DE102019108681A1

DE102019108681A1 - Vorrichtung und Verfahren zur Erzeugung eines Doppel- oder Vielfachspots in der Lasermaterialbearbeitung

Info

Publication number: DE102019108681A1
Application number: DE102019108681.7A
Authority: DE
Inventors: Axel HEINRICI; Goran Bjelajac
Original assignee: II VI Delaware Inc
Current assignee: II VI Delaware Inc
Priority date: 2019-04-03
Filing date: 2019-04-03
Publication date: 2020-10-08
Also published as: US11112615B2; US20200319473A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Erzeugung eines Mehrfachspots bei der Lasermaterialbearbeitung. Gemäß der vorliegenden Erfindung wird die Leistungsverteilung dadurch gewählt, dass zumindest ein erster Spiegel in den Laserstrahl geschoben wird. Dabei fällt der Lichtstrahl immer auf nur eine Seite des Spiegels, so dass dieser sich einfach und kostengünstig herstellen lässt.

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Erzeugung eines Mehrfachspots bei der Lasermaterialbearbeitung.
Beschreibung des relevanten Stands der Technik
Bei der Lasermaterialbearbeitung von Metallen, oder anderen Werkstoffen ist es oft wünschenswert einen Doppelspot oder sogar Vielfachspots verwenden zu können. Um derartige Spots zu generieren sind aus dem Stand der Technik verschiedene Lösungen bekannt.
Die veröffentlichte deutsche Patentanmeldung DE 199 61 918 A1 beschreibt ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Lasermaterialbearbeitung mit wenigstens zwei Laserstrahlfoki, die auf das zu bearbeitende Werkstück abgebildet werden, wobei durch den Einsatz refraktiver Elemente in einer variablen Fokusgeometrie aus einem Einzelfokus eines Laserstrahls ein Doppelfokus erzeugt wird, wobei Abstand und Intensität zwischen den Foki frei wählbar sind. Die technische Lösung dieses Dokuments basiert auf refraktiven Elementen, wodurch in der Praxis die einsatzbare Leistung auf bis zu etwa 10 kW begrenzt ist.
In der veröffentlichten deutschen Patentanmeldung DE 402 42 99A1 wird eine Vorrichtung zum Fokussieren eines Lichtstrahles in wenigstens zwei Fokuspunkten, mit einem Spiegelelement gelehrt, das den Lichtstrahl in eine der Zahl der Fokuspunkte entsprechende Zahl von Teilstrahlen aufspaltet, wobei das Spiegelelement eine wenigstens der Zahl der Fokuspunkte entsprechende Zahl von Spiegelflächen aufweist und wobei das Spiegelelement zur Variation der Strahlintensität in den einzelnen Fokuspunkten und des Abstandes der einzelnen Fokuspunkte relativ zum auftreffenden Licht strahl bewegbar ist. Das System weist demnach zumindest zwei Spiegel für einen Doppelfokus auf. Der erste konkave Spiegel fokussiert dabei einen kollimierten Laserstrahl. Zwischen diesem Spiegel und den Fokus befindet sich noch ein zweiter Spiegel, der zwei unterschiedlichen Spiegelflächen hat, die zueinander einen Winkel ungleich 0° haben. Durch eine Variation der Position des zweiten Spiegels entlang oder senkrecht zur optischen Achse kann die Intensität und Position der beiden Spots eingestellt werden. Ein großer Nachteil dieser Erfindung ist das der Abstand zwischen dem zweiten Spiegel und dem Werkstück abhängig ist von dem gewünschten Abstand zwischen den beiden Spots. Während des Lasermaterialbearbeitungsprozesses entstehen Tröpfchen, Metalldämpfe usw., die die Standzeit der Optik begrenzen. Dazu wird normalerweise ein Schutzglas eingesetzt, welches widerstandsfähig genug sein muss, um einen Prozessvorgang auszuhalten. Für eine akzeptierbare Standzeit wird wiederum ein geometrischer Abstand zum Prozess, d.h. zum Fokus, gebraucht. Weitere Nachteile der Lehre dieses Dokuments sind die fehlende Einstellmöglichkeit um bei mehr als zwei Spots die Intensitäten und Positionen unabhängig voneinander einstellen zu können und die Komplexität der zweiten Spiegel, speziell bzgl. der Beschichtung an die Linie, an der die beiden optischen Flächen aufeinander treffen. Die Oberfläche hat dort einen extrem geringen Krümmungsradius was, in Kombination mit den mechanischen Spannungen die inhärent an der Beschichtung sind, ein stark negativer Effekt auf der Ausbeute während der Herstellung hat.
Ein komplexer Spiegel wird bei dem System aus der veröffentlichten internationalen Anmeldung WO 98/51442 A1 vermieden. Auch bei dem in diesem Dokument beschriebenen System lenkt ein erster Spiegel den Laserstrahl um, aber in diesem Fall trifft dieser nachfolgend auf zwei unterschiedliche Spiegel. Die Leistungsverteilung wird hier mittels der vertikalen Position des ersten Spiegels eingestellt. Die Lage der beiden Spots lässt sich durch eine horizontale Verschiebung der zwei anderen Spiegel ändern. Auch bei diesem System ist es allerdings noch schwierig die Leistung in mehr als zwei Spots unabhängig voneinander einzustellen. Ein grö-ßeres Problem ist allerdings, dass ein Spalt zwischen den beiden anderen Spiegeln inhärent ist. Dies ist nachteilig für die Anwendung des beschriebenen Systems für hohe Laserleistung, weil sich der Spalt immer innerhalb des Laserstrahls befinden wird.
Das Problem eines Spalts wird durch die Lehre des veröffentlichten chinesischen Gebrauchsmusters CN 205764433 U reduziert indem Spiegel direkt nebeneinander angeordnet sind. Ein Abstand zwischen zwei oder drei unterschiedlichen Spots wird dadurch eingestellt, dass die entsprechenden Spiegel gekippt werden. Diese Ausführung ist prinzipiell auf maximal drei Spots begrenzt und die Leistung wäre nur bei zwei Spots unabhängig voneinander einstellbar.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher die Erzeugung eines Doppel- bzw. Mehrfachspots mit einer Lasermaterialbearbeitungsoptik für eine Leistung von mindestens 10 kW zu ermöglichen. Sowohl die Lage als auch die Leistung in den unterschiedlichen Spots sollen dabei einstellbar sein.
Kurze Beschreibung der Erfindung
Die vorlegende Erfindung stellt eine Vorrichtung zur variablen Strahlformung eines Lichtstrahls, umfassend:

