DE102015101263A1

DE102015101263A1 - Vorrichtung zur Materialbearbeitung mittels Laserstrahlung

Info

Publication number: DE102015101263A1
Application number: DE102015101263.4A
Authority: DE
Inventors: Martin Schönleber; Andreas Rudolf
Original assignee: Precitec GmbH and Co KG
Current assignee: Precitec GmbH and Co KG
Priority date: 2015-01-28
Filing date: 2015-01-28
Publication date: 2016-07-28
Anticipated expiration: 2035-01-29
Also published as: TR201818898T4; KR20170106475A; WO2016120327A1; US10444521B2; US20170371166A1; DE102015101263B4; KR101862298B1; CN107646093A; JP2018505782A; PL3250958T3; EP3250958A1; JP6347898B2; ES2713184T3; EP3250958B1; CN107646093B

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Materialbearbeitung mittels Laserstrahlung mit einer Fokussieroptik (15) zur Fokussierung eines Laserstrahls auf ein Werkstück und mit einer Einstelloptik (20) zum Einstellen der Intensitätsverteilung mit zumindest zwei plattenförmigen optischen Elementen (10), die hintereinander im Strahlengang des Laserstrahls (14) angeordnet sind, die gegeneinander in Umfangsrichtung verdrehbar sind und die jeweils eine Fläche mit einem kreisförmigen Muster aus sektorförmigen Facetten aufweisen, die in Umfangsrichtung abwechselnd gegen die jeweilige Plattenebene geneigt sind.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Materialbearbeitung mittels Laserstrahlung.
Bei der Laserbearbeitung, also bei Materialbearbeitung mittels Laserstrahlung, wie beispielsweise Laserschweißen oder Laserschneiden wird der von einer Laserlichtquelle, beispielsweise dem Ende einer Laserleitfaser austretende Laserstrahl mit Hilfe einer Strahlführungs- und Fokussierungsoptik auf das zu bearbeitende Werkstück fokussiert. Der Durchmesser des Fokus, also der Durchmesser des Bildes der Laserlichtquelle auf dem Werkstück ergibt sich dann aus den optischen Daten der einzelnen optischen Elemente der Führungs- und Fokussierungsoptik. Wird standardmäßig eine Strahlführungs- und Fokussierungsoptik mit einer Kollimatoroptik und einer Fokussierungsoptik verwendet, der das Laserlicht über eine Lichtleitfaser zugeführt wird, so ergibt sich der Fokusdurchmesser aus dem Produkt von Faserkerndurchmesser und Fokussierbrennweite geteilt durch die Kollimationsbrennweite. Zum Laserschneiden werden – je nach Blechdicke – unterschiedliche Laserstrahldurchmesser im Fokus benötigt. Dabei sollte der Laserstrahldurchmesser umso größer sein, je größer die Dicke des zu schneidenden Materials ist. Beispielsweise wird bis zu einer Blechdicke von 5 mm ein Fokusdurchmesser von ca. 125 μm verwendet, während beim Schneiden von 5 mm bis 10 mm dicken Blechen ein doppelt so großer Fokusdurchmesser, also ein Fokusdurchmesser von ca. 250 μm gewünscht wird. Ab Blechdicken von 10 mm werden Führungs- und Fokussieroptiken eingesetzt, die einen Fokusdurchmesser von ca. 600 μm liefern.
Bei großen Fokusdurchmessern ist es vorteilhaft, ein Ringprofil der Intensitätsverteilung im Fokus auszubilden, da sich hierdurch eine homogenere Temperaturverteilung in der Schnittfuge ergibt. In der Folge kann die Schmelze durch das Schneidgas wirksamer ausgetrieben werden.
Aus der DE 28 21 883 C2 ist bereits eine Vorrichtung zur Materialbearbeitung wie Bohren, Stanzen und Schweißen mit Hilfe von Laserstrahlen bekannt, bei der zwischen einer Kollimatoroptik zum Aufweiten des Laserstrahls und einer Fokussieroptik zum Fokussieren des Laserstrahls auf ein Werkstück ein aus durchsichtigem brechendem Material bestehender Konus (Axicon) zur achsensymmetrischen Inversion der achsennahen und achsenfernen Querschnittsbereiche des Laserbearbeitungsstrahls erreicht wird. Die Fokussieroptik fokussiert dann den Laserbearbeitungsstrahl entsprechend seiner geänderten Strahlcharakteristik in einen ringförmigen Bereich auf dem Werkstück. Durch den Einsatz des Axicon ist also die Intensitätsverteilung im Laserbearbeitungsstrahl so geändert, dass sich im Fokusbereich ein Ringprofil ergibt.
