ES2869908T3

ES2869908T3 - Dispositivo para el mecanizado de material con un haz láser

Info

Publication number: ES2869908T3
Application number: ES14734037T
Authority: ES
Inventors: Andreas Engelmayer
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2013-08-06
Filing date: 2014-06-17
Publication date: 2021-10-26
Anticipated expiration: 2034-06-17
Also published as: JP2016531004A; DE102013215442A1; US20160158887A1; EP3030375B1; WO2015018552A1; CN105473271A; EP3030375A1; KR20160040205A

Abstract

Dispositivo para el guiado de un haz láser para el mecanizado de una pieza de trabajo (16, 19), donde el haz láser, mediante una disposición de espejos (11) y una disposición óptica (13) de enfoque, que presenta un eje óptico (18), es dirigido hacia puntos de mecanizado sobre la pieza de trabajo (16, 19), que pueden seleccionarse previamente mediante un alineamiento adecuado de la disposición de espejos (11), donde el haz láser se enfoca</span> sobre la pieza de trabajo (16, 19) como haz incidente (12) de una disposición óptica de enfoque (13), y como haz de salida (22) de la disposición óptica de enfoque (13), donde la disposición de espejos (13) está dispuesta más alejada del plano principal óptico de la disposición óptica (13), que la distancia focal simple, caracterizado porque la disposición óptica (13) está diseñada como un objetivo de campo plano, y porque el haz incidente (12), alejado del eje óptico (18), incide sobre la disposición óptica de enfoque (13), y todo el haz de salida (22), para evitar la</span> generación de sombras por la propia pieza debidas a una elevación de la pieza de trabajo, está inclinado hacia el interior con respecto al eje óptico (18), y de este modo, lejos con respecto al eje óptico (18), y exclusivamente en un área del haz libre (23), por fuera de un área de generación de sombras por la propia pieza, incide sobre el punto de mecanizado seleccionado sobre la pieza de trabajo (16, 19).

Description

DESCRIPCIÓN

Dispositivo para el mecanizado de material con un haz láser

La presente invención hace referencia a un dispositivo para el guiado de un haz láser para el mecanizado de una pieza de trabajo, donde el haz láser, mediante una disposición de espejos y una disposición óptica de enfoque, es dirigido hacia puntos de mecanizado sobre la pieza de trabajo, que pueden seleccionarse previamente mediante un alineamiento adecuado de la disposición de espejos.

Por la solicitud US 2004/0241922 A1 se conoce un dispositivo para calentar una capa sobre un sustrato, mediante un haz láser. El dispositivo presenta una fuente de luz y una unidad óptica que conforma el haz láser a lo largo del haz láser, y que lo desvía hacia el sustrato. La unidad óptica, en este caso, presenta una disposición de espejos y disposiciones ópticas de imagen con elementos de polarización, donde el haz, de forma reiterada, es guiado sobre un recorrido óptico, a través de la capa.

Por la solicitud EP 1716963 A1 se conoce una disposición óptica para el mecanizado de material con láser remoto, para producir un espacio de trabajo tridimensional. Según la invención, el dispositivo se compone de un colimador con la distancia focal fK, que colima el haz láser emergente desde una fibra óptica, un sistema de deflexión con al menos un espejo montado de forma giratoria, así como un accionamiento para el ajuste angular del espejo, y un objetivo de enfoque con la distancia focal fO, que enfoca el haz láser colimado y desviado desde el sistema de espejos. En este caso se prevé que el colimador, mediante una guía lineal, esté montado de forma móvil a lo largo del eje del haz, de manera que la posición del foco del láser ya no esté limitada a un plano, sino que sea adecuada para poder describir una trayectoria curva en el espacio, así como de manera que la distancia central entre el colimador y el objetivo de enfoque esté seleccionada de modo que en el caso de un ajuste del colimador, para el desplazamiento del foco, se mantenga constante en la dirección z (eje del haz) de la escala de la imagen.

