamond, cubic boron nitride) are also known from the literature (dissertation by Dr. T. Bergs, WZL Aachen).
  • a special property of monocrystalline diamond is its optical transparency. This enables the laser beam to be guided through the tool, so that the
  • a device with an optically transparent tool for processing a surface is known from EP 3484658.
  • the optically permeable tool allows a laser beam to be guided into the area where the surface is being machined between the rake face and the flank face of the tool in order to machine the surface.
  • the laser beam is focused as a free beam on the back of the diamond blade body.
  • this back must be optically functionally polished so that as little scattered radiation as possible occurs when the beam is coupled in.
  • the angle of the back of the tool must be selected in such a way that any back reflections on the back of the tool are not coupled back into the laser and destroy it.
  • EP 3484658 describes possible angular constellations in order to focus the laser beam on the cutting edge between the flank face and the rake face, taking into account the refractive indices of air and diamond and the associated beam deflection.
  • the dimensions of a diamond tool are around 3 x 3 x 3 mm 3 .
  • a mixture of cooling lubricant and compressed air is blown into the machining zone.
  • the finest chips are created, which are caused by the compressed air and the process kinematics are whirled around.
  • contamination can occur on the coupling surface of the diamond.
  • the laser radiation burns chips or cooling lubricants, which can lead to a change in the beam coupling and, as a result, to a change in the process control.
  • EP 3484658 does not provide for regulation of the laser power, but only describes the simplified beam guidance in the diamond with beam coupling on the planar surface.
  • DE 10 2019 005 691 A1 describes the use of a pyrometer for controlling the laser, which is guided onto the workpiece surface in a free jet.
  • a precise regulation can be set up, with which the laser power is controlled in such a way that the temperature in the machining zone or in the measurement vicinity of the machining zone can be kept constant continuously and independent of location.
  • this regulation only works under ideal process conditions. If chips or cooling lubricant hit the laser beam, they burn up there immediately.
  • the pyrometer detects a sudden increase in temperature and regulates the laser power down. The actual process is disrupted.
  • DE 196 13 183 describes a device that has an optically transparent beam guidance element that guides a laser beam through a hole in the tool to an optically transparent window, so that radiation can enter the tool from the beam guidance element and through the window again can escape from the tool.
  • the invention is based on the object of further developing such a device as described in EP3484658 and generic methods.
  • the basic invention is based on the use of a beam guiding element, which is optically functionally coupled to the diamond tool, which has an optically transparent cutting edge geometry.
  • the laser beam thus first passes through the beam guidance element and then through the tool body.
  • the intensity profile of the laser radiation at the actively machining cutting edge should be adjustable as deterministically as possible.
  • the beam guidance element extends the path of safe solid-state beam guidance in such a way that the problem of contamination in the machining zone is minimized or completely prevented.
  • the solid-state element can be designed as an inherently rigid optical component with its own coupling geometry for a free laser beam.
  • the beam guiding element can be designed as a flexible optical fiber that can be coupled directly to a laser far away from the machining zone while being completely protected from environmental pollution.
  • such beam guiding elements can be made of glass.
  • the advantage of the glass version is the usual processability for the production of optical surfaces with non-planar geometry (lenses).
  • spherical or aspherical geometries can be produced on the in-coupling side of the beam-guiding element.
  • Optically functional, non-planar surfaces or independent lenses can also be introduced in the area of the outcoupling of the beam guiding element and the incoupling towards the diamond.
  • This degree of design freedom means that, depending on the geometry of the tool cutting edge, the laser radiation can be guided to the cutting edge significantly more precisely and flexibly without disturbing scattered radiation due to total reflection inside the tool.
  • the laser beam intensity profile at the cutting edge can also be influenced in such a way that an intensity profile that is as homogeneous as possible or can be freely defined results over the cutting edge radius of the tool.
  • the divergence of the laser beam is thus minimized in one direction (eg horizontal direction), whereas it is permitted with homogeneous distribution in the lateral direction (along the cutting edge of the tool).
  • Beam guidance elements made of diamond are less flexible in terms of geometry, but when using CO2 laser radiation with wavelengths of 10.6 pm (not transparent for glass) they enable solid-state beam guidance to avoid contamination.
  • hollow glass fibers can be used.
  • the optically functional connection in the coupling zone can be designed in different ways, but it must prevent a gap between the beam guiding element and the cutting edge of the tool, into which gas, liquid or solid contamination can penetrate. In principle, this can be done by an additional mechanical element, which is attached to the tool itself or the tool holder and clamps the beam guidance element in place after alignment has taken place. Clamping of this type is particularly conceivable when using a rotationally symmetrical glass fiber. Beam guidance element and tool are mechanically fixed to each other in such a way that they either lie directly on top of each other or an air gap remains, which remains closed dirt-tight by the mechanical element.
  • an adhesive or an optical cement can be used for the optically functional coupling of the beam guidance element and the tool.
  • the adhesive or the putty fulfills the tasks of mechanical fixation after hardening, sealing off from dirt and designing the refraction transition by so-called index matching.
  • the adhesive with refractive index nd3 averages the transition of the beam from the beam guiding element with refractive index ndl to the diamond with refractive index nd2 with reduced losses. With a non-planar design of the transition between the beam guide and the tool, volume can thus be filled.
  • such an adhesive or putty can level out residual surface roughness in order to prevent scattered radiation.
  • the pre-machining of the back of the tool does not have to be carried out with the same precision as is the case with the direct coupling of a free jet.
  • the most obvious way to couple the laser beam into a tool with a cutting edge between the flank face and the rake face is to use a beam guidance element on the side of the tool opposite the cutting edge.
  • the laser beam is deflected or refracted according to Snell's law of refraction.
  • the laser beam can be positioned by selecting the angle ratios at the transition zone between the tool and the beam guiding element.
  • the laser beam can, for reasons of accessibility or the specific tool geometry and the desirable decoupling area between the flank face and the rake face, it can be advantageous to deflect the laser beam inside the tool. It is conceivable here to couple the laser beam on one side with the beam guidance element and to reflect it on an opposite side.
  • the laser beam can, for example, be coupled in at a top side of the tool and reflected at a bottom side of the tool.
  • a slotted tool holder is conceivable, via which the beam guiding element is coupled to the underside of the tool and the deflection takes place on the upper side of the tool.
  • the invention also describes the coaxial or mutually offset guidance of the measuring beam of a temperature sensor.
  • This temperature sensor is preferably a pyrometer.
  • the beam guidance element is designed as an inherently rigid solid
  • two separate beams laser and pyrometer
  • the in-coupling surface can be designed as a continuous flat or optically functionally curved surface, or two or have more individual optics for the separate coupling of laser and pyrometer beam.
  • the position between the laser beam and the measuring beam can be influenced at the decoupling geometry in the tool.
  • the laser beam and the measuring beam can be coaxially coupled before being coupled into the beam guidance element. This is preferably done using a deflection mirror that deflects one of the beams by 90°.
  • a second, semi-transparent mirror deflects the previously deflected beam again by 90°, while the second beam shines through the semi-transparent mirror without restriction.
  • the laser beam brought together coaxially in this way can now, as previously described for the pure laser, be coupled into the beam guiding element and forwarded into the tool.
  • the laser and measuring beams do not exit the tool at the same point. If glass fibers are used as the beam guidance element, the laser and measuring beam can be guided separately to the tool and coupled in.
  • optically functional curved surfaces can be placed either on the end of the beam guiding element, as micro-optics separately in between or directly in the tool for both coupling points, as already described, in order to control the divergence of the radiation.
  • a typical NA is 0.22, i.e. a full divergence angle of the emitted radiation is 21°. This must be reduced by a focusing optical functional surface in order to expose the tool cutting edge sufficiently finely.
  • the invention proposes fully or partially automated assembly with an integrated joining process.
  • the tool and tool holder are clamped in a device.
  • a gripper holds the beam guidance element.
  • the gripper's own kinematics or that of a higher-level movement system enables the beam guidance element to be positioned in five or six degrees of freedom.
  • the kinematics are preferably motorized, but they can also be operated manually.
  • the beam guiding element can be clamped and the tool actively guided. The positioning can be controlled passively or actively.
  • the adjustment is made by the gripper using geometric features.
  • two cameras with telecentric, distortion-free lenses detect geometric features of the tool and beam guiding element.
  • up to 5 degrees of freedom (3 x translational, 2 x rotational) can be determined.
  • An adjustment is made on the basis of these geometric features.
  • other sensors can be used, for example chromatic confocal distance sensors that detect the positions of reference surfaces. With this approach, however, manufacturing tolerances prevent a statement about the actual beam and intensity characteristics at the cutting edge of the tool.
  • a pilot beam or an attenuated direct laser beam is coupled into the beam guidance element and transferred to the tool.
  • the process begins in a meaningful geometric starting point.
  • a measuring setup is placed in front of the cutting edge of the tool or, more generally speaking, the process-relevant decoupling surface on the tool, which can directly measure the emitted radiation, for example in the form of power or intensity distribution.
  • This can be, for example, a pinhole diaphragm with an integrating sphere located behind it or a direct camera with correspondingly attenuating laser filters.
  • search algorithms preferably support the systematics of the position change in order to bring about faster convergence. For example, so-called hill climb algorithms are known from laser assembly.
  • a UV (ultraviolet) hardening adhesive should preferably be used for active adjustment.
  • the adhesive is applied to the joint partners at the coupling point before the joining process. The adjustment is made while the low-viscosity adhesive fills the joining zone. is Once a suitable relative position has been found between the tool and the beam guidance element, a UV light source ensures that the adhesive hardens and fixes in place. Meanwhile, the gripper holds the movable joining partner.
  • Figure 1 shows a schematic of a device with a tool into which a laser beam is coupled directly without a beam guiding element
  • Figure 2 shows a schematic side section through a tool with cutting edge, rake face and flank and coupled beam guidance element, with a laser beam radiating through the beam guidance element and tool,
  • FIG. 3 shows a schematic of a device as in FIG.
