WO2009132764A1 - Verfahren zum laserbearbeiten von werkstücken mittels einem laserstrahl und einer dynamischen strahlumlenkung dieses laserstrahls - Google Patents

Verfahren zum laserbearbeiten von werkstücken mittels einem laserstrahl und einer dynamischen strahlumlenkung dieses laserstrahls Download PDF

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WO2009132764A1
WO2009132764A1 PCT/EP2009/002694 EP2009002694W WO2009132764A1 WO 2009132764 A1 WO2009132764 A1 WO 2009132764A1 EP 2009002694 W EP2009002694 W EP 2009002694W WO 2009132764 A1 WO2009132764 A1 WO 2009132764A1
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mirror surface
pendulum
laser
laser beam
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PCT/EP2009/002694
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Wolfgang Andreasch
Stefan Böckmann
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Trumpf Laser- Und Systemtechnik Gmbh
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    • G02B26/0858—Optical devices or arrangements for the control of light using movable or deformable optical elements for controlling the direction of light by means of one or more reflecting elements the reflecting element being a micromechanical device, e.g. a MEMS mirror, DMD the reflecting means being moved or deformed by piezoelectric means

Definitions

  • the present invention relates to a method for laser machining of workpieces by means of a laser beam, which is deflected on a first mirror surface and on at least one of the first mirror surface at least partially surrounded second mirror surface of a deflecting mirror.
  • the invention also relates to a deflection mirror for a laser beam for laser processing, comprising: a first mirror surface and at least one second mirror surface at least partially surrounded by the first mirror surface, and a laser processing head with at least one such deflection mirror.
  • JP 01271088 A a laser processing machine is described in which a phase difference between an outer and an inner portion of a laser beam is compensated by the position of a movable, inner mirror element of a deflecting mirror by means of a provided therefor, linearly movable mechanism relative to a outer mirror element is changed.
  • a device has become known in which the cross-sectional shape and the intensity distribution of the laser processing beam is adjusted by optimizing a laser cutting machine for glass cutting, by a facet mirror with a plurality of mirror segments whose inclination is adjustable, or a shape-changing mirror for deflecting be used of the laser beam.
  • the GB 1, 433,563 describes a laser processing machine for glass cutting, in which a smaller mirror surface is arranged in front of a larger mirror surface in the beam path of a laser beam. Both mirror surfaces can be driven by servomotors to redirect the laser beam to two different focal points along a cut line formed on the glass surface.
  • DE 10 2004 043 895 A1 describes a micromachining method in which a plurality of independently positionable beam control elements in a beam control element arrangement directs received laser radiation to selectable locations on a substrate.
  • a number of laser beam focusing modules are associated with the beam control elements to focus each sub-beam onto the substrate.
  • a concave mirror is described as a pupil filter for a catadioptric projection objective, which is located in the region of a pupil surface of the Lens is arranged.
  • the concave mirror is subdivided into a number of annular or honeycomb-shaped mirror segments, which are movable relative to one another by means of piezoelectric drive elements independently of one another.
  • the mirror can be used as a phase-shifting pupil filter, wherein the filter function can be adjusted by relative displacement of the mirror elements against each other by these are raised or lowered by piezo elements.
  • segmented deflecting mirrors typically serves to create a larger (keyhole) steam channel, thereby forming a higher molten pool volume.
  • the enlargement of the steam channel can be realized for example by the double-focus or tandem welding, in which the laser beam, e.g. is divided by a roof mirror in two sub-beams, which are then focused on two closely spaced focus points. This allows the gases generated during the welding process to escape better to the surface, thus minimizing weld pores created by pore formation.
  • the laser beam is split at a deflecting mirror into a plurality of partial beams with different optical axes.
  • the deflection mirror is composed of an outer and an inner mirror element, wherein the outer mirror element has a cylindrical, central bore into which the inner mirror element is fitted, so that the inner and outer mirror element are rotatable relative to each other and axially displaceable the relative position of a focal point associated with the first or second partial beam can be set to two workpieces to be joined together. After setting the desired relative position of the focus points, this setting is fixed by fixing the mirror elements relative to each other.
  • EP 0 823 304 A1 also provides a further mirror for deflecting the partial beams, which performs an oscillating movement so that the two focal points on the workpieces can execute a pendulum movement in a direction perpendicular to the weld line.
  • US 5,690,845 describes an optical arrangement for laser processing, which has a first deflection mirror as a means for splitting a laser beam into a plurality of partial beams.
  • a second deflecting mirror which is separated from the first, focuses the partial beams onto a plurality of focal points.
  • the first deflection mirror has two or more plane mirror parts which can be tilted independently of one another.
  • the first deflection mirror has a plurality of concave, convex or planar mirror surfaces arranged concentrically around the optical axis of the laser beam. In this case, the first deflecting mirror can each be tilted or rotated as a whole in a predetermined direction in order to produce a pendulum or helical movement of the focus points on the workpiece.
  • the dynamic deflection and movement of the laser beam for generating the pendulum motion is usually - as in the above examples - using so-called scanner mirrors, in which the entire mirror surface is rotated about an axis by means of a galvanometer drive. If such a mirror is to be used at a location in the beam path at which the laser beam has a large diameter, then large and thus heavy mirrors are necessary. This limits the maximum possible oscillation frequency to values of 1500 Hz. Smaller mirrors and therefore higher frequencies can only be realized if they are arranged in the convergent or divergent part of a beam caustic near the beam waist, such as, for example, in systems with intermediate focus or near the end of a fiber optic cable.
  • This object is achieved by a method of the type mentioned, in which during the laser processing, the second mirror surface performs a pendulum motion relative to the first, preferably stationary mirror surface.
  • the inventors have recognized that it is sufficient to produce the desired effect of enlarging the steam channel (keyholes) when only a small section (second mirror surface) is highly dynamically oscillated from the entire mirror surface of the deflection mirror, especially if a large part of the laser power is applied to this section incident.
  • a part of the laser beam which is reflected by the oscillating second mirror surface is subsequently focused onto a focal point which makes a pendulum movement about a fixed focal point which is generated by the part of the laser beam which is reflected by the first mirror surface.
  • first mirror surface preferably connects directly to the second mirror surface in order to redirect as much as possible the entire laser power.
  • a small gap with a width of approx. 0.02 mm may possibly remain between the first and second mirror surface, permitting relative movement of the second mirror surface relative to the first mirror surface.
  • two or more second mirror surfaces which enable a highly dynamic deflection of the laser beam, can also be provided, wherein a respective portion of the laser beam reflected by a dynamically moved mirror surface is typically focused onto its own focal point.
  • the first mirror surface can also be subdivided into several partial surfaces (facets). Under a pendulum motion is understood in the sense of this application, a harmonic vibration movement about a rest position.
  • the second mirror surface guides a pendulum movement relative to the first mirror surface with a pendulum frequency of more than 1000 Hz, preferably more than 2000 Hz, in particular more than 3000 Hz.
  • the second mirror surface can be chosen to be relatively small, for example 200 mm 2 or less, so that the mass of a mirror element on which the mirror surface is formed can be selected small enough to achieve the above-mentioned, high pendulum frequencies.
  • the second mirror surface carries out a pendulum movement in the form of a tilting movement, a rotational movement and / or a linear movement relative to the first mirror surface.
  • a pendulum movement in the form of a tilting movement, a rotational movement and / or a linear movement relative to the first mirror surface.
  • the linear movement can be perpendicular to the first mirror surface and implemented as well as the tilting movement by means of piezoelectric actuators.
  • the second mirror surface or a mirror element, on which the second mirror surface is formed can be mounted on a solid-body joint.
  • a rotational movement of the second mirror surface relative to the first mirror surface take place, wherein the axis of rotation is typically at an angle (not equal to 90 °) to the second mirror surface, as in the cited EP 0 823 304 A1 for a fixed adjustment of the rotation angle is shown.
