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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Laserbearbeiten
von Werkstücken
mittels eines Laserstrahls, der an einer ersten Spiegelfläche und
an mindestens einer von der ersten Spiegelfläche zumindest teilweise umgebenen
zweiten Spiegelfläche
eines Umlenkspiegels umgelenkt wird. Die Erfindung betrifft auch
einen Umlenkspiegel für
einen Laserstrahl zur Laserbearbeitung, umfassend: eine erste Spiegelfläche und
mindestens eine von der ersten Spiegelfläche zumindest teilweise umgebene zweite
Spiegelfläche,
sowie einen Laserbearbeitungskopf mit mindestens einem solchen Umlenkspiegel.
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Die
Verwendung von Umlenkspiegeln mit mehreren Spiegelflächen insbesondere
für die
Laserbearbeitung ist verschiedentlich bekannt, wobei der Verwendungszweck
solcher Umlenkspiegel unterschiedlich sein kann.
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So
ist beispielsweise in der
JP
01271088 A eine Laserbearbeitungsmaschine beschrieben,
bei der eine Phasendifferenz zwischen einem äußerem und einem inneren Teilbereich
eines Laserstrahls dadurch ausgeglichen wird, dass die Position
eines beweglichen, inneren Spiegelelements eines Umlenkspiegels
mittels eines hierfür
vorgesehenen, linear beweglichen Mechanismus relativ zu einem äußeren Spiegelelement
verändert
wird.
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Aus
der
JP 2005314198
A ist eine Vorrichtung bekannt geworden, bei der zur Optimierung
einer Laserschneidmaschine für
das Glasschneiden die Querschnittsform und die Intensitätsverteilung des
Laserbearbeitungsstrahls eingestellt wird, indem ein Facettenspiegel
mit einer Mehrzahl von Spiegelsegmenten, deren Neigung einstellbar
ist, oder ein formveränderlicher
Spiegel zur Umlenkung des Laserstrahls genutzt werden.
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Auch
die
GB 1,433,563 beschreibt
eine Laserbearbeitungsmaschine zum Glasschneiden, bei der eine kleinere
Spiegelfläche
vor einer größeren Spiegelfläche im Strahlengang
eines Laserstrahls angeordnet ist. Beide Spiegelflächen können durch Servomotoren
angetrieben werden, um den Laserstrahl auf zwei unterschiedliche
Fokuspunkte entlang einer an der Glasoberfläche gebildeten Schnittlinie umzulenken.
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Die
DE 10 2004 043 895
A1 beschreibt ein Mikrobearbeitungsverfahren, bei dem eine
Mehrzahl unabhängig
voneinander positionierbarer Strahlsteuerelemente in einer Strahlsteuerelementanordnung empfangene
Laserstrahlung auf wählbare
Orte auf einem Substrat richtet. Eine Anzahl von Laserstrahl-Fokussierungsmodulen
ist den Strahlsteuerelementen zugeordnet, um jeden Teilstrahl auf
das Substrat zu fokussieren.
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In
der
DE 102 20 324
A1 ist ein Konkavspiegel als Pupillenfilter für ein katadioptrisches
Projektionsobjektiv beschrieben, der im Bereich einer Pupillenfläche des Objektivs
angeordnet ist. Der Konkavspiegel ist in eine Anzahl von ringförmigen oder
wabenförmigen
Spiegelsegmenten unterteilt, die mit Hilfe piezoelektrischer Antriebselemente
unabhängig voneinander
relativ zueinander beweglich sind. Der Spiegel kann als phasenschiebender
Pupillenfilter verwendet werden, wobei die Filterfunktion durch
Relativ-Verschiebung der Spiegelelemente gegeneinander eingestellt
werden kann, indem diese durch Piezoelemente angehoben oder abgesenkt
werden.
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Die
Verwendung von segmentierten Umlenkspiegeln beim Laserstrahlschweißen dient
in der Regel dazu, einen größeren Dampfkanal
(Keyhole) zu erzeugen, wodurch sich ein höheres Schmelzbadvolumen ausbildet.
Die Vergrößerung des
Dampfkanals kann beispielsweise durch das Doppelfokus- bzw. Tandemschweißen realisiert
werden, bei denen der Laserstrahl z. B. durch einen Dachspiegel
in zwei Teilstrahlen aufgeteilt wird, die anschließend auf
zwei nahe beieinander liegende Fokuspunkte fokussiert werden. Dies
ermöglicht,
dass die während
des Schweißprozesses
entstehenden Gase besser an die Oberfläche entweichen können und
somit Schwachstellen in der Schweißnaht, die durch Porenbildung
entstehen, auf ein Minimum verringert werden.
