WO2020193255A1 - Vorrichtung zur erzeugung einer räumlich modulierbaren leistungsdichteverteilung aus laserstrahlung - Google Patents

Vorrichtung zur erzeugung einer räumlich modulierbaren leistungsdichteverteilung aus laserstrahlung Download PDF

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    • Y02P10/25—Process efficiency

Definitions

  • the present invention relates to a
  • the process speed is limited by various influences.
  • the machining process itself can limit the speed. This is the case, for example, in the selective laser melting (SLM) process, in which the metal powder can be remelted in practice at a maximum speed of approx. 1 m / s.
  • SLM selective laser melting
  • the available laser power or the inertia of the scanning device can also limit the process speed.
  • increasing the process speed is very important when laser processing is used in an industrial environment.
  • DOE optical element
  • the partial beams cannot be modulated spatially and temporally separately from one another, so that the range of applications of this technology is limited.
  • Each diode laser is guided by its own optical system and its own galvanometer scanner.
  • Processing plane are directed.
  • the processing head is moved over the processing plane with the aid of a movement device, while the intensity of the laser beams, which are separated from one another, can be modulated independently of one another to achieve the desired
  • the object of the present invention is to provide a device for generating a spatially modulatable power density distribution
  • the task is with the device according to
  • the proposed device has either a fiber arrangement of several optical fibers arranged next to one another in a fiber receptacle or a receiving device for a plurality of fiber plugs or
  • Fiber collimators with firmly connected optical fibers next to one another, whereby in all cases the fiber exit surfaces of the optical fibers form a one- or two-dimensional array.
  • the device also has an optical arrangement with which the optical fibers emerge from the fiber exit surfaces
  • Laser beams can be focused on a target plane, and a scanning device common to all laser beams, with which the laser beams can be guided or moved over the target plane.
  • the device is characterized by a rotating device with which at least the fiber receptacle or receiving device or a distribution of the laser beams resulting from the one or two-dimensional array around a axis running parallel to the laser beams, preferably around one with respect to the distribution of the
  • Laser beams central axis or axis of symmetry is rotatable.
  • the proposed device enables the power density distribution of the
  • Laser beams are guided through a common beam shaping and by means of a common scanning device, for example a dynamic beam deflection unit, are guided over the target plane, which corresponds to the workpiece surface during laser material processing.
  • the optical output power of the individual optical fibers can be individually modulated via the underlying laser sources or modulators connected upstream of them, so that individual laser spots can be switched on or off for processing. In this way, e.g. the total track width of the intensity distribution generated in the target plane from the individual laser spots can be varied.
  • This intensity distribution or power density distribution in the target plane can be achieved by the rotating device in the proposed device rotated and thus additionally adjusted. This is especially true when producing an elongated one
  • Optical fibers of great advantage, since, for example, the total track width when guiding the intensity distribution in the target plane first in one direction and then in the direction perpendicular thereto by corresponding rotation of the intensity profile
  • the rotation of the beam profile can be corrected, which as
  • Orientation of the beam profile can be set so that a laser processing from two orthogonal
  • Manufacturing processes such as Selective Laser Melting (SLM) are advantageous in order to increase the strength of the additively manufactured components.
  • SLM Selective Laser Melting
  • An advantageous possibility consists in making the rotation via an optical device which is arranged in the beam path of the laser beams and is rotated accordingly.
  • This is preferably a Dove prism that has a
  • Dove prism instead of the Dove prism, other optical arrangements can also be used, for example a suitable mirror arrangement which is designed to be rotatable accordingly.
  • the rotation itself is preferably implemented using a suitable rotary drive, for example an electric motor.
  • the scanning device can be a conventional dynamic beam deflection system such as a galvanometer or polygon scanner.
  • a portal axis system can also be used to move the laser beams over the target plane.
  • the scanning device can also consist of a combination
  • Device is a fiber arrangement of several in a fiber holder side by side
  • optical fibers used.
  • the optical fibers are close to one another in the fiber receptacle
  • the thickness of the fiber jacket is preferably less than four times the thickness of the fiber jacket and preferably corresponds to twice the thickness of the fiber jacket.
  • Design then has the optical arrangement preferably a collimator and focusing optics.
  • Fiber exit surfaces which are arranged and dimensioned in such a way that laser radiation emitted from the fiber exit surfaces overlaps in a first plane (in the direction of the laser beams) behind the microlenses.
  • the fill factor is significantly higher due to the larger diameter of the fiber cores with the same spacing between the individual fiber cores, so that in this case the arrangement of the microlenses and the first
  • optical arrangement can be completely dispensed with.
  • the use of a fiber receptacle for many optical fibers lying close together has the disadvantage that an exchange of individual fibers is not possible or only possible with great effort.
  • a receiving device for several fiber connectors or fiber collimators with permanently connected optical fibers ie for conventional connections to optical fibers, in particular permanently connected fiber collimators or standardized fiber stretchers (eg QBH) is used. Following this receiving device, an optical device is then arranged with which the mutual spacing of the
  • Arrangement and scanning device is reduced. This can be done for example by a suitable arrangement of several mirrors and / or prisms and / or lenses.
  • This scaling device makes the large
  • Optical fibers and lasers remain modular and with
  • the proposed device is particularly suitable for parallelized laser material processing.
  • the device is not limited to the field of laser material processing and can also be used for other applications in which parallel scanning of an object is also possible Laser radiation of a modulatable power density distribution is necessary or advantageous.
  • the device With a common scanning device, the device has a low level of complexity, which is mechanically less susceptible, takes up less space and can be implemented more cost-effectively than arrangements with a large number of scanning devices.
  • a polygon scanner e.g. With a varying tilt angle of the individual mirror facets, a considerable increase in, for example, removal, structuring or marking processes can be achieved.
  • the modulation can e.g. can be implemented via acousto or electro-optical switches, the frequencies of over 1
  • the device is in terms of the type of beam sources and thus also in terms of
  • diode lasers coupled into multimode fibers can be used.
  • singlemode fiber lasers and ultra-short pulse lasers coupled into photonic fibers can be used.
  • Fig. 1 is a schematic representation of a
  • first embodiment of the proposed device shows a schematic representation of an exemplary fiber arrangement in the fiber receptacle of the first embodiment
  • Fig. 3 is a schematic representation of the
  • Fig. 4 is a cross-sectional view of
  • Fig. 5 is a schematic representation of the
  • Fig. 6 is a schematic representation of the
  • FIG. 7 shows a schematic illustration of a fiber arrangement that can be rotated about the axis of symmetry
  • Fig. 8 is a schematic representation of the
  • Fig. 9 is a schematic representation of the
  • Fig. 10 is a schematic representation of the
  • FIG. 9 shows a schematic representation of the parallel processing using a galvanometer scanner
  • Fig. 12 is a schematic representation of the
  • FIG. 17 is a view perpendicular to FIG. 16 of FIG.
  • the proposed device enables
  • Optical fibers F i arranged side by side in a one- or two-dimensional fiber arrangement.
  • the laser beams 6 emerging from these fibers F i are arranged side by side in a one- or two-dimensional fiber arrangement.