  • the second mirror surface is arranged tilted with respect to the first and is rotated about an axis perpendicular to the first mirror surface, then the laser beam performs a circular movement on the workpiece.
  • the method according to the invention e.g. to serve an electric motor.
  • the first, preferably annular mirror surface and the second, preferably circular mirror surface are arranged concentrically.
  • the outer, annular mirror surface remains stationary and causes a constant deflection of the laser beam (eg by 45 °) to a fixed focal point of lower laser power (eg 14%). It is understood that not only circular mirror surfaces, but also other, in particular elliptical shapes of the mirror surfaces can be favorable.
  • the first mirror surface is formed on a first mirror element and the second mirror surface on a second mirror element, wherein the first mirror element is preferably liquid-cooled and the second mirror element is preferably gas-cooled.
  • cooling of the mirror elements is advantageous in order to protect them from destruction and / or from deformations due to excessive temperature changes.
  • the second mirror element should in this case be gas-cooled (eg with nitrogen or air), since cooling with a liquid would reduce the pendulum frequency due to the additional mass.
  • a proportion of more than 50%, preferably more than 70%, in particular more than 80% of the intensity of the laser beam is deflected at the second mirror surface.
  • a powerful, oscillating focal point is generated in this way, which oscillates around a fixed focal point with a lower beam intensity, which has proven to be particularly favorable for laser processing. It is understood that the relative proportions of the laser power impinging on the first and second mirror surface can be adjusted by changing the beam diameter of the laser beam incident on the deflection mirror.
  • a deflection mirror of the type mentioned in which the second mirror surface is mounted relative to the first mirror surface pendulum with pendulum frequencies of more than 1000 Hz, preferably more than 2000 Hz, in particular more than 3000 Hz.
  • the deflection mirror has a drive device for generating the pendulum movement of the second mirror surface relative to the first mirror surface.
  • the deflecting mirror according to the invention can be used in particular for laser processing in order to enable a pendulum movement of a laser beam focus on the workpiece (s) to be machined at high frequency.
  • the drive means is for generating a pendulum movement in the form of a tilting movement, rotational movement and / or linear movement of the second mirror surface designed relative to the first mirror surface.
  • the pendulum motion can be realized in various ways, where appropriate, two oscillations can be superimposed, for example by a superimposed tilting movement about two mutually perpendicular tilt axes is made, for example, to achieve a spiral movement of the focus point, as in the above-cited US 5,690,845, which is incorporated herein by reference for the purposes of this application.
  • the drive device has at least one piezoelectric actuator for generating the pendulum motion.
  • a tilting movement and / or a linear movement of the second mirror surface with a high pendulum frequency can be realized with the aid of piezo actuators.
  • the first mirror surface is formed on a first, stationarily mounted mirror element, which preferably has a feed device for supplying a cooling gas to a second mirror element, on which the second mirror surface is formed.
  • a feed device for supplying a cooling gas to a second mirror element, on which the second mirror surface is formed.
  • feeders e.g. Nozzles may be provided in the first mirror element.
  • the first mirror surface is formed on a plate-shaped element and placed on a base body of the first mirror element, wherein in the body preferably cooling channels for passing a cooling liquid and / or further cooling channels are introduced for passing a cooling gas for the second mirror element.
  • the main body may be made of a steel alloy, whereby a high stability and thus a small deformation of the mirror surface can be achieved.
  • the plate-shaped mirror surface is preferably made of copper or aluminum.
  • the base body and mirror surface can be connected to one another, for example by soldering or gluing.
  • water can be used which, for example, flows through an annular groove in the base body.
  • the second mirror surface is formed on a second, movably mounted and preferably one-piece mirror element.
  • the second mirror element may be mounted on one or more solid joints to allow the pendulum movement.
  • grooves for the passage of a cooling gas are introduced into the second, preferably metallic mirror element.
  • the second mirror element is preferably made of copper or aluminum. Since it is exposed to a high radiation power, it is cooled, wherein preferably a gas is guided by milled into the second mirror element grooves.
  • the grooves can be made banana-shaped.
  • a laser processing head for guiding a laser beam onto a workpiece, comprising: at least one deflection mirror as described above, wherein a focusing device for the laser beam is preferably arranged in the laser processing head.
  • a laser processing head with such a deflection mirror is designed to focus the laser beam on two or more focus points, at least one of which performs a pendulum motion during the laser processing.
  • the deflecting mirror is arranged in the beam path before or after the focusing device or designed as a focusing device.
  • the deflection mirror in the convergent beam path after the focusing device to be commuted second mirror surface can be reduced, whereby the pendulum frequency can be selected larger.
  • the deflecting mirror can also serve as a focusing device itself, if it is e.g. is designed as a concave mirror.
  • FIGS. 1a-c are schematic representations of an embodiment of a deflection mirror according to the invention in a plan view and in a side view,
  • FIGS. 2a, b show schematic representations of two embodiments of a laser processing head according to the invention with a deflecting mirror
  • FIGS. 3a, 3b are perspective views of an inner mirror element of the deflection mirror of FIG. 1,
  • Fig. 4 is a perspective view of an outer mirror element of
  • FIGS. 5a, b show schematic illustrations of examples for the mounting of the inner mirror element of the deflection mirror according to the invention.
  • FIGS. 1a-c show a deflection mirror 1 for a laser beam 2, whose circular mirror surface is divided into a first, outer mirror surface 3 and a second, inner mirror surface 4.
  • a beam diameter D of the laser beam 2 is selected so that it is completely reflected at the two mirror surfaces 3, 4.
  • the first and second mirror surface 3, 4 are arranged concentrically and separated from each other only by a narrow gap 5, so that almost 100% of the intensity of the laser beam 2 are reflected at the deflecting mirror 1.
  • the second, circular mirror surface 4 is movable, the first, annular mirror surface 3 mounted stationary, wherein the mounting of the second mirror surface 4 is designed such that it can perform a pendulum motion in the form of a tilting movement along an axis passing through the center M of the second Mirror surface 4 or extends through a point on an axis extending through the center M perpendicular to the second mirror surface 4 axis and parallel to the plane of the first mirror surface 3.
  • the direction of this tilting axis corresponds to the direction of an X-axis or Y-axis of an XYZ coordinate system shown in FIG. 1a.
  • the second mirror surface 4 can be moved from a starting position in which it lies in the same plane as the first mirror surface 3 (FIG. 1b) into a tilted position (FIG. 1c), the maximum tilt angle ⁇ typically being is ⁇ 1, 1 mrad.
  • the gap 5 between the first and second mirror surfaces 3, 4 has a width that is selected such that the second mirror surface 4 can be tilted by this maximum tilt angle relative to the first mirror surface 3. In the choice of the maximum tilt angle specified above, this gap width is at least approximately 0.02 mm.
  • the beam cross-section D of the incident laser beam 2 is matched to the size of the mirror surfaces 3, 4 and designed so that (for example) a second partial beam 2b with 86% of the laser power is reflected by the second mirror surface 4 to perform a pendulum motion with this.
  • the annular first mirror surface 3 is arranged around the second mirror surface 4 around. From the first mirror surface 3 a first partial beam 2a of the laser beam 2 is reflected, which with the incident laser beam 2 has a constant angle of e.g. 45 ° in the XY plane (deflection plane).
  • the above-described type of beam splitting has the advantage that with the small second mirror surface 4 high pendulum frequencies can be realized and that almost no laser power is lost by the provision of the second mirror surface 4 surrounding first mirror surface 3.
  • the second mirror surface 4 may in this case have a diameter of, for example, less than 15.8 mm, so that the pendulum second mirror surface 4 is small enough to reach with her pendulum frequencies of more than 3000 Hz. Furthermore, it is possible by the change of the diameter D of the laser beam 1 to radiate more or less power onto the pendulum second mirror surface 4.