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Ein
optisches System für
das Doppelfokusschweißen
ist beispielsweise aus der
EP
0 823 304 A1 bekannt geworden. Dort wird der Laserstrahl
an einem Umlenkspiegel in eine Mehrzahl von Teilstrahlen mit unterschiedlichen
optischen Achsen aufgespalten. In einer Ausführung ist der Umlenkspiegel aus
einem äußeren und
einem inneren Spiegelelement aufgebaut, wobei das äußere Spiegelelement eine
zylindrische, zentrische Bohrung aufweist, in die das innere Spiegelelement
eingepasst ist, so dass das innere und äußere Spiegelelement relativ
zueinander drehbar sowie axial verschiebbar sind, wodurch sich die
relative Lage eines dem ersten bzw. zweiten Teilstrahl zugeordneten
Fokuspunkts auf zwei zusammenzufügenden
Werkstücken
einstellen lässt.
Nach der Einstellung der gewünschten
relativen Lage der Fokuspunkte wird diese Einstellung durch Fixierung
der Spiegelelemente relativ zueinander fest eingestellt.
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Der
Nachteil der Vergrößerung des
Dampfkanals durch Doppelfokusschweißen liegt in der benötigten größeren Streckenenergie
gegenüber
dem Laserschweißen
mit lediglich einem Fokus. Vom Elektronenstrahlschweißen ist
es bekannt, den Strahl hochfrequent, d. h. mit Frequenzen über 2000
Hz und einer Pendelamplitude von weniger als einem Millimeter mittels
eines Pendelspiegels quer zur Schweißfuge zu pendeln. Auch in der
EP 0 823 304 A1 ist
bei einer Ausführung
ein weiterer Spiegel zur Umlenkung der Teilstrahlen vorgesehen,
der eine oszillierende Bewegung ausführt, so dass die beiden Fokuspunkte
auf den Werkstücken
eine Pendelbewegung in einer Richtung senkrecht zur Schweißlinie ausführen können.
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Auch
die
US 5,690,845 beschreibt
eine optische Anordnung zur Laserbearbeitung, welche einen ersten
Umlenkspiegel als Einrichtung zur Aufspaltung eines Laserstrahls
in eine Mehrzahl von Teilstrahlen aufweist. Ein zweiter, vom ersten
separierter Umlenkspiegel fokussiert die Teilstrahlen auf eine Mehrzahl
von Fokuspunkten. In einer Ausführung weist
der erste Umlenkspiegel zwei oder mehr plane Spiegelteile auf, die
unabhängig
voneinander verkippt werden können.
In einer weiteren, alternativen Ausführung weist der erste Umlenkspiegel
eine Mehrzahl von konzentrisch um die optische Achse des Laserstrahls
angeordneten konkaven, konvexen oder planen Spiegelflächen auf.
Der erste Umlenkspiegel kann hierbei jeweils als Ganzes in einer
vorgegebenen Richtung verkippt oder gedreht werden, um eine pendelnde
oder spiralförmige
Bewegung der Fokuspunkte auf dem Werkstück zu erzeugen.
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In
der
JP 60 240 395 A ist
eine Anordnung beschrieben, bei der ein Laserstrahl mittels eines halbdurchlässigen Spiegels
in einen ersten und einen zweiten Teilstrahl aufgespaltet wird.
Der erste Teilstrahl wird auf ein zu bearbeitendes metallisches Werkstück fokussiert,
um dieses lokal aufzuschmelzen. Der zweite Teilstrahl wird über einen
Konkavspiegel, der mit ca. 10 Hz oszilliert, unmittelbar auf den
ersten Teilstrahl folgend auf das geschmolzene metallische Werkstück eingestrahlt.
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Die
dynamische Umlenkung und Bewegung des Laserstrahls zum Erzeugen
der Pendelbewegung erfolgt üblicherweise – wie in
den obigen Beispielen – mit
Hilfe von sogenannten Scannerspiegeln, bei denen die gesamte Spiegelfläche mit
Hilfe eines Galvanometer-Antriebs um eine Achse rotiert wird. Soll
ein solcher Spiegel an einer Stelle im Strahlengang eingesetzt werden,
an welcher der Laserstrahl einen großen Durchmesser aufweist, sind
dafür große und damit
schwere Spiegel notwendig. Dies begrenzt die maximal mögliche Pendelfrequenz
auf Werte << 1500 Hz. Kleinere Spiegel
und damit höhere
Frequenzen lassen sich nur realisieren, wenn sie im konvergenten
oder divergenten Teil einer Strahlkaustik in Nähe der Strahltaille angeordnet
werden, wie z. B. bei Systemen mit Zwischenfokus oder in der Nähe des Endes
eines Lichtleitkabels.
