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Die
Erfindung betrifft einen Mehrstrahllaserbearbeitungskopf zur Lasermaterialbearbeitung,
der ausgebildet ist, einen Eingangslaserstrahl, der durch einen
Strahleintrittsbereich auf einem gemeinsamen Strahlweg in den Mehrstrahllaserbearbeitungskopf eintritt,
in mindestens zwei Ausgangslaserstrahlen aufzuteilen und diese separat
zueinander über einen ersten und einen zweiten Strahlweg
in einem gemeinsamen Bearbeitungsbereich zusammenzuführen,
wobei der erste und optional ergänzend auch der zweite
Strahlweg einen stumpfwinkligen Knick aufweist bzw. aufweisen.
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Bei
der Lasermaterialbearbeitung hat es sich bei manchen Prozessen als
vorteilhaft erwiesen, ein Werkstück nicht nur mit einem
einzigen Laserstrahl, sondern mit zwei Laserstrahlen zeitgleich
zu beaufschlagen. Durch den Einsatz einer derartigen Doppelstrahltechnik
kann beispielsweise in größere Bereiche des Werkstückes
Energie eingekoppelt werden.
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Nachteilig
bei dem Einsatz der Doppelstrahltechnologie ist es allerdings, dass
entweder zwei Laserquellen verwendet werden müssen, was
zu erhöhten Kosten führt, oder dass ein Laserstrahl
zunächst in Teillaserstrahlen aufgeteilt werden muss, und
diese im Bearbeitungsbereich des Werkstückes wieder zusammengeführt
werden, was einen aufwändigen optisch-mechanischen Aufbau
fordert.
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Mit
dem Ziel, die Robustheit der Lasersystemtechnik zu erhöhen
und zugleich Störkonturen zu minimieren, wurde in der Druckschrift
DE 10 2006 0601 16
A1 der Anmelderin bereits ein kompakter Mehrstrahllaserbearbeitungskopf
vorgeschlagen, der einen optischen Aufbau aufweist, welcher es ermöglicht,
einen Eingangslaserstrahl innerhalb des Mehrstrahllaserbearbeitungskopfes
in zwei Teilstrahlen aufzuteilen und diese auf einen gemeinsamen
Bearbeitungsbereich zu richten.
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Der
vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den oder die
bekannten Mehrstrahllaserbearbeitungsköpfe zu verbessern.
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Diese
Aufgabe wird durch einen Mehrstrahllaserbearbeitungskopf mit den
Merkmalen des Anspruches 1 gelöst. Bevorzugte oder vorteilhafte
Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen,
der nachfolgenden Beschreibung und den beigefügten Figuren.
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Der
erfindungsgemäße Mehrstrahllaserbearbeitungskopf
ist zur Lasermaterialbearbeitung geeignet und/oder ausgebildet.
Vorzugsweise wird der Mehrstrahllaserbearbeitungskopf für
Laserdauerleistungen größer 1 kW, vorzugsweise
größer 3 kW, verwendet. Er ist vorzugsweise für
eine Wellenlänge von 900 nm bis 1070 nm ausgelegt (z. B.
für Festkörperlaser, Diodenlaser, Scheibenlaser
und/oder Faserlaser), bei anderen Ausführungsformen kann
dieser jedoch auch auf andere Wellenlängen angepasst sein. Es
ist sogar möglich, dass der Mehrstrahllaserbearbeitungskopf
für CO2-Laser (10,6 μm) geeignet ist. Bei der
Materialbearbeitung kann es sich um ein Schneiden, Schweißen,
Löten, Beschichten, Härten etc. handeln.
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Der
Mehrstrahllaserbearbeitungskopf ist so konzipiert, dass ein Eingangslaserstrahl,
welcher zum Beispiel über eine offene Strahlführung
oder über ein Lichtleitkabel herangeführt wird, durch
einen Strahleintrittsbereich in den Mehrstrahllaserbearbeitungskopf
eintritt und sich zunächst entlang eines gemeinsamen Strahlweges
ausbreitet. Der Strahleintrittsbereich kann z. B. als eine Eintrittsöffnung,
jedoch auch als eine Buchse für einen Lichtleitkabelstecker
ausgebildet sein.