  • more than half of the available laser power can also be levitated with a very small second mirror surface 4 Since the intensity distribution of the laser radiation over the beam cross-section substantially corresponds to a Gaussian distribution in which a considerable part of the beam intensity is concentrated in the vicinity of the center M of the second mirror surface 4.
  • FIG. 2a shows a first variant of a laser processing head 6 into which the deflection mirror 1 of FIGS. 1a-c is installed to perform a laser machining process for connecting two workpiece parts 7a, b along a machining direction 8.
  • the laser processing head 6 has a first deflection mirror 9 for deflecting the collimated laser beam 2 coming from a beam guidance device (not shown).
  • the deflected laser beam 2 subsequently strikes the deflecting mirror 1 of FIGS. 1a-c and is divided by this into two sub-beams 2a, b, which are shown for simplicity in Fig. 2a by a single beam.
  • the deflection mirror 1 is arranged such that its center M comes to lie in the optical axis 10 of the laser beam 2.
  • a focusing mirror 11 is arranged, from which the partial beams 2a, b are focused on a processing zone 12 between the workpiece parts 7a, b, behind which a weld seam 13 is formed in the machining direction 8.
  • the more powerful focus e.g., with 86% laser power
  • the fixed focus e.g., 14% laser power
  • the pendulum frequency is kept constant during the laser processing in this case, but may also be varied if necessary.
  • the variant of the arrangement of the deflecting mirror 1 in the laser machining head 6 shown in FIG. 2b differs from the variant described in connection with FIG. 2a only in that the positions of the deflecting mirror 1 and of the focusing mirror 11 deflect the laser beam 2 by 45 ° , are reversed.
  • the deflecting mirror 1 is therefore arranged in the partially focused beam path and deflects the partially focused laser beam 2 by a further 45 ° to the processing zone 12.
  • the diameter of the deflecting mirror 1 can thus be chosen to be smaller than in the variant described in connection with FIG. 2a, which is why, in this variant, typically higher pendulum frequencies can be achieved.
  • FIGS. 3 to 5 show an example of the structure of the deflection mirror 1 for achieving high pendulum frequencies.
  • FIGS. 3a, b show a second mirror element 14, on the upper side of which the second mirror surface
  • the second mirror element 14 consists of a metallic material (copper, aluminum, etc.), which must be cooled due to the high beam powers.
  • 14 grooves are milled as cooling channels 15 on the underside of the second mirror element, which are designed banana-shaped for better heat exchange.
  • a cooling gas air, nitrogen, etc.
  • the substantially plate-shaped second mirror element 14 in this case has a mass of typically less than
  • FIG. 4 shows a first mirror element 16, in which a ring-shaped, plate-shaped element 18 made of copper is formed on a base body 17 made of a steel alloy, whose upper side forms the second mirror surface 3, wherein the base body 17 and the plate-shaped element 18, for example, by soldering together are connected.
  • water is used, which is passed through a substantially annular groove as a cooling channel 19.
  • Another cooling channel 20 is used to pass a cooling gas to nozzles 21a, b, which serve as supply means for supplying the cooling gas to the cooling channels 15 of the second mirror element 14 and which are likewise milled into the base body 17. It is understood that further, not shown, cooling channels for discharging the cooling gas in the base body 17 are introduced.
  • the division of the first mirror element 16 into the base body 17 and the plate-shaped element 18 causes the cooling media to be guided close to the mirror surface 3.
  • this is, as shown in Fig. 5a, mounted on a piezo tilting system 22a as a drive device about an axis parallel to the first mirror surface 3 mounted tilted.
  • the second mirror element 14 is in this case arranged on a carrier element 25.
  • a piezoactuator 23 is integrated in the tilting system 22a and enables the drive of the second mirror element 14, which is mounted on a solid-state joint 24.
  • FIG. 5b embodiment of a piezo-tilting system 22b as a drive device four piezo actuators are present, of which two piezo actuators 23a, b are shown in Fig. 5b, which allow tilting of the second mirror element 14 in the Z direction .
  • piezoactuators allow tilting about an axis perpendicular to the plane of the drawing (X-axis, see Fig. 1a), so that the second mirror element 14 can be tilted in all directions.
  • the solid-state joint 24 is resiliently designed, so that a linear movement of the second mirror element 24 can be achieved by simultaneous activation of all piezoelectric actuators with the same voltage. It is understood that as an alternative to the movement forms described here, for example, a rotational movement of the second mirror surface 4 relative to the first mirror surface 3, for example, by means of an electric motor can be done.
  • the deflection mirror 1 need not necessarily have round mirror surfaces 3, 4, but that also a different shape, e.g. an elliptical shape for which mirror surfaces can be chosen.
  • the deflecting mirror is not necessarily designed as a plane mirror, but the mirror surfaces 3, 4 may also be curved (for example elliptical, parabolic). In this case, the deflection mirror can also be used as a focusing mirror.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Laserbearbeiten von Werkstücken mittels eines Laserstrahls (2), der an einer ersten Spiegelfläche (3) und an mindestens einer von der ersten Spiegelfläche (3) zumindest teilweise umgebenen zweiten Spiegelfläche (4) eines Umlenkspiegels (1) umgelenkt wird. Während des Laserbearbeitens führt hierbei die zweite Spiegelfläche (4) eine Pendelbewegung relativ zur ersten, bevorzugt ortsfesten Spiegelfläche (3) aus. Die Erfindung betrifft auch einen Umlenkspiegel (1) für einen Laserstrahl (2) zur Laserbearbeitung, umfassend: eine erste Spiegelfläche (3) und mindestens eine von der ersten Spiegelfläche (3) zumindest teilweise umgebene zweite Spiegelfläche (4), wobei die zweite Spiegelfläche (4) relativ zur ersten Spiegelfläche (3) pendelbar mit Pendelfrequenzen von mehr als 1000 Hz, bevorzugt von mehr als 2000 Hz, insbesondere von mehr als 3000 Hz gelagert ist. Die Erfindung betrifft weiterhin einen Laserbearbeitungskopf (6) mit einem solchen Umlenkspiegel (1).

Description

NEW SUBSTITUTED IND0LIN-2-0NE DERIVATIVES AND THEIR USE AS P39 MITOGEN-ACTIVATED KINASE INHIBITORS
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Laserbearbeiten von Werkstücken mittels eines Laserstrahls, der an einer ersten Spiegelfläche und an mindestens einer von der ersten Spiegelfläche zumindest teilweise umgebenen zweiten Spiegelfläche eines Umlenkspiegels umgelenkt wird. Die Erfindung betrifft auch einen Umlenkspiegel für einen Laserstrahl zur Laserbearbeitung, umfassend: eine erste Spiegelfläche und mindestens eine von der ersten Spiegelfläche zumindest teilweise umgebene zweite Spiegelfläche, sowie einen Laserbearbeitungskopf mit mindestens einem solchen Umlenkspiegel. Die Verwendung von Umlenkspiegeln mit mehreren Spiegelflächen insbesondere für die Laserbearbeitung ist verschiedentlich bekannt, wobei der Verwendungszweck solcher Umlenkspiegel unterschiedlich sein kann.
So ist beispielsweise in der JP 01271088 A eine Laserbearbeitungsmaschine beschrieben, bei der eine Phasendifferenz zwischen einem äußerem und einem inneren Teilbereich eines Laserstrahls dadurch ausgeglichen wird, dass die Position eines beweglichen, inneren Spiegelelements eines Umlenkspiegels mittels eines hierfür vorgesehenen, linear beweglichen Mechanismus relativ zu einem äußeren Spiegelelement verändert wird.