Bei der aus der DE 10 2013 102 442 A1 bekannten optischen Vorrichtung zur Verwendung bei der Lasermaterialbearbeitung sind zwischen einer Fokussieroptik und Kollimatoroptik zwei refraktive Optiken vorgesehen, die sich quer zum Laserstrahl verschieben lassen. Die refraktiven Optiken sind dabei als plattenförmige Elemente ausgebildet, deren einander zugewandte Flächen so geformt sind, dass durch die Verschiebung ein Axicon mit variablem Kegelwinkel nachgebildet werden kann. Dadurch ist sowohl ein Tophatprofil als auch ein Ringprofil erzeugbar. Der Ringdurchmesser kann dabei stufenlos eingestellt werden.
Aus der WO 2013/086227 A1 ist eine Vorrichtung bekannt, bei der die Strahlcharakteristik im Fokus auf dem Werkstück nicht durch einen Eingriff in Strahlführungs- und Fokussierungsoptik erfolgt, sondern dadurch, dass die Strahlcharakteristik am Laserlichtaustrittsende einer die Laserstrahlung zur Strahlführungs- und Fokussierungsoptik liefernden Glasfaser erfolgt. Hierzu wird der Laserstrahl mit Hilfe einer verschiebbaren Einkoppelungsvorrichtung unter verschiedenen Winkeln in die Prozessfaser eingekoppelt, um nur wenige der Faser-Moden anzuregen. Dadurch ist sowohl ein Gauß/Tophat-Profil als auch ein Ringprofil erzeugbar. Auch kann der Ringdurchmesser stufenlos eingestellt werden. Hier wird also die physikalische Eigenschaft einer Glasfaser ausgenutzt, dass die numerische Apertur auf der Einkoppelungsseite gleich der numerischen Apertur auf der Austrittsseite der Faser ist.
Ferner wurden bereits reflektive Glasplatten mit umfangsmäßigen oder azimutalen Phasenrampen vorgeschlagen, die in Umfangsrichtung ein Sägezahn-Profil bilden. Dabei ist das Sägezahn-Profil innen stärker geneigt als außen. Mit derartigen Elementen lässt sich ein Ring mit festem Durchmesser erzeugen.
Aus der DE 10 2011 113 980 A1 ist ein Linsensystem mit veränderbarer Refraktionsstärke bekannt, bei dem zwei plankonvexe Linsen mit ihren ebenen Flächen um die optische Achse verdrehbar aufeinander angeordnet sind. Die konvexen Linsenflächen sind dabei jeweils mit einem wendelähnlichen Krümmungsprofil mit einer um die Drehachse winkelabhängig stetig ansteigenden oder abfallenden Refraktionsstärke und mit jeweils mindestens einer azimutalen Refraktionsstärkenstufe an einem jeweiligen Nullwinkel versehen. Bei der Rotation der Linsen gegeneinander verändert sich die Refraktionsstärke und damit die Brennweite des Linsenpaars. Die azimutalen Stufen müssen dabei abgedeckt werden.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Materialbearbeitung mittels Laserstrahlung bereit zu stellen, mit deren Hilfe sowohl der Fokusdurchmesser als auch die Strahlcharakteristik insbesondere im Fokusbereich also die Energieverteilung im Fokusbereich ohne Austausch von Komponenten der Führungs- und Fokussierungsoptik auch im laufenden Betrieb geändert werden kann.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Vorrichtung zur Materialbearbeitung mittels Laserstrahlung gemäß Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben.
Erfindungsgemäß weist also die Vorrichtung zur Materialbearbeitung mittels Laserstrahlung zumindest zwei plattenförmige optische Elemente auf, die hintereinander im Strahlengang in Umfangsrichtung gegeneinander verdrehbar angeordnet sind. Die plattenförmigen optischen Elemente weisen jeweils eine Fläche mit einem kreisförmigen Muster aus sektorförmigen Facetten auf, die in Umfangsrichtung abwechselnd gegen die jeweilige Plattenebene geneigt sind. Die schmalen sektorförmigen, vorzugsweise ebenen Facetten bilden also abwechselnd keilförmige Plattensektoren aus, die entsprechende sektorförmige Bereiche des Laserstrahlbündels in entgegengesetzte Richtungen auslenken.
