WO2020229258A1 - Optisches system zum erzeugen zweier paralleler laserfokuslinien und zugehöriges laserbearbeitungsverfahren - Google Patents

Optisches system zum erzeugen zweier paralleler laserfokuslinien und zugehöriges laserbearbeitungsverfahren Download PDF

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Martin Huonker
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Trumpf Laser Gmbh
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Definitions

  • the invention relates to an optical system for generating two, in particular parallel, laser focus lines, in particular for the simultaneous laser processing of two mutually opposite, parallel workpiece sides of a workpiece, as well as a method for the simultaneous processing of two mutually opposite, parallel workpiece sides of a workpiece by means of a laser beam.
  • the present invention is based on the object of providing a simple and inexpensive optical system for generating two parallel laser focus lines and a method for simultaneously processing two mutually opposite, parallel workpiece sides of a workpiece.
  • an optical system for generating two, in particular parallel, laser focus lines, in particular for the simultaneous laser processing of two mutually opposite, parallel workpiece sides of a workpiece with at least one optical unit which has:
  • At least one first optical element for splitting an incident, in particular collimated laser beam into several beam strips in a first direction perpendicular to the beam axis of the laser beam and for superimposing the individual beam strips in a focal plane of the at least one first optical element to form a single beam strip, whose stripe width corresponds at least to the stripe width of the broadest beam in the focal plane and corresponds to the length of the two laser focus lines in the focal plane,
  • At least one second optical element for focusing the incident laser beam in a second direction at right angles to the first direction and to the beam axis in the focal plane of the at least one first optical element
  • a geometric beam splitter arranged downstream of the at least one first and the at least one second optical element in the beam path of the laser beam for dividing the laser beam in half in the first or second direction into two partial beams, which in the focal plane the two laser focus lines form.
  • the beam stripes can have the same stripe width or different stripe widths in the focal plane.
  • Laser processing is, for example, a thermal treatment of workpieces, in particular a stripping or paint stripping of coated workpieces, e.g. of wires with an essentially square or rectangular cross-section (hairpins).
  • the advantage of the invention is that a corresponding optics concept is simpler, cheaper and more robust than scanner optics; the operation of such optics is also simpler. If the homogeneity of the intensity distribution along the laser focus lines is not of great importance, an astigmatic focusing of the beam (possibly in connection with a (bifocal) double wedge plate to rearrange the intensity distribution) can also be carried out.
  • the at least one second optical element can be arranged upstream or downstream of the at least one first optical element in the beam path of the laser beam, a downstream arrangement having the advantage of a more compact design.
  • the at least one optical unit each has at least one mirror for deflecting the two partial beams towards one another or towards the two parallel workpiece sides of a workpiece arranged between the two mirrors.
  • the mirrors are arranged in such a way that the line-shaped beam cross-sections of the two deflected partial beams - without a workpiece arranged between the mirrors - are congruent when the laser beam is split in half in the first direction in the yz plane and the laser beam is split in half in superimpose congruent in the second direction in the xz plane.
  • the mirrors are arranged in such a way that the deflected partial beams are aligned at right angles or at an angle to the yz plane or to the xz plane, in the latter case there is no remindstrah treatment on the workpiece sides back into the optical unit if the Laser beam no workpiece in the intended Machining position should be.
  • the mirrors are preferably arranged in such a way that the focus lines of the deflected partial beams are aligned parallel to the optical axis (beam axis) when the laser beam is split in half in the first direction and parallel to the first direction when the laser beam is split in half in the second direction.
  • a simple and relatively inexpensive arrangement consists of a facet plate with several facet strips parallel in the first direction of the same facet width, which divides a collimated raw beam in the first direction into a number of beam strips and superimposes these in the focal plane to form the single beam strip, and a cylinder lens that focuses the beam in the second direction at right angles thereto.
  • a very homogeneous linear intensity distribution along the laser focus lines can thus be generated.
  • a corresponding linear focus geometry can also be generated, for example, by means of micro-optics.
  • the geometric beam splitter is particularly preferably designed, for example, as a transmissive double wedge plate or as a reflective roof edge mirror.
  • the optical unit is mounted so as to be rotatable about the beam axis of the incident laser beam or about the optical axis, in particular by 90 °.
  • the other two parallel workpiece sides can also be machined by turning the optical unit.
  • the optical structure has two optical units that can each be moved into the beam path of the incident laser beam (insertable or pivotable), which are in the beam path of the incident laser beam around the beam axis of the incident laser beam or around the optical axis to each other rotated, in particular by 90 °, are arranged and produce different focal line lengths adapted to the cross section of the workpiece.
  • This embodiment is suitable especially when the cross-section of the workpiece to be machined deviates significantly from a square shape.
  • the two optical units who are used one after the other to machine the two pairs of surfaces of the rectangular cross-section.
  • the invention also relates to a method for the simultaneous processing of two mutually opposite, parallel workpiece sides of a workpiece by means of a laser beam, whereby two partial beams with the same laser focus line are generated from the laser beam by means of the optical system constructed as above, which are directed to the two with respect to the optical axis of the optical system opposite, parallel workpiece sides for a Laserbearbei device of the workpiece sides are steered.
  • the optical system and the workpiece are moved relative to one another in the direction of the optical axis of the optical system in order to generate a forward thrust movement of the two laser focus lines on the two parallel workpiece sides in the direction of the optical axis.
