JP2022531926A - レーザービームを誘導するための処理ヘッド、及び処理ヘッドを備えるレーザー処理装置 - Google Patents

Abstract

本発明は、被加工物を加工するレーザービーム（２５）を案内する加工ヘッド、およびハウジング本体部（４３）を有する処理ヘッド（４１）を備えたレーザー処理装置（１１）に関する。ビーム誘導要素（４２）は、ハウジング本体部（４３）に接続することができるか、またはハウジング本体部（４３）に挿入することができる少なくとも１つの機能モジュール（５５）と共に配置することができる。 ハウジング本体部（４３）は、互いに向けられ、ハウジング本体部（４３）の自由内部容積（４４）を取り囲む少なくとも２つの主表面部分（４６、４７、４８、４９、５０、５１）を有する。ここで、主表面部分のうちの少なくとも２つ（４６、４７、４８、４９、５０、５１）は、少なくとも１つの機能モジュール（５５）および／または少なくとも１つの機能構成要素（６６）を収容する及び／又は挿入するように互いに異なって構成されている。

Description

本発明は、被加工物を処理するためのレーザービームを誘導するための処理ヘッドであって、少なくとも１つの偏向ミラーが構成可能なハウジング本体部を備え、ハウジング本体部に接続可能な又はハウジング本体部の中に挿入可能な少なくとも１つの機能モジュールを備える、処理ヘッドと、レーザービームを誘導するための処理ヘッドを備えるレーザー処理装置、に関する。

（特許文献１）は、レーザービームを用いて被加工物を処理するための接続ヘッドについて開示しており、接続ヘッドは、ハウジングと、レーザービームを集束するための集束光学ユニットを有するインサートと、を備え、前記インサートは、ハウジングの中に側面から導入されることが可能になっている。前記集束光学ユニットは、外側から接近できる調整手段により、インサートに対して移動可能である。前記インサートは、他の光学特性が要求される場合に、集束光学ユニットの単純な挿入及び交換を可能にする。

（特許文献２）は、レーザービームを用いて被加工物を処理するための接続ヘッドについて更に開示している。この実施形態は、カセットを有するキャリアユニットを備え、キャリアユニットは、集束光学ユニットの軸方向に移動可能である。集束光学ユニットと接続ヘッドのビーム出口との間に圧力空間が位置し、前記圧力空間の中に過剰な圧力下にある処理ガスを導入することが可能である。ビーム出口から離れる方向に向いた、キャリアユニットの端部が、圧力チャンバ内へと突出し、キャリアユニットは、圧力チャンバ内の処理圧力により平衡に保たれている。

（特許文献３）は、複数の機能モジュールから構築された、レーザー処理システムのための処理ヘッドについて開示している。前記機能モジュールは、コリメータレンズが異なる焦点距離を有する場合に、レーザー処理システムに適応させることを可能にする。前記機能モジュールは、処理レーザービーム経路に沿って、連続的に一緒につなぎ合わされ、互いに接続されることができ、一緒につなぎ合わせる際に個々のコリメータレンズを互いに連係させている。

このようなレーザー処理システムでは、レーザー材料処理中に、拡張されたプロセス診断を使用することが増えており、したがって、その結果、使用される光学ユニットの柔軟性及びモジュール性に関する要件が増加している。

独国実用新案第２９５０７１８９Ｕ１号明細書 独国特許出願公開第１９６２８８５７Ａ１号明細書 独国特許発明第１０２００８０４８３２３Ｂ３号明細書

本発明は、レーザー材料処理のための光学構成要素を収容するための安定したモジュール構造を可能にする、処理ヘッドと、処理ヘッドを備えるレーザー加工装置とを提供する目的に基づいている。

この目的は、ハウジング本体部を備える処理ヘッドを用いて実現され、ハウジング本体部は、互いに整列され、ハウジング本体部の自由内部容積を少なくとも部分的に取り囲む、少なくとも２つの主表面部分を有し、主表面部分のうちの少なくとも２つが、少なくとも１つの機能モジュール及び／又は少なくとも１つの機能構成要素を収容するために及び／又は挿入するために、互いに異なって構成されている。主表面部分のこのような構成により、インタフェース柔軟性に関する要件と、機能モジュール及び／又は機能構成要素を収容及び／又は挿入するためのモジュール性に関する要件とを満足させることが可能になる。その結果、このような処理ヘッドは、レーザー材料処理中の様々な要件を満足させることができる。