a. eine Eintrittsapertur mit einem Eintrittsquerschnitt und mit einer Eintrittsachse, welche die Eintrittsapertur mittig durchläuft, wobei eine Fortsetzung des Eintrittsquerschnitts entlang der Eintrittsachse ein freies Propagationsvolumen definiert;
b. eine Kollimationsoptik angeordnet zwischen Eintrittsapertur und einer Anordnung von Spiegeln;
c. die Anordnung von Spiegeln, umfassend zumindest
1. i. einen ersten Spiegel, wobei der erste Spiegel nur auf einer zum Laserstrahl gewandten Seite eine reflektierende Oberfläche aufweist und zumindest teilweise in einem kollimierten Laserstrahl angeordnet ist zur Reflektion eines Teilstrahls;
2. ii. einen zweiten Spiegel mit einer reflektierenden Oberfläche in Richtung der reflektierenden Oberfläche des ersten Spiegels, um den reflektierten Teilstrahl des kollimierten Laserstrahls umzulenken;
3. iii. einen dritten Spiegel, umfassend eine reflektierende Oberfläche in Richtung des zweiten Spiegels, um den reflektierten Teilstrahl des kollimierten Laserstrahls wieder neben den unreflektierten Teilstrahl des kollimierten Laserstrahls zu reflektieren;
d. eine Verschiebungseinrichtung, welche mit zumindest einem Spiegel der Anordnung von Spiegeln verbunden ist, um diesen in den ungeteilten kollimierten Laserstrahl zu bewegen;
e. eine Winkelstelleinrichtung, welche mit zumindest einem Spiegel der Anordnung von Spiegeln zu dessen Drehung verbunden ist; und
f. eine Fokussieroptik, welche hinter dem dritten Spiegel angeordnet ist zur Fokussierung des reflektierten Teilstrahls des Laserstrahls und des unreflektierten Teilstrahls des kollimierten Laserstrahls mit zumindest einem Doppelfokus.