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Innerhalb
des Mehrstrahllaserbearbeitungskopfes wird der Eingangslaserstrahl
in mindestens zwei Ausgangslaserstahlen aufgeteilt, welche separat
und/oder getrennt zueinander über einen ersten und zweiten
Strahlweg in einen gemeinsamen Bearbeitungsbereich geführt
werden. In diesem gemeinsamen Bearbeitungsbereich können
sich die Ausgangslaserstrahlen kreuzen oder in einem Bereich von
kleiner 10 mm, vorzugsweise kleiner 5 mm und insbesondere kleiner
2 mm, zusammengeführt werden.
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Innerhalb
des Mehrstrahllaserbearbeitungskopfes ist bzw. sind der erste und
optional ergänzend auch der zweite Strahlweg so geführt,
dass dieser bzw. diese jeweils einen stumpfwinkligen Knick aufweist
bzw. aufweisen, also im allgemeinsten Fall einen Zwischenwinkel
größer als 90° und kleiner als 180° aufweisen.
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Im
Rahmen der Erfindung wird vorgeschlagen, dass der gemeinsame Strahlweg
und der erste Strahlweg in einer Teilstrecke, welche sich von dem Strahleintrittsbereich
bis zu dem stumpfwinkligen Knick erstreckt, im Bereich der freien
Strahlausbreitung in eine gemeinsame Richtung ausgerichtet sind. Der
Bereich der freien Strahlausbreitung ist der Bereich, in dem der
Laserstrahl nur durch eine Gasatmosphäre, nicht jedoch
durch einen Feststoffbereich transmittiert. Insbesondere werden
die Anteile des Eingangslaserstrahls, welche die Teilstrecke durchlaufen,
bis zu dem stumpfwinkligen Knick nicht reflektiert.
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Es
ist dabei eine Überlegung der Erfindung, zum einen den
Mehrstrahllaserbearbeitungskopf besonders kompakt und zum anderen
mit einer Minimierung der Anzahl der optischen Komponenten zu realisieren.
Eine kompakte Bauweise hat den Vorteil einer verringerten Störkontur
bei der Materialbearbeitung mit dem Mehrstrahllaserbearbeitungskopf.
Eine Minimierung der optischen Komponenten reduziert die Herstellungskosten,
die Wartungskosten und die Anzahl möglicher fehleranfälliger
Bauteile in dem Mehrstrahllaserbearbeitungskopf. Durch die Kombination
des stumpfwinkligen Abknickens des mindestens ersten Strahlwegs
und der gleichgerichteten Ausbreitung innerhalb der Teilstrecke
werden beide Ziele weitgehend erreicht. Insbesondere werden in Bezug
auf den ersten Strahlweg durch die Abwesenheit von Strahlablenkeinrichtungen
innerhalb der Teilstrecke optische Komponenten und damit auch Bauraum
eingespart.
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Bei
einer praxisnahen Umsetzung der Erfindung sind die Richtungen des
gemeinsamen und des ersten Strahlweges in der Teilstrecke parallel
zueinander und/oder sogar deckungsgleich zueinander ausgerichtet.
Idealer Weise sind die Richtungen deckungsgleich ausgerichtet, jedoch
führt der Einsatz von Schutzgläsern etc. oftmals
zu einem Strahlversatz, so dass die Richtungen nur noch parallel
zueinander ausgerichtet sind. In einer möglichen Konkretisierung
wird deshalb beansprucht, dass der Versatz in einer Richtung senkrecht
zur Strahlausbreitungsrichtung kleiner als der Strahldurchmesser
des kollimierten Eingangslaserstrahls (gemessen als FWHM) und/oder
kleiner als 10 mm, vorzugsweise kleiner als 5 mm und insbesondere
kleiner als 2 mm ist.
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Bei
einer möglichen Weiterbildung der Erfindung ist der stumpfwinklige
Knick so ausgebildet, dass der von dem Strahlweg umschlossene Winkel kleiner
als 180°, jedoch größer als 100°,
vorzugsweise größer als 110° und insbesondere
als 120° ausgebildet ist. Bei einer möglichen
Weiterbildung der Erfindung definiert der stumpfwinklige Knick auch
den Zwischenwinkel zwischen den beiden Ausgangslaserstrahlen im
Bearbeitungsbereich, welcher bevorzugt als ein 30° Zwischenwinkel
ausgebildet ist. Ein derartiger Zwischenwinkel erlaubt auch die
Bearbeitung von mechanisch schwer zugänglichen Bearbeitungsstellen.