Aus der JP 2005314198 A ist eine Vorrichtung bekannt geworden, bei der zur Optimierung einer Laserschneidmaschine für das Glasschneiden die Querschnittsform und die Intensitätsverteilung des Laserbearbeitungsstrahls eingestellt wird, indem ein Facettenspiegel mit einer Mehrzahl von Spiegelsegmenten, deren Neigung einstellbar ist, oder ein formveränderlicher Spiegel zur Umlenkung des Laserstrahls genutzt werden.
Auch die GB 1 ,433,563 beschreibt eine Laserbearbeitungsmaschine zum Glasschneiden, bei der eine kleinere Spiegelfläche vor einer größeren Spiegelfläche im Strahlengang eines Laserstrahls angeordnet ist. Beide Spiegelflächen können durch Servomotoren angetrieben werden, um den Laserstrahl auf zwei unterschiedliche Fokuspunkte entlang einer an der Glasoberfläche gebildeten Schnittlinie umzulenken.
Die DE 10 2004 043 895 A1 beschreibt ein Mikrobearbeitungsverfahren, bei dem eine Mehrzahl unabhängig voneinander positionierbarer Strahlsteuerelemente in einer Strahlsteuerelementanordnung empfangene Laserstrahlung auf wählbare Orte auf einem Substrat richtet. Eine Anzahl von Laserstrahl-Fokussierungsmodulen ist den Strahlsteuerelementen zugeordnet, um jeden Teilstrahl auf das Substrat zu fokussieren.
In der DE 102 20 324 A1 ist ein Konkavspiegel als Pupillenfilter für ein katadiop- trisches Projektionsobjektiv beschrieben, der im Bereich einer Pupillenfläche des Objektivs angeordnet ist. Der Konkavspiegel ist in eine Anzahl von ringförmigen oder wabenförmigen Spiegelsegmenten unterteilt, die mit Hilfe piezoelektrischer Antriebselemente unabhängig voneinander relativ zueinander beweglich sind. Der Spiegel kann als phasenschiebender Pupillenfilter verwendet werden, wobei die Filterfunktion durch Relativ-Verschiebung der Spiegelelemente gegeneinander eingestellt werden kann, indem diese durch Piezoelemente angehoben oder abgesenkt werden.
Die Verwendung von segmentierten Umlenkspiegeln beim Laserstrahlschweißen dient in der Regel dazu, einen größeren Dampfkanal (Keyhole) zu erzeugen, wodurch sich ein höheres Schmelzbadvolumen ausbildet. Die Vergrößerung des Dampfkanals kann beispielsweise durch das Doppelfokus- bzw. Tandemschweißen realisiert werden, bei denen der Laserstrahl z.B. durch einen Dachspiegel in zwei Teilstrahlen aufgeteilt wird, die anschließend auf zwei nahe beieinander liegende Fokuspunkte fokussiert werden. Dies ermöglicht, dass die während des Schweißprozesses entstehenden Gase besser an die Oberfläche entweichen können und somit Schwachstellen in der Schweißnaht, die durch Porenbildung entstehen, auf ein Minimum verringert werden.
Ein optisches System für das Doppelfokusschweißen ist beispielsweise aus der EP 0 823 304 A1 bekannt geworden. Dort wird der Laserstrahl an einem Umlenkspiegel in eine Mehrzahl von Teilstrahlen mit unterschiedlichen optischen Achsen aufgespalten. In einer Ausführung ist der Umlenkspiegel aus einem äußeren und einem inneren Spiegelelement aufgebaut, wobei das äußere Spiegelelement eine zylindrische, zentrische Bohrung aufweist, in die das innere Spiegelelement eingepasst ist, so dass das innere und äußere Spiegelelement relativ zueinander drehbar sowie axial verschiebbar sind, wodurch sich die relative Lage eines dem ersten bzw. zweiten Teilstrahl zugeordneten Fokuspunkts auf zwei zusammenzufügenden Werkstücken einstellen lässt. Nach der Einstellung der gewünschten relativen Lage der Fokuspunkte wird diese Einstellung durch Fixierung der Spiegelelemente relativ zueinander fest eingestellt.
Der Nachteil der Vergrößerung des Dampfkanals durch Doppelfokusschweißen liegt in der benötigten größeren Streckenenergie gegenüber dem Laserschweißen mit lediglich einem Fokus. Vom Elektronenstrahlschweißen ist es bekannt, den Strahl hochfrequent, d.h. mit Frequenzen über 2000 Hz und einer Pendelamplitude von weniger als einem Millimeter mittels eines Pendelspiegels quer zur Schweißfuge zu pendeln. Auch in der EP 0 823 304 A1 ist bei einer Ausführung ein weiterer Spiegel zur Umlenkung der Teilstrahlen vorgesehen, der eine oszillierende Bewegung ausführt, so dass die beiden Fokuspunkte auf den Werkstücken eine Pendelbewegung in einer Richtung senkrecht zur Schweißlinie ausführen können.
Auch die US 5,690,845 beschreibt eine optische Anordnung zur Laserbearbeitung, welche einen ersten Umlenkspiegel als Einrichtung zur Aufspaltung eines Laserstrahls in eine Mehrzahl von Teilstrahlen aufweist. Ein zweiter, vom ersten separierter Umlenkspiegel fokussiert die Teilstrahlen auf eine Mehrzahl von Fokuspunkten. In einer Ausführung weist der erste Umlenkspiegel zwei oder mehr plane Spiegelteile auf, die unabhängig voneinander verkippt werden können. In einer weiteren, alternativen Ausführung weist der erste Umlenkspiegel eine Mehrzahl von konzentrisch um die optische Achse des Laserstrahls angeordneten konkaven, konvexen oder planen Spiegelflächen auf. Der erste Umlenkspiegel kann hierbei jeweils als Ganzes in einer vorgegebenen Richtung verkippt oder gedreht werden, um eine pendelnde oder spiralförmige Bewegung der Fokuspunkte auf dem Werkstück zu erzeugen.
Die dynamische Umlenkung und Bewegung des Laserstrahls zum Erzeugen der Pendelbewegung erfolgt üblicherweise - wie in den obigen Beispielen - mit Hilfe von sogenannten Scannerspiegeln, bei denen die gesamte Spiegelfläche mit Hilfe eines Galvanometer-Antriebs um eine Achse rotiert wird. Soll ein solcher Spiegel an einer Stelle im Strahlengang eingesetzt werden, an welcher der Laserstrahl einen großen Durchmesser aufweist, sind dafür große und damit schwere Spiegel notwendig. Dies begrenzt die maximal mögliche Pendelfrequenz auf Werte « 1500 Hz. Kleinere Spiegel und damit höhere Frequenzen lassen sich nur realisieren, wenn sie im konvergenten oder divergenten Teil einer Strahlkaustik in Nähe der Strahltaille angeordnet werden, wie z.B. bei Systemen mit Zwischenfokus oder in der Nähe des Endes eines Lichtleitkabels.
Aufgabe der Erfindung Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren, einen Umlenkspiegel und einen Laserbearbeitungskopf mit einem solchen Umlenkspiegel bereitzustellen, welche eine hochdynamische Umlenküng eines Laserstrahls für die Laserbearbeitung auch bei Verwendung großer Strahlquerschnitte ermöglichen.