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Aufgabe der Erfindung
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Es
ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren, einen
Umlenkspiegel und einen Laserbearbeitungskopf mit einem solchen
Umlenkspiegel bereitzustellen, welche eine hochdynamische Umlenkung
eines Laserstrahls für
die Laserbearbeitung auch bei Verwendung großer Strahlquerschnitte ermöglichen.
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Gegenstand der Erfindung
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch
ein Verfahren der eingangs genannten Art, bei dem während des
Laserbearbeitens die zweite Spiegelfläche eine Pendelbewegung relativ
zur ersten, bevorzugt ortsfesten Spiegelfläche ausführt. Die Erfinder haben erkannt,
dass es zur Erzeugung des gewünschten
Effekts der Vergrößerung des
Dampfkanals (Keyholes) ausreichend ist, wenn nur ein kleiner Ausschnitt
(zweite Spiegelfläche)
aus der gesamten Spiegelfläche
des Umlenkspiegels hochdynamisch gependelt wird, insbesondere wenn
auf diesen Ausschnitt ein Großteil
der Laserleistung auftrifft. Ein an der pendelnden zweiten Spiegelfläche reflektierter Teil
des Laserstrahls wird nachfolgend auf einen Fokuspunkt fokussiert,
der um einen ortsfesten Fokuspunkt, der von dem an der ersten Spiegelfläche reflektierten
Teil des Laserstrahls erzeugt wird, eine Pendelbewegung ausführt. Es
versteht sich, dass die erste Spiegelfläche bevorzugt direkt an die
zweite Spiegelfläche
anschließt,
um möglichst
die gesamte Laserleistung umzulenken. Hierbei kann zwischen der
ersten und zweiten Spiegelfläche
ggf. funktionsbedingt ein kleiner Spalt mit einer Breite von ca.
0,02 mm verbleiben, der die relative Bewegung der zweiten zur ersten
Spiegelfläche
ermöglicht.
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Es
versteht sich, dass auch zwei oder mehr zweite Spiegelflächen, die
eine hochdynamische Umlenkung des Laserstrahls ermöglichen,
vorgesehen sein können,
wobei typischer Weise ein jeweiliger, von einer dynamisch bewegten
Spiegelfläche
reflektierter Anteil des Laserstrahls auf einen eigenen Fokuspunkt
fokussiert wird. Auch die erste Spiegelfläche kann ggf. in mehrere Teilflächen (Facetten)
unterteilt sein. Unter einer Pendelbewegung wird im Sinne dieser
Anmeldung eine harmonische Schwingungsbewegung um eine Ruhelage
verstanden.
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In
einer vorteilhaften Variante führt
die zweite Spiegelfläche
relativ zur ersten Spiegelfläche
eine Pendelbewegung mit einer Pendelfrequenz von mehr als 1000 Hz, bevorzugt
von mehr als 2000 Hz, insbesondere von mehr als 3000 Hz aus. Bei
dem erfindungsgemäßen Verfahren
kann die zweite Spiegelfläche
verhältnismäßig klein
gewählt
werden, z. B. 200 mm2 oder darunter, so
dass die Masse eines Spiegelelements, an dem die Spiegelfläche gebildet ist,
klein genug gewählt
werden kann, um die oben angegebenen, hohen Pendelfrequenzen zu
erreichen.
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In
einer weiteren vorteilhaften Variante führt die zweite Spiegelfläche relativ
zur ersten Spiegelfläche
eine Pendelbewegung in Form einer Kippbewegung, einer Drehbewegung
und/oder einer Linearbewegung aus. Insbesondere die Realisierung
der Pendelbewegung als Kippbewegung hat sich hierbei als vorteilhaft
herausgestellt, wobei das Verkippen typischer Weise um eine oder
zwei Achsen erfolgt, die in der Ebene der ersten Spiegelfläche verlaufen.
Die Linearbewegung kann senkrecht zur ersten Spiegelfläche erfolgen
und ebenso wie die Kippbewegung mit Hilfe von Piezoaktoren umgesetzt
werden. Zur Realisierung der Kippbewegung kann die zweite Spiegelfläche bzw.
ein Spiegelelement, an dem die zweite Spiegelfläche gebildet ist, an einem
Festkörpergelenk
gelagert sein. Alternativ oder zusätzlich kann auch eine Drehbewegung
der zweiten Spiegelfläche relativ
zur ersten Spiegelfläche
stattfinden, wobei die Drehachse typischer Weise unter einem Winkel
(ungleich 90°)
zur zweiten Spiegelfläche
verläuft,
wie in der eingangs zitierten
EP 0 823 304 A1 für eine feste Einstellung des
Drehwinkels dargestellt ist. Ist beispielsweise die zweite Spiegelfläche zur
ersten verkippt angeordnet und wird um eine Achse senkrecht zur
ersten Spiegelfläche
rotiert, so führt
der Laserstrahl auf dem Werkstück
eine kreisförmige
Bewegung aus. Zur Erzeugung der Drehbewegung kann beim erfindungsgemäßen Verfahren
z. B. ein Elektromotor dienen.