In einem weiteren Aspekt der Erfindung kann die Verschiebungseinrichtung mit dem ersten Spiegel verbunden sein.
Weiterhin ist eine Ausführungsform vorgesehen, bei der die Winkelstelleinrichtung mit dem zweiten Spiegel verbunden sein kann.
Bei der Vorrichtung kann zudem in der Anordnung von Spiegeln ein weiterer Spiegel zwischen erstem und zweitem Spiegel angeordnet werden und die Spiegel nun wie folgt benannt werden

i. ein erster Spiegel, wobei der erste Spiegel nur auf einer zum kollimierten Laserstrahl gewandten Seite eine reflektierende Oberfläche aufweist;
ii. ein zweiter Spiegel mit einer reflektierenden Oberfläche in Richtung des ersten Spiegels, um den reflektierten Teilstrahl des kollimierten Laserstrahls umzulenken;
iii. ein vierter Spiegel, umfassend eine reflektierende Oberfläche in Richtung zweiten Spiegel, um den reflektierten Teilstrahl des kollimierten Laserstrahls umzulenken;
iv. ein dritter Spiegel, umfassend eine reflektierende Oberfläche in Richtung des vierten Spiegels, um den reflektierten Teilstrahl des Laserstrahls vom vierten Spiegel wieder neben den unreflektierten Teilstrahl des kollimierten Laserstrahls zu reflektieren;

Weiterhin kann vorgesehen sein, dass ein erster und dritter Spiegel mit der Verschiebevorrichtung verbunden sind, so dass diese quer zur Richtung der Umlenkung des kollimierten Teilstrahls des Laserstrahl bewegbar sind.
Bei einer weiteren Ausführungsform der Vorrichtung kann die Anordnung zwei weitere Spiegel umfassen, mit denen ein zweiter Teilstrahl des kollimierten Laserstrahls reflektiert wird, wobei die zwei weiteren Spiegel wie folgt benannt werden,

a. ein fünfter Spiegel, der neben dem ersten Spiegel zur Reflektion eines zweiten Teilstrahls des kollimierten Laserstrahls auf den zweiten Spiegel angeordnet ist, und
b. eine sechster Spiegel, der neben dem dritten Spiegel angeordnet ist, um den zweiten reflektierten Teilstrahl des kollimierten Laserstrahls wieder neben den unreflektierten Teilstrahl des kollimierten Laserstrahls zu reflektieren, wobei der fünfte und sechste Spiegel mittels einer Verbindung mit einer zweiten Verschiebevorrichtung quer zur Umlenkrichtung des kollimierten Teilstrahls des Laserstrahl bewegbar sind.

Bei der zuvor genannten Ausführung kann der zweite oder vierte Spiegel geteilt sein und die zumindest zwei Teile können unabhängig voneinander einstellbar angeordnet sein.
In einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann der erste und dritte Spiegel hintereinander, teilweise überlappend so angeordnet sein, dass diese den kollimierten Laserstrahl jeweils teilweise auf den zweiten Spiegel reflektieren, der erste Spiegel mittels der Verschiebevorrichtung in einem Winkel zur Strahlrichtung des kollimierten Laserstrahls in oder aus diesem bewegt werden kann und der dritte Spiegel mit der Winkelstelleinrichtung verbunden ist, um diesen drehen zu können.
Es ist erfindungsgemäß weiterhin vorgesehen, dass die Anordnung von Spiegeln vier Spiegel umfasst, wobei der erste Spiegel so angeordnet ist, dass dieser einen Teilstrahl des kollimierten Laserstrahls auf den zweiten Spiegel reflektiert und der dritte Spiegel teilweise überlappend hinter dem ersten Spiegel angeordnet ist, um einen Teilstrahl des kollimierten Laserstrahls auf den vierten Spiegel umzulenken und zweiter und vierte Spiegel teilweise überpappend hintereinander derart angeordnet sind, dass diese den reflektierten Teilstrahl des kollimierten Laserstrahls jeweils auf die Fokussieroptik umlenken, wobei der erste und vierte Spiegel mit einer Verschiebevorrichtung verbunden sind, um diese in einem Winkel zur Strahlrichtung des kollimierten Laserstrahls in oder aus diesem zu bewegen und der zweite oder dritten Spiegel mit einer Winkelstelleinrichtung verbunden ist, um diesen drehen zu können.
Weiterhin kann in einer Ausführungsform der erste und vierte Spiegel quer zur Richtung der Umlenkung des Teilstrahls des Laserstrahls verschiebbar angeordnet sein.
Die vorliegende Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zur Erzeugung eines Mehrfachspots bei der Lasermaterialbearbeitung, umfassend die Schritte