Gegenstand der Erfindung
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren der eingangs genannten Art, bei dem während des Laserbearbeitens die zweite Spiegelfläche eine Pendelbewegung relativ zur ersten, bevorzugt ortsfesten Spiegelfläche ausführt. Die Erfinder haben erkannt, dass es zur Erzeugung des gewünschten Effekts der Vergrößerung des Dampfkanals (Keyholes) ausreichend ist, wenn nur ein kleiner Ausschnitt (zweite Spiegelfläche) aus der gesamten Spiegelfläche des Umlenkspiegels hochdynamisch gependelt wird, insbesondere wenn auf diesen Ausschnitt ein Großteil der Laserleistung auftrifft. Ein an der pendelnden zweiten Spiegelfläche reflektierter Teil des Laserstrahls wird nachfolgend auf einen Fokuspunkt fokussiert, der um einen ortsfesten Fokuspunkt, der von dem an der ersten Spiegelfläche reflektierten Teil des Laserstrahls erzeugt wird, eine Pendelbewegung ausführt. Es versteht sich, dass die erste Spiegelfläche bevorzugt direkt an die zweite Spiegelfläche anschließt, um möglichst die gesamte Laserleistung umzulenken. Hierbei kann zwischen der ersten und zweiten Spiegelfläche ggf. funktionsbedingt ein kleiner Spalt mit einer Breite von ca. 0,02 mm verbleiben, der die relative Bewegung der zweiten zur ersten Spiegelfläche ermöglicht.
Es versteht sich, dass auch zwei oder mehr zweite Spiegelflächen, die eine hochdynamische Umlenkung des Laserstrahls ermöglichen, vorgesehen sein können, wobei typischer Weise ein jeweiliger, von einer dynamisch bewegten Spiegelfläche reflektierter Anteil des Laserstrahls auf einen eigenen Fokuspunkt fokussiert wird. Auch die erste Spiegelfläche kann ggf. in mehrere Teilflächen (Facetten) unterteilt sein. Unter einer Pendelbewegung wird im Sinne dieser Anmeldung eine harmonische Schwingungsbewegung um eine Ruhelage verstanden.
In einer vorteilhaften Variante führt die zweite Spiegelfläche relativ zur ersten Spiegelfläche eine Pendelbewegung mit einer Pendelfrequenz von mehr als 1000 Hz, bevorzugt von mehr als 2000 Hz, insbesondere von mehr als 3000 Hz aus. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren kann die zweite Spiegelfläche verhältnismäßig klein gewählt werden, z.B. 200 mm2 oder darunter, so dass die Masse eines Spiegelelements, an dem die Spiegelfläche gebildet ist, klein genung gewählt werden kann, um die oben angegebenenen, hohen Pendelfrequenzen zu erreichen.
In einer weiteren vorteilhaften Variante führt die zweite Spiegelfläche relativ zur ersten Spiegelfläche eine Pendelbewegung in Form einer Kippbewegung, einer Drehbewegung und/oder einer Linearbewegung aus. Insbesondere die Realisierung der Pendelbewegung als Kippbewegung hat sich hierbei als vorteilhaft herausgestellt, wobei das Verkippen typischer Weise um eine oder zwei Achsen erfolgt, die in der Ebene der ersten Spiegelfläche verlaufen. Die Linearbewegung kann senkrecht zur ersten Spiegelfläche erfolgen und ebenso wie die Kippbewegung mit Hilfe von Piezoaktoren umgesetzt werden. Zur Realisierung der Kippbewegung kann die zweite Spiegelfläche bzw. ein Spiegelelement, an dem die zweite Spiegelfläche gebildet ist, an einem Festkörpergelenk gelagert sein. Alternativ oder zusätzlich kann auch eine Drehbewegung der zweiten Spiegelfläche relativ zur ersten Spiegelfläche stattfinden, wobei die Drehachse typischer Weise unter einem Winkel (ungleich 90°) zur zweiten Spiegelfläche verläuft, wie in der eingangs zitierten EP 0 823 304 A1 für eine feste Einstellung des Drehwinkels dargestellt ist. Ist beispielsweise die zweite Spiegelfläche zur ersten verkippt angeordnet und wird um eine Achse senkrecht zur ersten Spiegelfläche rotiert, so führt der Laserstrahl auf dem Werkstück eine kreisförmige Bewegung aus. Zur Erzeugung der Drehbewegung kann beim erfindungsgemäßen Verfahren z.B. ein Elektromotor dienen.
In einer besonders bevorzugten Variante werden die erste, bevorzugt ringförmige Spiegelfläche und die zweite, bevorzugt kreisförmige Spiegelfläche konzentrisch angeordnet. Die innere Spiegelfläche, auf die ein Großteil der Laserleistung (z.B. 86 %) auftrifft, wird hierbei gependelt, um bei der Laserbearbeitung einen pendelnden Fokuspunkt mit hoher Strahlleistung zu erzeugen. Die äußere, ringförmige Spiegelfläche bleibt ortsfest und bewirkt eine konstante Umlenkung des Laserstrahls (z.B. um 45°) auf einen ortsfesten Fokuspunkt geringerer Laserleistung (z.B. 14 %). Es versteht sich, dass nicht nur kreisförmige Spiegelflächen, sondern auch andere, insbesondere elliptische Formen der Spiegelflächen günstig sein können. Bei einer vorteilhaften Variante ist die erste Spiegelfläche an einem ersten Spiegelelement und die zweite Spiegelfläche an einem zweiten Spiegelelement gebildet, wobei das erste Spiegelelement bevorzugt flüssigkeitsgekühlt und das zweite Spiegelelement bevorzugt gasgekühlt wird. Bei den in der Laserbearbeitung typischer Weise auftretenden, hohen Laserleistungen ist eine Kühlung der Spiegelelemente vorteilhaft, um diese vor Zerstörung und/oder vor Deformationen durch zu starke Temperaturveränderungen zu schützen. Insbesondere das zweite Spiegelelement sollte hierbei gasgekühlt werden (z.B. mit Stickstoff oder Luft), da eine Kühlung mit einer Flüssigkeit aufgrund der zusätzlichen Masse die Pendelfrequenz verringern würde.
In einer besonders bevorzugten Variante wird an der zweiten Spiegelfläche ein Anteil von mehr als 50 %, bevorzugt von mehr als 70 %, insbesondere von mehr als 80 % der Intensität des Laserstrahls umgelenkt. Bei der anschließenden Fokussierung der von der ersten und der zweiten Spiegelfläche reflektierten Strahlanteile wird auf diese Weise ein leistungsstarker, pendelnder Fokuspunkt erzeugt, der um einen festen Fokuspunkt mit geringerer Strahlintensität pendelt, was sich als besonders günstig für die Laserbearbeitung herausgestellt hat. Es versteht sich, dass sich die relativen Anteile der Laserleistung, die auf die erste bzw. zweite Spiegelfläche auftreffen, durch eine Veränderung des Strahldurchmessers des auf den Umlenkspiegel auftreffenden Laserstrahls einstellen lassen.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung ist realisiert in einem Umlenkspiegel der eingangs genannten Art, bei dem die zweite Spiegelfläche relativ zur ersten Spiegelfläche pendelbar mit Pendelfrequenzen von mehr als 1000 Hz, bevorzugt von mehr als 2000 Hz, insbesondere von mehr als 3000 Hz gelagert ist. Vorzugsweise weist der Umlenkspiegel eine Antriebseinrichtung zur Erzeugung der Pendelbewegung der zweiten Spiegelfläche relativ zur ersten Spiegelfläche auf. Der erfindungsgemäße Umlenkspiegel kann insbesondere für die Laserbearbeitung verwendet werden, um eine Pendelbewegung eines Laserstrahlfokus auf dem / den zu bearbeitenden Werkstück(en) mit hoher Frequenz zu ermöglichen.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist die Antriebseinrichtung zum Erzeugen einer Pendelbewegung in Form einer Kippbewegung, Drehbewegung und/oder Linearbewegung der zweiten Spiegelfläche relativ zur ersten Spiegelfläche ausgelegt. Wie oben dargestellt kann die Pendelbewegung auf verschiedene Weise realisiert werden, wobei ggf. auch zwei Pendelbewegungen überlagert werden können, z.B. indem eine überlagerte Kippbewegung um zwei zueinander senkrechte Kippachsen vorgenommen wird, beispielsweise um eine spiralförmige Bewegung des Fokuspunkts zu erreichen, wie in der eingangs zitierten US 5,690,845 dargestellt ist, die bezüglich dieses Aspekts durch Bezugnahme zum Inhalt dieser Anmeldung gemacht wird.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weist die Antriebseinrichtung mindestens einen Piezoaktor zum Erzeugen der Pendelbewegung auf. Mit Hilfe von Piezoaktoren kann insbesondere eine Kippbewegung und/oder eine lineare Bewegung der zweiten Spiegelfläche mit hoher Pendelfrequenz realisiert werden.