  • a rotary device 1 with which the distribution of the laser beams 6 can be rotated about an axis running parallel to the laser beams. This is followed by a collimation in a collimator 2 and the dynamic beam deflection or beam guidance with a scanner 3.
  • the workpiece 5 is focused via an F-theta lens 4.
  • the rotating device 1 in this example is rotatable optical device realized, but can also by rotating the
  • Fig. 2 shows in figure a) an example of an arrangement of the optical fibers F i in a row in the fiber receptacle A.
  • the fibers are embedded in this fiber receptacle A and each have a jacket M and core K, as shown in excerpts enlarged in the right illustration b) of the figure.
  • Optical fiber channels can be modulated individually so that individual laser spots can be switched on or off for processing. In this way, e.g. the total track width of the laser processing on the workpiece can be varied.
  • the fiber cores are arranged in the fiber arrangement with a distance ⁇ x or ⁇ y, the lower limit being predetermined by the thickness of the cladding M of the fibers. With a typical cladding diameter of approx. 200 ⁇ m and a singlemode fiber core diameter of approx. 10 ⁇ m, the result would be
  • a (micro) lens ML is used in front of each fiber to solve this problem
  • This figure shows the assembled fiber arrangement FA with the lens arrangement LA placed in front of it.
  • E ' there is an almost complete distribution of intensity.
  • E represents the exit plane of the laser radiation from the optical fibers F i .
  • the spot diameter is in plane E '
  • the microlenses behind the fiber facets (fiber exit surfaces) can be combined to form a (monolithic) lens arrangement LA, which can be mounted on the fiber receptacle A as a unit.
  • lens-fiber arrangement FLA This arrangement of fibers and lenses is referred to below as a lens-fiber arrangement FLA.
  • the lenses and the lens arrangement can e.g. made of diamond
  • the fill factor that is to say the ratio of core diameter to cladding diameter
  • the fiber facets can be mapped directly - or a plane in the near field of the facer facets - in the plane E '''of the workpiece, for example directly via the collimator KO and F-theta lens.
  • the fiber arrangement FA or the fiber-lens arrangement can be rotated by at least 90 ° around the axis of symmetry R (cf. FIG. 8) by means of a rotary device or rotary axis DA, as in FIG c) schematic
  • Traces S i of the laser beams on the workpiece can easily be superimposed crosswise with suitable guidance.
  • the cross-overlaying is common in the SLM process, for example, in order to increase the component strength.
  • continuous multispot trajectories can be driven by the rotation.
  • the rotation of the fiber arrangement can also reduce the effective track spacing and the total track width (cf. sub-figures b) and d) of FIG. 7), which is particularly important when using multimode fibers.
  • a rotation through the angle ⁇ > 0 ° causes the rotation along the
  • Feed direction VR reduces the effective track width.
  • the individual tracks S i then also lie closer together or overlap more. If the fiber arrangement FA completely in the direction of the
  • all beam sources or spots are superimposed in one track.
  • This can e.g. can be used to cut a workpiece, e.g. a sheet metal, after laser structuring with a higher power density.
  • the manufacture of the fiber arrangement FA can be any material.
  • channels are produced in the fiber receptacle A, made for example of quartz, into which the optical fibers are then inserted and glued or fused.
  • Ordinary multi-mode and singlemode fibers and also photonic fibers (PCF), e.g. Hollow core fibers are used in the device.
  • PCF photonic fibers
  • CW fiber lasers for additive manufacturing and laser polishing
  • USP lasers for material removal and structuring.
  • the fiber receptacle can also contain cooling channels in addition to the fiber channels, which can also be introduced into the fiber receptacle using the SLE method.
  • the cooling channels can, for example, be flowed through with (optionally colored) water.
  • Fig. 8 shows in the partial images a) and b) a schematic representation of the assembled lens and fiber arrangement FLA with the attached fiber bundle FB, which can be rotated about the axis of symmetry R by means of an axis of rotation DA.
  • the axis of rotation DA can be
  • Fig. 9 is an embodiment of the parallel
  • the intensity distribution generated by the lens arrangement FLA (in plane E ') is here via the lenses L 1 and L 2
  • the focusing time ZS is variable (z-shift), so that in this case no F-theta lens is required.
  • Mirror facets SF i of the polygon scanner PS are tilted with an increasing angle.
  • the multi-line Z 1 on the workpiece WS is traversed by means of the mirror facet SF 1 in the feed direction VR (partial illustration a) of FIG. 9).
  • the multi-line Z 2 is followed by the tilted mirror facet SF 2 (partial image b) of FIG. 9) and so on, as in FIGS. 9 and 10
  • FIG. 11 shows an embodiment for applications in the field of selective laser melting (SLM).
  • SLM selective laser melting
  • Scanner GS shown. As in the previous example, pre-focusing takes place without an F-theta lens. With the exception of the different scanning devices, the structure of the device is identical to that of FIG. 9. By rotating the fiber and lens arrangement
  • orthogonal tracks in the process level E '' '(surface of the work piece WS) can be followed in this embodiment, as is indicated by way of example in the two partial images a) and b) of FIG. 11.
  • component strength in SLM processes can be increased.
  • a third embodiment, in particular for applications in the field of selective laser melting (SLM), is shown by way of example in partial illustration a) of FIG.
  • the parallel processing takes place by means of a portal axis system, consisting of the linear axes P x , P y and P z .
  • the laser radiation is transmitted via the optical system OS to the
  • the (metal) powder is fused along the tracks S i . Due to the fiber and lens arrangement, which can be rotated by means of the axis of rotation DA, continuous curved paths can be driven, as in this is indicated in the right partial illustration b) of FIG.
  • the proposed device can also be used for other applications, for example for build-up welding.
  • An example of this application is shown schematically in FIG. The
  • Laser radiation from the fiber and lens arrangement FLA is here by means of the lenses L 1 , L 2 and the
  • the optical system OS is focused on the workpiece WS through a suitably designed powder nozzle PD, as shown in the left part of FIG.
  • the material application MAT is then applied onto the workpiece WS with the aid of the laser radiation by means of a powder jet PS that can optionally be spatially modulated
  • the width of the material application can be adjusted.
  • the nozzle PD has an elongated outlet opening for the powder in order to generate a powder jet which is correspondingly elongated in cross section.
  • the rotating device for rotating the elongated distribution of the laser radiation is not shown in the figure.
  • the nozzle PD is rotated synchronously with the distribution of the laser radiation, preferably by rotating the whole
  • embedded fibers can also emit the radiation
  • FIG. 14 shows a schematic representation of an exemplary structure when using
  • Fiber connectors 8 (upper part of the figure) or
  • Fiber collimators 9 (lower part of the figure) with permanently connected optical fibers F. In both cases, following the receiving device for the
  • Fiber connector or fiber collimators a device 7 for beam scaling required to the far
  • FIG. 15 shows two configurations according to FIG.
  • FIG. 16 shows an exemplary structure for the beam scaling and beam rotation of FIGS. 14 and
  • emerging laser beams 6 are first collimated in the collimators KO1, KO2, KO3 and via a suitable mirror arrangement with the mirrors SP1, SP2 and SP3 brought closer to each other to increase the beam fill factor. Further scaling in the x and y directions takes place via the subsequently suitably arranged prisms Pr1 to Pr4. A rotation of the beam arrangement about the z-axis is then made possible via the Dove prism Pr5 in a corresponding axis of rotation DA. 17 shows the same structure again from the y direction. These figures show an exemplary structure of the beam scaling device from FIGS
  • Coupling into the fibers used laser is always quickly and easily possible.