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In
einer besonders bevorzugten Variante werden die erste, bevorzugt
ringförmige
Spiegelfläche
und die zweite, bevorzugt kreisförmige
Spiegelfläche
konzentrisch angeordnet. Die innere Spiegelfläche, auf die ein Großteil der
Laserleistung (z. B. 86%) auftrifft, wird hierbei gependelt, um
bei der Laserbearbeitung einen pendelnden Fokuspunkt mit hoher Strahlleistung
zu erzeugen. Die äußere, ringförmige Spiegelfläche bleibt
ortsfest und bewirkt eine konstante Umlenkung des Laserstrahls (z.
B. um 45°) auf
einen ortsfesten Fokuspunkt geringerer Laserleistung (z. B. 14%).
Es versteht sich, dass nicht nur kreisförmige Spiegelflächen, sondern
auch andere, insbesondere elliptische Formen der Spiegelflächen günstig sein
können.
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Bei
einer vorteilhaften Variante ist die erste Spiegelfläche an einem
ersten Spiegelelement und die zweite Spiegelfläche an einem zweiten Spiegelelement
gebildet, wobei das erste Spiegelelement bevorzugt flüssigkeitsgekühlt und
das zweite Spiegelelement bevorzugt gasgekühlt wird. Bei den in der Laserbearbeitung
typischer Weise auftretenden, hohen Laserleistungen ist eine Kühlung der
Spiegelelemente vorteilhaft, um diese vor Zerstörung und/oder vor Deformationen
durch zu starke Temperaturveränderungen
zu schützen.
Insbesondere das zweite Spiegelelement sollte hierbei gasgekühlt werden
(z. B. mit Stickstoff oder Luft), da eine Kühlung mit einer Flüssigkeit
aufgrund der zusätzlichen
Masse die Pendelfrequenz verringern würde.
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In
einer besonders bevorzugten Variante wird an der zweiten Spiegelfläche ein
Anteil von mehr als 50%, bevorzugt von mehr als 70%, insbesondere von
mehr als 80% der Intensität
des Laserstrahls umgelenkt. Bei der anschließenden Fokussierung der von
der ersten und der zweiten Spiegelfläche reflektierten Strahlanteile
wird auf diese Weise ein leistungsstarker, pendelnder Fokuspunkt
erzeugt, der um einen festen Fokuspunkt mit geringerer Strahlintensität pendelt,
was sich als besonders günstig
für die
Laserbearbeitung herausgestellt hat. Es versteht sich, dass sich
die relativen Anteile der Laserleistung, die auf die erste bzw.
zweite Spiegelfläche
auftreffen, durch eine Veränderung
des Strahldurchmessers des auf den Umlenkspiegel auftreffenden Laserstrahls
einstellen lassen.
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Ein
weiterer Aspekt der Erfindung ist realisiert in einem Umlenkspiegel
der eingangs genannten Art, bei dem die zweite Spiegelfläche relativ
zur ersten Spiegelfläche
pendelbar mit Pendelfrequenzen von mehr als 1000 Hz, bevorzugt von
mehr als 2000 Hz, insbesondere von mehr als 3000 Hz gelagert ist.
Vorzugsweise weist der Umlenkspiegel eine Antriebseinrichtung zur
Erzeugung der Pendelbewegung der zweiten Spiegelfläche relativ
zur ersten Spiegelfläche
auf. Der erfindungsgemäße Umlenkspiegel
kann insbesondere für
die Laserbearbeitung verwendet werden, um eine Pendelbewegung eines Laserstrahlfokus
auf dem/den zu bearbeitenden Werkstück(en) mit hoher Frequenz zu
ermöglichen.
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Bei
einer bevorzugten Ausführungsform
ist die Antriebseinrichtung zum Erzeugen einer Pendelbewegung in
Form einer Kippbewegung, Drehbewegung und/oder Linearbewegung der
zweiten Spiegelfläche
relativ zur ersten Spiegelfläche
ausgelegt. Wie oben dargestellt kann die Pendelbewegung auf verschiedene
Weise realisiert werden, wobei ggf. auch zwei Pendelbewegungen überlagert
werden können, z.