In einer vorteilhaften Ausführungsform ist die erste Spiegelfläche an einem ersten, ortsfest gelagerten Spiegelelement gebildet, das bevorzugt eine Zuführungseinrichtung zum Zuführen eines Kühlgases an ein zweites Spiegelelement aufweist, an dem die zweite Spiegelfläche gebildet ist. Als Zuführungseinrichtungen können z.B. Düsen in dem ersten Spiegelelement vorgesehen sein.
Bei einer vorteilhaften Weiterbildung ist die erste Spiegelfläche an einem plattenförmigen Element gebildet und auf einen Grundkörper des ersten Spiegelelements aufgesetzt, wobei in dem Grundkörper bevorzugt Kühlkanäle zum Durchleiten einer Kühlflüssigkeit und/oder weitere Kühlkanäle zum Durchleiten eines Kühlgases für das zweite Spiegelelement eingebracht sind. Der Grundkörper kann aus einer Stahllegierung gefertigt sein, wodurch eine hohe Stabilität und dadurch eine geringe Verformung der Spiegelfläche erreicht werden kann. Die plattenförmige Spiegelfläche besteht bevorzugt aus Kupfer oder Aluminium. Grundkörper und Spiegelfläche können z.B. durch Löten oder Kleben miteinander verbunden sein. Zur Kühlung des ersten Spiegelelements kann Wasser verwendet werden, das z.B. durch eine ringförmige Nut im Grundkörper fließt. Die Zweiteilung des ersten Spiegelelements in einen Grundkörper und ein plattenförmiges Element mit der Spiegelfläche hat den Vorteil, dass die Kühlmedien nah an der Spiegeloberfläche entlang geleitet werden können.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist die zweite Spiegelfläche an einem zweiten, beweglich gelagerten und bevorzugt einteiligen Spiegelelement gebildet. Das zweite Spiegelelement kann an einem oder mehreren Festkörpergelenken gelagert sein, um die Pendelbewegung zu ermöglichen.
Bei einer besonders vorteilhaften Weiterbildung sind in dem zweiten, bevorzugt metallischen Spiegelelement Nuten für das Durchleiten eines Kühlgases eingebracht. Das zweite Spiegelelement besteht bevorzugt aus Kupfer oder Aluminium. Da es einer hohen Strahlungsleistung ausgesetzt ist, wird es gekühlt, wobei bevorzugt ein Gas durch in das zweite Spiegelelement gefräste Nuten geführt wird. Zum besseren Wärmeaustausch können die Nuten bananenförmig ausgeführt sein.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung ist realisiert in einem Laserbearbeitungskopf zur Führung eines Laserstrahls auf ein Werkstück, umfassend: mindestens einen Umlenkspiegel wie oben beschrieben, wobei in dem Laserbearbeitungskopf bevorzugt eine Fokussiereinrichtung für den Laserstrahl angeordnet ist. Ein Laserbearbeitungskopf mit einem solchen Umlenkspiegel ist ausgelegt, den Laserstrahl auf zwei oder mehr Fokuspunkte zu fokussieren, von denen mindestens einer während der Laserbearbeitung eine Pendelbewegung ausführt.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist der Umlenkspiegel im Strahlengang vor oder nach der Fokussiereinrichtung angeordnet oder als Fokussiereinrichtung ausgebildet. Bei der Anordnung des Umlenkspiegels im konvergenten Strahlengang nach der Fokussiereinrichtung kann die zu pendelnde zweite Spiegelfläche verkleinert werden, wodurch die Pendelfrequenz größer gewählt werden kann. Der Umlenkspiegel kann aber auch selbst als Fokussiereinrichtung dienen, wenn er z.B. als Hohlspiegel ausgelegt ist.
Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der Zeichnung. Ebenso können die vorstehend genannten und die noch weiter aufgeführten Merkmale je für sich oder zu mehreren in beliebigen Kombinationen Verwendung finden. Die gezeigten und beschriebenen Ausführungsformen sind nicht als abschließende Aufzählung zu verstehen, sondern haben vielmehr beispielhaften Charakter für die Schilderung der Erfindung.
Es zeigen:
Fign. 1a-c schematische Darstellungen einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Umlenkspiegels in einer Draufsicht und in einer Seitenansicht,
Fign. 2a, b schematische Darstellungen von zwei Ausführungsformen eines erfindungsgemäßen Laserbearbeitungskopfs mit einem Umlenkspiegel,
Fign. 3a, b perspektivische Darstellungen eines inneren Spiegelelements des Umlenkspiegels von Fig. 1 ,
Fig. 4 eine perspektivische Darstellung eines äußeren Spiegelelements des
Umlenkspiegels von Fig. 1 , und
Fign. 5a,b schematische Darstellungen von Beispielen für die Lagerung des inneren Spiegelelements des erfindungsgemäßen Umlenkspiegels.
Fign. 1a-c zeigen einen Umlenkspiegel 1 für einen Laserstrahl 2, dessen kreisrunde Spiegelfläche in eine erste, äußere Spiegelfläche 3 und in eine zweite, innere Spiegelfläche 4 aufgeteilt ist. Ein Strahldurchmesser D des Laserstrahls 2 ist hierbei so gewählt, dass dieser vollständig an den beiden Spiegelflächen 3, 4 reflektiert wird. Die erste und zweite Spiegelfläche 3, 4 sind hierbei konzentrisch angeordnet und nur durch einen schmalen Spalt 5 voneinander getrennt, so dass nahezu 100% der Intensität des Laserstrahls 2 an dem Umlenkspiegel 1 reflektiert werden. Die zweite, kreisförmige Spiegelfläche 4 ist beweglich, die erste, ringförmige Spiegelfläche 3 stationär gelagert, wobei die Lagerung der zweiten Spiegelfläche 4 derart ausgelegt ist, dass diese eine Pendelbewegung in Form einer Kippbewegung entlang einer Achse ausführen kann, die durch den Mittelpunkt M der zweiten Spiegelfläche 4 oder durch einen Punkt auf einer durch den Mittelpunkt M senkrecht zur zweiten Spiegelfläche 4 verlaufenden Achse sowie parallel zur Ebene der ersten Spiegelfläche 3 verläuft. Die Richtung dieser Kippachse entspricht der Richtung einer X- Achse oder Y-Achse eines in Fig. 1a gezeigten XYZ-Koordinatensystems.
Wie in Fign. 1b,c gezeigt, kann die zweite Spiegelfläche 4 aus einer Ausgangslage, in der sie in derselben Ebene wie die erste Spiegelfläche 3 liegt (Fig. 1b) in eine verkippte Lage bewegt werden (Fig. 1c), wobei der maximale Kippwinkel α typischer Weise bei ± 1 ,1 mrad liegt. Der Spalt 5 zwischen der ersten und zweiten Spiegelfläche 3, 4 weist eine Breite auf, die so gewählt ist, dass die zweite Spiegelfläche 4 um diesen maximalen Kippwinkel relativ zur ersten Spiegelfläche 3 verkippt werden kann. Bei der oben angegebenen Wahl des maximalen Kippwinkels beträgt diese Spaltbreite mindestens ca. 0,02 mm.