  • either the workpiece or the two partial beams are rotated around the optical axis of the optical system after the processing of two opposing, parallel workpiece sides by means of the two parts, and then two others are rotated Edited opposite, parallel workpiece sides by means of the two Operastrah len. If the length-width ratio of the workpiece cross-section deviates significantly from 1, this would mean that when machining the narrower workpiece side, part of the power would radiate past the workpiece and be lost for the process.
  • a second optical unit rotated by 90 ° to the first optical unit, which is constructed identically or functionally the same as the first optical unit, but delivers a shorter linear focus geometry adapted to the workpiece geometry, can be used instead of the first optical unit are moved into the beam path of the laser beam.
  • Figs. 1 a, 1 b a first embodiment of the optical according to the invention
  • FIG. 2 shows the optical system of FIG. 1 a, the two partial beams each striking the two parallel workpiece sides at an angle;
  • Fig. 3 shows the optical system of Fig. 1 a, with the optical unit around
  • Fig. 4 shows the optical system of Fig. 1a with two optionally in the strah lengang of the incident laser beam in movable, optical rule units that are arranged in the beam path of the incident laser beam zueinan rotated by 90 ° around the beam axis of the incident laser beam;
  • FIGS. 1 a, 1 b a second exemplary embodiment of the optical system according to the invention in a view analogous to FIGS. 1 a, 1 b.
  • the optical system 1 shown in 1a, 1b is used to generate two parallel laser focus lines 2a, 2b for the simultaneous laser processing of two mutually opposite, parallel workpiece sides 3a, 3b of a workpiece 3 by means of a laser beam 2.
  • the optical system 1 comprises an optical unit 10, which has:
  • a facet plate 11 with several parallel, here example equally wide facet strips 12 for splitting the incident, collimated laser beam (raw beam) 2 into several beam strips 4 in an x-direction perpendicular to the beam axis z of the laser beam 2 and for superimposing the individual beam strips 4 in the Focal plane F of facet plate 11 to form a single beam stripe, the stripe width of which corresponds to the stripe width of the widest beam stripe 4 in the focal plane F and in each case corresponds to the length L of the two laser focus lines 2a, 2b in the focal plane F.
  • all the facet strips 12 have the same width B in the first x-direction, so that the beam strips 4 in the focal plane F are of different widths.
  • the facet widths of the facet strips 12 can also be selected differently and in particular such that all beam strips 4 in the focal plane F are of the same width
  • a cylindrical lens 13 for focusing the individual beam strips 4 in a y-direction at right angles to the x-direction and to the beam axis z in the focal plane F of the facet plate 11;
  • a bifocal double wedge plate 14 for dividing the laser beam 2 focused by the cylinder lens 13 in half in the y-direction into two partial beams 5a, 5b which form the two laser focus lines 2a, 2b in the focal plane F; and one mirror 15a, 15b in each case for deflecting the two partial beams 5a, 5b in the direction of the parallel workpiece sides 3a, 3b which are opposite to one another with respect to the optical axis 16 of the optical system 1.
  • a feed movement (double arrow 17) of the laser focus lines 2a, 2b relative to the workpiece 3 can be produced by moving both the optical unit 10 and the workpiece 3 in the direction of the optical axis 16. In this way, it is possible with a single feed movement 17 to machine two paral lele workpiece sides 3a, 3b simultaneously in the axial direction.
  • the two mirrors 15a, 15b are arranged in such a way that the partial beams 5a, 5b are aligned at right angles to the xz plane and intersect the xz plane at the same z-level and that their beam cross-sections are in the xz plane - without a Workpiece arranged between the mirrors - superimpose congruently.
  • the two focus lines 2a, 2b of the deflected partial beams 5a, 5b are aligned parallel to the x-direction.
  • the length of the laser focus lines 2a, 2b is determined by the width of the individual facets of the facet plate 11, changing the length of the laser focus lines 2a, 2b requires the facet plate 11 to be exchanged.
  • the workpiece 3 shown is, for example, a wire which is aligned with its longitudinal axis along the optical axis 16.
  • the feed movement 17 takes place in the direction of the optical axis 16 in order to process the upper end of the wire, e.g. stripping.
  • the optical system 1 shown in FIG. 2 differs from FIG. 1 a only in that here the mirrors 15a, 15b align the partial beams 5a, 5b at an angle to the y-z plane. As a result, the partial beams 5a, 5b on the workpiece sides 3a, 3b are not reflected back into the optical unit 10 if no workpiece is positioned between the two mirrors.
  • the optical unit 10 is rotated 90 ° around the beam axis z of the incident laser beam 2 (double arrow 18), as shown in FIG. .
  • the optical unit 10 is mounted rotatably about the optical axis 16 by 90 °.
  • the workpiece 3 can be rotated by 90 ° about the optical axis 16, as indicated by the double arrow 19 is.
  • the workpiece 3 can, for example, be an insulation-coated wire with a square cross-section, the coating of which is removed (stripped) on a length section by means of the two partial beams 5a, 5b.
  • Such wires with their ends stripped are used, for example, in e-mobility as so-called hairpins in the manufacture of stators.
  • the optical system 1 has two optical units 10, 20 which can each be moved into the beam path of the incident laser beam 2 and which are rotated in the beam path of the incident laser beam 2 about the beam axis z of the incident laser beam 2, in particular by 90 °, are arranged.
  • one optical unit 10 is moved into the beam path, e.g.
  • the optical units 10, 20 can be identical for generating laser focus lines 2a, 2b of the same length or different for generating laser focus lines 2a, 2b of different lengths.