B. indem eine überlagerte
Kippbewegung um zwei zueinander senkrechte Kippachsen vorgenommen wird,
beispielsweise um eine spiralförmige
Bewegung des Fokuspunkts zu erreichen, wie in der eingangs zitierten
US 5,690,845 dargestellt
ist, die bezüglich
dieses Aspekts durch Bezugnahme zum Inhalt dieser Anmeldung gemacht
wird.
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In
einer weiteren bevorzugten Ausführungsform
weist die Antriebseinrichtung mindestens einen Piezoaktor zum Erzeugen
der Pendelbewegung auf. Mit Hilfe von Piezoaktoren kann insbesondere
eine Kippbewegung und/oder eine lineare Bewegung der zweiten Spiegelfläche mit
hoher Pendelfrequenz realisiert werden.
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In
einer vorteilhaften Ausführungsform
ist die erste Spiegelfläche
an einem ersten, ortsfest gelagerten Spiegelelement gebildet, das
bevorzugt eine Zuführungseinrichtung
zum Zuführen
eines Kühlgases
an ein zweites Spiegelelement aufweist, an dem die zweite Spiegelfläche gebildet
ist. Als Zuführungseinrichtungen
können
z. B. Düsen
in dem ersten Spiegelelement vorgesehen sein.
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Bei
einer vorteilhaften Weiterbildung ist die erste Spiegelfläche an einem
plattenförmigen
Element gebildet und auf einen Grundkörper des ersten Spiegelelements
aufgesetzt, wobei in dem Grundkörper
bevorzugt Kühlkanäle zum Durchleiten
einer Kühlflüssigkeit
und/oder weitere Kühlkanäle zum Durchleiten
eines Kühlgases
für das
zweite Spiegelelement eingebracht sind. Der Grundkörper kann
aus einer Stahllegierung gefertigt sein, wodurch eine hohe Stabilität und dadurch
eine geringe Verformung der Spiegelfläche erreicht werden kann. Die
plattenförmige
Spiegelfläche
besteht bevorzugt aus Kupfer oder Aluminium. Grundkörper und
Spiegelfläche
können
z. B. durch Löten
oder Kleben miteinander verbunden sein. Zur Kühlung des ersten Spiegelelements
kann Wasser verwendet werden, das z. B. durch eine ringförmige Nut
im Grundkörper
fließt.
Die Zweiteilung des ersten Spiegelelements in einen Grundkörper und
ein plattenförmiges
Element mit der Spiegelfläche
hat den Vorteil, dass die Kühlmedien nah
an der Spiegeloberfläche
entlang geleitet werden können.
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In
einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist die zweite Spiegelfläche an einem
zweiten, beweglich gelagerten und bevorzugt einteiligen Spiegelelement
gebildet. Das zweite Spiegelelement kann an einem oder mehreren
Festkörpergelenken gelagert
sein, um die Pendelbewegung zu ermöglichen.
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Bei
einer besonders vorteilhaften Weiterbildung sind in dem zweiten,
bevorzugt metallischen Spiegelelement Nuten für das Durchleiten eines Kühlgases
eingebracht. Das zweite Spiegelelement besteht bevorzugt aus Kupfer
oder Aluminium. Da es einer hohen Strahlungsleistung ausgesetzt
ist, wird es gekühlt,
wobei bevorzugt ein Gas durch in das zweite Spiegelelement gefräste Nuten
geführt
wird. Zum besseren Wärmeaustausch
können
die Nuten bananenförmig
ausgeführt
sein.
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Ein
weiterer Aspekt der Erfindung ist realisiert in einem Laserbearbeitungskopf
zur Führung
eines Laserstrahls auf ein Werkstück, umfassend: mindestens einen
Umlenkspiegel wie oben beschrieben, wobei in dem Laserbearbeitungskopf
bevorzugt eine Fokussiereinrichtung für den Laserstrahl angeordnet ist.
Ein Laserbearbeitungskopf mit einem solchen Umlenkspiegel ist ausgelegt,
den Laserstrahl auf zwei oder mehr Fokuspunkte zu fokussieren, von
denen mindestens einer während
der Laserbearbeitung eine Pendelbewegung ausführt.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
ist der Umlenkspiegel im Strahlengang vor oder nach der Fokussiereinrichtung
angeordnet oder als Fokussiereinrichtung ausgebildet. Bei der Anordnung
des Umlenkspiegels im konvergenten Strahlengang nach der Fokussiereinrichtung
kann die zu pendelnde zweite Spiegelfläche verkleinert werden, wodurch
die Pendelfrequenz größer gewählt werden
kann. Der Umlenkspiegel kann aber auch selbst als Fokussiereinrichtung
dienen, wenn er z. B. als Hohlspiegel ausgelegt ist.