Mit der erfindungsgemäßen Einstelloptik lässt sich je nach Winkelstellung der beiden plattenförmigen optischen Elemente gegeneinander eine punktförmige Intensitätsverteilung oder eine ringförmige Intensitätsverteilung im Brennpunkt bzw. in der Brennebene der Fokussieroptik erzeugen. Erfindungsgemäß lässt sich daher durch Verdrehen der plattenförmigen optischen Elemente gegeneinander auch während der Laserstrahlbearbeitung zwischen Ringprofil und Gauß/Tophat-Profil umschalten, so dass auch Bleche mit unterschiedlichen Materialstärken in einem Arbeitsdurchgang oder unmittelbar hintereinander ohne Umrüsten der Strahlführungs- und Fokussieroptik eines Laserbearbeitungskopfes durchgeführt werden kann.
Obwohl es grundsätzlich denkbar ist, das die sektorförmigen Facetten unterschiedlich breit sisnd, ist es vorteilhaft, wenn alle sektorförmigen Facetten eines plattenförmigen optischen Elements dieselbe azimutale Breite aufweisen.
Die Flächen der sektorförmigen Facetten der plattenförmigen optischen Elemente der Einstelloptik sind eben oder gekrümmt oder weisen zwei oder mehrere unterschiedlich geneigte Abschnitte auf.
Vorteilhafterweise ist vorgesehen, dass die beiden plattenförmigen optischen Elemente der Einstelloptik sich mit ihren sektorförmigen Facettenmustern gegenüber stehen, wobei die beiden plattenförmigen optischen Elemente der Einstelloptik um eine Achse verdrehbar sind, die mit einer Mittelachse eines Laserstrahlbündels koaxial ist und wobei die sektorförmigen Facettenmuster der beiden plattenförmigen optischen Elemente der Einstelloptik dieselbe Anzahl von Facetten aufweist und dass die Facettenflächen um den gleichen Winkel geneigt sind. Durch eine derartige Anordnung lässt sich erreichen, dass die Flächen der beiden optischen Elemente, die die sektorförmigen Facettenmuster tragen, sich mit sehr kleinem Abstand gegenüberstehen, so dass sich die Strahlablenkungen der beiden Flächen je nach Winkelstellung der optischen Elemente zueinander ideal ergänzen oder aufheben. Dadurch ist es möglich, sowohl ein möglichst gutes Punktprofil (Gauß/Tophat) als auch ein möglichst sauberes Ringprofil zu erhalten.
Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Einstelloptik ein weiteres plattenförmiges optisches Element mit einem sektorförmigen Facettenmuster aufweist. Das weitere plattenförmige Element kann die gleichen Eigenschaften aufweisen wie die beiden ersten. Um die Energieverteilung in der Brennebene auf möglichst vielfältige Weise variieren zu können, ist insbesondere vorgesehen, dass das weitere plattenförmige optische Element ein sektorförmiges Facettenmuster aufweist, das von dem sektorförmigen Facettenmustern der beiden ersten plattenförmigen optischen Elemente verschieden ist.
Dabei können die Facettenflächen des weiteren plattenförmigen optischen Elements um einen Winkel gegen die Plattenebene geneigt sind, der vom Neigungswinkel der beiden ersten plattenförmigen optischen Elemente verschieden, insbesondere so groß ist wie die Summe der Neigungswinkel der beiden ersten plattenförmigen optischen Elemente. Durch die Kombination von drei plattenförmigen optischen Elementen mit sektorförmigen Facettenmustern im Strahlenbündel eines Laserbearbeitungsstrahls lassen sich zwei verschiedene Ringprofile miteinander kombinieren, so dass sich die Strahlcharakteristik, also die Intensitätsverteilung im Laserstrahlbündel über einen weiten Bereich variieren lässt, je nachdem welche Intensitätsverteilung für eine aktuelle Materialbearbeitung gewünscht ist.
Ferner ist es möglich, dass die Facetten des weiteren plattenförmigen optischen Elements eine azimutale Breite aufweisen, die von der azimutale Breite der Facetten der beiden ersten plattenförmigen optischen Elemente verschieden ist.
Vorteilhafterweise ist vorgesehen, dass der Neigungswinkel der Facettenflächen gegen die Plattenebene zwischen +/–0,1° und +/–0,6° beträgt.
Eine besonders gleichmäßige Verteilung der Laserenergie in einem Ringprofil lässt sich erreichen, wenn vorgesehen ist, dass die gerade Anzahl der Facetten 18 bis 72, vorzugweise 24 bis 40, insbesondere 36 beträgt.
Obwohl es grundsätzlich möglich ist, die erfindungsgemäße Einstelloptik auch im divergenten oder konvergenten Bereich eines Laserstrahlbündels anzuordnen, ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass eine Kollimatoroptik zur Aufweitung des Laserstrahls vorgesehen ist, und dass die Siemensstern-Optik zwischen der Kollimatoroptik und der Fokussieroptik angeordnet ist.