  • the optical system 1 generates two linear intensity distributions with which two opposing surfaces of a wire can be treated / stripped si multan. By subsequently rotating either the wire or the optical system or parts thereof by 90 ° or by moving a second optical unit into it, the other two surfaces of the rectangular or square wire can then be treated.
  • the optical system 1 shown in Fig. 5a, 5b differs only in that the facet plate 11 and the cylindrical lens 13 together with the associated x and y axes compared to the double wedge plate 14 and the mirrors 15a, 15b are arranged rotated by 90 ° about the z-axis.
  • the facet plate 11 is therefore still effective in the x-direction and the cylindrical lens 13 is still effective in the y-direction.
  • the two focus lines 2a, 2b are arranged collinear in the x-axis on both sides of the y-axis.
  • the mirrors 15a, 15b are arranged in such a way that the focal lines 2a, 2b of the deflected partial beams 5a, 5b are aligned parallel to the beam axis z or to the optical axis 16 and their beam cross-sections are in the yz plane - without a workpiece arranged between the mirrors - superimpose congruently.
  • the deflected partial beams 5a, 5b can also only partially overlap or also be aligned offset to one another.
  • the longitudinal axis of the workpiece 3 is aligned along or parallel to the y-axis and thus runs at right angles to the optical axis 16.
  • the wire can be in a continuous Process can be moved along the y-axis through the space between the two deflection mirrors 15a, 15b (feed direction 17). In this way, two opposite sides 3a, 3b of the wire 3 can be treated at the desired Stel len.
  • a further optics rotated by 90 ° can be used. These optics can either be fed by a second beam source, or alternatively a single beam source could alternately supply the two optics with laser light by means of an integrated, switchable switch via separate fiber optic cables.

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Abstract

Das erfindungsgemäße optische System (1) zum Erzeugen zweier, insbesondere paralleler Laserfokuslinien (2a, 2b) umfasst mindestens eine optische Einheit (10), welche aufweist: - ein erstes optisches Element (11) zum Zerlegen eines einfallenden Laserstrahls (2) in mehrere Strahlstreifen (4) in einer zu der Strahlachse (z) des Laserstrahls (2) rechtwinkligen, ersten Richtung (x) und zum Überlagern der einzelnen Strahlstreifen (4) in einer Fokalebene (F) des ersten optischen Elements (11) zu einem einzigen Strahlstreifen, dessen Streifenbreite mindestens der Streifenbreite (B) des in der Fokalebene (F) breitesten Strahlstreifens (4) entspricht und jeweils der Länge (L) der beiden Laserfokuslinien (2a, 2b) in der Fokalebene (F) entspricht, - ein zweites optisches Element (13) zum Fokussieren des einfallenden Laserstrahls (2) in einer zur ersten Richtung (x) und zur Strahlachse (z) rechtwinkgen, zweiten Richtung (y) in die Fokalebene (F), und 20 - einen im Strahlengang des Laserstrahls (2) dem ersten und dem zweiten optischen Element (11, 13) nachgeordneten, geometrischen Strahlteiler (14) zum hälftigen Aufteilen des Laserstrahls (2) in der zweiten Richtung (y) in zwei Teilstrahlen (5a, 5b), die in der Fokalebene (F) die beiden Laserfokuslinien (2a, 2b) ausbilden.

Description

Optisches System zum Erzeugen zweier paralleler Laserfokuslinien und zugehöriges Laserbearbeitunqsverfahren
Die Erfindung betrifft ein optisches System zum Erzeugen zweier, insbesondere paralleler Laserfokuslinien, insbesondere für die gleichzeitige Laserbearbeitung zweier einander gegenüberliegender, paralleler Werkstückseiten eines Werk stücks, sowie auch ein Verfahren zum gleichzeitigen Bearbeiten zweier einander gegenüberliegender, paralleler Werkstückseiten eines Werkstücks mittels eines Laserstrahls.
Eine zunehmend an Bedeutung gewinnende Laseranwendung besteht auf dem Gebiet der Elektromobilität im Entlacken/Abisolieren von Drähten mit rechteckigem Querschnitt (so genannte Hairpins) als Vorbereitung für einen nachfolgenden Füge- bzw. Schweißprozess. Derzeit werden für diesen Zweck Scanneroptiken eingesetzt, die allerdings für diese Anwendung sehr aufwändig sind.
Aus der DE 11 2005 003 207 B4 sind bereits optische Systeme zur Erzeugung ei ner einzigen Laserfokuslinie bekannt.