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Abstract

Bei einer Vorrichtung zur Erzeugung einer räumlich modulierbaren Leistungsdichteverteilung ausmehreren Laserstrahlenwird eine Faseraufnahme (A) mit nebeneinander angeordneten Lichtleitfasern (F) oder eine Aufnahmeeinrichtung für mehrere Faserstecker (FS) oder Faserkollimatoren (KO) mit fest verbundenen Lichtleitfasern (F) nebeneinander eingesetzt. Faseraustrittsflächen der Lichtleitfasern (F) bilden hierbei ein ein-oder zweidimensionales Array. Die aus den Faseraustrittsflächen austretenden Laserstrahlen (6) werden über eine gemeinsame optische Anordnung (2, 4, 10) und eine gemeinsame Scaneinrichtung (3) auf eine Zielebene gerichtetund über die Zielebene geführt. Die Vorrichtung weist eine Dreheinrichtung (1) auf, mit der zumindest die Faseraufnahme (A)oder Aufnahmeeinrichtung oder eine entsprechende Verteilung der Laserstrahlen (6) um eine parallel zu den Laserstrahlen (6) verlaufende Achse (R) drehbar ist. Die Vorrichtung ermöglicht eine parallelisierte Laser- materialbearbeitung mit hoher Flexibilität.

Description

Vorrichtung zur Erzeugung einer räumlich modulierbaren Leistungsdichteverteilung aus Laserstrahlung
Techni sches Anwendungsgebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft eine
Vorrichtung zur Erzeugung einer räumlich modulierbaren Leistungsdichteverteilung aus Laserstrahlung,
insbesondere zur Lasermaterialbearbeitung, bei der mehrere Laserstrahlen aus Lichtleitfasern mit einer optischen Anordnung und einer gemeinsamen Scan- einrichtung auf eine Zielebene gerichtet und über die Zielebene geführt werden können.
Im Bereich der Lasermaterialbearbeitung ist die Prozessgeschwindigkeit durch unterschiedliche Einflüsse begrenzt. Zum einen kann der Bearbeitungsprozess selbst die Geschwindigkeit begrenzen. Dies ist beispielsweise beim Prozess des selektiven Laserschmelzens (SLM) der Fall, bei dem die Umschmelzung des Metallpulvers in der Praxis mit einer maximalen Geschwindigkeit von ca. 1 m/s erfolgen kann. Zum anderen kann auch die verfügbare Laserleistung oder die Trägheit der Scaneinrichtung die Prozessgeschwindigkeit begrenzen. Eine Steigerung der Prozessgeschwindigkeit ist jedoch gerade bei Einsatz der Laserbearbeitung im industriellen Umfeld sehr wichtig.
Stand der Technik
Der bisher bei der Lasermaterialbearbeitung verfolgte Ansatz besteht darin, die Prozessgeschwindig- keit durch Parallelisierung, also gleichzeitige Bearbeitung mit mehreren Laserstrahlen, zu erhöhen. Für diese Parallelisierung sind unterschiedliche Techniken bekannt . So ist es beispielsweise bekannt, einen
Laserstrahl durch Beugung an einem diffraktiven
optischen Element (DOE) in mehrere Teilstrahlen
aufzuspalten und über einen Scanner auf das Werkstück zu richten. Die Teilstrahlen können hierbei jedoch nicht getrennt voneinander räumlich und zeitlich moduliert werden, so dass die Anwendungsbandbreite dieser Technik begrenzt ist.
Für eine breitere Anwendung wird auch eine
Bearbeitung auf Basis mehrerer, parallel angeordneter Diodenlaser vorgeschlagen. Die Strahlformung und
Führung erfolgt dabei jeweils für jeden Diodenlaser über ein eigenes optisches System und einen eigenen Galvanometerscanner.
Aus der DE 102013011676 A1 sind eine Vorrichtung und ein Verfahren zur generativen Bauteilfertigung bekannt, bei denen in einem Bearbeitungskopf mehrere voneinander getrennte Laserstrahlen geführt und
nebeneinander und/oder überlappend auf die
Bearbeitungsebene gerichtet werden. Der Bearbeitungs- kopf wird mit Hilfe einer Bewegungseinrichtung über die Bearbeitungsebene bewegt, während die voneinander getrennten Laserstrahlen voneinander unabhängig in der Intensität moduliert werden können, um die gewünschte
Belichtungsgeometrie zu erhalten. Eine ähnliche Technik ist auch in der US 2017/0021454 A1 beschrieben. Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Vorrichtung zur Erzeugung einer räumlich modulierbaren Leistungsdichteverteilung aus
Laserstrahlung anzugeben, die eine parallelisierte Lasermaterialbearbeitung ermöglicht und sich noch flexibler einsetzen lässt.
Darstellung der Erfindung
Die Aufgabe wird mit der Vorrichtung gemäß
Patentanspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Vorrichtung sind Gegenstand der abhängigen
Patentansprüche oder lassen sich der nachfolgenden Beschreibung sowie den Ausführungsbeispielen entnehmen.
Die vorgeschlagene Vorrichtung weist entweder eine Faseranordnung aus mehreren in einer Faseraufnahme nebeneinander angeordneten Lichtleitfasern oder eine Aufnahmeeinrichtung für mehrere Faserstecker oder
Faserkollimatoren mit fest verbundenen Lichtleitfasern nebeneinander auf, wobei in allen Fällen Faser- austrittsflächen der Lichtleitfasern ein ein- oder zweidimensionales Array bilden. Die Vorrichtung weist weiterhin eine optische Anordnung, mit der aus den Faseraustrittsflächen der Lichtleitfasern austretende
Laserstrahlen auf eine Zielebene fokussierbar sind, und eine allen Laserstrahlen gemeinsame Scaneinrichtung auf, mit der die Laserstrahlen über die Zielebene geführt bzw. bewegt werden können. Die Vorrichtung zeichnet sich durch eine Dreheinrichtung aus, mit der zumindest die Faseraufnahme oder Aufnahmeeinrichtung oder eine aus dem ein- oder zweidimensionalen Array resultierende Verteilung der Laserstrahlen um eine parallel zu den Laserstrahlen verlaufende Achse, vorzugsweise um eine bezüglich der Verteilung der
Laserstrahlen zentrale Achse bzw. Symmetrieachse, drehbar ist.