  • FIG. 4 shows a schematic of a device as in FIG. 3 with a laser beam and measuring beam, which, however, are coupled directly into the tool without a beam guiding element,
  • FIG. 5 shows a schematic of a device in which the laser beam and the measuring beam are coupled coaxially into the beam guidance element via an optically functional surface and then guided further into the tool via the optically functional joint
  • FIG. 6 shows schematically the same device as in FIG. 5 with a laser beam and measuring beam, which are brought together coaxially via mirrors, but are coupled directly into the tool with the cutting edge without a beam guiding element
  • FIG. 7 shows a schematic of a device with tool and beam guidance element, between which independent optics or micro-optics are fixed by optically functional layers,
  • FIG. 8 shows a schematic of a device with a tool and beam guidance element, between which an optically functional, non-planar surface is arranged, which is introduced into the tool body,
  • FIG. 9 shows a schematic of a device with a tool into which the laser radiation is introduced via an optically functional coupling point through an optical fiber
  • Figure 10 schematically shows a device with a tool in which the
  • Laser radiation is coupled in via an optical fiber with additional micro-optical collimation optics or a Grin fiber,
  • FIG. 11 schematically shows a device similar to that shown in FIG. 10, in which the micro-optical collimation optics are incorporated into the tool itself,
  • Figure 12 schematically shows a device with a tool in which the
  • Laser radiation is coupled in via a first optical fiber with an optically functional joint and measuring radiation is injected into the tool via a second optical fiber with an optically functional joint,
  • Figure 13 schematically shows a device with a tool in which the
  • FIG. 14 shows a device similar to that shown in FIG. 13, with the difference that the laser radiation is coupled directly into the surface of the tool without a beam guiding element,
  • FIG. 15 shows a device similar to that shown in FIG. 13, with the difference that the laser radiation is coupled in on the underside of the tool,
  • Figure 16 shows a process structure for passive adjustment between the tool
  • Figure 17 shows a process structure for the active adjustment between the tool
  • Beam guidance element with subsequent fixation by an optically functional joint
  • FIG. 1 shows a tool 1 into which a laser beam 2 is coupled directly on the rear side opposite the cutting edge 3 without a beam guiding element. It corresponds to the prior art as described in EP 3484658, among others.
  • the laser beam 2 exits at the cutting edge 3 with a horizontal intensity distribution 4 and a vertical intensity distribution 5 .
  • the cutting edge 3 is delimited by the rake face 6 and the free face 7 of the tool.
  • FIG. 2 shows a lateral section through a tool 1 with a cutting edge 3 , rake face 6 and free face 7 .
  • the tool 1 is mounted on a tool holder 8 .
  • the laser beam 2 is first coupled into the beam guidance element 10 through an optically functional surface 9 .
  • the laser beam 2 is guided from the beam guidance element 10 into the tool 1 at the optically functional joint 11 in order to emerge again in the area of the cutting edge 3 .
  • Figure 3 shows a lateral section through a tool 1 with cutting edge 3 and tool holder 8.
  • the beam guidance element 10 which is glued to the tool by the optically functional joint 11, a measuring beam 12 is placed next to the laser beam 2 via the optically functional area 9 coupled. Also this measuring beam 12 is passed into the tool 1 to be decoupled near the cutting edge 3.
  • Figure 4 shows the same device as in Figure 3 with laser beam 2 and
  • Measuring beam 12 which, however, directly into the tool 1 without a beam guiding element
  • Cutting edge 3 are coupled.
  • FIG. 5 shows a device in which the laser beam 2 and the measuring beam 12 are coupled coaxially into the beam guidance element 10 via the optically functional surface 9 and then are guided further into the tool 1 via the optically functional joint 11 . Both beams exit again near the cutting edge 3 .
  • the measuring beam 12 is coupled to the laser beam 2 by means of a deflection mirror 13, which deflects the measuring beam 12 by 90°.
  • a second semi-transparent mirror 14 deflects the measurement beam again by 90°, but lets the laser beam 2 through.
  • Figure 6 shows the same device as in Figure 5 with laser beam 2 and
  • Measuring beam 12 which is brought together coaxially via the mirrors 13 and 14, but without
  • Beam guiding element are coupled directly into the tool 1 with cutting edge 3.
  • FIG. 7 shows a device with a tool 1 and a beam guidance element 10, between which independent optics or micro-optics 15 are fixed by the optically functional layers 11 and 16.
  • the optics 15 enable an adapted focusing of the laser radiation 2 after exiting the beam guidance element 10 in order to influence the intensity distribution of the laser radiation 2 in the area of the cutting edge 3 .
  • Figure 8 shows a device with tool 1 and beam guiding element 10. Between the beam guiding element 10 and the tool 1 is an optically functional, non-planar surface 17, which is used to focus the beam and is introduced directly into the main body of the tool. The intensity distribution of the laser radiation 2 in the area of the cutting edge 3 can be influenced by the optics 17 .
  • FIG. 9 shows a device with a tool 1 into which the laser radiation 2 is introduced via an optically functional coupling point 11 through an optical fiber 18 .
  • the laser radiation 2 exits in the area of the cutting edge 3 .
  • FIG. 10 shows a device with a tool 1 into which the laser radiation 2 is coupled via an optical fiber 18 with additional micro-optical collimating optics 19 and an optically functional joint 11 and coupled out in the area of the cutting edge 3 .
  • Figure 11 shows a device as shown in Figure 10, with the difference that the micro-optical collimation optics 20 is incorporated into the tool itself.
  • FIG. 12 shows a device with a tool 1 into which the laser radiation 2 is coupled via an optical fiber 18 and an optically functional joint 11 .
  • the measuring radiation 12 is coupled into the tool 1 via a separate optical fiber 21 and an optically functional joint 11 . Both radiations 2 and 12 leave the tool 1 in the area of the cutting edge 3.
  • FIG. 13 shows a device with a tool 1 into which the laser radiation 2 is introduced via an optical fiber 12 and the optically functional coupling point 11 .
  • the coupling takes place on the surface 22 and not on the rear side 23 of the tool 1.
  • a mirror element 24 reflects the laser beam 2 in order to couple it out in the area of the cutting edge 3.
  • a different type of distribution of the laser beam decoupling between the flank 7 and the rake face 6 can be achieved with this structure.
  • FIG. 14 is similar to FIG. 13 with the difference that the laser radiation 2 is coupled directly into the surface 22 of the tool 1 without a beam guiding element.
  • FIG. 15 is similar to FIG. 13 with the difference that the coupling of the laser radiation 2 takes place on the lower surface 25 of the tool 1.
  • the mirror element 24 is located on the surface 22 .
  • Figure 16 shows the process structure for passive adjustment between tool 1 and beam guide element 10 with subsequent fixation by an optically functional joint 11.
  • Two cameras 26 and 27 observe geometric features (e.g. edges) of tool 1 and beam guide element 10, using which the relative alignment takes place.
  • Tool 1 and the tool holder are clamped in place.
  • a gripper 28 grips the beam guidance element 10 to be adjusted. It can be adjusted by the kinematics 29 in> 5 degrees of freedom are positioned.
  • the kinematics 29 are controlled via the control signal 30 which is generated by image processing by the cameras 26 and 27 .
  • Figure 17 shows the process structure for the active adjustment between tool 1 and beam guiding element 10 with subsequent fixation by an optically functional joint 11.
  • the laser beam 2 is coupled into the beam guiding element 10 at reduced power and into the tool 1 in the direction of the cutting edge 3 forwarded.
  • a sensor system 31 detects the intensity distribution of the laser beam 2 at the cutting edge 3 of the tool 1.
  • the tool 1 and the tool holder are clamped in place.
  • a gripper 28 grips the beam guidance element 10 to be adjusted. It can be positioned in >5 degrees of freedom by the kinematics 29 .
  • the kinematics 29 are controlled via the control signal 30 which is generated from the sensor 31 .

Landscapes

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Abstract

The invention relates to a device with an optically transmissive tool for processing a surface, the device having an optically transmissive beam guiding element that is optically functionally coupled to the optically transmissive tool, such that radiation can pass from the beam guiding element into the tool. Furthermore, the invention relates to a method for processing a surface with an optically transmissive tool, wherein a laser beam is guided through the tool, and to a method for coupling a radiation guiding element to a tool.

Description

Vorrichtung und Verfahren mit einem optisch durchlässigen Werkzeug Apparatus and method using an optically transmissive tool
[01] Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung mit einem optisch durchlässigen Werkzeug zum Bearbeiten einer Oberfläche, ein Verfahren zum Bearbeiten einer Oberfläche mit einem optisch durchlässigen Werkzeug, bei dem ein Laserstrahl durch das Werkzeug geführt wird, und ein Verfahren zum Ankoppeln eines Strahlungsfiihrungselements an ein Werkzeug. The invention relates to a device with an optically transparent tool for processing a surface, a method for processing a surface with an optically transparent tool in which a laser beam is guided through the tool, and a method for coupling a radiation guide element to a tool .
[02] Insbesondere betrifft die Erfindung die Herstellung von Hoch- bzw. ultrapräzisen Oberflächen, wie sie u.a. in der Optik oder für haptische Anwendungen benötigt werden, durch Zerspanung mit geometrisch bestimmter Schneide aus monokristallinem Natur- bzw. synthetischem Diamant. Der Diamant ist dabei vorzugsweise derart scharf und schnittfreudig, dass nachgelagerte Polierschritte nicht mehr notwendig sind. Allerdings sind die Materialien, die mit monokristallinem Diamant zerspanbar sind, eingeschränkt. Klassisch lassen sich lediglich Nichteisenmetalle, gewisse Infrarotmaterialien sowie gewisse Kunststoffe bearbeiten. In particular, the invention relates to the production of high or ultra-precise surfaces, such as are required in optics or for haptic applications, by machining with geometrically defined cutting edges from monocrystalline natural or synthetic diamond. The diamond is preferably so sharp and easy to cut that subsequent polishing steps are no longer necessary. However, the materials that can be machined with monocrystalline diamond are limited. Traditionally, only non-ferrous metals, certain infrared materials and certain plastics can be processed.
[03] Aus technischer Sicht sind aber gerade hoch-feste Werkstoffe wie Keramiken, Hartmetalle und auch Gläser von großer Bedeutung, um in oder an ihnen ultrapräzise Oberflächen zu fertigen. Beispielsweise finden Hartmetallwerkzeuge beim Pressen von Glasoptiken Verwendung. Der klassische Ansatz der Zerspanung mit geometrisch bestimmter Schneide versagt und aus dem Stand der Technik sind das Schleifen und das nachgelagerte Polieren derartiger Materialien bekannt. Die bekannten Prozesse sind hochgradig komplex, langwierig und fehleran fällig. [03] From a technical point of view, however, high-strength materials such as ceramics, hard metals and also glasses are of great importance in order to produce ultra-precise surfaces in or on them. For example, hard metal tools are used when pressing glass optics. The classic approach of machining with a geometrically defined cutting edge fails, and grinding and subsequent polishing of such materials are known from the prior art. The known processes are highly complex, tedious and error-prone.
[04] Alternativ kann hybrid mit geometrisch bestimmter Schneide zerspant werden. Durch einen Laserstrahl wird das zu zerspanende Material lokal erwärmt und entfestigt, so dass ein Zerspanprozess ermöglicht wird. Aufgrund der hohen Wärmeleitfähigkeit eignet sich Diamant als Schneidstoff, aus der Literatur sind aber auch andere Schneidstoffe wie PKD oder CBN (synthetischer polykristalliner Diamant, kubisches Bomitrid) bekannt (Dissertation Dr. T. Bergs, WZL Aachen). [04] Alternatively, hybrid cutting with a geometrically defined cutting edge is possible. The material to be machined is locally heated and softened by a laser beam, so that a machining process is possible. Due to its high thermal conductivity, diamond is a suitable cutting material, but other cutting materials such as PCD or CBN (synthetic polycrystalline diamond, cubic boron nitride) are also known from the literature (dissertation by Dr. T. Bergs, WZL Aachen).