Die Erfindung wird im Folgenden beispielsweise anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
1 eine perspektivische Ansicht eines plattenförmigen optischen Elements mit Siemenssterngeometrie, bei der der Neigungswinkel der Facettenflächen übertrieben groß dargestellt ist,
2 eine schematische Darstellung einer Fokussieroptik zur Fokussierung eines parallelen Strahlenbündels, wobei im Strahlenbündel ein einzelnes plattenförmiges optisches Element einer Einstelloptik angeordnet ist,
3a eine schematische Draufsicht auf ein vereinfachtes plattenförmiges optisches Element einer Einstelloptik mit acht Facetten,
3b eine Seitenansicht (Abwicklung) eines plattenförmigen optischen Elements für eine erfindungsgemäße Einstelloptik,
4 schematische Darstellungen der Strahlcharakteristik vor der Brennebene, in der Brennebene und dahinter,
5 eine erfindungsgemäße Anordnung von zwei plattenförmigen optischen Elementen zur Bildung einer Einstelloptik und
6 eine Strahlführungs- und Fokussierungsoptik wie sie zur Laserbearbeitung in einem Laserbearbeitungskopf eingesetzt wird, in deren Laserstrahlengang eine Einstelloptik mit zwei plattenförmigen optischen Elementen angeordnet ist.
In den Figuren werden einander entsprechende Bauteile mit gleichen Bezugszeichen versehen.
1 zeigt ein plattenförmiges optisches Element 10, das aus einer transparenten Scheibe, insbesondere aus einem Planglas aus Quarzglas oder Zinksulfid besteht, die auf einer Seite siemenssternartige Facetten aufweist, die in azimutaler oder Umfangsrichtung geneigt sind. Die Facetten sind also schmale Sektoren oder Kreisausschnitte, die ähnlich wie das als Siemensstern bekannte kreisförmige Testmuster, das abwechselnd weiße und schwarze Sektoren besitzt, ebenfalls eine in Umfangsrichtung abwechselnde Neigung besitzen. Zwei benachbarte Facetten bilden somit eine Dachform oder eine V-förmige Talform, wobei zwei Facetten, die gemeinsam eine Dachform bilden, jeweils mit ihren anderen benachbarten Facetten jeweils eine V-Form ausbilden. Das plattenförmige optische Element mit den siemenssternförmig angeordneten wird in Anlehnung an den bekannten Siemensstern zum Testen der Abbildungsqualitäten im Folgenden als Siemenssternoptik bezeichnet wird.
Die Facettenfläche jedes Sektors bildet mit der ebenen Gegenfläche eine Keilplatte mit einheitlicher Strahlablenkung des zugeordneten Kreissektors des kollimierten Strahls. In der Zeichnung sind die Neigungswinkel der Facetten hier zur Veranschaulichung mit +/–15° übertrieben groß dargestellt. Die Facetten, also die Sektoren decken jeweils einen Winkelbereich von 10° in azimutaler oder Umfangsrichtung ab. Das ergibt insgesamt 36 Facetten, also 18 Facetten je Neigungswinkel im Vollkreis.
Wird eine Siemenssternoptik 10 – wie in 2 gezeigt – im aufgeweiteten parallelen Strahlengang 14 einer nicht näher dargestellten Laserstrahlquelle vor einer Fokussierungsoptik 15 angeordnet, so ergibt sich in der Brennebene F der Fokussieroptik 15 ein aus einzelnen Lichtpunkten (sogenannten Spots) zusammengesetztes ringförmiges Fokusbild. In den Ebenen I vor der Brennebene und II hinter der Brennebene werden die einzelnen Spots, die auf die einzelnen Facetten zurückgehen, mehr oder weniger verschmiert dargestellt.
Im Folgenden wird eine stark vereinfachte Siemenssterngeometrie mit acht kreissektorfömigen Facetten beschrieben. Gemäß 3a weist die Siemenssternoptik 10 acht Facetten 1 bis 8 auf, die so geneigt sind, dass jeweils zwischen den Facetten 1 und 2, 3 und 4, 5 und 6, 7 und 8 eine Dachlinie liegt, während zwischen den Facetten 2 und 3, 4 und 5, 6 und 7, 1 und 8 jeweils eine Tallinie liegt. Die jeweiligen Neigungswinkel β1, β2 sind dabei also abwechselnd positiv und negativ, wie in 3 dargestellt ist. Die Neigung wird dabei gegenüber der Plattenebene bestimmt, also in Bezug auf die Ebene der planen Seite der plattenförmigen Siemenssternoptik 10.