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Bei
einer konstruktiven Realisierung der Erfindung kann der stumpfwinklige
Knick durch ein reflektierendes Element, insbesondere einen Ablenkspiegel,
zum Beispiel einem beschichteten Glasspiegel, oder durch ein transmissives
Element, insbesondere ein Prisma, ausgebildet sein.
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Bei
einer möglichen Realisierung der Erfindung befindet sich
ein Strahlteiler in der Teilstrecke, welcher den gemeinsamen Strahlweg
in den ersten und den zweiten Strahlweg aufteilt. Bei dieser Weiterbildung
ist es bevorzugt, wenn der Strahlteiler ausgebildet und/oder angeordnet
ist, einen Anteil des Eingangslaserstrahls in den ersten Strahlweg
gradlinig und/oder geradlinig versetzt zu transmittieren.
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Der
Strahlteiler ist vorzugsweise als ein 50:50-Strahlteiler ausgebildet,
der die Leistung hälftig teilt. Bei möglichen
prozessangepassten Ausführungsformen des Mehrstrahllaserbearbeitungskopfes
kann das Teilungsverhältnis auch asymmetrisch sein, so
dass sich ein leistungsstärkerer und ein leistungsschwächerer
Ausgangslaserstrahl entwickelt. Beispielsweise kann das Verhältnis
größer als 6:4, vorzugsweise größer
als 8:2 und insbesondere größer als 9:1 gewählt
sein. Es ist auch möglich, dass das Teilungsverhältnis
des Strahlteilers stufenlos oder gestuft einstellbar ausgebildet
ist, so dass das Teilungsverhältnis im Betrieb des Mehrstrahllaserbearbeitungskopfes
und/oder ohne Komponententausch geändert werden kann.
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Bei
einer möglichen Weiterbildung der Erfindung weist der Mehrstrahllaserbearbeitungskopf
eine Fokussiervorrichtung auf, die nach dem stumpfwinkligen Knick
angeordnet ist. Besonders bevorzugt ist der Laserstrahl im Bereich
vor dem stumpfwinkligen Knick und/oder vor der Fokussiervorrichtung
als ein kollimierter, also ins Unendliche fokussierter, Laserstrahl
geformt. Die Fokussiervorrichtung kann mehrteilig ausgebildet sein,
so dass jedem Strahlweg eine eigene Fokussierlinse zugeordnet ist,
oder als eine gemeinsame Fokussiereinrichtung realisiert sein. Für den
Fall, dass jedem Strahlweg eine eigene Fokussiereinrichtung zugeordnet
ist, können diese Fokussiereinrichtungen eine gleiche oder – zu
einem ähnlichen Zweck wie die asymmetrische Leistungsverteilung – unterschiedliche
Brennweite aufweisen. Besonders bevorzugt ist die Fokussiervorrichtung und/oder
mindestens eine oder beide Fokussiereinrichtungen auf einem Verschiebetisch
angeordnet, welcher eine Verschiebung senkrecht zur Strahlausbreitungsrichtung
ermöglicht, um die Position der Ausgangslaserstrahlen variabel
einzustellen.
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In
einer Konkretisierung der Erfindung ergibt sich zwischen dem ersten
und dem zweiten Strahlweg ein Strahlungsfreiraum, wobei der erste
und der zweite Strahlweg vorzugsweise zangenähnlich zueinander
angeordnet sind. In dem Strahlungsfreiraum zwischen den Strahlwegen
sind bevorzugt Abschnitte einer Materialzuführungseinrichtung
angeordnet sind. Die Materialzuführungseinrichtung kann beispielsweise
als eine Draht- und/oder Pulverzuführung ausgebildet sein.
Insbesondere werden dem Bearbeitungsbereich metallische Materialien
zugeführt.