La radiación láser para el mecanizado de materiales, por ejemplo, se utiliza para el marcado, la perforación de circuitos impresos, para el soldado de piezas plásticas, o también para el sinterizado. En el mecanizado de materiales mediante radiación láser, la radiación puede desviarse mediante un así llamado escáner con dos espejos del escáner giratorios, dispuestos esencialmente de forma ortogonal uno con respecto a otro, sobre posiciones que pueden seleccionarse, sobre una pieza de trabajo. La deflexión tiene lugar de manera que puede alcanzarse un campo de escaneo que puede seleccionarse, sobre la pieza de trabajo, en dos o tres dimensiones, donde el campo de escaneo mayormente es bidimensional, pero también es posible una ampliación en tres dimensiones. El enfoque del haz láser puede tener lugar con un objetivo de campo plano que enfoca la radiación láser en un plano, sobre el objeto. El lugar del foco depende, entre otras cosas, del ángulo de incidencia de la radiación láser en el objetivo de campo plano. Puesto que la deflexión del haz láser sobre el objeto habitualmente es aproximadamente proporcional con respecto al ángulo de incidencia de la radiación en el objetivo, los espejos del escáner se disponen mayormente lo más cerca posible del objetivo, para obtener un campo de mecanizado lo más grandes posible, antes de la degradación de la radiación por el objetivo. El ángulo de incidencia de la radiación láser es irrelevante en una pieza de trabajo plana, pero puede ser significativo en el caso de una pieza de trabajo conformada de forma tridimensional. El ángulo de incidencia de la radiación láser sobre el plano focal, en el caso de una pieza de trabajo plana, de este modo, sobre el eje óptico de la disposición, es vertical, está inclinado por fuera del eje óptico, alejándose del mismo, y aumenta hacia el borde del campo de mecanizado.

De manera alternativa, el enfoque de la radiación láser sobre la pieza de trabajo puede tener lugar también con un objetivo telecéntrico, en el cual la radiación incidente en todo el campo de mecanizado impacta esencialmente de forma vertical sobre la pieza de trabajo. Estos objetivos telecéntricos, sin embargo, están asociados a costes de adquisición más elevados y provocan siempre además una cierta sombra, de modo que los mismos no pueden solucionar satisfactoriamente el objeto de la invención. Los objetivos especiales para la visión artificial presentan un recorrido óptico con haces inclinados hacia el interior, con respecto al eje óptico, sobre el lado del objetivo. Esos objetivos no son adecuados para una utilización con radiación láser con densidad de potencia elevada, ya que éstos no presentan el revestimiento de las lentes adecuado para ello.

En las disposiciones usadas actualmente para el guiado de haces, es desventajoso el hecho de que en los objetos tridimensionales, por ejemplo en el área lateral del eje óptico, pero también sobre el eje óptico, una parte de la radiación láser puede resultar sombreada por el objeto. Esto puede conducir a una calidad reducida del mecanizado o a daños en la pieza de trabajo cuando la radiación láser alcanza una parte elevada de la pieza de trabajo. Según el estado del arte, por ese motivo, la radiación láser se desvía hacia el objeto mediante espejos adicionales colocados en el lateral. Esto requiere ajustes precisos y esto puede ocasionar problemas debido a una posible contaminación del compartimento óptico de espejos.

Si las piezas de trabajo tridimensionales de esa clase se mecanizan sin la función de escaneo, la velocidad del mecanizado se reduce y, en los casos más desfavorables, no es posible un mecanizado. De manera alternativa, para el guiado del haz puede usarse un sistema de escaneo de oscilación o una óptica para trepanación, en la cual, mediante tres placas en cuña puede alcanzarse un desplazamiento lateral de la radiación láser que incide sobre la pieza de trabajo. Esos sistemas opto-mecánicos, sin embargo, son complejos y, por lo tanto, están asociados a costes elevados.

Por lo tanto, el objeto de la presente invención consiste en proporcionar un dispositivo que posibilite mecanizar también objetos conformados de forma tridimensional mediante radiación láser, con una calidad mejorada, en particular sin un efecto adverso debido a la generación por sí mismos de sombras.

Descripción de la invención

El objeto de la invención se soluciona mediante las características de la reivindicación 1.