Der kollimierte Laserstrahl 14 fällt in 2 auf die Siemenssternoptik 10 und wird anschließend durch die Fokussierlinse 15 in die Fokusebene F gebündelt. Durch die Facettierung, die in 3a dargestellt ist, ergibt sich eine segmentweise Strahlablenkung in unterschiedlichen Richtungen. In 4 sind die Strahlprofile vor (Ebene I), in (Fokusebene F) und hinter (Ebene II) der Fokusebene F dargestellt. In den Strahlprofilen vor und hinter der Fokusebene F zeichnet sich aufgrund der Defokussierung die Dreiecksform der Facetten ab, während sich das Strahlprofil im Fokus selber aus einzelnen Punkten oder Spots zusammensetzt.
Der Ablenkwinkel θ, der durch die Brechung des verzugsweise kollimierten Laserstrahls 14 an einer geneigten Facette hervorgerufen wird, berechnet sich aus dem Neigungswinkel β und dem Brechungsindex n des verwendeten Materials. Der Ablenkwinkel θ ist also θ = β(n – 1). Diese Formel gilt unter der Voraussetzung, dass die Kleinwinkelnäherung (sinφ ≈ tanφ ≈ φ) hinreichend erfüllt ist, was bis zu einem Winkel von etwa 5° gegeben ist. Aus dem Ablenkwinkel θ und der Fokussierbrennweite f errechnet sich der Ringdurchmesser im Fokus zu: Ring-ø = 2·f·tanθ. Hier einige Beispiele:

Facetten-Neigungswinkel β 0,10 0,2° 0,4°

Ring-ø im Fokus bei f = 100 mm 157 μm 314 μm 628 μm
Zur Darstellung der Vorteile der erfindungsgemäßen Strahlformung mittels siemenssternförmigen Facettenstrukturen wurden Simulationen durchgeführt.

Der Grundaufbau der Strahlführungs- und Fokussierungsoptik ist in 6 dargestellt und technische Daten sind in der folgenden Tabelle angegeben:

Strahlquelle	Stufenindex-Faser, Kern-ø = 100 μm, abgestrahlte NA = 0,12
Strahlquelle (alternativ)	Stufenindex-Faser mit Ringkern, ø_Außen = 600 μm, ø_Innen = 150 μm, NA = 0,12
Kollimation	perfekte Sammellinse, f = 100 mm
Fokussierung	perfekte Sammellinse, f = 100 mm

Hier bedeutet = Durchmesser und NA = numerische Apertur.
Wie in 6 gezeigt, wird ein aus einer Lichtleitfaser 16 austretendes divergentes Laserlichtbündel 14' von einer Kollimatoroptik 17 in ein paralleles Laserlichtbündel 14 umgeformt, das von der Fokussierlinse 15 auf ein Werkstück 18 fokussiert wird.
Gemäß 6 ist eine Einstelloptik 20, also eine refraktive Optik zum Einstellen der Intensitätsverteilung in das parallele Laserlichtbündel 14 eingesetzt. Für die folgende Simulation wurde jedoch nur eine einzelne Siemenssternoptik mit Facettenstruktur verwendet.

Mit diesem Grundaufbau wurden die folgenden vier Konfigurationen untersucht:

#	Strahlquelle	Strahlformungsoptik
1	Kern-ø = 100 μm	keine
2	Kern-ø = 100 μm	Siemensstern-Optik zwischen den Linsen, 36 Facetten à 10° Winkelbereich mit ±0,4° Neigung
3	Kern-ø = 100 μm	Axikon zwischen den Linsen, Neigungswinkel 0,1°
4	Ringkern, ø_Außen = 600 μm, ø_Innen = 150 μm	keine

Es wurde in der Simulation die Energieverteilung bzw. das Strahlprofil 3 mm vor dem Brennpunkt, im Brennpunkt und 3 mm hinter dem Brennpunkt ermittelt. Im ersten Fall wird die Strahlführungs- und Fokussierungsoptik gemäß 6 ohne Einstelloptik verwendet. Im zweiten Beispiel wurde eine erfindungsgemäße Siemenssternoptik zwischen die beiden Linsen gesetzt. Bei einer dritten Simulation wurde ein Axikon, also ein Kegel mit einem Neigungswinkel von 0,1° im Strahlengang angeordnet. Als alternative Möglichkeit der Strahlformung mittels Fasern wurde eine Stufen-Index-Faser mit Ringkern eingesetzt, wobei wiederum keine weiteren Strahlformungselemente in den Strahlengang gegeben wurden. Die Simulationsergebnisse zeigen sich in der folgenden Tabelle:
Die Simulationen zeigen also, dass die erfindungsgemäße siemenssternförmige Facettenstruktur eines plattenförmigen optischen Elements, also der Siemenssternoptik sich am besten eignet, um ein Ringprofil über einen möglichst weiten Bereich vor und hinter der Fokusebene zu erzeugen.