[05] Eine besondere Eigenschaft des monokristallinen Diamants ist seine optische Transparenz. Diese ermöglicht die Strahlfuhrung des Lasers durch das Werkzeug, so dass der [05] A special property of monocrystalline diamond is its optical transparency. This enables the laser beam to be guided through the tool, so that the
Bestätigungskopie Strahl unmittelbar in der Zerspanzone auftrifft und entfestigt. Es wird keine materialspezifische Wärmeleitung benötigt, die Entfestigung geschieht nahezu ideal. confirmation copy Jet impinges directly in the cutting zone and softens. No material-specific heat conduction is required, the softening is almost ideal.
[06] Eine Vorrichtung mit einem optisch durchlässigen Werkzeug zum Bearbeiten einer Oberfläche ist aus der EP 3484658 bekannt. Das optisch durchlässige Werkzeug erlaubt es, einen Laserstrahl in den Bereich der Bearbeitung der Oberfläche zwischen Span- und Freifläche des Werkzeugs zu führen, um die Oberfläche zerspanend zu bearbeiten. Hierbei wird der Laserstrahl als Freistrahl an die Rückseite des Diamantschneidenkörpers fokussiert geführt. Diese Rückseite muss abweichend von klassischen Diamantwerkzeugen optisch funktional poliert werden, so dass beim Einkoppeln des Strahls möglichst wenig Streustrahlung auftritt. Weiterhin muss der Winkel der Werkzeugrückseite derart gewählt werden, dass eventuelle Rückreflektionen an der Werkzeugrückseite nicht wieder in den Laser eingekoppelt werden und diesen zerstören. [06] A device with an optically transparent tool for processing a surface is known from EP 3484658. The optically permeable tool allows a laser beam to be guided into the area where the surface is being machined between the rake face and the flank face of the tool in order to machine the surface. Here, the laser beam is focused as a free beam on the back of the diamond blade body. In contrast to classic diamond tools, this back must be optically functionally polished so that as little scattered radiation as possible occurs when the beam is coupled in. Furthermore, the angle of the back of the tool must be selected in such a way that any back reflections on the back of the tool are not coupled back into the laser and destroy it.
[07] Die EP 3484658 beschreibt mögliche Winkelkonstellationen, um unter Berücksichtigung der Brechnungsindizes von Luft und Diamant und der damit verbundenen Strahlumlenkung den Laserstrahl an der Schneidkante zwischen Freifläche und Spanfläche zu fokussieren. [07] EP 3484658 describes possible angular constellations in order to focus the laser beam on the cutting edge between the flank face and the rake face, taking into account the refractive indices of air and diamond and the associated beam deflection.
[08] Die in EP 3484658 beschriebene Vorrichtung weist verschiedene aus der Praxis bekannte Nachteile auf. [08] The device described in EP 3484658 has various disadvantages known from practice.
[09] Aufgrund der großen Unterschiede zwischen dem Brechnungsindex von Luft (nd=l) und dem von Diamant (nd= 2.4) kommt es schnell im Inneren des Diamanten zur Totalreflexion und dadurch bedingt zu verlustbehafteter Streustrahlung. Der Diamant samt Werkzeughalterung, die i.d.R. durch ein temperaturempfindliches Lot verbunden sind, kann sich hierdurch bedingt erwärmen und die Einkopplung der Energie ins Werkstück geschieht weniger effizient. Da der Diamant nur eine ebene, verkippte optisch funktionale Fläche (Rückseite) als Einkoppelgeometrie aufweist, sind Justage- und Kompensationsmöglichkeiten beschränkt. Der Justageprozess ist empfindlich und kann zu nicht idealen Prozessbedingungen fuhren. Weiterhin ist er abhängig von der Gesamtgeometrie des Diamantwerkzeugs. [09] Due to the large difference between the refractive index of air (nd=1) and that of diamond (nd= 2.4), total reflection quickly occurs inside the diamond, resulting in lossy scattered radiation. The diamond and tool holder, which are usually connected by a temperature-sensitive solder, can heat up as a result and the coupling of energy into the workpiece is less efficient. Since the diamond only has a flat, tilted, optically functional surface (back) as the coupling geometry, adjustment and compensation options are limited. The adjustment process is sensitive and can lead to non-ideal process conditions. Furthermore, it is dependent on the overall geometry of the diamond tool.
[10] Die Dimensionen eines Werkzeugdiamanten liegen ca. bei 3 x 3 x 3 mm3. In der Zerspanzone wird klassisch ein Gemisch aus Kühlschmierstoff und Druckluft eingeblasen. Bei der Bearbeitung entstehen feinste Späne, die durch die Druckluft und die Prozesskinematik umher gewirbelt werden. Abhängig von der Bauteilkontur, den Strömungsverhältnissen und der Prozessführung kann es zu Verschmutzungen an der Einkoppelfläche des Diamanten kommen. Die Laserstrahlung verbrennt Späne oder Kühlschmiermittel, wodurch es zu einer veränderten Strahleinkopplung und resultierend einer veränderten Prozessführung kommen kann. [10] The dimensions of a diamond tool are around 3 x 3 x 3 mm 3 . A mixture of cooling lubricant and compressed air is blown into the machining zone. During processing, the finest chips are created, which are caused by the compressed air and the process kinematics are whirled around. Depending on the component contour, the flow conditions and the process control, contamination can occur on the coupling surface of the diamond. The laser radiation burns chips or cooling lubricants, which can lead to a change in the beam coupling and, as a result, to a change in the process control.
[11] Weiterhin sieht die EP 3484658 keine Regelung der Laserleistung vor, sondern beschreibt nur die vereinfachte Strahlführung im Diamanten mit Strahleinkopplung an der Planfläche. Die DE 10 2019 005 691 Al beschreibt zur Regelung des Lasers die Nutzung eines Pyrometers, welches im Freistrahl auf die Werkstückoberfläche geführt wird. Somit lässt sich mit Mitteln aus dem Stand der Technik eine präzise Regelung aufbauen, mit der die Laserleistung derart kontrolliert wird, dass fortwährend und ortsunabhängig die Temperatur in der Zerspanungszone bzw. in Messnähe zur Zerspanzone konstant gehalten werden kann. Diese Regelung funktioniert allerdings auch nur bei idealen Prozessbedingungen. Treffen Späne oder Kühlschmierstoff in den Laserstrahl, verglühen diese dort umgehend. Das Pyrometer detektiert eine plötzliche Temperaturüberhöhung und regelt die Laserleistung runter. Der eigentliche Prozess wird gestört. [11] Furthermore, EP 3484658 does not provide for regulation of the laser power, but only describes the simplified beam guidance in the diamond with beam coupling on the planar surface. DE 10 2019 005 691 A1 describes the use of a pyrometer for controlling the laser, which is guided onto the workpiece surface in a free jet. Thus, using means from the prior art, a precise regulation can be set up, with which the laser power is controlled in such a way that the temperature in the machining zone or in the measurement vicinity of the machining zone can be kept constant continuously and independent of location. However, this regulation only works under ideal process conditions. If chips or cooling lubricant hit the laser beam, they burn up there immediately. The pyrometer detects a sudden increase in temperature and regulates the laser power down. The actual process is disrupted.
[12] Die DE 196 13 183 beschreibt eine Vorrichtung, die ein optisch durchlässiges Strahlführungselement aufweist, das einen Laserstrahl durch eine Bohrung im Werkzeug bis zu einem optisch durchlässigen Fenster führt, sodass eine Strahlung vom Strahlführungselement in das Werkzeug gelangen kann und durch das Fenster wieder aus dem Werkzeug austreten kann. [12] DE 196 13 183 describes a device that has an optically transparent beam guidance element that guides a laser beam through a hole in the tool to an optically transparent window, so that radiation can enter the tool from the beam guidance element and through the window again can escape from the tool.
[13] Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine derartige Vorrichtung, wie sie in der EP3484658 beschrieben ist, und gattungsgemäße Verfahren weiterzuentwickeln. [13] The invention is based on the object of further developing such a device as described in EP3484658 and generic methods.
[14] Diese Aufgabe wird mit einer Vorrichtung nach Anspruch 1, einem Verfahren nach Anspruch 14 und einem Verfahren nach Anspruch 19 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche. [14] This object is achieved with a device according to claim 1, a method according to claim 14 and a method according to claim 19. Advantageous developments are the subject of the subclaims.
[15] Die grundlegende Erfindung basiert auf der Nutzung eines Strahlführungselementes, welches optisch funktional an das Diamantwerkzeug, das eine optisch durchlässige Schneidengeometrie aufweist, angekoppelt ist. Der Laserstrahl durchläuft somit auf dem Weg zur Schneidkante zuerst das Strahlführungselement und dann den Werkzeuggrundkörper. Im Sinne der Prozessführung bei der Zerspanung sollte das Intensitätsprofil der Laserstrahlung an der aktiv zerspanenden Schneidkante möglichst deterministisch einstellbar sein. Durch die Nutzung eines Strahlführungselementes lässt sich die Vorrichtung auf unterschiedliche Weise für diese Anforderung verbessern. [15] The basic invention is based on the use of a beam guiding element, which is optically functionally coupled to the diamond tool, which has an optically transparent cutting edge geometry. On the way to the cutting edge, the laser beam thus first passes through the beam guidance element and then through the tool body. in the In terms of process control during machining, the intensity profile of the laser radiation at the actively machining cutting edge should be adjustable as deterministically as possible. By using a beam guidance element, the device can be improved in different ways for this requirement.
[16] Das Strahlführungselement verlängert die Strecke der sicheren Festkörperstrahlführung derart, dass die Problematik der Verschmutzung in der Zerspanzone minimiert bzw. vollständig verhindert wird. Dabei kann das Festkörperelement als eigensteifes optisches Bauteil mit einer eigenen Einkoppelgeometrie für einen Laserfreistrahl ausgeführt sein. Alternativ kann das Strahlführungselement als flexible Lichtleitfaser ausgeführt sein, die unter vollständigem Schutz vor Umgebungsverschmutzung direkt an einen Laser weit entfernt von der Zerspanzone angekoppelt werden kann. [16] The beam guidance element extends the path of safe solid-state beam guidance in such a way that the problem of contamination in the machining zone is minimized or completely prevented. The solid-state element can be designed as an inherently rigid optical component with its own coupling geometry for a free laser beam. Alternatively, the beam guiding element can be designed as a flexible optical fiber that can be coupled directly to a laser far away from the machining zone while being completely protected from environmental pollution.