そのような機能モジュールの１つは、例えば、レーザービームを処理ヘッドにインカップリング又はアウトカップリングするために用いる偏向ミラーを有するハウジングであり得る。そのような機能モジュールはまた、例えば、その角度位置を電子的に制御可能であるスキャナミラーを有するスキャナブロックであり得る。例えば、機能構成要素は、ハウジング本体部の中に挿入される若しくは押し込まれる、又はハウジング本体部に固定される、電気コントローラ又は電子構成要素であり得る。対物レンズ又はコリメータレンズは、例えば、更なる機能構成要素として提供され得る。

処理ヘッドのハウジング本体部は、機能モジュールを接続するためのインタフェースを有する少なくとも１つの第１のハウジング主表面部分、及び／又は、ハンドリングデバイスのための若しくはレーザー処理機械のハウジングのための接続場所を有する少なくとも１つの第２のハウジング主表面部分、及び／又は、少なくとも１つの機能構成要素をハウジング本体部の内部容積の中に挿入するための切取り部を有する少なくとも１つの第３のハウジング主表面部分、を有する。このような構成を用いることにより、モジュール性及び柔軟性を増加させることが可能である。まだ未処理のハウジング本体部から始めて、特に、主表面部分を導入して、対応する用途に対して適合させ構成させることができる。この場合、ハウジング主表面部分は、それに隣接する隣り合う主表面部分の厚さにより決定される外側周辺フレームによってだけ形成され得る。その上、主表面部分は、領域全部にわたって具現化されることができ、穴又は接続要素を設けることができる。その上、主表面部分は切取り部を有し得る。

主表面部分、特に６つの主表面部分が、Ｘ方向、Ｙ方向、及びＺ方向に、硬いフレーム又は矩形輪郭を形成することが好ましい。これにより、処理ヘッド内に光学構成要素を収容し整列させる場合に、個々の構成要素に対する確実な収容構成が可能になるだけでなく、高い精度も可能になる。

更には、インタフェース、接続場所及び／又は主表面部分の切取り部が、支持面を有することが好ましい。前記支持面は、機能モジュール、ハンドリングデバイス、及び／又は更なる機能構成要素を接続するために、更には、ハウジングカバーを収容するために役立つ。少なくとも１つの機能構成要素の挿入後に、及び／又は、機能モジュール及び／又は機能構成要素及び／又はハウジングカバー及び／又はハンドリングデバイスの接続後に、ハウジングを完全に閉じることができる。それにより、処理ヘッドのハウジング本体部内に構成される機能モジュール、機能構成要素などは、外的影響に対して完全に保護される。

更には、好ましくは、シールを収容するための周辺溝、又は封止溝が、主表面部分の支持面上に、及び／又は機能構成要素及び／又は機能モジュールのハウジングカバーの支持面上に設けられる。その結果、少なくとも１つの光学構成要素を汚染から保護するために、ハウジングカバー、機能構成要素、及び／又は機能モジュールをハウジングに固定した後に封止構成を提供することが可能である。

処理ヘッドの更に有利な構成では、互いに隣接する２つ又は３つの主表面部分のそれぞれの切取り部が共通の切取り部を形成する。その結果、切取り部は、互いに隣接する２つの主表面の側縁部にわたって、又は更に、互いに隣接する３つの主表面部分の領域にわたって延びることができる。この結果、ハウジングの自由内部容積へのアクセスが改善され得る。

処理ヘッドの更なる好ましい構成では、ハウジング本体部は、固体材料から材料除去工程により製造される。このようなハウジングの費用効果が高い製造が、特に高速の材料処理によって可能になり得る。ハウジング本体部の安定な、特に一体化された、構成が同時に提供される。

代替として、ハウジング本体部を、ストランド形状（ｓｔｒａｎｄ－ｓｈａｐｅｄ）の矩形輪郭から製造することが提供され得る。この結果、製造時間が更に短縮され得る。

有利には、ハウジング本体部及び／又はハウジングカバーは軽金属から作製される。この場合、好ましくはアルミニウム又はアルミニウム合金が使用される。

本発明の元になる目的は、その上に処理ヘッドが設けられたハンドリングデバイスと、ビーム源であって、ビーム源と処理ヘッドとの間に延びるビームガイドを有する、ビーム源とを備えるレーザー処理装置によって更に実現される。処理ヘッドは、少なくとも１つのビーム誘導要素を備え、ビーム誘導要素により、レーザービームが偏向され、処理される被加工物へと誘導される。処理ヘッドは、上述した実施形態のいずれかに従って構成される。その結果、レーザー処理装置のそれぞれの構成に柔軟に適応でき、それにより、高いモジュール性及びインタフェース柔軟性がもたらされる。