Um ein stufenloses Mischverhältnis zwischen punkt- und ringförmigen Profilen des Laserfokus zu erreichen, werden erfindungsgemäß zwei Siemenssternoptiken der anhand von 1 bis 4 beschriebenen Art eingesetzt.
Die Hintereinanderschaltung zweier Siemenssternoptiken zur Ausbildung einer erfindungsgemäßen Einstelloptik zum Einstellen der Intensitätsverteilung (siehe 5) führt zu einer Addition der Strahlablenkungen der einzelnen Siemenssternoptiken. Je nach relativer Winkelstellung der beiden Siemenssternoptiken zueinander ergeben sich drei unterschiedliche Fälle. Stehen sich die Siemenssternoptiken ohne Verdrehung oder um ein Vielfaches des Facettenperiodenwinkels verdreht gegenüber, stehen sich also gegensätzlich geneigte Facetten gegenüber, so addieren sich die Strahlablenkungen konstruktiv und es wird ein Ringprofil erzeugt, dessen Durchmesser doppelt so groß ist wie das bei Verwendung einer einzelnen Siemenssternoptik. Sind die Siemenssternoptiken um die Hälfte des Facettenperiodenwinkels gegeneinander verdreht, so dass sich gleichsinnig geneigte Facetten gegenüber stehen, wenn also den Dächern der einen Siemenssternoptik die Täler der anderen Siemenssternoptik und umgekehrt gegenüber stehen, werden die Strahlablenkungen der ersten Siemenssternoptik von der zweiten Siemenssternoptik nahezu exakt kompensiert. Die beiden Siemenssternoptiken wirken in dieser Stellung wie eine planparallele Platte. Folglich wird in der Fokusebene ein punktförmiger Fokus erzeugt, so als ob keine Einstelloptik vorhanden wäre. Darüber hinaus sind auch sämtliche anderen gegeneinander verdrehten Winkelstellungen möglich, so dass jeder Facette sowohl gleichsinnig als auch gegensätzlich geneigte Facetten gegenüberstehen. Es wird daher ein Mischprofil, bestehend aus einem Ring und einem Punkt erzeugt. Die Leistungsverteilung über das Strahlprofil richtet sich hier nach den jeweiligen Überlappungsgebieten.
Auch für derartige erfindungsgemäße Einstelloptiken 20 wurden entsprechende Simulationen durchgeführt. Dabei wurde die Einstelloptik 20 wie in 6 dargestellt, zwischen die Kollimatorlinse 17 und die Fokussierlinse 15 eingesetzt. Wie dargestellt, wurden die Simulationen nur durchgeführt für eine Anordnung der Einstelloptik 20 im kollimierten Strahlbereich. Wie in 6 gestrichelt angedeutet, dürfte jedoch auch das erfindungsgemäße Ablenkprinzip im konvergierenden Strahlbereich oder auch im divergierenden Strahlbereich (nicht dargestellt) funktionieren.
Bei der Simulation mit einer Einstelloptik mit zwei Elementen, wurden plattenförmige Siemenssternoptiken eingesetzt, deren siemenssternförmige Facettenstruktur Facetten mit jeweils einem Winkelbereich von 10° und einem Neigungswinkel der Facetten von +/–0,2° aufweist. Obwohl die Elemente grundsätzlich so angeordnet werden können, dass sich beliebige Flächen gegenüberstehen, wurden hier die optischen Elemente so angeordnet, dass sie bei 1 mm Abstand sich mit ihren facettierten Flächen ähnlich wie in 5 gegenüberstehen. Dies hat den Vorteil, dass sich die ablenkenden Wirkungen optimal ergänzen oder auslöschen, wie in der Tabelle unten die beiden letzten Zeilen zeigen.
Um die Eignung für den Einsatz bei der Laserbearbeitung möglichst exakt ermitteln zu können, wurden auch Fertigungstoleranzen bei der Simulation berücksichtigt. Hierzu wurden die radial verlaufenden Spitzen der Dächer und die Senken der Täler mit einer azimutalen Breite von 10 μm abgeflacht. Hierdurch ergibt sich ein Strahlanteil, der keiner Strahlformung unterliegt und somit stets in Fokuszentrum als Punkt abgebildet wird. Dieser Anteil beträgt gemäß der Simulation maximal 2%, was beim Einsatz in der Materialbearbeitung durchaus vernachlässigbar ist.