[17] Für gängige Laserwellenlängen im Bereich von 1 pm bzw. drunter (Faserlaser, Diodenlaser, NdYag Laser) können derartige Strahlführungselemente aus Glas hergestellt werden. Vorteilhaft bei der Ausführung aus Glas ist die gängige Bearbeitbarkeit zur Herstellung optischer Flächen mit nicht planarer Geometrie (Linsen). Zur verbesserten Einkopplung mit der Möglichkeit der Strahlformung können beispielsweise sphärische bzw. asphärische Geometrien auf der Einkoppelseite des Strahlführungselementes gefertigt werden. Auch können optisch funktionale, nicht planare Flächen bzw. eigenständige Linsen im Bereich der Auskopplung des Strahlführungselementes und der Einkopplung hin zum Diamanten eingebracht werden. Durch diesen Gestaltungsffeiheitsgrad kann abhängig von der Werkzeugschneidengeometrie signifikant präziser und flexibler die Laserstrahlung ohne störende Streustrahlung aufgrund von Totalreflexion im Werkzeuginneren an die Schneidkante geführt werden. Auch kann das Laserstrahlintensitätsprofil an der Schneidkante derart beeinflusst werden, dass über dem Schneidenradius des Werkzeugs sich ein möglichst homogenes oder frei zu definierendes Intensitätsprofil ergibt. Vorteilhaft ist hierbei die Nutzung nicht rotationssymmetrischer Linsengeometrien, wie sie beispielsweise aus der Diodenlasertechnik bekannt sind (FAC, Fast Axis Collimation). Die Divergenz des Laserstrahls wird somit in einer Richtung (z.B. horizontale Richtung) minimiert, wohingegen sie in lateraler Richtung (entlang der Werkzeugschneide) mit homogener Verteilung zugelassen wird. [18] Neben dem Aufbringen einer nicht planaren optischen Funktionsgeometrie auf dem Ende des Strahlführungselementes bzw. dem Einfügen einer eigenständigen Mikrooptik zwischen Strahlführungselement und Werkzeug kann auch eine derartige Funktionsfläche in das Werkzeug selbst eingebracht werden. Vorteilhaft ist die Bearbeitung einer Werkzeugseite zur Strahleinkopplung mit Laser durch Materialabtrag bzw. Sublimation. Dies gilt insbesondere für den ansonsten kaum zu bearbeitbaren Diamant. Durch gezielte Laserpulsung kann geometrisch präzise Material vom Diamant abgetragen werden, um Linsengeometrien hochflexibel und auch nicht-rotationssymmetrisch herzustellen. Ein Schleifen und Polieren des Diamanten kann somit vermieden werden. Die Oberflächenrauheiten beim Laserabtragen reichen meist nicht aus, um Streustrahlung bei der Einkopplung auf einem ausreichend geringen Niveau zu halten. Durch die geschickte Wahl eines ausgleichenden Klebers bzw. Kitts zwischen Strahlführungselement und Werkzeug können aber so zumindest stückweit Oberflächenrauheiten ausgeglichen werden (vgl. Absatz optisch funktionales Fügen). [17] For common laser wavelengths in the range of 1 pm or below (fiber laser, diode laser, NdYag laser), such beam guiding elements can be made of glass. The advantage of the glass version is the usual processability for the production of optical surfaces with non-planar geometry (lenses). For improved in-coupling with the possibility of beam shaping, for example, spherical or aspherical geometries can be produced on the in-coupling side of the beam-guiding element. Optically functional, non-planar surfaces or independent lenses can also be introduced in the area of the outcoupling of the beam guiding element and the incoupling towards the diamond. This degree of design freedom means that, depending on the geometry of the tool cutting edge, the laser radiation can be guided to the cutting edge significantly more precisely and flexibly without disturbing scattered radiation due to total reflection inside the tool. The laser beam intensity profile at the cutting edge can also be influenced in such a way that an intensity profile that is as homogeneous as possible or can be freely defined results over the cutting edge radius of the tool. The use of non-rotationally symmetrical lens geometries, such as those known from diode laser technology (FAC, Fast Axis Collimation), is advantageous here. The divergence of the laser beam is thus minimized in one direction (eg horizontal direction), whereas it is permitted with homogeneous distribution in the lateral direction (along the cutting edge of the tool). [18] In addition to applying a non-planar optical functional geometry to the end of the beam guidance element or inserting an independent micro-optics between the beam guidance element and the tool, such a functional surface can also be introduced into the tool itself. It is advantageous to process one side of the tool for coupling the beam with a laser through material removal or sublimation. This applies in particular to diamond, which is otherwise almost impossible to process. Targeted laser pulsing can be used to remove geometrically precise material from the diamond in order to produce lens geometries that are highly flexible and also non-rotationally symmetrical. Grinding and polishing of the diamond can thus be avoided. The surface roughness during laser ablation is usually not sufficient to keep scattered radiation at a sufficiently low level during coupling. By skilfully choosing a compensating adhesive or putty between the beam guidance element and the tool, however, surface roughness can be compensated for at least partially (cf. paragraph on optically functional joining).
[19] Strahlführungselemente aus Diamant sind weniger flexibel geometrisch gestaltbar, ermöglichen aber bei der Nutzung von CO2 Laserstrahlung mit Wellenlängen von 10.6 pm (für Glas nicht transparent) die Festkörperstrahlführung zur Vermeidung von Verschmutzung. Alternativ können Hohlglasfasem verwendet werden. [19] Beam guidance elements made of diamond are less flexible in terms of geometry, but when using CO2 laser radiation with wavelengths of 10.6 pm (not transparent for glass) they enable solid-state beam guidance to avoid contamination. Alternatively, hollow glass fibers can be used.
[20] Die optisch funktionale Verbindung in der Koppelzone kann unterschiedlich ausgeführt werden, muss aber verhindern, dass ein Zwischenraum zwischen Strahlführungselement und Werkzeugschneide entsteht, in den Gas-, Flüssigkeits- bzw. Festkörperverschmutzung eindringen kann. Prinzipiell kann dies durch ein mechanisches Zusatzelement geschehen, welches am Werkzeug selbst oder der Werkzeughalterung befestigt ist und das Strahlführungselement nach erfolgter Ausrichtung ortsfest klemmt. Insbesondere bei der Verwendung einer rotationssymmetrischen Glasfaser ist eine derartige Klemmung gut vorstellbar. Strahlführungselement und Werkzeug werden dabei so zueinander mechanisch fixiert, dass sie entweder unmittelbar aufeinander aufliegen oder ein Luftspalt verbleibt, der jedoch durch das mechanische Element schmutzdicht verschlossen bleibt. [20] The optically functional connection in the coupling zone can be designed in different ways, but it must prevent a gap between the beam guiding element and the cutting edge of the tool, into which gas, liquid or solid contamination can penetrate. In principle, this can be done by an additional mechanical element, which is attached to the tool itself or the tool holder and clamps the beam guidance element in place after alignment has taken place. Clamping of this type is particularly conceivable when using a rotationally symmetrical glass fiber. Beam guidance element and tool are mechanically fixed to each other in such a way that they either lie directly on top of each other or an air gap remains, which remains closed dirt-tight by the mechanical element.
[21] Alternativ und vorteilhaft zur mechanischen Klemmung kann zur optisch funktionalen Kopplung von Strahlführungselement und Werkzeug ein Kleber bzw. ein optischer Kitt verwendet werden. Dabei erfüllt der Kleber bzw. der Kitt die Aufgaben der mechanischen Fixierung nach der Aushärtung, der Abschottung vor Verschmutzung und der Gestaltung des Brechungsübergangs durch sogenanntes Indexmatching. Der Kleber mit Brechungsindex nd3 mittelt verlustreduziert den Übergang des Strahls vom Strahlfuhrungselement mit Brechungsindex ndl zum Diamanten mit Brechungsindex nd2. Bei einer nicht planen Gestaltung des Übergangs zwischen Strahlführung und Werkzeug kann somit Volumen aufgefüllt werden. Weiterhin kann ein derartiger Kleber oder Kitt Restoberflächenrauheiten egalisieren, um Streustrahlung zu verhindern. Die Vorbearbeitung der Werkzeugrückseite muss nicht ebenso präzise durchgefuhrt werden, wie dies bei der direkten Einkopplung eines Freistrahls der Fall ist. [21] As an alternative and advantageous to mechanical clamping, an adhesive or an optical cement can be used for the optically functional coupling of the beam guidance element and the tool. The adhesive or the putty fulfills the tasks of mechanical fixation after hardening, sealing off from dirt and designing the refraction transition by so-called index matching. The adhesive with refractive index nd3 averages the transition of the beam from the beam guiding element with refractive index ndl to the diamond with refractive index nd2 with reduced losses. With a non-planar design of the transition between the beam guide and the tool, volume can thus be filled. Furthermore, such an adhesive or putty can level out residual surface roughness in order to prevent scattered radiation. The pre-machining of the back of the tool does not have to be carried out with the same precision as is the case with the direct coupling of a free jet.
[22] Naheliegend für die Einkopplung des Laserstrahls in ein Werkzeug mit Schneidkante zwischen Freifläche und Spanfläche durch ein Strahlfuhrungselement ist die der Schneidkante gegenüberliegende Seite des Werkzeugs. Nach dem Brechungsgesetz von Snellius wird der Laserstrahl umgelenkt bzw. gebrochen, durch Auswahl der Winkelverhältnisse an der Übergangszone zwischen Werkzeug und Strahlfuhrungselement kann der Laserstrahl positioniert werden. [22] The most obvious way to couple the laser beam into a tool with a cutting edge between the flank face and the rake face is to use a beam guidance element on the side of the tool opposite the cutting edge. The laser beam is deflected or refracted according to Snell's law of refraction. The laser beam can be positioned by selecting the angle ratios at the transition zone between the tool and the beam guiding element.
[23] Alternativ dazu kann es aus Gründen der Zugänglichkeit bzw. der spezifischen Werkzeuggeometrie und des wünschenswerten Auskoppelbereichs zwischen Freifläche und Spanfläche von Vorteil sein, eine werkzeuginterne Umlenkung des Laserstrahls vorzunehmen. Hierbei ist denkbar, mit dem Strahlfuhrungselement den Laserstrahl auf einer Seite einzukoppeln und an einer gegenüberliegenden Seite zu reflektieren. Der Laserstrahl kann beispielsweise an einer Werkzeugoberseite eingekoppelt und an einer Werkzeugunterseite reflektiert werden. Alternativ ist ein geschlitzter Werkzeughalter denkbar, über den das Strahlfuhrungselement an die Unterseite des Werkzeugs gekoppelt wird und die Umlenkung an der Werkzeugoberseite stattfindet. [23] Alternatively, for reasons of accessibility or the specific tool geometry and the desirable decoupling area between the flank face and the rake face, it can be advantageous to deflect the laser beam inside the tool. It is conceivable here to couple the laser beam on one side with the beam guidance element and to reflect it on an opposite side. The laser beam can, for example, be coupled in at a top side of the tool and reflected at a bottom side of the tool. Alternatively, a slotted tool holder is conceivable, via which the beam guiding element is coupled to the underside of the tool and the deflection takes place on the upper side of the tool.
[24] Neben der Laserstrahlführung im Strahlfuhrungselement und anschließend im Werkzeug beschreibt die Erfindung weiterhin die koaxiale bzw. zueinander versetzte Führung des Messstrahls eines Temperatursensors. Dieser Temperatursensor ist vorzugsweise ein Pyrometer. [24] In addition to the laser beam guidance in the beam guidance element and then in the tool, the invention also describes the coaxial or mutually offset guidance of the measuring beam of a temperature sensor. This temperature sensor is preferably a pyrometer.