本発明、並びに更なる有利な実施形態及びその発展形態が、図面に示される実施例に基づき、以下に更に詳細に記載及び説明される。記載及び図面から収集できる特徴が、それ自体で個別に、又は本発明よる任意の組合せによる複数として使用できる。

例えば３次元構成要素を処理するための、レーザー処理装置の斜視図を示す。 図１による、例えば３次元構成要素を処理するための、レーザー処理装置の処理ヘッドの拡大斜視図を示す。 図２に対する、処理ヘッドの代替的な実施形態の斜視図を示す。

図１は、被加工物１２を処理するためのレーザー処理装置１１の概略側面図を示す。前記レーザー処理装置１１は、特にレーザー溶接のために提供される。レーザー処理装置１１はハンドリングデバイス１４を備え、ハンドリングデバイス１４には、処理ヘッド４１、特に溶接ヘッド、が設けられている。

ハンドリングデバイス１４は多軸マニピュレータ１７として構成され、静止ベース１８、カルーセル１９、ロッカ２０、アーム２１、及びハンド２２を有する。マニピュレータ１７の運動可能性を、図１の両方向矢印で示す。したがって、マニピュレータ１７は６本の運動軸を有する。

処理ヘッド４１は、マニピュレータ１７のハンド２２に取り付けられている。ビーム源１５によって生成されたレーザービーム２５が、ビームガイド１６によって処理ヘッド４１に供給される。ビームガイド１６として、好ましくはレーザー光用の光ファイバーケーブルが提供される。処理ヘッド４１は、少なくとも１つのビーム誘導要素４２を備える。ビーム誘導要素は、機能構成要素６６又は機能モジュール５５の一部であり得る。好ましくは、ビーム誘導要素４２を集束光学ユニットとして構成でき、集束光学ユニットは、レーザー処理装置１１の動作中にレーザービーム２５を焦束し、それを、処理される被加工物１２の処理場所２６、特に溶接位置へと誘導する。

レーザー処理装置１１は、代替として、１層ずつ適用された製造材料を選択的に固化させることにより、被加工物を作製するための装置でもあり得る。これらのレーザー処理装置１１は、３Ｄ印刷システム、選択的レーザー焼結機械、選択的レーザー溶融機械などとも称される。処理ヘッド４１は、前記レーザー処理装置１１のハウジングに固定され得る。代替として、処理ヘッド４１はまた、ハウジングの線形軸システムに固定され得る。

図２は、処理ヘッド４１の斜視図を示す。前記処理ヘッド４１は、自由内部容積４４を取り囲むハウジング本体部４３を備える。前記ハウジング本体部４３は、好ましくは、互いに整列された６つの主表面部分４６、４７、４８、４９、５０、５１を備える。好ましくは、前記主表面部分４６、４７、４８、４９、５０、５１はそれぞれ、互いに対して直角をなして整列される。その結果、矩形又は立方体のハウジング本体部４３が形成される。少なくとも２つ、好ましくは３つの主表面部分４６、４７、４８、４９、５０、５１は、互いに異なる。その結果、ハウジング本体部４３のモジュール度を増加させることができる。第１の主表面部分４６は、例えば、機能モジュール５５用のインタフェース５４として構成される。前記機能モジュール５５は、例えば、ビーム源１５からハウジング本体部４３の内部へとレーザービーム２５を誘導するために、例えば、レーザービーム２５を空間方向に偏向させるための偏向デバイスであり得る。そのようなインタフェース５４は、ストリップ形状の又はフランジ形状の主表面部分４６を有し得る。主表面部分４６の支持面５６は、例えば、それに隣接する更なる主表面部分４７、４８、４９、及び５０の壁厚によって構成され得る。この結果、ハウジングの内部にアクセスするための広い領域が提供される。例示的実施形態では、主表面部分５１は、機能モジュール５５を有する主表面部分４６と同一に構成されている。

好ましくは、固定要素のための穴のパターンが支持面５６に設けられる。前記固定要素は好ましくは、例えばねじなどの、係脱可能な固定要素である。支持面に接続可能である機能モジュール５５は、相補的な穴のパターンを備える。機能モジュール５５を前記インタフェース５４に接続させることが必要でない場合、図３で例として示すように、前記主表面部分４６をプレート形状のハウジングカバー６４で閉じることができる。ハウジングカバー６４は、支持面５６と類似した穴のパターンを有する。