Demgegenüber liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein ein fach und kostengünstig aufgebautes optisches System zum Erzeugen zweier pa ralleler Laserfokuslinien sowie ein Verfahren zum gleichzeitigen Bearbeiten zweier einander gegenüberliegender, paralleler Werkstückseiten eines Werkstücks anzu geben.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein optisches System zum Erzeugen zweier, insbesondere paralleler Laserfokuslinien, insbesondere für die gleichzei tige Laserbearbeitung zweier einander gegenüberliegender, paralleler Werkstück seiten eines Werkstücks, mit mindestens einer optischen Einheit gelöst, welche aufweist:
- mindestens ein erstes optisches Element zum Zerlegen eines einfallenden, ins besondere kollimierten Laserstrahls in mehrere Strahlstreifen in einer zu der Strahlachse des Laserstrahls rechtwinkligen, ersten Richtung und zum Überla gern der einzelnen Strahlstreifen in einer Fokalebene des mindestens einen ersten optischen Elements zu einem einzigen Strahlstreifen, dessen Streifen breite mindestens der Streifenbreite des in der Fokalebene breitesten Strahl streifens entspricht und jeweils der Länge der beiden Laserfokuslinien in der Fokalebene entspricht,
- mindestens ein zweites optisches Element zum Fokussieren des einfallenden Laserstrahls in einer zur ersten Richtung und zur Strahlachse rechtwinkligen, zweiten Richtung in die Fokalebene des mindestens einen ersten optischen Elements, und
- einen im Strahlengang des Laserstrahls dem mindestens einen ersten und dem mindestens einen zweiten optischen Element nachgeordneten, geometrischen Strahlteiler zum hälftigen Aufteilen des Laserstrahls in der ersten oder zweiten Richtung in zwei Teilstrahlen, die in der Fokalebene die beiden Laserfokuslinien ausbilden. Die Strahlstreifen können in der Fokalebene die gleiche Streifen breite oder aber unterschiedliche Streifenbreiten aufweisen.
Bei der Laserbearbeitung handelt es sich beispielsweise um eine thermische Be handlung von Werkstücken, insbesondere um eine Abisolierung oder Entlackung von beschichteten Werkstücken, wie z.B. von Drähten mit im Wesentlichen quad ratischem oder rechteckigem Querschnitt (Hairpins).
Im Gegensatz zu der bisher verfolgten Strategie, derartige Anwendungen mit Scanneroptiken zu bedienen, besteht der Vorteil der Erfindung darin, dass eine entsprechende Optik vom Konzept her einfacher, kostengünstiger und robuster aufgebaut ist als eine Scanneroptik; auch ist der Betrieb einer solchen Optik einfa cher. Sollte die Homogenität der Intensitätsverteilung entlang der Laserfokuslinien keine große Bedeutung haben, kann außerdem eine astigmatische Fokussierung des Strahls (ggf. in Verbindung mit einer (Bifokal-)Doppelkeilplatte zur Umsortie- rung der Intensitätsverteilung) vorgenommen werden.
Das mindestens eine zweite optische Element kann im Strahlengang des Laser strahls dem mindestens einen ersten optischen Element vor- oder nachgeordnet sein, wobei eine Nachordnung den Vorteil einer kompakteren Bauweise hat.
Besonders bevorzugt weist die mindestens eine optische Einheit jeweils mindes tens einen Spiegel zum Umlenken der beiden Teilstrahlen in Richtung aufeinander zu bzw. auf die beiden parallelen Werkstückseiten eines zwischen den beiden Spiegeln angeordneten Werkstücks auf. Dabei sind die Spiegel möglichst derart angeordnet, dass sich die linienförmigen Strahlquerschnitte der beiden umgelenk ten Teilstrahlen - ohne ein zwischen den Spiegeln angeordnetes Werkstück - bei hälftiger Aufteilung des Laserstrahls in der ersten Richtung in der y-z-Ebene de ckungsgleich und bei hälftiger Aufteilung des Laserstrahls in der zweiten Richtung in der x-z-Ebene deckungsgleich überlagern. Die Spiegel sind derart angeordnet, dass die umgelenkten Teilstrahlen rechtwinklig oder schräg zur y-z-Ebene bzw. zur x-z-Ebene ausgerichtet sind, wobei es im letzteren Fall zu keiner Rückstrah lung an den Werkstückseiten zurück in die optische Einheit kommt, falls sich beim Einschalten des Laserstrahls kein Werkstück in der bestimmungsgemäßen Bearbeitungsposition befinden sollte. Vorzugsweise sind die Spiegel derart ange ordnet, dass die Fokuslinien der umgelenkten Teilstrahlen bei hälftiger Aufteilung des Laserstrahls in der ersten Richtung parallel zur optischen Achse (Strahlachse) und bei hälftiger Aufteilung des Laserstrahls in der zweiten Richtung parallel zur ersten Richtung ausgerichtet sind.
Zur Herstellung der beiden parallelen Laserfokuslinien sind verschiedene optische Anordnungen denkbar. Eine einfache und relativ kostengünstige Anordnung be steht aus einer Facettenplatte mit mehreren, in der ersten Richtung parallelen Fa cettenstreifen gleicher Facettenbreite, die einen kollimierten Rohstrahl in der ers ten Richtung in eine Anzahl von Strahlstreifen zerteilt und diese in der Fokalebene zu dem einzigen Strahlstreifen überlagert, sowie einer Zylinderlinse, die den Strahl in der dazu rechtwinkligen, zweiten Richtung fokussiert. Damit kann eine sehr ho mogene linienförmige Intensitätsverteilung entlang der Laserfokuslinien erzeugt werden. Alternativ kann eine entsprechende linienförmige Fokusgeometrie bei spielsweise auch mittels Mikrooptiken erzeugt werden.
Besonders bevorzugt ist der geometrische Strahlteiler beispielsweise als eine transmissive Doppelkeilplatte oder als ein reflektiver Dachkantenspiegel ausgebil det.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die optische Einheit um die Strahlachse des einfallenden Laserstrahls bzw. um die optische Achse drehbar, insbesondere um 90°, gelagert. Bei einem Werkstück mit quadrati schem oder rechteckigem Querschnitt können so durch Drehen der optischen Ein heit auch die anderen beiden parallelen Werkstückseiten bearbeitet werden.