[25] Wird das Strahlfuhrungselement als eigensteifer Festkörper ausgelegt, können zwei separate Strahlen (Laser und Pyrometer) nebeneinander in die Einkoppelfläche des Strahlfuhrungselementes eingekoppelt werden. Die Einkoppelfläche kann dabei als zusammenhängende ebene bzw. optisch funktional gewölbte Fläche gestaltet sein oder zwei oder mehr Einzeloptiken zur separaten Einkopplung von Laser- und Pyrometerstrahl aufweisen. Durch die Berücksichtigung des Brechungsgesetzes von Snellius kann die Lage zwischen Laserstrahl und Messstrahl an der Auskoppelgeometrie im Werkzeug beeinflusst werden. Alternativ können vor der Einkopplung in das Strahlführungselement der Laser- und der Messstrahl koaxial gekoppelt werden. Dies geschieht vorzugsweise durch einen Umlenkspiegel, der einen der Strahlen um 90° ablenkt. Ein zweiter, halbdurchlässiger Spiegel lenkt den zuvor umgelenkten Strahl erneut um 90° um, während der zweite Strahl den halbdurchlässigen Spiegel uneingeschränkt durchstrahlt. Dies ist möglich aufgrund unterschiedlicher Wellenlängen zwischen Laser (ca. 1 pm) und Pyrometer (ca. l,5pm). Der so koaxial zusammengeführte Laserstrahl kann nun, wie zuvor für den reinen Laser beschrieben, in das Strahlführungselement eingekoppelt und in das Werkzeug weitergeleitet werden. Aufgrund der unterschiedlichen Brechungsindizes und der unterschiedlichen Wellenlängen treffen der Laser- und der Messstrahl allerdings nicht an der gleichen Stelle aus dem Werkzeug aus. Bei Verwendung von Glasfasern als Strahlftihrungselement können Laser- als auch Messstrahl separat an das Werkzeug herangeführt und eingekoppelt werden. Für die Trennzone zwischen Strahlführungselementen und Werkzeug können für beide Einkoppelstellen, wie bereits beschrieben, optisch funktional gewölbte Flächen wahlweise auf das Ende des Strahlführungselements, als Mikrooptik separat dazwischen oder in das Werkzeug direkt eingebracht werden, um die Divergenz der Strahlung zu kontrollieren. [25] If the beam guidance element is designed as an inherently rigid solid, two separate beams (laser and pyrometer) can be coupled side by side into the coupling surface of the beam guidance element. The in-coupling surface can be designed as a continuous flat or optically functionally curved surface, or two or have more individual optics for the separate coupling of laser and pyrometer beam. By taking Snell's law of refraction into account, the position between the laser beam and the measuring beam can be influenced at the decoupling geometry in the tool. Alternatively, the laser beam and the measuring beam can be coaxially coupled before being coupled into the beam guidance element. This is preferably done using a deflection mirror that deflects one of the beams by 90°. A second, semi-transparent mirror deflects the previously deflected beam again by 90°, while the second beam shines through the semi-transparent mirror without restriction. This is possible due to the different wavelengths between the laser (approx. 1 pm) and the pyrometer (approx. 1.5 pm). The laser beam brought together coaxially in this way can now, as previously described for the pure laser, be coupled into the beam guiding element and forwarded into the tool. However, due to the different refractive indices and the different wavelengths, the laser and measuring beams do not exit the tool at the same point. If glass fibers are used as the beam guidance element, the laser and measuring beam can be guided separately to the tool and coupled in. For the separation zone between the beam guiding elements and the tool, optically functional curved surfaces can be placed either on the end of the beam guiding element, as micro-optics separately in between or directly in the tool for both coupling points, as already described, in order to control the divergence of the radiation.
[26] Insbesondere bei Lichtleitfasern (z.B. SMA Faser, 200 pm Kern) liegt eine typische NA bei 0,22, d.h. ein Divergenzvollwinkel der austretenden Strahlung beträgt 21°. Dieser muss durch eine fokussierend wirkende optische Funktionsfläche reduziert werden, um ausreichend fein die Werkzeugschneidkante zu belichten. [26] Especially with optical fibers (e.g. SMA fiber, 200 pm core) a typical NA is 0.22, i.e. a full divergence angle of the emitted radiation is 21°. This must be reduced by a focusing optical functional surface in order to expose the tool cutting edge sufficiently finely.
[27] Aufgrund der Dimensionen der zu fügenden Teile Werkzeug und Strahlführungselement, aufgrund der Sensitivität des optischen Strahlengangs in den Festkörpern und an der Übergangszone als auch aufgrund der gestalterischen Möglichkeiten durch die Einbringung von Linsengeometrien ist die Justage von Werkzeug und Strahlführungselement entscheidend. [27] Due to the dimensions of the parts to be joined (tool and beam guiding element), due to the sensitivity of the optical beam path in the solid bodies and at the transition zone as well as due to the design possibilities through the introduction of lens geometries, the adjustment of tool and beam guiding element is crucial.
[28] Die Erfindung schlägt eine voll- bzw. teilautomatisierte Montage mit integriertem Fügeprozess vor. Dabei wird das Werkzeug samt Werkzeughalter in einer Vorrichtung eingespannt. Ein Greifer fasst das Strahlführungselement. Die greifereigene Kinematik oder die eines übergeordneten Bewegungssystems ermöglicht das Positionieren des Strahlführungselementes in fünf bzw. sechs Freiheitsgraden. Vorzugsweise ist die Kinematik motorisiert, sie kann allerdings auch manuell betätigt werden. Alternativ können das Strahlfuhrungselement geklemmt und das Werkzeug aktiv geführt werden. Die Regelung der Positionierung kann dabei passiv oder aktiv realisiert werden. [28] The invention proposes fully or partially automated assembly with an integrated joining process. The tool and tool holder are clamped in a device. A gripper holds the beam guidance element. The gripper's own kinematics or that of a higher-level movement system enables the beam guidance element to be positioned in five or six degrees of freedom. The kinematics are preferably motorized, but they can also be operated manually. Alternatively, the beam guiding element can be clamped and the tool actively guided. The positioning can be controlled passively or actively.
[29] Bei der passiven Variante erfolgt die Justage durch den Greifer anhand von Geometriemerkmalen. So erkennen z.B. zwei Kameras mit telezentrischen, verzerrungsfreien Objektiven Geometriemerkmale von Werkzeug und Strahlführungselement. Durch einen derartigen Messaufbau können bis zu 5 Freiheitsgrade (3 x translatorisch, 2 x rotatorisch) ermittelt werden. Anhand dieser Geometriemerkmale wird eine Justage vorgenommen. Alternativ zu den Kameras können andere Sensoren Verwendung finden, so zum Beispiel chromatisch konfokale Abstandssensoren, die die Lagen von Referenzflächen detektieren. Fertigungstoleranzen verhindern jedoch bei diesem Ansatz eine Aussage über die tatsächliche Strahl- und Intensitätsausprägung an der Schneide des Werkzeugs. [29] In the passive variant, the adjustment is made by the gripper using geometric features. For example, two cameras with telecentric, distortion-free lenses detect geometric features of the tool and beam guiding element. With such a measurement setup, up to 5 degrees of freedom (3 x translational, 2 x rotational) can be determined. An adjustment is made on the basis of these geometric features. As an alternative to the cameras, other sensors can be used, for example chromatic confocal distance sensors that detect the positions of reference surfaces. With this approach, however, manufacturing tolerances prevent a statement about the actual beam and intensity characteristics at the cutting edge of the tool.
[30] Vor diesem Hintergrund wird vorzugsweise aktiv justiert. Hierbei wird ein Pilotstrahl oder ein abgeschwächter direkter Laserstrahl in das Strahlfuhrungselement eingekoppelt und in das Werkzeug überführt. Der Prozess beginnt in einer sinnvollen geometrischen Ausgangslage. Vor der Schneidkante des Werkzeugs oder allgemeiner gesprochen der prozessrelevanten Auskoppelfläche am Werkzeug wird ein Messaufbau platziert, der die austretende Strahlung zum Beispiel in Form der Leistung oder der Intensitätsverteilung direkt messen kann. Dies kann z.B. eine Lochblende mit dahinter verorteter Ulbrichtkugel bzw. eine Direktkamera mit entsprechend abschwächenden Laserfiltern sein. Wird bei eingeschaltetem Strahl nun das Strahlfuhrungselement relativ zum Werkzeug bewegt, verändert sich das Signal, welches die Strahlcharakteristik an der Auskoppelstelle beschreibt. Es werden solange unterschiedliche Relativpositionierungen zwischen den Fügegliedern vorgenommen bis ein gewünschter Zustand eintritt. Vorzugsweise unterstützen Suchalgorithmen die Systematik der Positionsveränderung, um eine schnellere Konvergenz zu bewirken. Aus der Lasermontage sind beispielsweise sogenannte Hill Climb Algorithmen bekannt. [30] Against this background, active adjustment is preferred. Here, a pilot beam or an attenuated direct laser beam is coupled into the beam guidance element and transferred to the tool. The process begins in a meaningful geometric starting point. A measuring setup is placed in front of the cutting edge of the tool or, more generally speaking, the process-relevant decoupling surface on the tool, which can directly measure the emitted radiation, for example in the form of power or intensity distribution. This can be, for example, a pinhole diaphragm with an integrating sphere located behind it or a direct camera with correspondingly attenuating laser filters. If the beam guidance element is moved relative to the tool while the beam is switched on, the signal that describes the beam characteristics at the decoupling point changes. Different relative positionings between the joining members are carried out until a desired state occurs. Search algorithms preferably support the systematics of the position change in order to bring about faster convergence. For example, so-called hill climb algorithms are known from laser assembly.
[31] Für die aktive Justage ist vorzugsweise ein UV (ultraviolett) aushärtender Kleber zu verwenden. Der Kleber wird vor dem Fügevorgang auf die Fügepartner an der Koppelstelle appliziert. Die Justage erfolgt während der Kleber niedrigviskos die Fügezone ausfüllt. Ist eine geeignete Relativposition zwischen Werkzeug und Strahlführungselement gefunden, sorgt eine UV Lichtquelle für das Aushärten und Fixieren des Klebers. Der Greifer hält währenddessen den beweglichen Fügepartner. [31] A UV (ultraviolet) hardening adhesive should preferably be used for active adjustment. The adhesive is applied to the joint partners at the coupling point before the joining process. The adjustment is made while the low-viscosity adhesive fills the joining zone. is Once a suitable relative position has been found between the tool and the beam guidance element, a UV light source ensures that the adhesive hardens and fixes in place. Meanwhile, the gripper holds the movable joining partner.