Der Strahlquerschnitt D des einfallenden Laserstrahls 2 ist auf die Größe der Spiegelflächen 3, 4 abgestimmt und so gestaltet, dass (beispielsweise) ein zweiter Teilstrahl 2b mit 86 % der Laserleistung von der zweiten Spiegelfläche 4 reflektiert wird, um mit diesem eine Pendelbewegung auszuführen. Um die restlichen 14 % Laserleistung nutzen zu können, ist die ringförmige erste Spiegelfläche 3 um die zweite Spiegelfläche 4 herum angeordnet. Von der ersten Spiegelfläche 3 wird ein erster Teilstrahl 2a des Laserstrahls 2 reflektiert, der mit dem einfallenden Laserstrahl 2 einen konstanten Winkel von z.B. 45° in der XY-Ebene (Umlenkebene) einschließt.
Die oben dargestellte Art der Strahlteilung hat den Vorteil, dass mit der kleinen zweiten Spiegelfläche 4 hohe Pendelfrequenzen realisierbar sind und dass durch das Vorsehen der die zweite Spiegelfläche 4 umgebenden ersten Spiegelfläche 3 fast keine Laserleistung verloren geht. Die zweite Spiegelfläche 4 kann hierbei einen Durchmesser von z.B. weniger als 15,8 mm aufweisen, so dass die gependelte zweite Spiegelfläche 4 klein genug ist, um mit ihr Pendelfrequenzen von mehr als 3000 Hz zu erreichen. Ferner ist es möglich, durch die Veränderung des Durchmessers D des Laserstrahls 1 mehr oder weniger Leistung auf die gependelte zweite Spiegelfläche 4 einzustrahlen. Insbesondere kann mehr als die Hälfte der vorhandenen Laserleistung auch mit einer sehr kleinen zweiten Spiegelfläche 4 gependelt werden, da die Intensitätsverteilung der Laserstrahlung über den Strahlquerschnitt im Wesentlichen einer Gau ß- Verteilung entspricht, bei der ein erheblicher Teil der Strahlintensität in der Nähe des Mittelpunkts M der zweiten Spiegelfläche 4 konzentriert ist.
Fig. 2a zeigt eine erste Variante eines Laserbearbeitungskopfs 6, in den der Umlenkspiegel 1 der Fign. 1a-c eingebaut ist, um einen Laserbearbeitungsprozess zur Verbindung von zwei Werkstückteilen 7a, b entlang einer Bearbeitungsrichtung 8 durchzuführen. Der Laserbearbeitungskopf 6 weist zur Umlenkung des von einer nicht gezeigten Strahlführungseinrichtung kommenden, kollimierten Laserstrahls 2 einen ersten Umlenkspiegel 9 auf. Der umgelenkte Laserstrahl 2 trifft nachfolgend auf den Umlenkspiegel 1 der Fign. 1a-c und wird von diesem in zwei Teilstrahlen 2a, b aufgeteilt, die zur Vereinfachung in Fig. 2a durch einen einzigen Strahl dargestellt sind. Der Umlenkspiegel 1 ist derart angeordnet, dass sein Mittelpunkt M in der optischen Achse 10 des Laserstrahls 2 zu liegen kommt. Im Strahlengang nach dem Umlenkspiegel 1 ist ein Fokussierspiegel 11 angeordnet, von dem die Teilstrahlen 2a, b auf eine Bearbeitungszone 12 zwischen den Werkstückteilen 7a, b fokussiert werden, hinter der sich in Bearbeitungsrichtung 8 eine Schweißnaht 13 ausbildet.
Durch die Fokussierung der Teilstrahlen werden zwei Brennpunkte (nicht gezeigt) in der Bearbeitungszone 12 erzeugt. Der leistungsstärkere Fokus (z.B. mit 86 % Laserleistung) wird dabei um den festen Fokus (z.B. mit 14 % Laserleistung) z.B. mit einer Auslenkung von 0,6 mm senkrecht zur Bearbeitungsrichtung 8 gependelt, wie in Fig. 2a durch eine gezackte Linie angedeutet ist. Die Pendelfrequenz wird während der Laserbearbeitung hierbei in der Regel konstant gehalten, kann aber gegebenenfalls auch variiert werden.
Die in Fig. 2b gezeigte Variante der Anordnung des Umlenkspiegels 1 in dem Laserbearbeitungskopf 6 unterscheidet sich von der im Zusammenhang mit Fig. 2a beschriebenen Variante lediglich dadurch, dass die Positionen des Umlenkspiegels 1 und des Fokussierspiegels 11 , der den Laserstrahl 2 um 45° umlenkt, vertauscht sind. Der Umlenkspiegel 1 ist daher im teilfokussierten Strahlengang angeordnet und lenkt den teilfokussierten Laserstrahl 2 um weitere 45° zur Bearbeitungszone 12 um. Bei dieser Variante kann der Durchmesser des Umlenkspiegels 1 somit geringer gewählt werden als bei der in Zusammenhang mit Fig. 2a beschriebenen Variante, weshalb bei dieser Variante typischer Weise höhere Pendelfrequenzen erreicht werden können.
Im Folgenden wird anhand der Fign. 3 bis 5 ein Beispiel für den Aufbau des Umlenkspiegels 1 zum Erreichen hoher Pendelfrequenzen dargestellt. Fign. 3a, b zeigen hierbei ein zweites Spiegelelement 14, an dessen Oberseite die zweite Spiegelfläche
4 gebildet ist. Das zweite Spiegelelement 14 besteht aus einem metallischen Material (Kupfer, Aluminium etc.), das aufgrund der hohen Strahlleistungen gekühlt werden muss. Zu diesem Zweck sind auf der Unterseite des zweiten Spiegelelements 14 Nuten als Kühlkanäle 15 eingefräst, die zum besseren Wärmeaustausch bananenförmig ausgeführt sind. Durch die Kühlkanäle 15 wird ein Kühlgas (Luft, Stickstoff etc.) geleitet, da die Verwendung einer Kühlflüssigkeit aufgrund der zusätzlichen zu bewegenden Masse und aufgrund der dämpfenden Wirkung von Schläuchen und Anschlüssen negative Auswirkungen auf die Pendelfrequenz des zweiten Spiegelelements 14 hätte. Das im Wesentlichen plattenförmig ausgebildete zweite Spiegelelement 14 weist hierbei eine Masse von typischer Weise weniger als