Die vorgeschlagene Vorrichtung ermöglicht durch diesen Aufbau, die Leistungsdichteverteilung der
Laserstrahlung in Materialbearbeitungsprozessen, beispielsweise beim Materialabtrag mittels Ultrakurz- puls-Laserstrahlung oder beim selektiven Laserschmelzen oder Auftragsschweißen räumlich zu skalieren und auf diese Weise die Prozessgeschwindigkeit zu steigern. Die Lasermaterialbearbeitung wird dabei mit mehreren nebeneinander angeordneten, gegebenenfalls auch
zumindest teilweise überlappenden, Laserspots in der Zielebene durchgeführt, wobei die einzelnen
Laserstrahlen durch eine gemeinsame Strahlformung geführt und mittels einer gemeinsamen Scaneinrichtung, bspw. einer dynamischen Strahlablenkeinheit, über die Zielebene geführt werden, die bei der Lasermaterial- bearbeitung der Werkstückoberfläche entspricht. Die optische Ausgangsleistung der einzelnen Lichtleitfasern kann dabei über die zugrunde liegenden Laserquellen oder diesen vorgeschaltete Modulatoren individuell moduliert werden, so dass einzelne Laserspots für die Bearbeitung hinzu- oder abgeschaltet werden. Effektiv kann auf diese Weise z.B. die Gesamt-Spurbreite der in der Zielebene aus den einzelnen Laserspots erzeugten Intensitätsverteilung variiert werden.
Diese Intensitätsverteilung bzw. Leistungsdichte- verteilung in der Zielebene kann bei der vorge- schlagenen Vorrichtung durch die Dreheinrichtung gedreht und damit zusätzlich angepasst werden. Dies ist vor allem bei Erzeugung einer langgestreckten
Leistungsdichte- bzw. Intensitätsverteilung,
insbesondere durch Nutzung eines entsprechend
langgestreckt bzw. länglich ausgebildeten ein- oder mehrzeiligen Arrays der Faseraustrittsflächen der
Lichtleitfasern, von großem Vorteil, da beispielsweise die Gesamtspurbreite bei Führung der Intensitäts- verteilung in der Zielebene zunächst in einer und anschließend in der dazu senkrechten Richtung durch entsprechende Drehung des Intensitätsprofils
unverändert beibehalten werden kann.
Mit der Dreheinrichtung kann weiter die Drehung des Strahlprofils korrigiert werden, welche als
Nebeneffekt bei der Strahlablenkung durch drehende Spiegel (z.B. 2D-Galvanometer-Scanner) auftritt.
Mit der Dreheinrichtung kann ebenfalls die
Orientierung des Strahlprofils so eingestellt werden, dass eine Laserbearbeitung aus zwei orthogonalen
Richtungen möglich ist. Dies ist bei additiven
Fertigungsverfahren wie dem Selective Laser Melting (SLM) vorteilhaft, um die Festigkeit der additiv gefertigten Bauteile zu erhöhen.
Bei der Dreheinrichtung kann es sich
beispielsweise um eine Dreheinrichtung für die
Faseraufnahme oder die Aufnahmeeinrichtung für die Faserstecker oder Faserkollimatoren handeln, die diese dann mechanisch um eine vorzugsweise zentrale Achse dreht. Auch eine Dreheinrichtung für den gesamten
Bearbeitungskopf ist möglich. Eine weitere, besonders vorteilhafte Möglichkeit besteht darin, die Drehung über eine optische Einrichtung vorzunehmen, die im Strahlengang der Laserstrahlen angeordnet ist und entsprechend gedreht wird. Hierbei handelt es sich vorzugsweise um ein Dove-Prisma, das über eine
geeignete Mechanik um seine Längsachse drehbar
ausgebildet ist. Anstelle des Dove-Prismas lassen sich auch andere optische Anordnungen einsetzen, beispiels- weise eine geeignete Spiegelanordnung, die entsprechend drehbar ausgebildet ist. Die Drehung selbst wird vorzugsweise über einen geeigneten, beispielsweise elektromotorischen, Drehantrieb realisiert.
Bei der allen Laserstrahlen gemeinsamen
Scaneinrichtung kann es sich um ein konventionelles dynamisches Strahlablenksystem wie beispielsweise einen Galvanometer- oder Polygonscanner handeln. Auch ein Portalachssystem kann eingesetzt werden, mit dem die Laserstrahlen über die Zielebene bewegt werden. Die Scaneinrichtung kann auch aus einer Kombination
unterschiedlicher Scanner gebildet sein.
In einer Ausgestaltung der vorgeschlagenen
Vorrichtung wird eine Faseranordnung aus mehreren in einer Faseraufnahme nebeneinander verlaufenden
Lichtleitfasern eingesetzt. Die Lichtleitfasern sind dabei in der Faseraufnahme eng nebeneinander
angeordnet, wobei der Abstand der Faserkerne
vorzugsweise geringer als die vierfache Dicke des Fasermantels ist und vorzugsweise der doppelten Dicke des Fasermantels entspricht. In einer derartigen
Ausgestaltung weist die optische Anordnung dann vorzugsweise einen Kollimator und eine Fokussieroptik auf .
In einer vorteilhaften Weiterbildung befinden sich (in Strahlrichtung der Laserstrahlen) hinter den
Faseraustrittsflächen Mikrolinsen, die so angeordnet und dimensioniert sind, dass aus den Faseraustritts- flächen austretende Laserstrahlung jeweils benachbarter Lichtleifasern in einer ersten Ebene (in Strahlrichtung der Laserstrahlen) hinter den Mikrolinsen überlappt.
Auf diese Weise wird aus den einzelnen Laserstrahlen in dieser ersten Ebene eine zusammenhängende Intensitäts- verteilung erzeugt. Vorzugsweise wird diese zusammen- hängende Intensitätsverteilung dann mit Hilfe einer ersten Optik der optischen Anordnung verkleinert auf eine zweite Ebene abgebildet. Erst im Anschluss an diese zweite Ebene sind dann der Kollimator und die Fokussieroptik zur Fokussierung in Richtung der Ziel- ebene angeordnet. Auf dieser Weise wird in der
Zielebene trotz der Abstände der einzelnen Lichtleit- faserkerne in der Faseraufnahme und des damit
zusammenhängenden reduzierten Füllfaktors eine
zusammenhängende Intensitätsverteilung erreicht. Die Problematik eines geringen Füllfaktors tritt
insbesondere bei Nutzung von Singlemode-Fasern auf. Bei Nutzung von Multimodefasern ist aufgrund des höheren Durchmessers der Faserkerne bei gleichem Abstand zwischen den einzelnen Faserkernen der Füllfaktor deutlich höher, so dass in diesem Fall gegebenenfalls auf die Anordnung der Mikrolinsen und die erste
optische Anordnung vollständig verzichtet werden kann. Die Nutzung einer Faseraufnahme für viele eng beieinander liegende Lichtleitfasern hat den Nachteil, dass ein Austausch einzelner Fasern nicht oder nur mit sehr großem Aufwand möglich ist. In einer weiteren Ausgestaltung der vorgeschlagenen Vorrichtung wird daher eine Aufnahmeeinrichtung für mehrere Faserstecker oder Faserkollimatoren mit fest verbundenen Lichtleit- fasern, also für konventionelle Anschlüsse an Licht- leitfasern, insbesondere festverbundene Faser- kollimatoren oder standardisierte Faserstrecker (z.B. QBH) , eingesetzt. Im Anschluss an diese Aufnahmeein- richtung ist dann eine optische Einrichtung angeordnet, mit der der gegenseitige Abstand der aus den
Faseraustrittsflächen der Lichtleitfasern austretenden Laserstrahlen vor einem Eintritt in die optische
Anordnung und Scaneinrichtung reduziert wird. Dies kann beispielsweise durch eine geeignete Anordnung mehrerer Spiegel und/oder Prismen und/oder Linsen erfolgen.