[32] Je nach Gestaltung der Fügestelle ist bei diesem Vorgang die Schwindung bzw. der Schrumpf des Klebers zu berücksichtigen. Dieser ist i.d.R. signifikant stärker als die Steifigkeit des Greifers. Ein Entgegenhalten mit Kraft ist nicht erfolgsversprechend. Mit ausreichender Kenntnis über den Volumenschrumpf kann allerdings eine Korrekturbewegung vor Einschalten der UV Lichtquelle bestimmt und vorgehalten werden, mit der und der Schwindung sich eine optimale Endposition einstellt. Alternativ zu UV aushärtendem Kleber kann auch thermisch aushärtender Kleber verwendet werden. [32] Depending on the design of the joint, the shrinkage or contraction of the adhesive must be taken into account during this process. This is usually significantly stronger than the rigidity of the gripper. Countering with force is not promising. With sufficient knowledge of the volume shrinkage, however, a corrective movement can be determined and made available before the UV light source is switched on, with which and with the shrinkage an optimal end position is set. As an alternative to UV-curing adhesive, thermally curing adhesive can also be used.
Mehrere Ausführungsbeispiele sind in der Zeichnung dargestellt und werden im Folgenden näher beschrieben. Es zeigt Several exemplary embodiments are shown in the drawing and are described in more detail below. It shows
Figur 1 schematisch eine Vorrichtung mit einem Werkzeug, in welches ein Laserstrahl direkt ohne Strahlführungselement eingekoppelt wird, Figure 1 shows a schematic of a device with a tool into which a laser beam is coupled directly without a beam guiding element,
Figur 2 schematisch einen seitlichen Schnitt durch ein Werkzeug mit Schneidkante, Spanfläche sowie Freifläche und angekoppeltem Strahlführungselement, wobei ein Laserstrahl Strahlführungselement und Werkzeug durchstrahlt,Figure 2 shows a schematic side section through a tool with cutting edge, rake face and flank and coupled beam guidance element, with a laser beam radiating through the beam guidance element and tool,
Figur 3 schematisch eine Vorrichtung wie in Figur 2, wobei neben dem Laserstrahl ein weiterer Messstrahl durch das Strahlführungselement und das Werkzeug gestrahlt wird, FIG. 3 shows a schematic of a device as in FIG.
Figur 4 schematisch eine Vorrichtung wie in Figur 3 mit Laserstrahl und Messstrahl, die jedoch ohne Strahlführungselement direkt in das Werkzeug eingekoppelt werden, FIG. 4 shows a schematic of a device as in FIG. 3 with a laser beam and measuring beam, which, however, are coupled directly into the tool without a beam guiding element,
Figur 5 schematisch eine Vorrichtung, bei der der Laserstrahl und der Messstrahl koaxial über eine optisch funktionale Fläche in das Strahlführungselement eingekoppelt und dann über die optisch funktionale Fügestelle weiter in das Werkzeug geführt werden, Figur 6 schematisch die gleiche Vorrichtung wie in Figur 5 mit Laserstrahl und Messstrahl, die koaxial über Spiegel zusammengeführt, jedoch ohne Strahlfuhrungselement direkt in das Werkzeug mit Schneidkante eingekoppelt werden, FIG. 5 shows a schematic of a device in which the laser beam and the measuring beam are coupled coaxially into the beam guidance element via an optically functional surface and then guided further into the tool via the optically functional joint, FIG. 6 shows schematically the same device as in FIG. 5 with a laser beam and measuring beam, which are brought together coaxially via mirrors, but are coupled directly into the tool with the cutting edge without a beam guiding element,
Figur 7 schematisch eine Vorrichtung mit Werkzeug und Strahlführungselement, zwischen denen eine eigenständige Optik bzw. Mikrooptik durch optisch funktionale Schichten fixiert ist, FIG. 7 shows a schematic of a device with tool and beam guidance element, between which independent optics or micro-optics are fixed by optically functional layers,
Figur 8 schematisch eine Vorrichtung mit Werkzeug und Strahlfuhrungselement, zwischen denen eine optisch funktionale, nicht planare Fläche angeordnet ist, die in den Werkzeuggrundkörper eingebracht ist, FIG. 8 shows a schematic of a device with a tool and beam guidance element, between which an optically functional, non-planar surface is arranged, which is introduced into the tool body,
Figur 9 schematisch eine Vorrichtung mit einem Werkzeug, in welches die Laserstrahlung über eine optisch funktionale Koppelstelle durch eine Lichtleitfaser eingebracht wird, FIG. 9 shows a schematic of a device with a tool into which the laser radiation is introduced via an optically functional coupling point through an optical fiber,
Figur 10 schematisch eine Vorrichtung mit einem Werkzeug, in welches dieFigure 10 schematically shows a device with a tool in which the
Laserstrahlung über eine Lichtleitfaser mit zusätzlicher mikrooptischer Kollimationsoptik bzw. einer Grin-Faser eingekoppelt wird, Laser radiation is coupled in via an optical fiber with additional micro-optical collimation optics or a Grin fiber,
Figur 11 schematisch eine Vorrichtung ähnlich der in Figur 10 gezeigten, bei der die mikrooptische Kollimationsoptik in das Werkzeug selbst eingebracht ist,FIG. 11 schematically shows a device similar to that shown in FIG. 10, in which the micro-optical collimation optics are incorporated into the tool itself,
Figur 12 schematisch eine Vorrichtung mit einem Werkzeug, in welches dieFigure 12 schematically shows a device with a tool in which the
Laserstrahlung über eine erste Lichtleitfaser mit einer optisch funktionalen Fügestelle eingekoppelt wird und eine Messstrahlung über eine zweite Lichtleitfaser mit einer optisch funktionalen Fügestelle in das Werkzeug eingekoppelt wird, Laser radiation is coupled in via a first optical fiber with an optically functional joint and measuring radiation is injected into the tool via a second optical fiber with an optically functional joint,
Figur 13 schematisch eine Vorrichtung mit einem Werkzeug, in welches dieFigure 13 schematically shows a device with a tool in which the
Laserstrahlung über eine Lichtleitfaser und eine optisch funktionale Koppelstelle eingebracht wird und ein Spiegelelement den Laserstrahl reflektiert, Figur 14 eine Vorrichtung ähnlich der in Figur 13 gezeigten mit dem Unterschied, dass die Laserstrahlung direkt ohne Strahlfuhrungselement in die Oberfläche des Werkzeugs eingekoppelt wird, Laser radiation is introduced via an optical fiber and an optically functional coupling point and a mirror element reflects the laser beam, FIG. 14 shows a device similar to that shown in FIG. 13, with the difference that the laser radiation is coupled directly into the surface of the tool without a beam guiding element,
Figur 15 eine Vorrichtung ähnlich der in Figur 13 gezeigten mit dem Unterschied, dass die Einkopplung der Laserstrahlung an der Unterfläche des Werkzeugs geschieht, FIG. 15 shows a device similar to that shown in FIG. 13, with the difference that the laser radiation is coupled in on the underside of the tool,
Figur 16 einen Verfahrensaufbau zur passiven Justage zwischen Werkzeug undFigure 16 shows a process structure for passive adjustment between the tool and
Strahlfuhrungselement mit anschließender Fixierung durch eine optisch funktionale Fügestelle und Beam guidance element with subsequent fixation by an optically functional joint and
Figur 17 einen Verfahrensaufbau für die aktive Justage zwischen Werkzeug undFigure 17 shows a process structure for the active adjustment between the tool and
Strahlführungselement mit anschließender Fixierung durch eine optisch funktionale Fügestelle. Beam guidance element with subsequent fixation by an optically functional joint.
[33] Die Figur 1 zeigt ein Werkzeug 1, in welches ein Laserstrahl 2 an der der Schneidkante 3 gegenüberliegenden Rückseite direkt ohne Strahlfuhrungselement eingekoppelt wird. Es entspricht dem Stand der Technik, wie er u.a. in der EP 3484658 beschrieben ist. Der Laserstrahl 2 tritt an der Schneidkante 3 mit einer horizontalen Intensitätsverteilung 4 und einer vertikalen Intensitätsverteilung 5 aus. Die Schneidkante 3 wird durch die Spanfläche 6 sowie die Freifläche 7 des Werkzeugs begrenzt. [33] FIG. 1 shows a tool 1 into which a laser beam 2 is coupled directly on the rear side opposite the cutting edge 3 without a beam guiding element. It corresponds to the prior art as described in EP 3484658, among others. The laser beam 2 exits at the cutting edge 3 with a horizontal intensity distribution 4 and a vertical intensity distribution 5 . The cutting edge 3 is delimited by the rake face 6 and the free face 7 of the tool.
[34] Die Figur 2 zeigt einen seitlichen Schnitt durch ein Werkzeug 1 mit Schneidkante 3, Spanfläche 6 sowie Freifläche 7. Das Werkzeug 1 ist auf einer Werkzeughalterung 8 aufgebracht. Der Laserstrahl 2 wird zuerst durch eine optisch funktionale Fläche 9 in das Strahlführungselement 10 eingekoppelt. An der optisch funktionalen Fügestelle 11 wird der Laserstrahl 2 aus dem Strahlführungselement 10 in das Werkzeug 1 geleitet, um im Bereich der Schneidkante 3 wieder auszutreten. [34] FIG. 2 shows a lateral section through a tool 1 with a cutting edge 3 , rake face 6 and free face 7 . The tool 1 is mounted on a tool holder 8 . The laser beam 2 is first coupled into the beam guidance element 10 through an optically functional surface 9 . The laser beam 2 is guided from the beam guidance element 10 into the tool 1 at the optically functional joint 11 in order to emerge again in the area of the cutting edge 3 .
[35] Die Figur 3 zeigt einen seitlichen Schnitt durch ein Werkzeug 1 mit Schneidkante 3 und Werkzeughalterung 8. In das Strahlfuhrungselement 10, welches durch die optisch funktionale Fügestelle 11 an das Werkzeug geklebt ist, wird neben dem Laserstrahl 2 ein Messstrahl 12 über die optisch funktionale Fläche 9 eingekoppelt. Auch dieser Messstrahl 12 wird in das Werkzeug 1 weitergeleitet, um in der Nähe der Schneidkante 3 ausgekoppelt zu werden. [35] Figure 3 shows a lateral section through a tool 1 with cutting edge 3 and tool holder 8. In the beam guidance element 10, which is glued to the tool by the optically functional joint 11, a measuring beam 12 is placed next to the laser beam 2 via the optically functional area 9 coupled. Also this measuring beam 12 is passed into the tool 1 to be decoupled near the cutting edge 3.
[36] Die Figur 4 zeigt die gleiche Vorrichtung wie in Figur 3 mit Laserstrahl 2 und[36] Figure 4 shows the same device as in Figure 3 with laser beam 2 and
Messstrahl 12, die jedoch ohne Strahlführungselement direkt in das Werkzeug 1 mitMeasuring beam 12, which, however, directly into the tool 1 without a beam guiding element
Schneidkante 3 eingekoppelt werden. Cutting edge 3 are coupled.