Como disposición óptica de enfoque, en muchos casos, se utiliza un así llamado objetivo F-theta, que enfoca la radiación entrante en un punto del foco, a una distancia con respecto al eje óptico, aproximadamente de forma proporcional con respecto a su ángulo de entrada, sobre una pieza de trabajo. Los espejos están posicionados lo más cerca posible de la disposición óptica de enfoque, para poder realizar ángulos de entrada grandes y, con ello, una superficie de mecanizado grande. La radiación láser incide de forma alejada del eje óptico, bajo un ángulo apartado del eje óptico y, por lo tanto, puede producir un sombreado de las elevaciones sobre la pieza de trabajo. Según la invención, en cambio, se prevé que el haz láser, alejado del eje óptico, incida bajo un ángulo orientado hacia el eje óptico. Esto se logra disponiendo los espejos del escáner más lejos de la disposición óptica de enfoque que en lo previsto según el estado del arte. Actualmente, los espejos están colocados dentro de la distancia focal simple de las disposición óptica de enfoque, de manera que puede alcanzarse la zona de mecanizado grande deseada. Debido a esto, el recorrido de la luz está inclinado, alejándose del eje óptico, donde el ángulo aumenta al aumentar la distancia desde el eje óptico. Si los espejos se posicionaran en el foco de la disposición óptica, los haces emergentes estarían orientados esencialmente de forma paralela con respecto al eje óptico. Mediante la disposición según la invención, más allá del alejamiento del foco, los haces emergentes, según lo deseado, están inclinados hacia el eje óptico, y pueden mecanizarse posiciones sobre la pieza de trabajo sin la generación por sí misma de sombras debido a una elevación en el centro de la pieza de trabajo. De este modo, también con objetivos simples es posible cumplir con las exigencias, como por ejemplo en el caso del soldado de componentes plásticos, en el cual a menudo se alcanza un diámetro del foco de 1 milímetro o más. Con la disposición, por ejemplo, es posible soldar una con otra dos piezas encajadas una dentro de otra. Con disposiciones convencionales esto es posible solamente de forma indirecta.

Si la disposición de espejos presenta dos espejos móviles, en cada caso con un eje de rotación, los espejos pueden moverse de forma especialmente rápida con un accionamiento galvanométrico, posicionando y guiando así el haz láser sobre los puntos de mecanizado sobre la pieza de trabajo. De este modo pueden alcanzarse periodos de mecanizado cortos, velocidades de mecanizado, así como de desplazamiento, elevadas (por ejemplo para soldadura casi simultánea) y un volumen elevado de piezas de trabajo.

En una realización preferente, la disposición óptica de enfoque está diseñada como objetivo de campo plano. Si se utiliza un objetivo de campo plano, que puede ser un objetivo F-theta, sobre una pieza de trabajo, la radiación láser sobre un plano de mecanizado llano también puede alcanzar un diámetro del foco más reducido, así como puede alcanzarse una mejor calidad de la imagen. Si se utiliza una óptica de enfoque más sencilla, la misma enfoca la luz láser por ejemplo sobre un casquete esférico, de manera que en el área alejada del eje óptico se genera un punto focal más grande o la pieza de trabajo o la óptica deben guiarse posteriormente de modo correspondiente.

En otra realización preferente, la disposición de espejos está realizada como dos espejos deflectores esencialmente ortogonales uno con respecto a otro, o como espejos individuales suspendidos por cardán. Debido a esto puede utilizarse un cabezal de escaneo común en el comercio, con una velocidad de mecanizado elevada, y a pesar de ello puede impedirse la generación de sombras por la propia pieza debido a una elevación sobre la pieza de trabajo. Breve descripción de los dibujos

A continuación, la invención se explica en detalle mediante un ejemplo de ejecución representado en las figuras. Muestran:

Figura 1 un recorrido del haz según el estado del arte,

Figura 2 un recorrido del haz en la disposición según la invención,

Figura 3 un recorrido del haz en el caso de un mecanizado de dos tubos.

La figura 1 muestra una primera disposición de escáner 10 según el estado del arte, para el mecanizado de una parte superior de la pieza de trabajo 19 y de una parte inferior de la pieza de trabajo 16, mediante radiación láser. La parte superior de la pieza de trabajo 19, en el ejemplo, presenta una placa base orientada hacia la parte inferior de la pieza de trabajo 16, que se suelda con la parte inferior de la pieza de trabajo 16. Mediante al menos un espejo deflector 11, luz de una fuente de luz, en la disposición de escáner 10, como haz incidente 12, es suministrada a una lente de enfoque 13 que enfoca la luz láser como primer haz de salida 14, sobre la placa base de la parte superior de la pieza de trabajo 19. Para la deflexión en general se utilizan dos espejos deflectores aproximadamente ortogonales uno con respecto a otro (no por completo), de los cuales aquí se muestra un espejo deflector 11. De manera alternativa, a modo de ejemplo, también puede utilizarse un espejo deflector 11 individual suspendido por cardán o una disposición piezoeléctrica, para mover dos ejes de rotación no paralelos. El espejo deflector 11 está dispuesto en una primera distancia del espejo 17, desde la lente de enfoque 13, de manera que el mismo se sitúa dentro de la distancia focal simple de la lente de enfoque 13. El primer haz de salida 14 está inclinado, alejándose de un eje óptico 18, donde el ángulo de inclinación aumenta con la distancia del punto de llegada sobre la parte superior de la pieza de trabajo 19, desde el eje óptico. En el ejemplo de ejecución aquí representado, la parte superior de la pieza de trabajo 19, en el área central, presenta una elevación de la pieza de trabajo. Mediante la disposición, el primer haz de salida 14 alcanza la elevación de la pieza de trabajo, en un área de generación de sombras por la propia pieza 15. Debido a esto, la parte superior de la pieza de trabajo 19 puede dañarse en el área de generación de sombras por la propia pieza 15, y/o la calidad el haz o la intensidad del haz en el punto de mecanizado sobre la parte superior de la pieza de trabajo 19 pueden ser insuficientes.