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Bei
einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung
sind der erste und der zweite Strahlweg in einer gemeinsamen Ebene
und/oder symmetrisch zueinander angeordnet. Besonders bevorzugt
ist auch der Eingangslaserstrahl in der gemeinsamen Ebene positioniert.
Optional einschränkend sind der erste und der zweite Strahlweg
erst mit den stumpfwinkligen Knicken oder sogar erst nach den stumpfwinkligen
Knicken zueinander symmetrisch ausgebildet.
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Bei
einer Weiterführung der Erfindung zeigt der Mehrstrahllaserbearbeitungskopf
eine Symmetrieebene und/oder eine Symmetrieachse zwischen dem ersten
und dem zweiten Strahlweg mit und/oder nach dem stumpfwinkligen
Knick, wobei der gemeinsame Strahlweg und/oder ein Lichtleitstecker
zur Zuführung des Eingangslaserstrahls einen Winkel zwischen
10° und 90°, insbesondere einen 45°-Winkel zu
der Symmetrieebene bzw. der Symmetrieachse einnimmt bzw. einnehmen.
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Bei
einer bevorzugten praxisnahen Realisierung ist der Mehrstrahllaserbearbeitungskopf
als ein Laserlötkopf ausgebildet, welcher als Materialzuführung
eine Drahtzuführung mit Lotwerkstoff, insbesondere für
das Laserhartlöten enthält. Alternativ oder ergänzend
ist der Mehrstrahllaserbearbeitungskopf als ein Laserschweißkopf
ausgebildet.
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Weitere
Merkmale, Vorteile und Wirkungen der Erfindung ergeben sich aus
der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels
der Erfindung sowie den beigefügten Figuren. Dabei zeigen:
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1 eine
schematische Draufsicht auf einen Mehrstrahllaserbearbeitungskopf
mit geöffneten Deckeln als ein Ausführungsbeispiel
der Erfindung;
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2 den
Mehrstrahllaserbearbeitungskopf in der 1 in einer
Seitenansicht;
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3 den
Mehrstrahllaserbearbeitungskopf der vorhergehenden Figuren in einer
dreidimensionalen Ansicht.
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Gleiche
Teile bzw. Größen sind in den Figuren jeweils
mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
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Die 1 zeigt
in einer schematischen Draufsicht einen Mehrstrahllaserbearbeitungskopf 1, welcher
für einen Fügeprozess mit Zusatzwerkstoff, insbesondere
für ein Laserhartlöten mit Draht, ausgebildet
ist. Üblicher Weise wird der Mehrstrahllaserbearbeitungskopf 1 mit
einem Laserstrahl von einer Dauerleistung von mehr als 1 kW, vorzugsweise mehr
als 3 kW, versorgt. Beispielsweise weist der Mehrstrahllaserbearbeitungskopf
eine Schnittstelle zur Koppölung mit einem Roboter oder
einer anderen Führungsmaschine auf.
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Die
Zuführung des Eingangslaserstrahls erfolgt über
eine Baueinheit 2 mit Lichtleitkabelstecker und Kollimator,
so dass nach der Baueinheit 2 dem Mehrstrahllaserbearbeitungskopf 1 in
einem Strahleintrittsbereich 3 ein kollimierter oder parallel
verlaufender Eingangslaserstrahl zugeführt wird. Nach dem Strahleintrittsbereich 3 wird
der Eingangslaserstrahl über einen Strahlteiler 4 in
einen ersten Strahlweg 5a und einen zweiten Strahlweg 5b aufgeteilt.
In jedem der beiden Strahlwege 5a, b trifft der nun aufgeteilte Laserstrahl
auf einen Umlenkspiegel 6a, 6b, welcher den ersten
bzw. den zweiten Strahlweg 5a, b um einen 120°-Winkel
ablenkt. Nach der Ablenkung werden der ersten und der zweite Strahlweg 5a,
b in einem gemeinsamen Bearbeitungsbereich 7 zusammengeführt.