[37] Die Figur 5 zeigt eine Vorrichtung, bei dem der Laserstrahl 2 und der Messstrahl 12 koaxial über die optisch funktionale Fläche 9 in das Strahlführungselement 10 eingekoppelt und dann über die optisch funktionale Fügestelle 11 weiter in das Werkzeug 1 geführt werden. Beide Strahlen treten in der Nähe der Schneidkante 3 wieder aus. Die Kopplung des Messstrahls 12 mit dem Laserstrahl 2 geschieht durch einen Umlenkspiegel 13, welcher den Messstrahl 12 um 90° umlenkt. Ein zweiter halbdurchlässiger Spiegel 14 lenkt den Messstrahl erneut um 90° um, lässt dabei aber den Laserstrahl 2 durch. [37] FIG. 5 shows a device in which the laser beam 2 and the measuring beam 12 are coupled coaxially into the beam guidance element 10 via the optically functional surface 9 and then are guided further into the tool 1 via the optically functional joint 11 . Both beams exit again near the cutting edge 3 . The measuring beam 12 is coupled to the laser beam 2 by means of a deflection mirror 13, which deflects the measuring beam 12 by 90°. A second semi-transparent mirror 14 deflects the measurement beam again by 90°, but lets the laser beam 2 through.
[38] Die Figur 6 zeigt die gleiche Vorrichtung wie in Figur 5 mit Laserstrahl 2 und[38] Figure 6 shows the same device as in Figure 5 with laser beam 2 and
Messstrahl 12, die koaxial über die Spiegel 13 und 14 zusammengeführt, jedoch ohneMeasuring beam 12, which is brought together coaxially via the mirrors 13 and 14, but without
Strahlführungselement direkt in das Werkzeug 1 mit Schneidkante 3 eingekoppelt werden. Beam guiding element are coupled directly into the tool 1 with cutting edge 3.
[39] Die Figur 7 zeigt eine Vorrichtung mit Werkzeug 1 und Strahlführungselement 10, zwischen denen eine eigenständige Optik bzw. Mikrooptik 15 durch die optisch funktionalen Schichten 11 und 16 fixiert ist. Die Optik 15 ermöglicht eine angepasste Fokussierung der Laserstrahlung 2 nach Austritt aus dem Strahlführungselement 10, um die Intensitätsverteilung der Laserstrahlung 2 im Bereich der Schneidkante 3 zu beeinflussen. [39] FIG. 7 shows a device with a tool 1 and a beam guidance element 10, between which independent optics or micro-optics 15 are fixed by the optically functional layers 11 and 16. The optics 15 enable an adapted focusing of the laser radiation 2 after exiting the beam guidance element 10 in order to influence the intensity distribution of the laser radiation 2 in the area of the cutting edge 3 .
[40] Die Figur 8 zeigt eine Vorrichtung mit Werkzeug 1 und Strahlführungselement 10. Zwischen dem Strahlführungselement 10 und dem Werkzeug 1 ist eine optisch funktionale, nicht planare Fläche 17, die der Strahlfokussierung dient und direkt in den Grundkörper des Werkzeugs eingebracht ist. Die Intensitätsverteilung der Laserstrahlung 2 im Bereich der Schneidkante 3 kann durch die Optik 17 beeinflusst werden. [40] Figure 8 shows a device with tool 1 and beam guiding element 10. Between the beam guiding element 10 and the tool 1 is an optically functional, non-planar surface 17, which is used to focus the beam and is introduced directly into the main body of the tool. The intensity distribution of the laser radiation 2 in the area of the cutting edge 3 can be influenced by the optics 17 .
[41] Die Figur 9 zeigt eine Vorrichtung mit Werkzeug 1, in welches die Laserstrahlung 2 über eine optisch funktionale Koppelstelle 11 durch eine Lichtleitfaser 18 eingebracht wird. Die Laserstrahlung 2 tritt im Bereich der Schneidkante 3 aus. [42] Die Figur 10 zeigt eine Vorrichtung mit Werkzeug 1, in welches die Laserstrahlung 2 über eine Lichtleitfaser 18 mit zusätzlicher mikrooptischer Kollimationsoptik 19 und optisch funktionaler Fügestelle 11 eingekoppelt und im Bereich der Schneidkante 3 ausgekoppelt wird. [41] FIG. 9 shows a device with a tool 1 into which the laser radiation 2 is introduced via an optically functional coupling point 11 through an optical fiber 18 . The laser radiation 2 exits in the area of the cutting edge 3 . [42] FIG. 10 shows a device with a tool 1 into which the laser radiation 2 is coupled via an optical fiber 18 with additional micro-optical collimating optics 19 and an optically functional joint 11 and coupled out in the area of the cutting edge 3 .
[43] Die Figur 11 zeigt eine Vorrichtung wie in Figur 10 dargestellt, mit dem Unterschied, dass die mikrooptische Kollimationsoptik 20 in das Werkzeug selbst eingebracht ist. [43] Figure 11 shows a device as shown in Figure 10, with the difference that the micro-optical collimation optics 20 is incorporated into the tool itself.
[44] Die Figur 12 zeigt eine Vorrichtung mit Werkzeug 1, in welches die Laserstrahlung 2 über eine Lichtleitfaser 18 und eine optisch funktionale Fügestelle 11 eingekoppelt wird. Zusätzlich wird die Messstrahlung 12 über eine gesonderte Lichtleitfaser 21 und eine optisch funktionale Fügestelle 11 in das Werkzeug 1 eingekoppelt. Beide Strahlungen 2 und 12 verlassen das Werkzeug 1 im Bereich der Schneidkante 3. [44] FIG. 12 shows a device with a tool 1 into which the laser radiation 2 is coupled via an optical fiber 18 and an optically functional joint 11 . In addition, the measuring radiation 12 is coupled into the tool 1 via a separate optical fiber 21 and an optically functional joint 11 . Both radiations 2 and 12 leave the tool 1 in the area of the cutting edge 3.
[45] Die Figur 13 zeigt eine Vorrichtung mit Werkzeug 1, in welches die Laserstrahlung 2 über eine Lichtleitfaser 12 und die optisch funktionale Koppelstelle 11 eingebracht wird. Anders als in den Figuren 1-12 geschieht die Einkopplung an der Oberfläche 22 und nicht an der Rückseite 23 des Werkzeuges 1. Ein Spiegelelement 24 reflektiert den Laserstrahl 2, um ihn im Bereich der Schneidkante 3 auszukoppeln. Durch diesen Aufbau kann eine anders geartete Aufteilung der Laserstrahlauskopplung zwischen der Freifläche 7 und der Spanfläche 6 erzielt werden. [45] FIG. 13 shows a device with a tool 1 into which the laser radiation 2 is introduced via an optical fiber 12 and the optically functional coupling point 11 . Unlike in FIGS. 1-12, the coupling takes place on the surface 22 and not on the rear side 23 of the tool 1. A mirror element 24 reflects the laser beam 2 in order to couple it out in the area of the cutting edge 3. A different type of distribution of the laser beam decoupling between the flank 7 and the rake face 6 can be achieved with this structure.
[46] Die Figur 14 ähnelt Figur 13 mit dem Unterschied, dass die Laserstrahlung 2 direkt ohne Strahlfuhrungselement in die Oberfläche 22 des Werkzeugs 1 eingekoppelt wird. [46] FIG. 14 is similar to FIG. 13 with the difference that the laser radiation 2 is coupled directly into the surface 22 of the tool 1 without a beam guiding element.
[47] Die Figur 15 ähnelt Figur 13 mit dem Unterschied, dass die Einkopplung der Laserstrahlung 2 an der Unterfläche 25 des Werkzeugs 1 geschieht. Das Spiegelelement 24 ist an der Oberfläche 22 verortet. [47] FIG. 15 is similar to FIG. 13 with the difference that the coupling of the laser radiation 2 takes place on the lower surface 25 of the tool 1. The mirror element 24 is located on the surface 22 .
[48] Die Figur 16 zeigt den Verfahrensaufbau zur passiven Justage zwischen Werkzeug 1 und Strahlfuhrungselement 10 mit anschließender Fixierung durch eine optisch funktionale Fügestelle 11. Zwei Kameras 26 und 27 beobachten geometrische Merkmale (z.B. Kanten) von Werkzeug 1 und Strahlfuhrungselement 10, anhand derer die relative Ausrichtung stattfindet. Dabei sind Werkzeug 1 und Werkzeughalter ortsfest geklemmt. Ein Greifer 28 greift das zu justierende Strahlfuhrungselement 10. Er kann durch die Kinematik 29 in > 5 Freiheitsgraden positioniert werden. Die Ansteuerung der Kinematik 29 geschieht über das Regelsignal 30, welches durch eine Bildverarbeitung der Kameras 26 und 27 erzeugt wird. [48] Figure 16 shows the process structure for passive adjustment between tool 1 and beam guide element 10 with subsequent fixation by an optically functional joint 11. Two cameras 26 and 27 observe geometric features (e.g. edges) of tool 1 and beam guide element 10, using which the relative alignment takes place. Tool 1 and the tool holder are clamped in place. A gripper 28 grips the beam guidance element 10 to be adjusted. It can be adjusted by the kinematics 29 in> 5 degrees of freedom are positioned. The kinematics 29 are controlled via the control signal 30 which is generated by image processing by the cameras 26 and 27 .
[49] Die Figur 17 zeigt den Verfahrensaufbau für die aktive Justage zwischen Werkzeug 1 und Strahlführungselement 10 mit anschließender Fixierung durch eine optisch funktionale Fügestelle 11. Der Laserstrahl 2 wird bei reduzierter Leistung in das Strahlführungselement 10 eingekoppelt und in das Werkzeug 1 in Richtung Schneidkante 3 weitergeleitet. Eine Sensorik 31 detektiert die Intensitätsverteilung des Laserstrahls 2 an der Schneidkante 3 des Werkzeugs 1. Dabei sind Werkzeug 1 und Werkzeughalter ortsfest geklemmt. Ein Greifer 28 greift das zu justierende Strahlfuhrungselement 10. Er kann durch die Kinematik 29 in > 5 Freiheitsgraden positioniert werden. Die Ansteuerung der Kinematik 29 geschieht über das Regelsignal 30, welches aus dem Sensor 31 erzeugt wird. [49] Figure 17 shows the process structure for the active adjustment between tool 1 and beam guiding element 10 with subsequent fixation by an optically functional joint 11. The laser beam 2 is coupled into the beam guiding element 10 at reduced power and into the tool 1 in the direction of the cutting edge 3 forwarded. A sensor system 31 detects the intensity distribution of the laser beam 2 at the cutting edge 3 of the tool 1. The tool 1 and the tool holder are clamped in place. A gripper 28 grips the beam guidance element 10 to be adjusted. It can be positioned in >5 degrees of freedom by the kinematics 29 . The kinematics 29 are controlled via the control signal 30 which is generated from the sensor 31 .