Durch diese Skaliereinrichtung werden die großen
Abstände der Fasern aufgrund der konventionellen
Anschlüsse auf das für die vorgeschlagene Vorrichtung erforderliche Maß reduziert. Der besondere Vorteil dieser Ausgestaltung besteht darin, dass die
Lichtleitfasern und Laser modular bleiben und bei
Bedarf schnell ausgetauscht werden können.
Die vorgeschlagene Vorrichtung eignet sich vor allem für die parallelisierte Lasermaterialbearbeitung. Selbstverständlich ist die Vorrichtung jedoch nicht auf den Bereich der Lasermaterialbearbeitung beschränkt und lässt sich auch für andere Anwendungen einsetzen, bei denen eine parallele Abtastung eines Objekts mit Laserstrahlung einer modulierbaren Leistungsdichte- verteilung erforderlich oder von Vorteil ist. Durch Nutzung eines gemeinsamen Strahlablenksystems bzw.
einer gemeinsamen Scaneinrichtung weist die Vorrichtung eine geringe Komplexität auf, die mechanisch weniger anfällig ist, einen geringeren Bauraum beansprucht und kostengünstiger zu realisieren ist als Anordnungen mit einer Vielzahl von Scaneinrichtungen. Bei Verwendung eines Polygonscanners, z.B. mit variierendem Kippwinkel der einzelnen Spiegelfacetten, kann eine erhebliche Steigerung beispielsweise von Abtrags-, Strukturier- oder Markierprozessen erzielt werden. Dies setzt eine entsprechende Modulierung der Strahlquellen voraus. Die Modulation kann z.B. über akusto- oder elektrooptische Schalter realisiert werden, die Frequenzen von über 1
MHz erreichen. Die Vorrichtung ist hinsichtlich der Art der Strahlquellen und somit auch hinsichtlich des
Einsatzgebietes flexibel. So können beispielsweise sowohl in Multimode-Fasern eingekoppelte Diodenlaser, Singlemode-Faserlaser als auch in photonische Fasern eingekoppelte Ultra-Kurzpuls-Laser verwendet werden.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Die vorgeschlagene Vorrichtung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den Zeichnungen nochmals näher erläutert. Hierbei zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung einer
ersten Ausgestaltung der vorgeschlagenen Vorrichtung; Fig. 2 eine schematische Darstellung einer beispielhaften Faseranordnung in der Faseraufnahme der ersten Ausgestaltung;
Fig. 3 eine schematische Darstellung der
Faseranordnung der Fig. 2 mit zusätzlichen Mikrolinsen;
Fig. 4 eine Querschnittsdarstellung der
Anordnung der Fig. 3;
Fig. 5 eine schematische Darstellung des
optischen Systems bis zum Kollimator bei der Ausgestaltung der Figuren 3 und 4;
Fig. 6 eine schematische Darstellung der
Leistungsdichteverteilungen in den in Fig. 5 dargestellten Ebenen;
Fig. 7 eine schematische Darstellung einer um die Symmetrieachse drehbaren Faser- anordnung;
Fig. 8 eine schematische Darstellung der
Faseranordnung mit der Dreheinrichtung;
Fig. 9 eine schematische Darstellung der
parallelen Bearbeitung unter Einsatz eines Polygon-Scanners;
Fig. 10 eine schematische Darstellung der
Bearbeitungsspuren auf dem Werkstück bei der Bearbeitung gemäß Fig. 9; Fig. 11 eine schematische Darstellung der parallelen Bearbeitung unter Einsatz eines Galvanometer-Scanners;
Fig. 12 eine schematische Darstellung der
parallelen Bearbeitung unter Einsatz eines Portal-Achssystems;
Fig. 13 eine schematische Darstellung zweier
Beispiele der parallelen Bearbeitung unter Nutzung der Dreheinrichtung;
Fig. 14 eine schematische Darstellung einer
zweiten Ausgestaltung der
vorgeschlagenen Vorrichtung;
Fig. 15 eine schematische Darstellung einer
dritten Ausgestaltung der
vorgeschlagenen Vorrichtung;
Fig. 16 eine schematische Darstellung der
Ausgestaltungen der Figuren 14 und 15 mit der anschließenden Strahlskalierung und Drehung mit Hilfe eines Dove- Prismas;
Fig. 17 eine zu Figur 16 senkrechte Ansicht der
Ausgestaltung der Figuren 14 und 15; und
Fig. 18 eine schematische Darstellung der
parallelen Bearbeitung beim Laserauftragsschweißen unter Einsatz einer Pulverdüse.
Wege zur Ausführung der Erfindung
Die vorgeschlagene Vorrichtung ermöglicht
Lasermaterialbearbeitung mit mehreren nebeneinander angeordneten Laserspots, die durch eine gemeinsame Strahlformung geführt und mittels einer gemeinsamen Ablenk- bzw. Scaneinheit über das Werkstück geführt werden. Fig. 1 zeigt hierzu eine schematische
Darstellung einer ersten beispielhaften Ausgestaltung der vorgeschlagenen Vorrichtung. Dabei werden n
Lichtleitfasern Fi nebeneinander in einer ein- oder zweidimensionalen Faseranordnung angeordnet. Die aus diesen Fasern Fi austretenden Laserstrahlen 6
durchlaufen zunächst eine Dreheinrichtung 1, mit der die Verteilung der Laserstrahlen 6 um eine parallel zu den Laserstrahlen verlaufende Achse gedreht werden kann. Anschließend erfolgt eine Kollimation in einem Kollimator 2 und die dynamische Strahlablenkung bzw. Strahlführung mit einem Scanner 3. Die Fokussierung auf das Werkstück 5 erfolgt in diesem Beispiel über ein F- Theta-Obj ektiv 4. Die Dreheinrichtung 1 ist in diesem Beispiel mittels einer drehbaren optischen Einrichtung realisiert, kann jedoch auch durch Drehung der
Faseraufnahme oder auch zwischen Kollimator 2 und
Scanner 3 erfolgen.