5 Gramm auf.
Fig. 4 zeigt ein erstes Spiegelelement 16, bei dem auf einem Grundkörper 17 aus einer Stahllegierung ein ringförmiges, plattenförmiges Element 18 aus Kupfer gebildet ist, dessen Oberseite die zweite Spiegelfläche 3 bildet, wobei der Grundkörper 17 und das plattenförmige Element 18 z.B. durch Löten miteinander ver- bunden sind. Zur Kühlung des zweiten Spiegelelements 16 wird Wasser verwendet, das durch eine im Wesentlichen ringförmige Nut als Kühlkanal 19 geleitet wird. Ein weiterer Kühlkanal 20 dient zum Durchleiten eines Kühlgases zu Düsen 21a,b, welche als Zuführungseinrichtungen zur Zuführung des Kühlgases an die Kühlkanäle 15 des zweiten Spiegelelements 14 dienen und welche ebenfalls in den Grundkörper 17 eingefräst sind. Es versteht sich, dass weitere, nicht gezeigte Kühlkanäle zum Abführen des Kühlgases in dem Grundkörper 17 eingebracht sind. Durch die Teilung des ersten Spiegelelements 16 in den Grundkörper 17 und das plattenförmige Element 18 wird bewirkt, dass die Kühlmedien nahe an der Spiegeloberfläche 3 entlang geführt werden können. Um eine hohe Bewegungsfrequenz der zweiten Spiegelfläche 4 bzw. des zweiten Spiegelelements 14 zu erreichen, ist dieses, wie in Fig. 5a gezeigt, auf einem Piezo- Kippsystem 22a als Antriebseinrichtung um eine Achse parallel zur ersten Spiegelfläche 3 kippbar gelagert montiert. Das zweite Spiegelelement 14 ist hierbei auf einem Trägerelement 25 angeordnet. Ein Piezoaktor 23 ist in das Kippsystem 22a integriert und ermöglicht den Antrieb des zweiten Spiegelelements 14, das an einem Festkörpergelenk 24 gelagert ist. In einer alternativen, in Fig. 5b gezeigten Ausführung eines Piezo-Kippsystems 22b als Antriebseinrichtung sind vier Piezo- aktoren vorhanden, von denen zwei Piezoaktoren 23a, b in Fig. 5b gezeigt sind, die eine Verkippung des zweiten Spiegelelements 14 in Z-Richtung ermöglichen. Zwei weitere, nicht gezeigte Piezoaktoren ermöglichen die Verkippung um eine Achse senkrecht zur Zeichenebene (X-Achse, vgl. Fig. 1a), so dass das zweite Spiegelelement 14 in alle Richtungen verkippt werden kann. Das Festkörpergelenk 24 ist federnd ausgelegt, so dass durch gleichzeitiges Ansteuern aller Piezoaktoren mit derselben Spannung eine Linearbewegung des zweiten Spiegelelements 24 erreicht werden kann. Es versteht sich, dass alternativ zu den hier beschriebenen Bewegungsformen z.B. auch eine Drehbewegung der zweiten Spiegelfläche 4 relativ zur ersten Spiegelfläche 3 z.B. mittels eines Elektromotors erfolgen kann.
Es versteht sich weiterhin, dass der Umlenkspiegel 1 nicht zwingend runde Spiegelflächen 3, 4 aufweisen muss, sondern dass auch eine andere Formgebung, z.B. eine elliptische Form, für die Spiegelflächen gewählt werden kann. Auch ist der Umlenkspiegel nicht zwingend als Planspiegel ausgebildet, vielmehr können die Spiegelflächen 3, 4 auch (z.B. elliptisch, parabolisch) gekrümmt sein. In diesem Fall kann der Umlenkspiegel auch als Fokussierspiegel verwendet werden.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum Laserbearbeiten von Werkstücken (7a, 7b) mittels eines Laserstrahls (2), der an einer ersten Spiegelfläche (3) und an mindestens einer von der ersten Spiegelfläche (3) zumindest teilweise umgebenen zweiten Spiegelfläche (4) eines Umlenkspiegels (1) umgelenkt wird, dadurch gekennzeichnet, dass während des Laserbearbeitens die zweite Spiegelfläche (4) eine Pendelbewegung relativ zur ersten, bevorzugt ortsfesten Spiegelfläche (3) ausführt.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , bei dem die zweite Spiegelfläche (4) relativ zur ersten Spiegelfläche (3) eine Pendelbewegung mit einer Pendelfrequenz von mehr als 1000 Hz, bevorzugt von mehr als 2000 Hz, insbesondere von mehr als 3000 Hz ausführt.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die zweite Spiegelfläche (4) relativ zur ersten Spiegelfläche (3) eine Pendelbewegung in Form einer Kippbewegung, einer Drehbewegung und/oder einer Linearbewegung ausführt.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die erste, bevorzugt ringförmige Spiegelfläche (3) und die zweite, bevorzugt kreisförmige Spiegelfläche (4) konzentrisch angeordnet werden.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die erste Spiegelfläche (3) an einem ersten Spiegelelement (16) und die zweite Spiegelfläche (4) an einem zweiten Spiegelelement (14) gebildet ist, wobei das erste Spiegelelement (16) bevorzugt flüssigkeitsgekühlt und das zweite Spiegelelement (14) bevorzugt gasgekühlt wird.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem an der zweiten Spiegelfläche (4) ein Anteil von mehr als 50 %, bevorzugt von mehr als 70 %, insbesondere von mehr als 80 % der Intensität des Laserstrahls (2) umgelenkt wird.
7. Umlenkspiegel (1) für einen Laserstrahl (2) zur Laserbearbeitung, umfassend: eine erste Spiegelfläche (3), mindestens eine von der ersten Spiegelfläche (3) zumindest teilweise umgebene zweite Spiegelfläche (4), dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Spiegelfläche (4) relativ zur ersten Spiegelfläche (3) pendelbar mit
Pendelfrequenzen von mehr als 1000 Hz, bevorzugt von mehr als 2000 Hz, insbesondere von mehr als 3000 Hz gelagert ist.
8. Umlenkspiegel nach Anspruch 7, der eine Antriebseinrichtung (22a, 22b) zur Erzeugung einer Pendelbewegung der zweiten Spiegelfläche (4) relativ zur ersten Spiegelfläche (3) mit einer Pendelfrequenz von mehr als 1000 Hz, bevorzugt von mehr als 2000 Hz, insbesondere von mehr als 3000 Hz aufweist.
9. Umlenkspiegel nach Anspruch 8, bei dem die Antriebseinrichtung (22a, 22b) zum Erzeugen einer Pendelbewegung in Form einer Kippbewegung, Drehbewegung und/oder Linearbewegung der zweiten Spiegelfläche (4) relativ zur ersten Spiegelfläche (3) ausgelegt ist.
10. Umlenkspiegel nach Anspruch 8 oder 9, bei dem die Antriebseinrichtung (22a, 22b) mindestens einen Piezoaktor (23; 23a, 23b) zum Erzeugen der Pendelbewegung aufweist.
11. Umlenkspiegel nach einem der Ansprüche 7 bis 10, bei dem die erste Spiegelfläche (3) an einem ersten, ortsfest gelagerten Spiegelelement (16) gebildet ist, das bevorzugt eine Zuführungseinrichtung (21a, 21b) zum Zuführen eines Kühlgases an ein zweites Spiegelelement (14) aufweist, an dem die zweite Spiegelfläche (4) gebildet ist.
12. Umlenkspiegel nach Anspruch 11 , bei dem die erste Spiegelfläche (3) an einem plattenförmigen Element (18) gebildet ist, das auf einen Grundkörper (17) des ersten Spiegelelements (16) aufgesetzt ist, wobei in dem Grundkörper (17) bevorzugt Kühlkanäle (19) zum Durchleiten einer Kühlflüssigkeit und/oder weitere Kühlkanäle (20) zum Durchleiten eines Kühlgases für das zweite Spiegelelement (14) eingebracht sind.
13. Umlenkspiegel nach einem der Ansprüche 7 bis 12, bei dem die zweite Spiegelfläche (4) an einem zweiten, beweglich gelagerten und bevorzugt einteiligen Spiegelelement (14) gebildet ist.
14. Umlenkspiegel nach Anspruch 13, bei dem in dem zweiten, bevorzugt metallischen Spiegelelement (14) Nuten (15) für das Durchleiten eines Kühlgases eingebracht sind.
15. Laserbearbeitungskopf (6) zur Führung eines Laserstrahls (2) auf ein Werkstück (7a, 7b), umfassend: mindestens einen Umlenkspiegel (1) nach einem der Ansprüche 7 bis 14, wobei in dem Laserbearbeitungskopf (6) bevorzugt eine Fokussiereinrichtung (11) für den Laserstrahl (2) angeordnet ist.
16. Laserbearbeitungskopf nach Anspruch 15, bei dem der Umlenkspiegel (1) im Strahlengang vor oder nach der Fokussiereinrichtung (11) angeordnet oder als Fokussiereinrichtung ausgebildet ist.
PCT/EP2009/002694 2008-05-02 2009-04-11 Verfahren zum laserbearbeiten von werkstücken mittels einem laserstrahl und einer dynamischen strahlumlenkung dieses laserstrahls WO2009132764A1 (de)

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