In einer anderen bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist die optische Struktur zwei jeweils in den Strahlengang des einfallenden Laserstrahls hinein be wegbare (einschiebbare oder einschwenkbare) optische Einheiten auf, die im Strahlengang des einfallenden Laserstrahls um die Strahlachse des einfallenden Laserstrahls bzw. um die optische Achse zueinander verdreht, insbesondere um 90°, angeordnet sind und unterschiedliche, dem Querschnitt des Werkstücks an gepasste Fokuslinienlängen erzeugen. Diese Ausführungsform bietet sich insbesondere dann an, wenn der Querschnitt des zu bearbeitenden Werkstücks stark von einer quadratischen Form abweicht. Die beiden optischen Einheiten wer den nacheinander eingesetzt, um die beiden Flächenpaare des rechteckigen Querschnitts zu bearbeiten.
Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zum gleichzeitigen Bearbeiten zweier ei nander gegenüberliegender, paralleler Werkstückseiten eines Werkstücks mittels eines Laserstrahls, wobei aus dem Laserstrahl mittels des wie oben aufgebauten optischen Systems zwei Teilstrahlen mit jeweils gleicher Laserfokuslinie erzeugt werden, die auf die beiden bezüglich der optischen Achse des optischen Systems einander gegenüberliegenden, parallelen Werkstückseiten für eine Laserbearbei tung der Werkstückseiten gelenkt werden.
Vorzugsweise werden das optische System und das Werkstück relativ zueinander in Richtung der optischen Achse des optischen Systems bewegt, um so eine Vor schubbewegung der beiden Laserfokuslinien auf den beiden parallelen Werkstück seiten in Richtung der optischen Achse zu erzeugen. Auf diese Weise ist es mög lich, mit einer einzigen Vorschubbewegung zwei gegenüberliegende, parallele Werkstückflächen gleichzeitig zu bearbeiten.
Zur Laserbearbeitung eines Werkstücks mit mehreren paarweise einander gegen überliegenden, parallelen Werkstückseiten werden nach der Bearbeitung von zwei einander gegenüberliegenden, parallelen Werkstückseiten mittels der beiden Teil strahlen entweder das Werkstück oder die beiden Teilstrahlen um die optische Achse des optischen Systems gedreht, und anschließend werden zwei andere ei nander gegenüberliegende, parallele Werkstückseiten mittels der beiden Teilstrah len bearbeitet. Sollte das Längen-Breitenverhältnis des Werkstückquerschnitts stark von 1 abweichen, würde das bedeuten, dass bei der Bearbeitung der schma leren Werkstückseite ein Teil der Leistung am Werkstück vorbei strahlt und für den Prozess verloren ist. Sollte das nicht gewünscht sein, kann eine zweite, zur ersten optischen Einheit um 90° verdrehte optische Einheit, die identisch bzw. funktions gleich wie die erste optische Einheit aufgebaut ist, aber eine kürzere, der Werk stückgeometrie angepasste linienförmige Fokusgeometrie liefert, statt der ersten optischen Einheit in den Strahlengang des Laserstrahls hineinbewegt werden. Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen des Gegenstands der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung, den Ansprüchen und den Zeichnungen.
Ebenso können die vorstehend genannten und die noch weiter aufgeführten Merk male je für sich oder zu mehreren in beliebigen Kombinationen Verwendung fin den. Die gezeigten und beschriebenen Ausführungsformen sind nicht als abschlie ßende Aufzählung zu verstehen, sondern haben vielmehr beispielhaften Charakter für die Schilderung der Erfindung. Es zeigen:
Fign. 1 a, 1 b ein erstes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen optischen
Systems mit einer optischen Einheit zum Erzeugen zweier Teil strahlen mit jeweils einem Linienfokus in einer perspektivischen Ansicht (Fig. 1 a) und schematisch den zugehörigen Strahlengang samt den jeweiligen Strahlquerschnitten (Fig. 1 b), wobei die bei den Teilstrahlen jeweils rechtwinklig auf zwei einander gegenüber liegende, parallele Werkstückseiten auftreffen;
Fig. 2 das optische System von Fig. 1 a, wobei die beiden Teilstrahlen je weils schräg auf die beiden parallelen Werkstückseiten auftreffen; Fig. 3 das optische System von Fig. 1 a, wobei die optische Einheit um
90° drehbar um die optische Achse des optischen Systems gela gert ist;
Fig. 4 das optische System von Fig. 1 a mit zwei wahlweise in den Strah lengang des einfallenden Laserstrahls hineinbewegbaren, opti schen Einheiten, die im Strahlengang des einfallenden Laser strahls um die Strahlachse des einfallenden Laserstrahls zueinan der um 90° verdreht angeordnet sind; und
Fign. 5a, 5b ein zweites Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen opti schen Systems in einer Ansicht analog zu den Fign. 1 a, 1 b.