Fig. 2 zeigt in Abbildung a) ein Beispiel für eine Anordnung der Lichtleitfasern Fi in einer Reihe in der Faseraufnahme A. Die Fasern sind in dieser Faser- aufnahme A eingebettet und weisen jeweils einen Mantel M und Kern K auf, wie in der rechten Abbildung b) der Figur ausschnittsweise vergrößert dargestellt ist. Die optische Ausgangsleistung Ii(t) der einzelnen
Lichtwellenleiter-Kanäle kann individuell moduliert werden, so dass einzelne Laserspots für die Bearbeitung hinzu- oder abgeschaltet werden können. Effektiv kann so z.B. die Gesamt-Spurbreite der Laserbearbeitung auf dem Werkstück variiert werden. Die Faserkerne sind in der Faseranordnung mit einem Abstand Δx bzw. Δy angeordnet, wobei die untere Grenze durch die Stärke des Mantels M der Fasern vorgegeben wird. Bei einem typischen Manteldurchmesser von ca. 200 μm und einem Singlemode-Faserkern- durchmesser von ca. 10 μm ergäbe sich bei einer
direkten Abbildung der Faserkerne Ki auf das Werkstück ein geringer Füllfaktor, d.h. große Lücken zwischen den Bearbeitungsspuren Si auf dem Werkstück. In der
vorliegenden Ausgestaltung wird zur Lösung dieses Problems vor jeder Faser eine (Mikro- ) Linse ML
angebracht, wie dies in Fig. 3 schematisch angedeutet ist. Die Linsen MLi dieser Linsenanordnung LA vor der Faseranordnung FA werden hierbei nahezu vollständig ausgeleuchtet. Die Strahlung hinter den Linsen wird jedoch nicht vollständig kollimiert, so dass in der
Ebene E ' hinter den Linsen ein nennenswerter Überlapp benachbarter Strahlungskegel auftritt. Dies ist in der Schnittdarstellung der Fig. 4 zu erkennen. Diese Figur zeigt die konfektionierte Faseranordnung FA mit der davor gesetzten Linsenanordnung LA. In der Nahfeld- Ebene E' liegt eine nahezu lückenlose Intensitäts- verteilung vor. E stellt hierbei die Austrittsebene der Laserstrahlung aus den Lichtleitfasern Fi dar. In der Ebene E' ist der Spotdurchmesser
vergrößert, beispielsweise um einen Faktor 10. Wird nun diese Ebene E ' durch ein kompaktes verkleinerndes Linsensystem, beispielsweise bestehend aus zwei Linsen L1 und L2, um den Faktor 10 wiederum verkleinert, so liegt in der Ebene E'' eine nahezu lückenlose Multi- Spotverteilung mit hohem Füllfaktor und der
ursprünglichen lateralen Breite der Faseraustritts- flächen vor. Dieser Aufbau ist schematisch in Fig. 5 dargestellt. Die Leistungsdichteverteilung in den unterschiedlichen Ebenen E, E' und E'' zeigt Fig. 6 in den Teilabbildungen a) , b) und c) . Die Ebene E'' kann mit üblichen Kollimations- und F-Theta-Optiken in die Ebene E''' des Werkstücks abgebildet werden.
Die Mikrolinsen hinter den Faserfacetten (Faser- austrittsflächen) können zu einer (monolithischen) Linsenanordnung LA zusammengefasst werden, welche als Einheit an die Faseraufnahme A montiert werden kann.
Diese Anordnung von Fasern und Linsen wird im Folgenden als Linsen-Faser-Anordnung FLA bezeichnet. Die Linsen und die Linsenanordnung können z.B. aus Diamant
gefertigt werden. Damit können die Abmessungen des optischen Systems deutlich reduziert werden, da dieser Werkstoff aufgrund seiner hervorragenden thermischen Eigenschaften vergleichsbare hohe Leistungsdichten auf den optischen Flächen zulässt. Im Falle von Multimode-Fasern ist der Füllfaktor, also das Verhältnis von Kerndurchmesser zu Manteldurch- messer wesentlich größer, so dass gegebenenfalls auf die oben beschriebene Anordnung aus Mikrolinsen und die Optik zur Verkleinerung der Ebene E' verzichtet werden kann. Stattdessen können die Faserfacetten direkt - oder auch eine Ebene im Nahfeld der Facerfacetten - in die Ebene E''' des Werkstücks abgebildet werden, beispielsweise direkt über Kollimator KO und F-Theta- Linse .
Die Faseranordnung FA bzw. die Faser-Linsen- Anordnung ist im vorliegenden Beispiel mittels einer Dreheinrichtung bzw. Drehachse DA mindestens um 90° um die Symmetrieachse R (vgl. Fig. 8) drehbar, wie in Fig. 7 in den Teilabbildungen a) und c) schematisch
dargestellt ist. Durch diese Drehbarkeit sind die
Spuren Si der Laserstrahlen auf dem Werkstück bei geeigneter Führung auf einfache Weise kreuzweise überlagerbar. Die kreuzweise Überlagerung ist z.B. beim SLM-Verfahren üblich, um die Bauteilfestigkeit zu erhöhen. Außerdem können durch die Drehung kontinuier- liche Multispot-Bahnkurven gefahren werden. Beide
Varianten sind beispielhaft in den beiden Teilab- bildungen a) und b) der Fig. 13 dargestellt. Ebenso kann durch die Drehung der Faseranordnung der effektive Spurabstand und die Gesamtspurbreite reduziert werden (vgl. Teilabbildungen b) und d) der Fig. 7), was insbesondere bei der Verwendung von Multimode-Fasern an Bedeutung gewinnt. Fig. 7 zeigt hierbei beispielhaft eine Drehung der Faseranordnung um einen Winkel θ =
45°. Ist die Faseranordnung in y-Richtung ausgerichtet, so ist der Spurabstand Δy für θ = 0° senkrecht zur Vorschubrichtung VR maximal. Bei einer Drehung um den Winkel θ > 0°bewirkt die Drehung entlang der
Vorschubrichtung VR eine Reduzierung der effektiven Spurbreite. Die einzelnen Spuren Si liegen dann auch näher beieinander bzw. überlappen stärker. Wird die Faseranordnung FA komplett in Richtung der
Vorschubrichtung VR gedreht (θ = 90°), so werden alle Strahlquellen bzw. Spots in einer Spur überlagert. Dies kann z.B. genutzt werden, um ein Werkstück, bspw. ein Blech, nach einer Laser-Strukturierung mit höherer Leistungsdichte zu schneiden.
Die Herstellung der Faseranordnung FA kann
beispielsweis mit Hilfe des selektiven Laserätz-
Verfahrens (SLE) erfolgen. Dabei werden Kanäle in der bspw. aus Quarz gefertigten Faseraufnahme A erzeugt, in die die Lichtleitfasern dann eingesteckt und verklebt oder verschmolzen werden.
Es können gewöhnliche Multi-und Singlemode-Fasern und auch photonische Fasern (PCF) , z.B. Hohlkern- Fasern, bei der Vorrichtung verwendet werden. Damit lässt sich eine Vielzahl von Laserstrahlquellen nutzen, beispielsweise CW-Faserlaser für die additive Fertigung und Laserpolieren oder UKP-Laser für Materialabtrag und Strukturierung .
Die aus der Zielebene, z.B. von einem metallischen Werkstück, zurückreflektierte Strahlung kann zu einer
Erwärmung der Faseraufnahme A und der Fasern führen. Um die Wärme abzuführen kann die Faseraufnahme zusätzlich zu den Faserkanälen auch Kühlkanäle enthalten, welche ebenfalls mit dem SLE-Verfahren in die Faseraufnahme eingebracht werden können. Die Kühlkanäle können z.B. mit (gegebenenfalls gefärbtem) Wasser durchströmt werden. Um zu verhindern, dass reflektierte Strahlung in den Fasermantel zurückgekoppelt wird, können die Fasern mit der Faseraufnahme verklebt werden
(Modestripping) . Des Weiteren können auch Maßnahmen zur Unterdrückung von Rückreflexen in die Faseranordnung integriert werden, z.B. Antireflexverspiegelungen und gegebenenfalls Anspleißen eines entspiegelten
Quarzblocks .