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Weitere
Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der
Zeichnung.
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Es
zeigen:
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1a,
c schematische Darstellungen einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Umlenkspiegels
in einer Draufsicht und in einer Seitenansicht,
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2a,
b schematische Darstellungen von zwei Ausführungsformen eines erfindungsgemäßen Laserbearbeitungskopfs
mit einem Umlenkspiegel,
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3a,
b perspektivische Darstellungen eines inneren Spiegelelements des
Umlenkspiegels von 1,
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4 eine
perspektivische Darstellung eines äußeren Spiegelelements des Umlenkspiegels von 1, und
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5a,
b schematische Darstellungen von Beispielen für die Lagerung des inneren
Spiegelelements des erfindungsgemäßen Umlenkspiegels.
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1a–c zeigen
einen Umlenkspiegel 1 für einen
Laserstrahl 2, dessen kreisrunde Spiegelfläche in eine
erste, äußere Spiegelfläche 3 und
in eine zweite, innere Spiegelfläche 4 aufgeteilt
ist. Ein Strahldurchmesser D des Laserstrahls 2 ist hierbei
so gewählt,
dass dieser vollständig
an den beiden Spiegelflächen 3, 4 reflektiert
wird. Die erste und zweite Spiegelfläche 3, 4 sind
hierbei konzentrisch angeordnet und nur durch einen schmalen Spalt 5 voneinander
getrennt, so dass nahezu 100% der Intensität des Laserstrahls 2 an
dem Umlenkspiegel 1 reflektiert werden. Die zweite, kreisförmige Spiegelfläche 4 ist beweglich,
die erste, ringförmige
Spiegelfläche 3 stationär gelagert,
wobei die Lagerung der zweiten Spiegelfläche 4 derart ausgelegt
ist, dass diese eine Pendelbewegung in Form einer Kippbewegung entlang einer
Achse ausführen
kann, die durch den Mittelpunkt M der zweiten Spiegelfläche 4 oder durch
einen Punkt auf einer durch den Mittelpunkt M senkrecht zur zweiten
Spiegelfläche 4 verlaufenden
Achse sowie parallel zur Ebene der ersten Spiegelfläche 3 verläuft. Die
Richtung dieser Kippachse entspricht der Richtung einer X-Achse oder Y-Achse
eines in 1a gezeigten XYZ-Koordinatensystems.
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Wie
in 1b, c gezeigt, kann die zweite Spiegelfläche 4 aus
einer Ausgangslage, in der sie in derselben Ebene wie die erste
Spiegelfläche 3 liegt (1b)
in eine verkippte Lage bewegt werden (1c), wobei
der maximale Kippwinkel α typischer Weise
bei ± 1,1
mrad liegt. Der Spalt 5 zwischen der ersten und zweiten
Spiegelfläche 3, 4 weist
eine Breite auf, die so gewählt
ist, dass die zweite Spiegelfläche 4 um
diesen maximalen Kippwinkel relativ zur ersten Spiegelfläche 3 verkippt
werden kann. Bei der oben angegebenen Wahl des maximalen Kippwinkels
beträgt
diese Spaltbreite mindestens ca. 0,02 mm.
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Der
Strahlquerschnitt D des einfallenden Laserstrahls 2 ist
auf die Größe der Spiegelflächen 3, 4 abgestimmt
und so gestaltet, dass (beispielsweise) ein zweiter Teilstrahl 2b mit
86% der Laserleistung von der zweiten Spiegelfläche 4 reflektiert
wird, um mit diesem eine Pendelbewegung auszuführen. Um die restlichen 14%
Laserleistung nutzen zu können, ist
die ringförmige
erste Spiegelfläche 3 um
die zweite Spiegelfläche 4 herum
angeordnet. Von der ersten Spiegelfläche 3 wird ein erster
Teilstrahl 2a des Laserstrahls 2 reflektiert,
der mit dem einfallenden Laserstrahl 2 einen konstanten
Winkel von z. B. 45° in der
XY-Ebene (Umlenkebene) einschließt.
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Die
oben dargestellte Art der Strahlteilung hat den Vorteil, dass mit
der kleinen zweiten Spiegelfläche 4 hohe
Pendelfrequenzen realisierbar sind und dass durch das Vorsehen der
die zweite Spiegelfläche 4 umgebenden
ersten Spiegelfläche 3 fast
keine Laserleistung verloren geht. Die zweite Spiegelfläche 4 kann
hierbei einen Durchmesser von z. B. weniger als 15,8 mm aufweisen,
so dass die gependelte zweite Spiegelfläche 4 klein genug
ist, um mit ihr Pendelfrequenzen von mehr als 3000 Hz zu erreichen.