第１の主表面部分４６の支持面５６は、好ましくは溝の形の窪み５８を備える。支持面上に封止インタフェース５４を形成するために、前記窪み５８の中に周縁部シールが挿入され得る。代替として、インタフェース５４を、封止溝によって閉じることができる。すなわち、例えば、支持面５６上に、溝の形状の窪み５８が存在し、支持面に取り付けられるハウジングカバー６４上に又は機能モジュール５５上に、突出ウェブが設けられて、これが窪み５８の中で係合する。

図２によるハウジング本体部４３の第２の主表面部分４７は、例えば、ハンドリングデバイス１４、特にハンドリングデバイス１４のハンド２２のための接続場所６１を備える。

第３の主表面部分４８は、例えば、切取り部６５を備える。このような切取り部６５は、機能構成要素６６をハウジング本体部４３の内部へと挿入するための役割を担い得る。例示的実施形態では、前記機能構成要素６６は、少なくとも１つのビーム誘導要素４２又は偏向ミラーを有するスキャナ光学ユニットであり得る。このような機能構成要素６６はまた、印刷回路基板又は電子モジュールなどであり得る。更には、このような機能構成要素６６は、これを通ってレーザービームが入る及び／又は出る光学ユニット又はレンズ、特に集束光学ユニットであり得る。

第３の主表面部分４８の反対側に前記第４の主表面部分４９が設けられる。第４の主表面部分は、例えば、領域全体にわたって構成され得る。第３の主表面部分４８と第４の主表面部分４９との間に第５の主表面部分５０が延びている。前記第５の主表面部分は、上述した実施形態のいずれかを有することができる。

例示的実施形態では、第６の主表面部分５１は、第１の主表面部分４６と同一に構成されている。その上、第６の主表面部分は、収容される機能モジュール５５、及び／又はそれに挿入される機能構成要素６６若しくはそれに取り付けられる機能構成要素６６に応じて異なって構成され得る。

処理ヘッド４１のハウジング本体部４３の実施形態では、主表面部分４６及び５１は、好ましくはＸ方向において同一に構成され、その結果、管状のハウジング本体部４３が形成される。

処理ヘッド４１の前記ハウジング本体部４３は、一体的に構成され、安定な硬いフレーム構造を有する。好ましくは、前記ハウジング本体部４３は、固体材料からミリング加工されるか、又は事前に製造された、ストランド形状の、特に押出成形された、矩形輪郭から製造される。好ましくは、軽金属、特にアルミニウム又はアルミニウム合金が使用される。

図３は、図２に対する、処理ヘッド４１の代替的な構成を示す。自由内部容積４４を有するハウジング本体部４３の構造は、図２に類似している。本実施形態では、例えば、切取り部６５は、第４の主表面部分４９から第１の主表面部分４６へと延びるように設けられる。これにより、ハウジング本体部４３の側縁部に沿って、機能構成要素６６をハウジング本体部の中に挿入するための自由領域が形成される。更には、例として、第４の主表面部分４９は更なるハウジングカバー６４を有し、ハウジングカバーには、接続要素、特に電子構成要素、が固定されている。前記ハウジングカバー６４は、主表面部分４９に固定できる。

取付けプレート７４が機能構成要素６６として第３の主表面部分４８の下面に設けられ、前記取付けプレートが、例えば対物レンズ又はレンズなどの更なる機能構成要素６６を収容して、ハウジング本体部４３に固定する。追加で、本実施形態では、主表面部分５１上に、処理ヘッド４１とビーム源１５との間のビームガイド１６用の更なる機能構成要素６６としてフランジ接続部７５が設けられる。したがって、前記主表面部分５１は、フランジ接続部７５のための接続場所６１を有する。

図２の実施形態に類似して、図３によるハウジング本体部４３は同様に、硬く安定なフレームを備える。ハウジング本体部４３の製造及び材料の使用は、図２のハウジング本体部４３に従って遂行される。

１１ レーザー処理装置
１２ 被加工物
１４ ハンドリングデバイス
１５ ビーム源
１６ ビームガイド
１７ マニピュレータ
１８ 静止ベース
１９ カルーセル
２０ ロッカ
２１ アーム
２２ ハンド
２５ レーザービーム
２６ 処理場所
４１ 処理ヘッド
４２ ビーム誘導要素
４３ ハウジング本体部
４４ 自由内部容積
４６ 第１の主表面部分
４７ 第２の主表面部分
４８ 第３の主表面部分
４９ 第４の主表面部分
５０ 第５の主表面部分
５１ 第６の主表面部分
５４ インタフェース
５５ 機能モジュール
５６ 支持面
５８ 窪み
６１ 接続場所
６４ ハウジングカバー
６５ 切取り部
６６ 機能構成要素
７４ 取付けプレート
７５ フランジ接続部