a. Kollimieren eines divergenten Laserstrahls mittels einer Kollimationsoptik;
b. Verschieben zumindest eines ersten Spiegels in einen Teil des kollimierten Laserstrahls mittels einer Verschiebevorrichtung;
c. Reflektieren eines Teilstrahls des kollimierten Laserstrahls durch den ersten Spiegel mittels einer reflektierenden Oberfläche auf die reflektierende Oberfläche eines zweiten Spiegels;
d. Reflektieren des Teilstrahls des kollimierten Laserstrahls durch den zweiten Spiegel mittels einer reflektierenden Oberfläche auf die reflektierende Oberfläche eines dritten Spiegels;
e. Reflektieren des Teilstrahls des kollimierten Laserstrahls durch den dritten Spiegel neben den unreflekierten Teilstrahl des kollimierten Laserstrahls;
f. Erzeugen eines Differenzwinkels zwischen den reflektierten und den unreflektierte Teilstrahl durch Drehung zumindest von einem der Spiegel;
g. Fokussieren von reflektiertem und unreflektiertem Teilstrahl des kollimierten Laserstrahls mittels einer Fokussieroptik;
h. Abbilden eines Strahlfokus mit zumindest einem Doppelfokus auf ein zu bearbeitendes Werkstück.

Das Verfahren kann auch derart ausgestaltet sein, dass vier Spiegel zur Erzeugung eines Doppelfokus verwendet werden.
Weiterhin kann das Verfahren den Schritt umfassen, dass ein fünfter und sechster Spiegel zur Erzeugung von einem weiteren Fokus verwendet werden.
In einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens kann die Verschiebevorrichtung zumindest einen Spiegel in einem Winkel zur Strahlachse des kollimierten Laserstrahls und/oder quer zur Richtung der Umlenkung des Teilstrahls des kollimierten Laserstrahls verschieben.
Weiterhin kann das Leistungsverhältnis zwischen reflektiertem und unreflektiertem kollimierten Laserstrahl durch die Verschiebevorrichtung eingestellt oder angepasst werden, indem dadurch das Maß der Fläche der reflektierenden Oberfläche eines der verschobenen Spiegel im kollimierten Laserstrahl verändert wird.
Weitere Aspekte, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich ohne weiteres aus der folgenden detaillierten Beschreibung, in der einfach bevorzugte Ausführungsformen und Implementierungen dargestellt sind. Die vorliegende Erfindung kann auch in anderen und unterschiedlichen Ausführungsformen verwirklicht werden und ihre verschiedenen Details können in verschiedenen, offensichtlichen Aspekten modifiziert werden, ohne Lehre und Umfang der vorliegenden Erfindung zu verlassen. Dementsprechend sind die Zeichnungen und Beschreibungen als veranschaulichend und nicht als einschränkend anzusehen. Zusätzliche Aufgaben und Vorteile der Erfindung werden teilweise in der folgenden Beschreibung dargelegt und werden teilweise aus der Beschreibung offensichtlich oder können der Ausführung der Erfindung entnommen werden.
Figurenliste
Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Figuren näher dargestellt. Dabei ist für den Fachmann offensichtlich, dass es sich nur um mögliche, beispielhafte Ausführungsformen handelt, ohne dass die Erfindung auf die gezeigten Ausführungsformen beschränkt wird. Es zeigt:

1 eine Ausführungsform mit vier Spiegeln, wobei zwei Spiegel in Richtung der Umlenkung der Achse des Laserstrahls verschiebbar sind.
2 eine Ausführungsform mit vier Spiegeln, wobei zwei Spiegel quer zur Richtung der Umlenkung der Achse des Laserstrahls verschiebbar sind.
3 eine Ausführungsform mit sechs Spiegeln, wobei zweimal zwei Spiegel quer zur Richtung der Umlenkung der Achse des Laserstrahls verschiebbar sind.
4 zeigt eine Ausführungsform mit drei Spiegeln, wovon zwei Spiegel quer zur Richtung der Umlenkung der Achse des Laserstrahls verschiebbar ist.
5 zeigt eine Ausführungsform mit drei Spiegeln, wobei ein Spiegel in Richtung der Umlenkung der Achse des Laserstrahls verschiebbar ist.
6 zeigt eine Ausführungsform mit vier Spiegeln, wobei zwei Spiegel parallel zur Richtung der Umlenkung der Achse des Laserstrahls verschiebbar sind.
7 zeigt eine Ausführungsform mit vier Spiegeln, wobei zwei Spiegel quer zur Richtung der Umlenkung der Achse des Laserstrahls verschiebbar sind.
8 zeigt eine Ausführungsform mit vier Spiegeln, wobei vier Spiegel in Richtung der Umlenkung der Achse des Laserstrahls verschiebbar sind.
9 zeigt eine Ausführungsform mit drei Spiegeln, wobei drei Spiegel in Richtung der Umlenkung der Achse des Laserstrahls verschiebbar sind.
10 zeigt eine Ausführungsform mit drei Spiegeln, wobei zwei Spiegel in Richtung der Umlenkung der Achse des Laserstrahls verschiebbar sind.