Das in Fign. 1a, 1 b gezeigte optische System 1 dient zum Erzeugen zweier paral leler Laserfokuslinien 2a, 2b für die gleichzeitige Laserbearbeitung zweier einan der gegenüberliegender, paralleler Werkstückseiten 3a, 3b eines Werkstücks 3 mittels eines Laserstrahls 2. Das optische System 1 umfasst eine optische Einheit 10, die aufweist:
eine Facettenplatte 11 mit mehreren parallelen, hier beispielhaft gleichbreiten Facettenstreifen 12 zum Zerlegen des einfallenden, kollimierten Laserstrahls (Rohstrahl) 2 in mehrere Strahlstreifen 4 in einer zu der Strahlachse z des La serstrahls 2 rechtwinkligen x-Richtung und zum Überlagern der einzelnen Strahlstreifen 4 in der Fokalebene F der Facettenplatte 11 zu einem einzigen Strahlstreifen, dessen Streifenbreite der Streifenbreite des in der Fokalebene F breitesten Strahlstreifens 4 entspricht und jeweils der Länge L der beiden Laserfokuslinien 2a, 2b in der Fokalebene F entspricht. Im gezeigten Ausfüh rungsbeispiel weisen lediglich beispielhaft alle Facettenstreifen 12 die gleiche Breite B in der ersten x-Richtung auf, so dass die Strahlstreifen 4 in der Fokal ebene F unterschiedlich breit sind. Alternativ können die Facettenbreiten der Facettenstreifen 12 auch unterschiedlich und insbesondere so gewählt sein, dass alle Strahlstreifen 4 in der Fokalebene F gleich breit sind
eine Zylinderlinse 13 zum Fokussieren der einzelnen Strahlstreifen 4 in einer zur x-Richtung und zur Strahlachse z rechtwinkligen y-Richtung in die Fokal ebene F der Facettenplatte 11 ;
eine bifokale Doppelkeilplatte 14 zum hälftigen Aufteilen des von der Zylinder linse 13 fokussierten Laserstrahls 2 in der y-Richtung in zwei Teilstrahlen 5a, 5b, die in der Fokalebene F die beiden Laserfokuslinien 2a, 2b ausbilden; und jeweils einen Spiegel 15a, 15b zum Umlenken der beiden Teilstrahlen 5a, 5b in Richtung auf die bezüglich der optischen Achse 16 des optischen Systems 1 einander gegenüberliegenden, parallelen Werkstückseiten 3a, 3b.
Eine Vorschubbewegung (Doppelpfeil 17) der Laserfokuslinien 2a, 2b relativ zum Werkstück 3 kann dabei durch eine Bewegung sowohl der optischen Einheit 10 als auch des Werkstücks 3 in Richtung der optischen Achse 16 erzeugt werden. Auf diese Weise ist es möglich, mit einer einzigen Vorschubbewegung 17 zwei paral lele Werkstückseiten 3a, 3b gleichzeitig in axialer Richtung zu bearbeiten.
Die beiden Spiegel 15a, 15b sind derart angeordnet, dass die Teilstrahlen 5a, 5b rechtwinklig zur x-z-Ebene ausgerichtet sind und die x-z-Ebene auf gleicher z- Flöhe schneiden und dass sich ihre Strahlquerschnitte in der x-z-Ebene - ohne ein zwischen den Spiegeln angeordnetes Werkstück - deckungsgleich überlagern.
Die beiden Fokuslinien 2a, 2b der umgelenkten Teilstrahlen 5a, 5b sind parallel zur x-Richtung ausgerichtet.
Da die Länge der Laserfokuslinien 2a, 2b durch die Breite der einzelnen Facetten der Facettenplatte 11 bestimmt wird, ist zur Veränderung der Länge der Laserfo kuslinien 2a, 2b der Austausch der Facettenplatte 11 erforderlich.
Bei dem gezeigten Werkstück 3 handelt es sich beispielsweise um einen Draht, der mit seiner Längsachse entlang der optischen Achse 16 ausgerichtet ist. Die Vorschubbewegung 17 erfolgt in Richtung der optischen Achse 16, um das obere Drahtende zu bearbeiten, z.B. abzuisolieren.
Von Fig. 1a unterscheidet sich das in Fig. 2 gezeigte optische System 1 lediglich dadurch, dass hier die Spiegel 15a, 15b die Teilstrahlen 5a, 5b schräg zur y-z- Ebene ausrichten. Dadurch kommt es zu keiner Rückstrahlung der Teilstrahlen 5a, 5b an den Werkstückseiten 3a, 3b zurück in die optische Einheit 10, wenn kein Werkstück zwischen den beiden Spiegeln positioniert ist.
Um bei einem Werkstück 3 mit quadratischem Querschnitt auch die beiden ande ren parallelen Werkstückseiten 3c, 3d zu bearbeiten, wird, wie in Fig. 3 gezeigt, die optische Einheit 10 um die Strahlachse z des einfallenden Laserstrahls 2 um 90° gedreht (Doppelpfeil 18). Dazu ist die optische Einheit 10 um die optische Achse 16 um 90° drehbar gelagert. Alternativ kann auch das Werkstück 3 um 90° um die optische Achse 16 gedreht werden, wie durch den Doppelpfeil 19 ange deutet ist.
Bei dem Werkstück 3 kann es sich beispielsweise um einen isolationsbeschichte ten Draht mit quadratischem Querschnitt handeln, dessen Beschichtung auf einem Längenabschnitt mittels der beiden Teilstrahlen 5a, 5b entfernt (abisoliert) wird. Solche endseitig abisolierten Drähte werden beispielsweise in der E-Mobilität als sogenannte Hairpins bei der Herstellung von Statoren eingesetzt. In Fig. 4 weist das optische System 1 zwei jeweils in den Strahlengang des einfal lenden Laserstrahls 2 hineinbewegbare, optische Einheiten 10, 20 auf, die im Strahlengang des einfallenden Laserstrahls 2 um die Strahlachse z des einfallen den Laserstrahls 2 zueinander verdreht, insbesondere um 90°, angeordnet sind. Zur Laserbearbeitung der einen parallelen Werkstückseiten 3a, 3b wird die eine optische Einheit 10 in den Strahlengang hineinbewegt, z.B. eingeschoben (Pfeil richtung A) oder eingeschwenkt, und zur Laserbearbeitung der anderen parallelen Werkstückseiten 3c, 3d wird die andere optische Einheit 20 in den Strahlengang hineinbewegt, z.B. eingeschoben (Pfeilrichtung B) oder eingeschwenkt. Die bei den optischen Einheiten 10, 20 können zur Erzeugung von gleich langen Laserfo kuslinien 2a, 2b identisch oder zur Erzeugung von unterschiedlich langen Laserfo kuslinien 2a, 2b unterschiedlich ausgebildet sein.