Claims

Patentansprüche patent claims
1. Vorrichtung mit einem optisch durchlässigen Werkzeug (1) zum Bearbeiten einer Oberfläche, wobei die Vorrichtung ein optisch durchlässiges Strahlführungselement (10) aufweist, das an das optisch durchlässige Werkzeug (1) optisch funktional (11) angekoppelt ist, sodass eine Strahlung (2) vom Strahlführungselement (10) in das Werkzeug (1) gelangen kann, dadurch gekennzeichnet, dass das Werkzeug eine optisch durchlässige Schneide (3) aufweist, die zwischen einer Spanfläche (6) und einer Freifläche (7) für eine zerspanende Herstellung einer Oberfläche angeordnet ist. 1. Device with an optically transparent tool (1) for processing a surface, wherein the device has an optically transparent beam guiding element (10) which is optically functionally (11) coupled to the optically transparent tool (1) so that a radiation (2 ) from the beam guiding element (10) into the tool (1), characterized in that the tool has an optically transparent cutting edge (3) which is arranged between a cutting surface (6) and a free surface (7) for machining a surface is.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Werkzeug (1) der Schneide (3) gegenüberliegend eine v-förmige Rückseite mit in einem Winkel zueinander angeordneten Flächen aufweist. 2. Device according to claim 1, characterized in that the tool (1) opposite the cutting edge (3) has a V-shaped rear side with surfaces arranged at an angle to one another.
3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Winkel ein stumpfer Winkel ist. 3. Device according to claim 2, characterized in that the angle is an obtuse angle.
4. Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass das4. Device according to claim 2 or 3, characterized in that the
Strahlfuhrungselement (10) an den Flächen derart an das optisch durchlässige Werkzeug (1) angekoppelt ist, dass die Strahlung als Messstrahl und/oder als Laserstrahl in das Werkzeug gelangen kann. Beam guidance element (10) is coupled to the surfaces of the optically transparent tool (1) in such a way that the radiation can enter the tool as a measuring beam and/or as a laser beam.
5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Strahlführungselement (10) derart optisch funktional (11) angekoppelt ist, dass die Strahlung (2) an einen bestimmten Punkt im Bereich von Spanfläche (6), Schneide (3) oder Freifläche (7) des Werkzeugs (1) gelangt. 5. Device according to one of the preceding claims, characterized in that the beam guidance element (10) is optically functionally (11) coupled in such a way that the radiation (2) is directed at a specific point in the area of the rake face (6), cutting edge (3) or Free surface (7) of the tool (1) reaches.
6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das6. Device according to claim 5, characterized in that the
Strahlführungselement (10) derart optisch funktional (11) angekoppelt ist, dass die Strahlung (2) nahe der Schneide (3) auf die Freifläche (7) gelangt. The beam guiding element (10) is optically functionally coupled (11) in such a way that the radiation (2) reaches the free surface (7) near the cutting edge (3).
7. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Strahlführungselement (10) strahlformemde Eigenschaften aufweist. 7. Device according to one of the preceding claims, characterized in that the beam guiding element (10) has beam-forming properties.
8. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Werkzeug (1) als Schneide einen Diamant aufweist. 8. Device according to one of the preceding claims, characterized in that the tool (1) has a diamond as the cutting edge.
9. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Strahlführungselement (10) eine Lichtleitfaser (18) aufweist. 9. Device according to one of the preceding claims, characterized in that the beam guiding element (10) has an optical fiber (18).
10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Strahlführungselement eine Gradientenindex-Lichtleitfaser aufweist. 10. The device according to claim 9, characterized in that the beam guidance element has a gradient index optical fiber.
11. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in einem Übergangsbereich (11) zwischen Werkzeug (1) und Strahlführungselement (10) ein optisch funktionaler Kleber angeordnet ist. 11. Device according to one of the preceding claims, characterized in that an optically functional adhesive is arranged in a transition area (11) between the tool (1) and the beam guidance element (10).
12. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Einkoppelbereich des Strahlführungselements (10) mindestens eine Linse (9) angeordnet ist. 12. Device according to one of the preceding claims, characterized in that at least one lens (9) is arranged in the coupling-in region of the beam guidance element (10).
13. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Übergangsbereich (11) zwischen Werkzeug (1) und Strahlführungselement (10) eine gebogene Fläche wie insbesondere eine Linse (15) angeordnet ist. 13. Device according to one of the preceding claims, characterized in that a curved surface such as in particular a lens (15) is arranged in the transition region (11) between the tool (1) and the beam guiding element (10).
14. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie einen Laser aufweist, der so angeordnet ist, dass er eine Laserstrahlung (2) in das Strahlführungselement (10) einkoppelt. 14. Device according to one of the preceding claims, characterized in that it has a laser which is arranged in such a way that it couples laser radiation (2) into the beam guidance element (10).
15. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie einen Sensor aufweist, der so angeordnet ist, dass er einen Messstrahl (12) in das Strahlführungselement (10) einkoppelt. 15. Device according to one of the preceding claims, characterized in that it has a sensor which is arranged in such a way that it couples a measurement beam (12) into the beam guidance element (10).
16. Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor ein Temperaturmesssensor ist. 16. The device according to claim 15, characterized in that the sensor is a temperature measuring sensor.
17. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine Einkopplungsstelle (9, 23) für das gleichzeitige Einkoppeln eines Messstrahls (12) und eines Laserstrahls (2) aufweist. 17. Device according to one of the preceding claims, characterized in that it has a coupling point (9, 23) for the simultaneous coupling of a measuring beam (12) and a laser beam (2).
18. Vorrichtung mit einem optisch durchlässigen Werkzeug (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, das eine Schneide (3) und eine Einkopplungsstelle für einen Laser- (2) und/oder Messstrahl (12) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Einkopplungsstelle an der der Schneide (3) gegenüber liegenden Fläche (23) angeordnet ist, sodass der Laserstrahl (2) direkt auf die Schneide (3) geführt ist. 18. Device with an optically transparent tool (1) according to any one of the preceding claims, which has a cutting edge (3) and a coupling point for a laser (2) and / or measuring beam (12), characterized in that the Coupling point is arranged on the cutting edge (3) opposite surface (23), so that the laser beam (2) is guided directly onto the cutting edge (3).
19. Vorrichtung mit einem optisch durchlässigen Werkzeug (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, das eine Schneide (3) und eine Einkopplungsstelle für einen Laser- (2) und/oder Messstrahl (12) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass sie ein Spiegelelement (24) aufweist, das den an einer Seite des Werkzeugs eingekoppelten Laserstrahl (2) auf der gegenüberliegenden Seite zur Einkopplungsstelle total reflektiert. 19. Device with an optically transparent tool (1) according to one of the preceding claims, which has a cutting edge (3) and a coupling point for a laser (2) and/or measuring beam (12), characterized in that it has a mirror element ( 24) which totally reflects the laser beam (2) coupled into one side of the tool on the opposite side to the coupling point.
20. Verfahren zum Bearbeiten einer Oberfläche mit einem optisch durchlässigen Werkzeug (1), bei dem ein Laserstrahl (2) durch das Werkzeug (1) zu einer Schneide (3) geführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich ein Messstrahl (12), durch das Werkzeug (1) geführt wird. 20. A method for processing a surface with an optically transparent tool (1), in which a laser beam (2) through the tool (1) to a cutting edge (3) is guided, characterized in that in addition a measuring beam (12) through the tool (1) is guided.
21. Verfahren nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass der Messstrahl (12) gleichzeitig mit dem Laserstrahl (2) durch das Werkzeug (1) geführt wird. 21. The method according to claim 20, characterized in that the measuring beam (12) is guided through the tool (1) simultaneously with the laser beam (2).
22. Verfahren nach Anspruch 20 oder 21, dadurch gekennzeichnet, dass der Laserstrahl (2) und der Messstrahl (12) koaxial gekoppelt sind. 22. The method according to claim 20 or 21, characterized in that the laser beam (2) and the measuring beam (12) are coupled coaxially.
23. Verfahren nach Anspruch 20 oder 21, dadurch gekennzeichnet, dass der Laserstrahl (2) und der Messstrahl (12) zueinander versetzt geführt werden. 23. The method according to claim 20 or 21, characterized in that the laser beam (2) and the measuring beam (12) are guided offset to one another.
24. Verfahren nach einem der Ansprüche 20 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass mit einer Regeleinheit der Messstrahl (12) ausgewertet und die Leistung des Laserstrahls (2) geregelt wird. 24. The method according to any one of claims 20 to 23, characterized in that the measuring beam (12) is evaluated with a control unit and the power of the laser beam (2) is controlled.
25. Verfahren zum Ankoppeln eines Strahlführungselements (10) an ein Werkzeug (1) insbesondere zur Herstellung einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass in einem ersten Schritt das Strahlführungselement (10) und das Werkzeug (1) präzise zueinander ausgerichtet und in einem zweiten Schritt verzugsfrei gefügt oder geklemmt werden. 25. Method for coupling a beam guiding element (10) to a tool (1), in particular for producing a device according to one of claims 1 to 19, characterized in that in a first step the beam guiding element (10) and the tool (1) are precisely aligned with one another aligned and joined or clamped without distortion in a second step.
26. Verfahren nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, dass das präzise zueinander Ausrichten auf der Basis äußerer Geometriemerkmale durchgeführt wird, vorzugsweise durch Kantendetektion mit Kameras (26, 27). 26. The method according to claim 25, characterized in that the precise mutual alignment is carried out on the basis of external geometric features, preferably by edge detection with cameras (26, 27).
27. Verfahren nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, dass das präzise zueinander Ausrichten auf der Basis eines Referenzstrahls (2) durchgeführt wird, der in das Strahlführungselement (10) eingekoppelt und mit einem Sensor (31) an einer Auskopplungsstelle des Werkzeugs (1) in seiner Lage und Intensitätsverteilung ausgewertet wird. 27. The method according to claim 25, characterized in that the precise mutual alignment is carried out on the basis of a reference beam (2) which is coupled into the beam guidance element (10) and connected to a sensor (31) at a coupling point of the tool (1) in its position and intensity distribution is evaluated.
28. Verfahren nach einem der Ansprüche 25 bis 27, dadurch gekennzeichnet, dass das Strahlführungselement (10) und das Werkzeug (1) im zweiten Schritt innerhalb oder außerhalb der optischen Übergangsfläche gefügt oder geklemmt werden. 28. The method according to any one of claims 25 to 27, characterized in that the beam guiding element (10) and the tool (1) are joined or clamped in the second step inside or outside the optical transition surface.
29. Verfahren nach einem der Ansprüche 25 bis 28, dadurch gekennzeichnet, dass das Strahlführungselement (10) und das Werkzeug (1) mit einem Kleber gefügt werden und vor dem Fügen ein definierter Versatz zwischen Strahlführungselement (10) und Werkzeug (1) eingestellt wird, um die Schwindung des Klebers vorzuhalten. 29. The method according to any one of claims 25 to 28, characterized in that the beam guiding element (10) and the tool (1) are joined with an adhesive and a defined offset between beam guiding element (10) and tool (1) is set before joining , in order to compensate for the shrinkage of the adhesive.
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