La figura 2 muestra una segunda disposición de escaneo 20 con la disposición mejorada según la invención. Los mismos componentes, como en la figura 1, están provistos de los mismos símbolos de referencia. El espejo deflector 11 está dispuesto en una segunda distancia del espejo 21, aumentada en comparación con la primera distancia del espejo 17. El haz incidente 12 alcanza la lente de enfoque 13 de forma más alejada del eje óptico 18 que en la primera disposición de escáner 10. Cuando la distancia focal de la lente de enfoque 13 es idéntica con respecto a la disposición de la figura 1, y cuando en una primera aproximación la lente de enfoque 13 se comporta como un objetivo F-theta, el haz láser, como segundo haz de salida 22, inclinado hacia el interior con respecto al eje óptico 18, alcanza el mismo punto en la pieza de trabajo, como en la figura 1. El segundo haz emergente 22 pasa por la elevación de la pieza de trabajo, sobre la parte superior de la pieza de trabajo 19, en un área del haz libre 23, y se enfoca con la calidad del haz requerida para el mecanizado, sobre la parte superior de la pieza de trabajo 19. Dependiendo de una distancia disponible entre la lente de enfoque 13 y la parte superior de la pieza de trabajo 19 puede utilizarse una distancia focal lo más reducida posible de la lente de enfoque 13, para alcanzar un ángulo de incidencia inclinado lo más pronunciado posible con respecto al eje óptico. En el marco de una optimización también puede ser conveniente una reducción del diámetro del haz. Como lente de enfoque 13 puede utilizarse un objetivo de campo plano común el comercio, por ejemplo un así llamado objetivo F-theta.

La figura 3 muestra un ejemplo para la utilización del dispositivo según la invención para el mecanizado de material con un haz láser. Una primera pieza tubular 31 está introducida en una segunda pieza tubular 33, y ambas piezas tubulares 31, 33 deben conectarse una con otra en una costura de soldadura 32 continua. Con esa finalidad, la radiación láser 30, bajo un ángulo inclinado hacia el eje óptico 18, alcanza la costura de soldadura 32. Mediante la inclinación del haz láser 30 hacia el eje óptico 18 se evita el sombreado del haz láser 30 por la primera sección tubular 31.

Claims

REIVINDICACIONES

1. Dispositivo para el guiado de un haz láser para el mecanizado de una pieza de trabajo (16, 19), donde el haz láser, mediante una disposición de espejos (11) y una disposición óptica (13) de enfoque, que presenta un eje óptico (18), es dirigido hacia puntos de mecanizado sobre la pieza de trabajo (16, 19), que pueden seleccionarse previamente mediante un alineamiento adecuado de la disposición de espejos (11), donde el haz láser se enfoca sobre la pieza de trabajo (16, 19) como haz incidente (12) de una disposición óptica de enfoque (13), y como haz de salida (22) de la disposición óptica de enfoque (13), donde la disposición de espejos (13) está dispuesta más alejada del plano principal óptico de la disposición óptica (13), que la distancia focal simple, caracterizado porque la disposición óptica (13) está diseñada como un objetivo de campo plano, y porque el haz incidente (12), alejado del eje óptico (18), incide sobre la disposición óptica de enfoque (13), y todo el haz de salida (22), para evitar la generación de sombras por la propia pieza debidas a una elevación de la pieza de trabajo, está inclinado hacia el interior con respecto al eje óptico (18), y de este modo, lejos con respecto al eje óptico (18), y exclusivamente en un área del haz libre (23), por fuera de un área de generación de sombras por la propia pieza, incide sobre el punto de mecanizado seleccionado sobre la pieza de trabajo (16, 19).

2. Dispositivo según la reivindicación 1, caracterizado porque la disposición de espejos (11) presenta dos espejos deflectores móviles, en cada caso con un eje de rotación.

3. Dispositivo según una de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque la disposición óptica de enfoque (13) presenta una lente de enfoque que se comporta como un objetivo F-theta.

4. Dispositivo según una de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque la disposición de espejos está realizada como dos espejos deflectores (11) aproximadamente ortogonales uno con respecto a otro, o como espejo individual suspendido por cardán.