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Mittig
zu dem ersten und zweiten Strahlweg 5a, b in dem Bearbeitungsbereich 7 ist
eine Zuführeinrichtung 8 für das Zusatzmaterial,
insbesondere einem Drahtmaterial, für das Laserhartlöten
vorgesehen. Wie sich aus der 1 ergibt,
definiert die Zuführeinrichtung 8 eine Symmetrieebene
bzw. -achse 9, zu der der erste Strahlweg 5a und
der zweite Strahlweg 5b nach dem Strahlteiler 4 axialsymmetrisch
oder spiegelsymmetrisch angeordnet sind. In der Nähe des
Bearbeitungsbereiches 7 greifen die Ausgangslaserstrahlen
des ersten und des zweiten Strahlweges zangenähnlich mit
einem Zwischenwinkel von ca. 30° in den Bearbeitungsbereich 7 ein.
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Die
Symmetrie wird durch die Anordnung der Baueinheit 2 durchbrochen,
welche ca. in einem 45°-Winkel zu der Symmetrieachse 9 angeordnet
ist. Für den Strahlverlauf bedeutet dies, dass der Eingangslaserstrahl
zunächst ungeteilt auf einem gemeinsamen Strahlweg in den
Strahlteiler 4 läuft und dort der Anteil für
den zweiten Strahlweg 5b ausgeteilt wird. Der Strahlweg 5a ist
vor der Ablenkeinrichtung 6a jedoch gleichgerichtet mit
dem gemeinsamen Strahlweg, wobei vor der Ablenkeinrichtung 6a kein
reflektives oder strahlführendes Element in Bezug auf den
ersten Strahlweg 5a, eingesetzt ist.
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Letztlich
wird durch die asymmetrische Anordnung des Baueinheit 2 erreicht,
dass in Bezug auf den ersten Strahlweg 5a und im Vergleich
mit dem bekannten Stand der Technik mindestens ein optisches Ablenkelement
eingespart wird.
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Betrachtet
man die Situation im Strahlteiler 4 etwas genauer, so wird üblicher
Weise als Strahlteiler 4 eine Strahlteilerplatte eingesetzt,
welche zu einem geringen Parallelversatz des ersten Strahlweges 5a gegenüber
dem gemeinsamen Strahlweg führt.
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Auf
der rechten Seite des Mehrstrahllaserbearbeitungskopfes 1 ist
eine Kamera 10 als eine Positionierhilfe und/oder Prozessüberwachung
angeordnet, welche über die Ablenkeinrichtung 6a koaxial
in den Ausgangslaserstrahl des ersten Strahlwegs eingekoppelt wird.
Parallel zur Symmetrieachse 9 sind weitere Komponenten 11 der
Zuführeinrichtung 8 angeordnet, wie zum Beispiel
ein Motor und dergleichen. Bei abgewandelten Ausführungsformen
könnten diese weiteren Komponenten 11 in ähnlicher
Weise geneigt wie die Baueinheit 2 angeordnet sein.
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Nach
den Ablenkeinrichtungen 6a, b sind zwei separate, individuell
einem Strahlweg 5a, b zugeordnete Fokussiereinrichtungen 12a,
b, z. B. mit Linsen, positioniert, welche mittels Mikrometertischen 13a,
b in mindestens einer oder sogar zwei Richtungen senkrecht zur Strahlausbreitungsrichtung
verschoben werden können, um die Ausgangslaserstrahlen
in lateraler Lage zu justieren.
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Zusammenfassend
wird eine sehr kompakte Bauweise dadurch erreicht, dass alle Strahlengänge innerhalb
des Mehrstrahllaserbearbeitungskopfes 1 in einer Ebene
angeordnet sind, der erste und der zweite Strahlweg 5a,
b über die Ablenkeinrichtung 6a, b abgewinkelt
werden und die Baueinheit 2 und der erste Strahlweg 5a fluchtend
zueinander angeordnet sind.
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- 1
- Mehrstrahllaserbearbeitungskopf
- 2
- Baueinheit
- 3
- Strahleintrittsbereich
- 4
- Strahlteiler
- 5a,
b
- Strahlweg
- 6a,
b
- Umlenkspiegel
- 7
- Bearbeitungsbereich
- 8
- Zuführeinrichtung
- 9
- Symmetrieebene
bzw. -achse
- 10
- Kamera
- 11
- weitere
Komponenten
- 12a,
b
- Fokussiereinrichtungen
- 13a,
b
- Mikrometertische
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 102006060116
A1 [0004]