Ferner ist es möglich,
durch die Veränderung des
Durchmessers D des Laserstrahls 1 mehr oder weniger Leistung
auf die gependelte zweite Spiegelfläche 4 einzustrahlen.
Insbesondere kann mehr als die Hälfte
der vorhandenen Laserleistung auch mit einer sehr kleinen zweiten
Spiegelfläche 4 gependelt werden,
da die Intensitätsverteilung
der Laserstrahlung über
den Strahlquerschnitt im Wesentlichen einer Gauß-Verteilung entspricht, bei
der ein erheblicher Teil der Strahlintensität in der Nähe des Mittelpunkts M der zweiten
Spiegelfläche 4 konzentriert
ist.
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2a zeigt
eine erste Variante eines Laserbearbeitungskopfs 6, in
den der Umlenkspiegel 1 der 1a–c eingebaut
ist, um einen Laserbearbeitungsprozess zur Verbindung von zwei Werkstückteilen 7a,
b entlang einer Bearbeitungsrichtung 8 durchzuführen. Der
Laserbearbeitungskopf 6 weist zur Umlenkung des von einer
nicht gezeigten Strahlführungseinrichtung
kommenden, kollimierten Laserstrahls 2 einen ersten Umlenkspiegel 9 auf.
Der umgelenkte Laserstrahl 2 trifft nachfolgend auf den
Umlenkspiegel 1 der 1a–c und wird
von diesem in zwei Teilstrahlen 2a, b aufgeteilt, die zur
Vereinfachung in 2a durch einen einzigen Strahl
dargestellt sind. Der Umlenkspiegel 1 ist derart angeordnet,
dass sein Mittelpunkt M in der optischen Achse 10 des Laserstrahls 2 zu
liegen kommt. Im Strahlengang nach dem Umlenkspiegel 1 ist
ein Fokussierspiegel 11 angeordnet, von dem die Teilstrahlen 2a, b
auf eine Bearbeitungszone 12 zwischen den Werkstückteilen 7a,
b fokussiert werden, hinter der sich in Bearbeitungsrichtung 8 eine
Schweißnaht 13 ausbildet.
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Durch
die Fokussierung der Teilstrahlen werden zwei Brennpunkte (nicht
gezeigt) in der Bearbeitungszone 12 erzeugt. Der leistungsstärkere Fokus (z.
B. mit 86% Laserleistung) wird dabei um den festen Fokus (z. B.
mit 14% Laserleistung) z. B. mit einer Auslenkung von 0,6 mm senkrecht
zur Bearbeitungsrichtung 8 gependelt, wie in 2a durch
eine gezackte Linie angedeutet ist. Die Pendelfrequenz wird während der
Laserbearbeitung hierbei in der Regel konstant gehalten, kann aber
gegebenenfalls auch variiert werden.
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Die
in 2b gezeigte Variante der Anordnung des Umlenkspiegels 1 in
dem Laserbearbeitungskopf 6 unterscheidet sich von der
im Zusammenhang mit 2a beschriebenen Variante lediglich
dadurch, dass die Positionen des Umlenkspiegels 1 und des
Fokussierspiegels 11, der den Laserstrahl 2 um
45° umlenkt,
vertauscht sind. Der Umlenkspiegel 1 ist daher im teilfokussierten
Strahlengang angeordnet und lenkt den teilfokussierten Laserstrahl 2 um
weitere 45° zur
Bearbeitungszone 12 um.
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Bei
dieser Variante kann der Durchmesser des Umlenkspiegels 1 somit
geringer gewählt
werden als bei der in Zusammenhang mit 2a beschriebenen
Variante, weshalb bei dieser Variante typischer Weise höhere Pendelfrequenzen
erreicht werden können.