Das erfindungsgemäße optische System 1 erzeugt zwei linienförmige Intensitäts verteilungen, mit der zwei einander gegenüberliegende Flächen eines Drahtes si multan behandelt/abisoliert werden können. Durch eine anschließende Drehung entweder des Drahts oder des optischen Systems oder Teilen davon um 90° oder durch Hineinbewegen einer zweiten optischen Einheit können anschließend die beiden anderen Flächen des rechteckigen oder quadratischen Drahts behandelt werden.
Von Fign. 1 a, 1 b unterscheidet sich das in Fig. 5a, 5b gezeigte optische System 1 lediglich dadurch, dass die Facettenplatte 1 1 und die Zylinderlinse 13 samt den zugehörigen x- und y-Achsen gegenüber der Doppelkeilplatte 14 und den Spie geln 15a, 15b um 90° um die z-Achse verdreht angeordnet sind. Wie in Fig. 1 a ist daher die Facettenplatte 1 1 weiterhin in der x-Richtung und die Zylinderlinse 13 weiterhin in der y-Richtung wirksam. Wie in Fig. 5b gezeigt, sind in der Fokal ebene F die beiden Fokuslinien 2a, 2b kollinear in der x-Achse zu beiden Seiten der y-Achse angeordnet. Die Spiegel 15a, 15b sind derart angeordnet, dass die Fokuslinien 2a, 2b der umgelenkten Teilstrahlen 5a, 5b parallel zur Strahlachse z bzw. zur optischen Achse 16 ausgerichtet sind und sich ihre Strahlquerschnitte in der y-z-Ebene - ohne ein zwischen den Spiegeln angeordnetes Werkstück - de ckungsgleich überlagern. Alternativ können sich die umgelenkten Teilstrahlen 5a, 5b auch nur teilweise überlagern oder auch versetzt zueinander ausgerichtet sein. Die Längsachse des Werkstücks 3 wird entlang bzw. parallel der y-Achse ausge richtet und verläuft somit rechtwinklig zur optischen Achse 16. Mit dieser Ausfüh rungsform wird es möglich, einen noch nicht gebogenen Draht im Rohzustand zu behandeln, d.h. der Draht kann in einem kontinuierlichen Prozess entlang der y- Achse durch den Raum zwischen den beiden Umlenkspiegeln 15a, 15b bewegt werden (Vorschubrichtung 17). Auf diese Weise können an den gewünschten Stel len jeweils zwei gegenüberliegende Seiten 3a, 3b des Drahts 3 behandelt werden.
Um die beiden weiteren, dazu senkrechten Seiten eines Drahts mit rechtwinkligem Querschnitt zu behandeln, kann vorzugsweise eine weitere, um 90° gedrehte Op tik verwendet werden. Diese Optik kann entweder durch eine zweite Strahlquelle gespeist werden, alternativ könnte auch eine einzige Strahlquelle mittels einer in tegrierten, umschaltbaren Weiche die beiden Optiken über getrennte Lichtleitkabel abwechselnd mit Laserlicht versorgen.

Claims

DS13907 2711 Patentansprüche
1. Optisches System (1 ) zum Erzeugen zweier, insbesondere paralleler La serfokuslinien (2a, 2b), insbesondere für die gleichzeitige Laserbearbei tung zweier einander gegenüberliegender, paralleler Werkstückseiten (3a, 3b) eines Werkstücks (3),
mit mindestens einer optischen Einheit (10; 20), welche aufweist:
mindestens ein erstes optisches Element (11 ) zum Zerlegen eines einfal lenden Laserstrahls (2) in mehrere Strahlstreifen (4) in einer zu der Strahl achse (z) des Laserstrahls (2) rechtwinkligen, ersten Richtung (x) und zum Überlagern der einzelnen Strahlstreifen (4) in einer Fokalebene (F) des mindestens einen ersten optischen Elements (11 ) zu einem einzigen Strahlstreifen, dessen Streifenbreite mindestens der Streifenbreite (B) des in der Fokalebene (F) breitesten Strahlstreifens (4) entspricht und jeweils der Länge (L) der beiden Laserfokuslinien (2a, 2b) in der Fokalebene (F) entspricht,
mindestens ein zweites optisches Element (13) zum Fokussieren des ein fallenden Laserstrahls (2) in einer zur ersten Richtung (x) und zur Strahl achse (z) rechtwinkligen, zweiten Richtung (y) in die Fokalebene (F) des mindestens einen ersten optischen Elements, und
einen im Strahlengang des Laserstrahls (2) dem mindestens einen ersten und dem mindestens einen zweiten optischen Element (11 , 13) nachge- ordneten, geometrischen Strahlteiler (14) zum hälftigen Aufteilen des La serstrahls (2) in der ersten oder zweiten Richtung in zwei Teilstrahlen (5a, 5b), die in der Fokalebene (F) die beiden Laserfokuslinien (2a, 2b) ausbil den.