Ausführliche Beschreibung der Erfindung
Die zuvor formulierte Aufgabe der Erfindung wird durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche gelöst. Die abhängigen Ansprüche decken weitere spezifische Ausführungsformen der Erfindung ab.
Die Erfindung stellt eine Vorrichtung zur Verfügung, welche in der Lage ist zumindest einen Doppelspot zu erzeugen. Gemäß der vorliegenden Erfindung wird die Leistungsverteilung dadurch gewählt, dass zumindest ein erster Spiegel in den Laserstrahl geschoben wird. Dabei fällt der Lichtstrahl immer auf nur eine Seite des Spiegels, so dass dieser sich einfach und kostengünstig herstellen lässt. Die entstandenen (reflektierten) Teilstrahlen des Laserstrahls werden über zusätzliche Spiegel derart gespiegelt, dass diese wieder neben den nicht gespiegelten (direkten) Teil des Laserstrahls gespiegelt werden. Der totale Durchmesser der wieder kombinierten Teilstrahlen (gespiegelt und direkt) wird hierbei so klein wie möglich gehalten, so dass nachfolgende optische System auch so klein wie möglich sein können. Ein Rohstrahldurchmesser zwischen 20 - 50 mm vergrößert sich bei der vorliegenden Erfindung lediglich um max. 1 mm. Die Lösung kommt sowohl einer kosteneffektiven Lösung als auch einer langen Standzeit des Schutzglases zu Gute.
In 1 ist eine Ausführungsform gezeigt, bei der ein erster Spiegel 21 mit einer Spiegelfläche 25 sowie und erster Seitenfläche 26 sowie erster und zweiter Kante 27, 28 des Spiegels und ein dritter Spiegel 23 gemeinsam in Richtung der Umlenkung des Teilstrahls des Laserstrahls verschoben werden können. Fläche 26 kann vollständig im Schatten von Fläche 25 liegen und muss daher keine Spiegelfläche sein, was ein Vorteil der Erfindung ist. Weiterhin muss der Winkel zwischen Fläche 25 und 26 nicht exakt 90° sein. Kante 27 ist bei der vorliegenden Erfindung letztlich die einzige Spiegelkante des Aufbaus, die im Laserstrahls lieg, was ebenfalls einen Vorteil im Hinblick auf Anforderungen bei der Fertigung der Spiegel darstellt. Die Verschiebung der Spiegel erfolgt mittels einer Verschiebungsvorrichtung 30 entlang der Verschiebungsachse 31, wobei die Verschiebung eine Änderung der Leistungsaufteilung zwischen den beiden Teilstrahlen und dementsprechend auch zwischen den beiden Spots auf dem Werkstück bewirkt.
Aus einer Lichtleitfaser 80 mit Faserspitze 81 tritt ein divergenter Lichtstrahl 97 aus. Dieser wird durch die Kollimationsoptik 85 kollimiert und passiert eine Eintrittsapertur 12 der erfindungsgemäßen Vorrichtung 10. Pfeil 90 deutet die Strahlrichtung des nun kollimierten Lichtstrahls an.
Der von der Spiegelfläche 25 ersten Spiegels 21 reflektierte Teilstrahl des Laserstahls trifft auf den zweiten Spiegel 22. Von diesem wird der Teilstrahl des Laserstrahls auf den vierten Spiegel 24 reflektiert, welcher den Teilstrahl auf den dritten Spiegel 23 lenkt. Dieser wiederum lenkt den Teilstrahl des Laserstrahls so um, dass dieser reflektierte Teil des Laserstrahls nunmehr neben dem direkten Teilstrahl des Laserstrahls auf die Fokussieroptik 87 trifft, aus der dann ein fokussierter Lichtstrahl 98 mit einem doppelten Strahlfokus 99 austritt.
Zumindest einer der vorhandenen Umlenkspiegel muss mit einer Winkelstellvorrichtung verbunden sein, damit der Spiegel gedreht werden kann, um einen Mehrfachspot zu erzeugen. In 1 ist der vierte Spiegel 24 an einer Winkelstellvorrichtung 40 angebracht, so dass der reflektierte Teilstrahl des Laserstrahls verkippt werden kann um den Differenzwinkel 77. Mittels der Verkippung eines Spiegels entsteht ein kleiner Winkel zwischen den beiden Teilstrahlen (direkt und reflektiert), so dass diese, nach der Fokussierung durch eine Fokussierlinse, an unterschiedliche Positionen auf dem Werkstück treffen (Doppelfokus).