Fig. 8 zeigt in den Teilabbildungen a) und b) eine schematische Darstellung der konfektionierten Linsen- und Faseranordnung FLA mit dem angebundenen Faserbündel FB, die mittels einer Drehachse DA um die Symmetrie- achse R rotierbar ist. Die Drehachse DA kann
beispielsweise elektromotorisch angetrieben werden. In Fig. 9 ist eine Ausführungsform zur parallelen
Materialbearbeitung mittels Polygonscanner PS
schematisch dargestellt. Die durch die Faser- und
Linsenanordnung FLA erzeugte Intensitätsverteilung (in Ebene E ' ) wird dabei über die Linsen L1 und L2
verkleinert (vgl. Figuren 5 und 6) und die
Laserstrahlen anschließend durch den Kollimator KO kollimiert. Die Fokussiereinzeit ZS ist variabel (z- Shift) , so dass in diesem Fall kein F-Theta-Obj ektiv erforderlich ist. Die Spiegelflächen bzw.
Spiegelfacetten SFi des Polygonscanners PS sind mit ansteigendem Winkel verkippt. Die Multi-Zeile Z1 auf dem Werkstück WS wird mittels Spiegelfacette SF1 in Vorschubrichtung VR abgefahren (Teilabbildung a) der Fig. 9) . Die Multi-Zeile Z2 wird durch die verkippte Spiegelfacette SF2 abgefahren (Teilabbildung b) der Fig. 9) usw., wie dies in den Figuren 9 und 10
schematisch angedeutet ist. In Fig. 10, einer
Darstellung der Laserspuren auf dem Werkstück WS, werden hierbei die Spuren S1... Sn von links nach rechts in Vorschubrichtung VR durchfahren. Am Ende von Zeile Z1 erfolgt dann ein Strahlversatz zum Anfang von Zeile Z2 usw.
Während die Ausgestaltung der Figuren 9 und 10 vor allem für Oberflächenstrukturierung und Abtrag geeignet ist, zeigt Fig. 11 eine Ausführungsform für Anwendungen im Bereich des selektiven Laserschmelzens (SLM) . Hier wird die parallele Bearbeitung mittels Galvanometer-
Scanner GS dargestellt. Wie beim vorangehenden Beispiel erfolgt auch hier eine Vorfokussierung ohne F-Theta- Objektiv. Der Aufbau der Vorrichtung ist mit Ausnahme der unterschiedlichen Scaneinrichtung identisch dem der Figur 9. Durch Drehung der Faser- und Linsenanordnung
FLA mit Hilfe der Drehachse DA um 90° können bei dieser Ausführungsform orthogonale Spuren in der Prozessebene E''' (Oberfläche des Werkstücke WS) abgefahren werden, wie dies beispielhaft in den beiden Teilabbildungen a) und b) der Fig. 11 angedeutet ist. Dadurch kann z.B. die Bauteilfestigkeit bei SLM-Prozessen erhöht werden.
Eine dritte Ausführungsform, insbesondere für Anwendungen im Bereich des selektiven Laserschmelzens (SLM), ist beispielhaft in Teilabbildung a) der Fig. 12 dargestellt. In diesem Beispiel erfolgt die parallele Bearbeitung mittels eines Portalachs-Systems, bestehend aus den Linearachsen Px, Py und Pz. Die Laserstrahlung wird hierbei über das optische System OS auf das
Pulverbett PB geführt. Das (Metall- ) Pulver wird entlang der Spuren Si verschmolzen. Durch die mittels Drehachse DA drehbare Faser- und Linsenanordnung können hierbei kontinuierliche Kurvenbahnen gefahren werden, wie dies in der rechten Teilabbildung b) der Figur 12 angedeutet ist .
Die vorgeschlagene Vorrichtung lässt sich auch für andere Anwendungen, beispielsweise zum Auftrags- schweißen einsetzen. Ein Beispiel für diese Anwendung ist in Figur 18 schematisch dargestellt. Die
Laserstrahlung aus der Faser- und Linsenanordnung FLA wird hierbei mittels der Linsen L1, L2 und dem
optischen System OS durch eine geeignet ausgebildete Pulverdüse PD hindurch auf das Werkstück WS fokussiert, wie dies im linken Teil der Figur 18 dargestellt ist. Mittels eines gegebenenfalls räumlich modulierbaren Pulverstrahls PS wird dann der Materialauftrag MAT mit Hilfe der Laserstrahlung auf das Werkstück WS
aufgeschweißt . Dies ist im rechten Teil der Figur 18 in vergrößerter Darstellung angedeutet. Durch die
Modulation der einzelnen Faserkanäle kann die Breite des Materialauftrags eingestellt werden. Die Düse PD hat hierzu eine längliche Austrittsöffnung für das Pulver, um einen im Querschnitt entsprechend länglichen Pulverstrahl zu erzeugen. Die Dreheinrichtung für die Drehung der länglichen Verteilung der Laserstrahlung ist in der Figur nicht dargestellt. Die Düse PD wird hierbei synchron mit der Verteilung der Laserstrahlung gedreht, vorzugsweise durch Drehung des gesamten
Bearbeitungskopfes, der die Faser- und Linsenanordnung FLA, die Pulverdüse PD und die zwischenliegenden
Komponenten trägt.
Anstelle der Faseraufnahme mit den darin
eingebetteten Fasern kann die Strahlung auch aus
Lichtleitfasern mit konventionellen Anschlüssen zu einer Laserlinie kombiniert werden. Es kann sich hierbei beispielsweise um fest verbundene Faser- kollimatoren oder Standardstecker wie z.B. QBH handeln. Die vorgeschlagene Vorrichtung weist hierzu in einer vorteilhaften Ausgestaltung eine Aufnahmeeinrichtung für diese Standardstecker bzw. Faserkollimatoren auf. Figur 14 zeigt hierzu in schematischer Darstellung einen beispielhaften Aufbau bei Nutzung von
Fasersteckern 8 (obere Teilabbildung) bzw.
Faserkollimatoren 9 (untere Teilabbildung) mit fest verbundenen Lichtleitfasern F. In beiden Fällen ist im Anschluss an die Aufnahmeeinrichtung für die
Faserstecker bzw. Faserkollimatoren eine Einrichtung 7 zur Strahlskalierung erforderlich, um die weit
auseinander liegenden Laserstrahlen für die spätere Bearbeitung enger aneinander zu führen. Die weiteren Komponenten der Vorrichtung entsprechen denen, wie sie bereits in Verbindung mit Figur 1 kurz beschrieben wurden .
Figur 15 zeigt zwei Ausgestaltungen gemäß Figur
14, bei denen anstelle des Kollimators und des F-Theta- Objektivs eine Einrichtung 10 zur Fokussierung mit einem Fokusshifter eingesetzt wird.