2. Optisches System nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine zweite optische Element (13) im Strahlengang des Laserstrahls (2) dem mindestens einen ersten optischen Element (11 ) nachgeordnet ist.
3. Optisches System nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine optische Einheit (10; 20) jeweils mindestens ei nen Spiegel (15a, 15b) zum Umlenken der beiden Teilstrahlen (5a, 5b) in Richtung aufeinander zu aufweist.
4. Optisches System nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Spiegel (15a, 15b) derart angeordnet sind, dass sich die Strahlquer schnitte der beiden umgelenkten Teilstrahlen (5a, 5b) bei hälftiger Auftei lung des Laserstrahls (2) in der ersten Richtung (x) in der y-z-Ebene und bei hälftiger Aufteilung des Laserstrahls (2) in der zweiten Richtung (y) in der x-z-Ebene deckungsgleich schneiden.
5. Optisches System nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Spiegel (15a, 15b) derart angeordnet sind, dass die umgelenkten Teilstrahlen (5a, 5b) bei hälftiger Aufteilung des Laserstrahls (2) in der ers ten Richtung (x) rechtwinklig oder schräg zur y-z-Ebene und bei hälftiger Aufteilung des Laserstrahls (2) in der zweiten Richtung (y) rechtwinklig o- der schräg zur x-z-Ebene ausgerichtet sind.
6. Optisches System nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekenn zeichnet, dass die Spiegel (15a, 15b) derart angeordnet sind, dass die Fo kuslinien (2a, 2b) der umgelenkten Teilstrahlen (5a, 5b) bei hälftiger Auf teilung des Laserstrahls (2) in der ersten Richtung (x) parallel zur Strahl achse (z) und bei hälftiger Aufteilung des Laserstrahls (2) in der zweiten Richtung (y) parallel zur ersten Richtung (x) ausgerichtet sind.
7. Optisches System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das erste optische Element als eine Facettenplatte
(11 ) mit mehreren, in der ersten Richtung (x) parallelen Facettenstreifen
(12) ausgebildet ist, die insbesondere die gleiche Facettenbreite aufwei sen.
8. Optisches System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass alle Strahlstreifen (4) zumindest in der Fokalebene (F) die gleiche Streifenbreite aufweisen.
9. Optisches System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite optische Element als eine in der zweiten Richtung (y) wirksame Zylinderlinse (13) ausgebildet ist.
10. Optisches System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der geometrische Strahlteiler als eine Doppelkeil platte (14) oder als ein Dachkantenspiegel ausgebildet ist.
11. Optisches System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die optische Einheit (10) um die Strahlachse (z) des einfallenden Laserstrahls (2) drehbar, insbesondere um 90°, gelagert ist.
12. Optisches System nach einem der Ansprüche 1 bis 10, gekennzeichnet durch zwei jeweils in den Strahlengang des einfallenden Laserstrahls (2) hineinbewegbare optische Einheiten (10, 20), die im Strahlengang des einfallenden Laserstrahls (2) um die Strahlachse (z) des einfallenden La serstrahls (2) zueinander verdreht sind, insbesondere um 90° verdreht sind.
13. Optisches System nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden optischen Einheiten (10, 20) zur Erzeugung von gleich langen oder von unterschiedlich langen Laserfokuslinien (2a, 2b) ausgebildet sind.
14. Verfahren zum gleichzeitigen Bearbeiten zweier einander gegenüberlie gender, paralleler Werkstückseiten (3a, 3b) eines Werkstücks (3) mittels eines Laserstrahls (2), wobei aus dem Laserstrahl (2) mittels des opti schen Systems (1 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche zwei Teil strahlen (5a, 5b) mit jeweils gleicher Laserfokuslinie (2a, 2b) erzeugt wer den, die auf die beiden bezüglich der optischen Achse (16) des optischen Systems (1 ) einander gegenüberliegenden, parallelen Werkstückseiten (3a, 3b) für eine Laserbearbeitung der beiden Werkstückseiten (3a, 3b) gelenkt werden.
15. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass das optische System (1 ) und das Werkstück (3) relativ zueinander in Richtung der opti schen Achse (16) des optischen Systems (1 ) oder schräg, insbesondere rechtwinklig, zu der optischen Achse (16) des optischen Systems (1 ) be wegt werden, um eine Vorschubbewegung (17) der beiden Laserfokusli nien (2a, 2b) auf den beiden parallelen Werkstückseiten (3a, 3b) in Rich tung der optischen Achse (16) zu erzeugen.
16. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass das Werk stück (3) mit seiner Längsachse entlang der Vorschubrichtung (17) ausge richtet wird.
17. Verfahren nach Anspruch 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, dass bei einem Werkstück (3) mit mehreren paarweise einander gegenüberliegen den, parallelen Werkstückseiten nach einer Bearbeitung von zwei einan der gegenüberliegenden, parallelen Werkstückseiten (3a, 3b) mittels der beiden Teilstrahlen (5a, 5b) entweder das Werkstück (3) oder die beiden Teilstrahlen (5a, 5b) um die optische Achse (16) des optischen Systems (1 ) gedreht werden und anschließend zwei andere einander gegenüberlie gende, parallele Werkstückseiten (3c, 3d) mittels der beiden Teilstrahlen (5a, 5b) bearbeitet werden.
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