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Im
Folgenden wird anhand der 3 bis 5 ein Beispiel für den Aufbau des Umlenkspiegels 1 zum
Erreichen hoher Pendelfrequenzen dargestellt. 3a,
b zeigen hierbei ein zweites Spiegelelement 14, an dessen
Oberseite die zweite Spiegelfläche 4 gebildet
ist. Das zweite Spiegelelement 14 besteht aus einem metallischen
Material (Kupfer, Aluminium etc.), das aufgrund der hohen Strahlleistungen
gekühlt
werden muss. Zu diesem Zweck sind auf der Unterseite des zweiten
Spiegelelements 14 Nuten als Kühlkanäle 15 eingefräst, die
zum besseren Wärmeaustausch
bananenförmig
ausgeführt
sind. Durch die Kühlkanäle 15 wird
ein Kühlgas
(Luft, Stickstoff etc.) geleitet, da die Verwendung einer Kühlflüssigkeit
aufgrund der zusätzlichen
zu bewegenden Masse und aufgrund der dämpfenden Wirkung von Schläuchen und
Anschlüssen
negative Auswirkungen auf die Pendelfrequenz des zweiten Spiegelelements 14 hätte. Das
im Wesentlichen plattenförmig ausgebildete
zweite Spiegelelement 14 weist hierbei eine Masse von typischer
Weise weniger als 5 Gramm auf.
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4 zeigt
ein erstes Spiegelelement 16, bei dem auf einem Grundkörper 17 aus
einer Stahllegierung ein ringförmiges,
plattenförmiges
Element 18 aus Kupfer gebildet ist, dessen Oberseite die
zweite Spiegelfläche 3 bildet,
wobei der Grundkörper 17 und das
plattenförmige
Element 18 z. B. durch Löten miteinander verbunden sind.
Zur Kühlung
des zweiten Spiegelelements 16 wird Wasser verwendet, das durch
eine im Wesentlichen ringförmige
Nut als Kühlkanal 19 geleitet
wird. Ein weiterer Kühlkanal 20 dient zum
Durchleiten eines Kühlgases
zu Düsen 21a,
b, welche als Zuführungseinrichtungen
zur Zuführung des
Kühlgases
an die Kühlkanäle 15 des
zweiten Spiegelelements 14 dienen und welche ebenfalls
in den Grundkörper 17 eingefräst sind.
Es versteht sich, dass weitere, nicht gezeigte Kühlkanäle zum Abführen des Kühlgases in dem Grundkörper 17 eingebracht
sind. Durch die Teilung des ersten Spiegelelements 16 in
den Grundkörper 17 und
das plattenförmige
Element 18 wird bewirkt, dass die Kühlmedien nahe an der Spiegeloberfläche 3 entlang
geführt
werden können.
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Um
eine hohe Bewegungsfrequenz der zweiten Spiegelfläche 4 bzw.
des zweiten Spiegelelements 14 zu erreichen, ist dieses,
wie in 5a gezeigt, auf einem Piezo-Kippsystem 22a als
Antriebseinrichtung um eine Achse parallel zur ersten Spiegelfläche 3 kippbar
gelagert montiert. Das zweite Spiegelelement 14 ist hierbei
auf einem Trägerelement 25 angeordnet.
Ein Piezoaktor 23 ist in das Kippsystem 22a integriert
und ermöglicht
den Antrieb des zweiten Spiegelelements 14, das an einem
Festkörpergelenk 24 gelagert
ist. In einer alternativen, in 5b gezeigten
Ausführung
eines Piezo-Kippsystems 22b als Antriebseinrichtung sind
vier Piezoaktoren vorhanden, von denen zwei Piezoaktoren 23a,
b in 5b gezeigt sind, die eine Verkippung des zweiten
Spiegelelements 14 in Z-Richtung ermöglichen. Zwei weitere, nicht
gezeigte Piezoaktoren ermöglichen
die Verkippung um eine Achse senkrecht zur Zeichenebene (X-Achse,
vgl. 1a), so dass das zweite Spiegelelement 14 in
alle Richtungen verkippt werden kann. Das Festkörpergelenk 24 ist
federnd ausgelegt, so dass durch gleichzeitiges Ansteuern aller
Piezoaktoren mit derselben Spannung eine Linearbewegung des zweiten
Spiegelelements 24 erreicht werden kann. Es versteht sich,
dass alternativ zu den hier beschriebenen Bewegungsformen z. B. auch
eine Drehbewegung der zweiten Spiegelfläche 4 relativ zur
ersten Spiegelfläche 3 z.
B. mittels eines Elektromotors erfolgen kann.
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Es
versteht sich weiterhin, dass der Umlenkspiegel 1 nicht
zwingend runde Spiegelflächen 3, 4 aufweisen
muss, sondern dass auch eine andere Formgebung, z. B. eine elliptische
Form, für
die Spiegelflächen
gewählt
werden kann. Auch ist der Umlenkspiegel nicht zwingend als Planspiegel
ausgebildet, vielmehr können
die Spiegelflächen 3, 4 auch
(z. B. elliptisch, parabolisch) gekrümmt sein. In diesem Fall kann
der Umlenkspiegel auch als Fokussierspiegel verwendet werden.