Claims (11)

1. 被加工物を処理するためのレーザービーム（２５）を誘導するための処理ヘッドであって、前記処理ヘッドは、ハウジング本体部（４３）を備え、前記ハウジング本体部（４３）は、少なくとも１つのビーム誘導要素（４２）を前記ハウジング本体部（４３）内に構成可能であり、前記ハウジング本体部（４３）に接続可能な又は前記ハウジング本体部（４３）の中に挿入可能な少なくとも１つの機能モジュール（５５）を備え、前記ハウジング本体部（４３）は、互いに整列され、前記ハウジング本体部（４３）の自由内部容積（４４）を少なくとも部分的に取り囲む、少なくとも２つの主表面部分（４６、４７、４８、４９、５０、５１）を有し、前記主表面部分（４６、４７、４８、４９、５０、５１）のうちの少なくとも２つが、前記少なくとも１つの機能モジュール（５５）及び／又は少なくとも１つの機能構成要素（６６）を収容するために及び／又は挿入するために、互いに異なって構成されている、処理ヘッド。
2. 前記主表面部分（４６、４７、４８、４９、５０、５１）、特に互いに整列した６つの前記主表面部分（４６、４７、４８、４９、５０、５１）は、Ｘ方向、Ｙ方向、及びＺ方向に硬いフレームを形成する又は矩形輪郭を形成する、請求項１に記載の処理ヘッド。
3. 少なくとも１つの第１の主表面部分（４６）が、前記機能モジュール（５５）又は前記機能構成要素（６６）を接続するためのインタフェース（５４）を形成する、及び／又は少なくとも１つの第２の主表面部分（４７）がハンドリングデバイス（１４）のための接続場所（６１）を形成する、及び／又は少なくとも１つの第３の主表面部分（４８）が前記ハウジング本体部（４３）の前記内部容積（４４）の中に前記少なくとも１つの機能構成要素（６６）を挿入するための切取り部（６５）を備える、請求項１又は２に記載の処理ヘッド。
4. 前記インタフェース（５４）、前記接続場所（６１）、及び／又は前記切取り部（６５）は、ハウジングカバー（６４）、及び／又は前記機能モジュール（５５）、及び／又は前記機能構成要素（６６）、及び／又は前記ハンドリングデバイス（１４）を接続するための少なくとも１つの支持面（５６）を有する、請求項３に記載の処理ヘッド。
5. シールを収容するための又は封止溝を形成するための周辺溝（５８）が、前記主表面部分（４６、４７、４８、４９、５０、５１）の前記支持面（５６）に、及び／又は前記ハウジングカバー（６４）、前記機能構成要素（６６）、前記機能モジュール（５５）、及び／又は前記ハンドリングデバイス（１４）の支持面上に設けられる、請求項４に記載の処理ヘッド。
6. 前記機能モジュール（５５）、及び／又は前記機能構成要素（６６）、及び／又は前記ハウジングカバー（６４）、及び／又は前記ハンドリングデバイス（１４）は、係脱可能な固定要素によって、前記ハウジング本体部（４３）に接続可能である、請求項１～５のいずれか一項に記載の処理ヘッド。
7. 互いに隣接する２つ又は３つの主表面部分（４６、４７、４８、４９、５０、５１）のそれぞれの前記切取り部（６５）が共通の切取り部を形成する、請求項１～６のいずれか一項に記載の処理ヘッド。
8. 前記ハウジング本体部（４３）は、固体材料から材料除去工程により製造される、請求項１～７のいずれか一項に記載の処理ヘッド。
9. 前記ハウジング本体部（４３）は、ストランド形状の矩形輪郭から製造される、請求項１～５のいずれか一項に記載の処理ヘッド。
10. 前記ハウジング本体部（４３）は、軽金属から、特にアルミニウム又はアルミニウム合金から製造される、請求項１～９のいずれか一項に記載の処理ヘッド。
11. ハンドリングデバイス（１４）を備えるレーザー処理装置であって、前記ハンドリングデバイス（１４）上には処理ヘッド（４１）が構成され、前記レーザー処理装置は、ビーム源（１５）を備え、前記ビーム源（１５）と前記処理ヘッド（４１）との間に延びるビームガイド（１６）を備え、前記処理ヘッドは、少なくとも１つのビーム誘導要素（４２）を備え、前記ビーム誘導要素により、前記ビーム源（１５）のレーザービーム（２５）が偏向され、処理される被加工物（１２）へと誘導され、前記処理ヘッド（４１）は、請求項１～１０のいずれか一項に記載されるように構成されている、レーザー処理装置。

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