Bei der Simulation hat sich gezeigt, dass bereits in kleiner axialer Distanz von der Fokusebene (0,35 μm) die Einzelabbildung der Facetten nicht mehr erkennbar ist und dass sich somit ein nahezu homogenes Ringprofil ergibt. Zur Veranschaulichung wurden in der folgenden Tabelle die Strahlprofile in zwei Ebenen berechnet. Die folgende Tabelle zeigt die entsprechenden Ergebnisse für verschiedene relative Winkelstellungen zwischen den beiden Elementen.
Die erfindungsgemäße Einstelloptik lässt sich aber auch mit mehr als zwei Elementen aufbauen. Um hier wiederum eine vollkommene Kompensation der Strahlablenkungen der einzelnen Elemente zu erhalten und um so die verschiedenen Strahlprofile optimal kombinieren zu können, ist es zweckmäßig, wenn bei drei optischen Elementen der Neigungswinkel der Facetten eines Elements doppelt so groß ist wie der Neigungswinkel der Facetten der beiden anderen optischen Elemente, bei denen der Neigungswinkel gleich ist. Soll eine Einstelloptik mit vier Elementen aufgebaut werden, so muss der Neigungswinkel der Facetten beim vierten Element so groß sein wie die Summe der Neigungswinkel der Facetten der drei anderen Elemente. Beträgt also beispielsweise der Neigungswinkel bei den ersten beiden Elementen +/–0,1° und der Winkel beim dritten Element +/–0,2°, so wäre der Neigungswinkel der Facetten beim vierten Element mit +/–0,4° zu wählen.
Bei einer Simulation wurde eine Einstelloptik mit drei optischen Elementen mit siemenssternförmigen Facetten, also mit drei Simenssternoptikten eingesetzt, wobei die Facetten eines der Elemente doppelt so stark geneigt (+/–0,2°) waren wie die Facetten der anderen beiden Elemente, die nur um +/–0,1° geneigt waren. Diese beiden waren jeder für sich drehbar. Hierdurch können sowohl ein punktförmiger Fokus als auch zwei Ringe mit verschiedenen Durchmessern (600 μm und 300 μm) sowie beliebige Mischformen erzeugt werden. Hier wurde ebenso wie oben beschrieben, eine mögliche Fertigungstoleranz durch Abflachungen der Spitzen und Senken berücksichtigt.
Die Ergebnisse der Simulation zeigt die folgende Tabelle:
In der obigen Tabelle zeigt die erste Zeile die Einstellung der Elemente gegeneinander bei der sich die Strahlablenkungen optimal addieren, was zu dem mit der Vorrichtung erreichbaren größten Durchmesser führt. Die Zeilen 2 und 3 zeigen die Ergebnisse bei Winkelstellungen bei dem sich die Wirkungen der beiden Elemente mit gleichen Neigungswinkeln optimal aufheben, so dass der Ringdurchmesser nur von dem Neigungswinkel der Facetten des Elements mit großem Neigungswinkel bestimmt wird. In der vierten Zeile ist gezeigt, wie die Intensitätsverteilung im Fokus ist, wenn die Elemente so gegeneinander verdreht werden, dass sich ihre Stahlablenkungen optimal aufheben. Dieses Ergebnis entspricht dem in der letzten Zeile der Tabelle gezeigten Vergleichsbeispiel ohne Einstelloptik.
In den restlichen Zeilen der Tabelle sind beliebige Mischformen dargestellt.
Wird eine erfindungsgemäße Einstelloptik beispielsweise in einem Laserschneidkopf mit einer Kollimatorlinse und einer Fokussierlinse mit jeweils 100 mm Brennweite eingesetzt, der über eine 100 μm Faser mit einer numerischen Apertur von 0,12 mit Laserstrahlung versorgt wird, kann mit der erfindungsgemäßen Einstelloptik mit 2 Elementen schnell zwischen den Zuständen „Ring” und „Spot” (Punkt) umgeschaltet werden. Damit ist es möglich, zwischen den Betriebsarten „dickes Blech”, für die ein Fokus mit großem Durchmesser erforderlich ist, und „dünnes Blech” umschalten, für die nur ein punktförmiger Laserfokus erforderlich ist. Wie sich durch die Simulationen gezeigt hat, ist es darüber hinaus auch möglich, durch Drehen um weniger als eine Facette also um einen Winkel, der kleiner ist als der Winkel einer Facette, Mischzustände von ringförmigen und punktförmiger Strahlcharakteristik herzustellen, so dass je nach Einsatz beim Laserschneiden die optimale Energieverteilung im Strahlprofil gewählt werden kann.