In Figur 16 ist ein beispielhafter Aufbau für die Strahlskalierung- und Strahldrehung der Figuren 14 und
15, also einen Teil der Vorrichtung, nochmals
detaillierter dargestellt. Die aus den Fasersteckern FS1, FS2, FS3 bzw. damit verbundenen Fasern
austretenden Laserstrahlen 6 werden zunächst in den Kollimatoren KO1, KO2, KO3 kollimiert und über eine geeignete Spiegelanordnung mit den Spiegeln SP1, SP2 und SP3 zur Erhöhung des Strahl-Füllfaktors näher zueinander geführt. Eine weitere Skalierung in x- und y-Richtung erfolgt über die anschließend geeignet angeordneten Prismen Pr1 bis Pr4. Über das Dove-Prisma Pr5 in einer entsprechenden Drehachse DA wird dann eine Drehung der Strahlanordnung um die z-Achse ermöglicht. Fig. 17 zeigt den gleichen Aufbau nochmals aus der y- Richtung. Aus diesen Figuren ist ein beispielhafter Aufbau der Strahlskalierungseinrichtung aus den
Spiegeln SP1 bis SP3 und den Prismen Pr1 bis Pr4 zu erkennen, durch die die aus den Fasern austretenden Laserstrahlen 6 deutlich enger zueinander geführt werden . Die in Verbindung mit den Figuren 14 bis 17 dargestellten Ausgestaltungen haben den Vorteil, dass ein Austausch der Fasern und/oder der für die
Einkopplung in die Fasern eingesetzten Laser jederzeit schnell und auf einfache Weise möglich ist.
Bezugs zeichenliste
1 Dreheinrichtung
2 Kollimator
3 Scanner
4 F-Theta-Objektiv
5 Werkstück
6 Laserstrahlen
7 Einrichtung zur Strahlskalierung
8 Faserstecker
9 Faserkollimator
10 Fokussierung und Fokusshifter
F, Fi Lichtleitfasern
FA Faseranordnung
A Faseraufnähme
Ii(t) optische Ausgangsleistung
M Mantel
K Kern
LA Linsenanordnung
ML, MLi Mikrolinse
E, E ' , E ", E " ' Ebenen
L1, L2 Linsen
KO Kollimator
FLA Faser-Linsen-Anordnung
Si Bearbeitungs spuren
DA Drehachse bzw. Dreheinrichtung
R Symmetrieachse
VR Vorschubrichtung
FB Faserbündel
ZS Fokussiereinheit
SFi Spiegelfacetten
WS Werkstück Zi Multi-Zeilen
PS Polygonscanner
GS Galvanometer-Scanner
Px, Py, Pz Linearachsen des Portal-Achssystems OS Optisches System
PB Pulverbett
FS1-FS3 Faserstecker
KO1-KO3 Kollimatoren
SP1-SP3 Spiegel
Pr1-Pr5 Prismen
PD Pulverdüse
PS Pulverstrahl
MΆT Material

Claims

Patentansprüche
1. Vorrichtung zur Erzeugung einer räumlich
modulierbaren Leistungsdichteverteilung aus
Laserstrahlung, insbesondere zur Lasermaterial- bearbeitung, mit
- einer Faseranordnung (FA) aus mehreren in einer Faseraufnahme (A) nebeneinander angeordneten
Lichtleitfasern (F) oder einer Aufnahmeeinrichtung für mehrere Faserstecker (FS) oder Faser- kollimatoren (KO) mit fest verbundenen Lichtleit- fasern (F) nebeneinander, wobei Faseraustritts- flächen der Lichtleitfasern (F) ein ein- oder zweidimensionales Array bilden,
- einer optischen Anordnung (2, 4, 10), mit der aus den Faseraustrittsflächen der Lichtleitfasern (F) austretende Laserstrahlen (6) auf eine
Zielebene fokussierbar sind,
- einer allen Laserstrahlen (6) gemeinsamen
Scaneinrichtung (3), mit der die Laserstrahlen (6) über die Zielebene geführt werden können, und
- einer Dreheinrichtung (1), mit der zumindest die Faseraufnahme (A) oder Aufnahmeeinrichtung oder eine aus dem ein- oder zweidimensionalen Array resultierende Verteilung der Laserstrahlen (6) um eine parallel zu den Laserstrahlen (6) verlaufende Achse (R) als Drehachse drehbar ist.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
dass im Anschluss an die Aufnahmeeinrichtung eine optische Einrichtung (7) angeordnet ist, mit der ein gegenseitiger Abstand der aus den Faser- austrittsflächen der Lichtleitfasern (F)
austretenden Laserstrahlen (6) vor einem Eintritt in die optische Anordnung (2, 4, 10) reduziert wird.
3. Vorrichtung nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet,
dass die optische Einrichtung (7) durch eine Anordnung mehrerer Spiegel (SP1-SP3) und/oder Prismen (Pr1-Pr4) und/oder Linsen gebildet ist.
4. Vorrichtung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
dass die in der Faseraufnahme (A) nebeneinander angeordneten Lichtleitfasern (F) einen Faserkern (K) und einen Fasermantel (M) aufweisen, wobei ein Abstand der Faserkerne (K) geringer ist als eine vierfache Dicke des Fasermantels (M) und
vorzugsweise der doppelten Dicke des Fasermantels
(M) entspricht.
5. Vorrichtung nach Anspruch 4,
dadurch gekennzeichnet,
dass die optische Anordnung (2, 4, 10) einen
Kollimator und eine Fokussieroptik aufweist.
6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet,
dass hinter den Faseraustrittsflächen Mikrolinsen (ML) so angeordnet und dimensioniert sind, dass die aus den Faseraustrittsflächen austretende Laserstrahlung (6) jeweils benachbarter
Lichtleitfasern (F) in einer ersten Ebene (E') hinter den Mikrolinsen (ML) überlappt.
7. Vorrichtung nach Anspruch 6,
dadurch gekennzeichnet,
dass die optische Anordnung (2, 4, 10) auch eine Optik (L1, L2) aufweist, die eine in der ersten Ebene (E') vorliegende Intensitätsverteilung der Laserstrahlung verkleinert auf eine zweite Ebene
(E ' ' ) abbildet .
8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet,
dass die Scaneinrichtung (3) einen Polygonscanner
(PS), einen Galvanometerscanner (GS) oder ein Portalachssystem (Px, Py, Pz) aufweist.
9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet,
dass die Dreheinrichtung (1) ein Dove-Prisma aufweist, das im Strahlengang der Laserstrahlen (6) angeordnet und um seine Längsachse drehbar gelagert ist.
10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet,
dass die Drehachse eine Symmetrieachse der
Faseraufnahme (A) , der Aufnahmeeinrichtung oder der Verteilung der Laserstrahlen (6) ist.
11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Faseraustrittsflächen der Lichtleitfasern (F) einzeiliges Array oder ein langgestrecktes mehrzeiliges Array bilden.
12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet,
dass die Dreheinrichtung (1) einen Drehantrieb aufweist .
PCT/EP2020/057115 2019-03-25 2020-03-16 Vorrichtung zur erzeugung einer räumlich modulierbaren leistungsdichteverteilung aus laserstrahlung Ceased WO2020193255A1 (de)

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DE102019204032.2A DE102019204032B4 (de) 2019-03-25 2019-03-25 Vorrichtung zur Erzeugung einer räumlich modulierbaren Leistungsdichteverteilung aus Laserstrahlung
DE102019204032.2 2019-03-25

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