Wird bei einer praktischen Ausgestaltung der Erfindung eine Einstelloptik eingesetzt, deren plattenförmigen optischen Elemente (Siemenssternoptiken) einen Durchmesser von 30 mm und 18 Doppelfacetten also 36 Facetten mit einem Sektorwinkel 10° aufweisen, so verschiebt sich bei einer Verdrehung der beiden Siemenssternoptiken um eine Facette der Rand, um 2,6 mm. Eine derartige Verschiebung lässt sich mit hoher Geschwindigkeit realisieren, wenn beispielsweise die bewegliche Optik in nicht näher dargestellter Weise in einer Hohlwelle gefasst ist, die von einem Schrittmotor angetrieben wird, der den Rand der verdrehbaren Siemenssternoptik mit einer Geschwindigkeit von v = 250 mm/s bewegen kann. Es ergibt sich dann eine Schaltzeit von ca. 10 ms, so dass praktisch ohne Unterbrechung von „Ring” auf „Spot” oder umgekehrt umgeschaltet werden kann.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 2821883 C2 [0004]
DE 102013102442 A1 [0005]
WO 2013/086227 A1 [0006]
DE 102011113980 A1 [0008]

Claims

Vorrichtung zur Materialbearbeitung mittels Laserstrahlung mit einer Fokussieroptik (15) zur Fokussierung eines Laserstrahls auf ein Werkstück und mit einer Einstelloptik (20) zum Einstellen der Intensitätsverteilung mit zumindest zwei plattenförmigen optischen Elementen (10), die hintereinander im Strahlengang des Laserstrahls (14) angeordnet sind, die gegeneinander in Umfangsrichtung verdrehbar sind und die jeweils eine Fläche mit einem kreisförmigen Muster aus sektorförmigen Facetten aufweisen, die in Umfangsrichtung abwechselnd gegen die jeweilige Plattenebene geneigt sind.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass alle sektorförmigen Facetten eines plattenförmigen optischen Elements (10) dieselbe azimutale Breite aufweisen.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Flächen der sektorförmigen Facetten der plattenförmigen optischen Elemente (10) der Einstelloptik (20) eben oder gekrümmt sind oder zwei oder mehrere unterschiedlich geneigte Abschnitte aufweisen.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden plattenförmigen optischen Elemente (10) der Einstelloptik (20) sich mit ihren sektorförmigen Facettenmustern gegenüber stehen
Vorrichtung nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden plattenförmigen optischen Elemente (10) der Einstelloptik (20) um eine Achse verdrehbar sind, die mit einer Mittelachse eines Laserstrahlbündels (14) koaxial ist.
Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die sektorförmigen Facettenmuster der beiden plattenförmigen optischen Elemente (10) der Einstelloptik (20) dieselbe Anzahl von Facetten aufweist und dass die Facettenflächen um den gleichen Winkel (β) geneigt sind.
Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Einstelloptik (20) ein weiteres plattenförmiges optisches Element (10) mit einem sektorförmigen Facettenmuster aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das weitere plattenförmige optische Element (10) ein sektorförmiges Facettenmuster aufweist, das von dem sektorförmigen Facettenmustern der beiden ersten plattenförmigen optischen Elemente (10) verschieden ist.
Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Facettenflächen des weiteren plattenförmigen optischen Elements (10) um einen Winkel (β) gegen die Plattenebene geneigt sind, der vom Neigungswinkel der beiden ersten plattenförmigen optischen Elemente (10) verschieden, insbesondere so groß ist wie die Summe der Neigungswinkel der beiden ersten plattenförmigen optischen Elemente (10).
Vorrichtung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Facetten des weiteren plattenförmigen optischen Elements (10) eine azimutale Breite aufweisen, die von der azimutale Breite der Facetten der beiden ersten plattenförmigen optischen Elemente (10) verschieden ist.
Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Neigungswinkel der Facettenflächen gegen die Plattenebene zwischen +/–0,1° und +/–0,6° beträgt.
Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Anzahl der Facetten 18 bis 72, vorzugweise 24 bis 40, insbesondere 36 beträgt.
Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Kollimatoroptik (17) zur Aufweitung des Laserstrahls (14) vorgesehen ist, und dass die Einstelloptik (20) zwischen der Kollimatoroptik (17) und der Fokussieroptik (15) angeordnet ist.