Eine alternative Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist in 2 dargestellt. Diese Ausführungsform umfasst ebenfalls vier Spiegel, die in einem kollimierten Laserstrahl angeordnet sind. Es ist natürlich auch möglich durch ein Verschieben der Spiegel in eine andere Richtung die Lichtverteilung einzustellen, vgl. 1. Alternativ können auch andere Spiegel verschoben oder verkippt werden oder die vier Spiegel werden so angeordnet, dass sich ein Versatz in dem Strahl ergibt (durch die Doppelpfeile angedeutet).
Die Verschiebung von zwei Spiegeln erfolgt in 2 quer zur Umlenkung eines Teils des Laserstrahls, was durch die beiden von einem Kreis umschlossenen Punkte angedeutet ist, bei denen es sich um die Achsen handelt, auf denen die Spiegel verschoben werden. Auch bei der Ausführungsform in 2 muss zumindest ein Spiegel gedreht oder verkippt werden (Doppelpfeil), um zumindest einen Doppelspot zu erzeugen.
Ein dritter einstellbarer Spot lässt sich durch das Hinzufügen zusätzlicher Spiegel ermöglichen. Ein Beispiel dafür zeigt 3, wobei ein zusätzliches Paar Spiegel von der anderen (gegenüberliegenden) Seite in den Laserstrahl fährt. Durch die beiden Teile von Spiegel 4 (nicht gezeigt) unabhängig voneinander zu kippen, lassen sich die Abstände zwischen den drei Spots unabhängig voneinander einstellen.
Eine weitere mögliche Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist in 4 dargestellt. Der erste Spiegel 21 lenkt einen Teil der Laserstrahlung weg von der optischen Achse des Laserstrahls. Indem Spiegel 21 in 4 in einer senkrechten Achse zur Darstellung bewegt werden kann (Kreis mit Punkt als Achse quer zur Strahlrichtung), kann die Fraktion des umgelenkten Laserlicht eingestellt werden. Mittels der Spiegel 22 und 23 wird dieser Teilstrahl wieder neben den nicht-umgelenkten (direkten) Teil des Laserlicht geführt, so dass beide Teilstrahlen durch die gleiche Linse auf das Werkstück fokussiert werden können. Der zweite Spiegel 22 ist drehbar (Doppelpfeil), so dass auf dem Werkstück zwei Spots, abhängig von dem eingestellten Winkel von Spiegel 22 entstehen. In dieser Ausführung wird Spiegel 23 zusammen mit Spiegel 21 bewegt, was aber nicht zwingend so sein muss.
Eine andere Ausführungsform ist in 5 dargestellt. Hier wird die Leistungsverteilung durch das Einschieben in den Laserstrahl des ersten Spiegels 21 in Richtung des Doppelpfeils, also in Richtung der Umlenkung erreicht. Allerdings wird hier das Laserlicht, welches nicht ausgekoppelt wird, leicht mittels des dritten Spiegels 23 gekippt. Beide Strahlen treffen anschließend auf den zweiten Spiegel 22, welcher die Teilstrahlen des Laserstrahls in Richtung der Fokussierlinse führt. Die in 5 gezeigte Ausführungsform ist durch die geringe Menge an relativ kleinen Spiegeln kostengünstig.
Weiterhin ist es möglich die Verschiebung der Spiegel nicht senkrecht zum Laserstrahl, sondern eher diagonal dazu zu realisieren, wie in 6 beispielhaft dargestellt ist in Bezug auf den ersten Spiegel 21 und vierten Spiegel 24. Der zweite Spiegel 22 kann verkippt bzw. gedreht werden, um den Abstand des Doppelfokus einzustellen. 7 zeigt eine Variante der Darstellung aus 6, bei der der erste und vierte Spiegel 21, 24 zusätzlich noch quer zur Laserstrahlrichtung (Punkt mit Kreis als Achse) in den kollimierten Laserstrahl bewegt werden können. Grundsätzlich ist die Verschiebung oder Verkippung nicht auf einzelne Spiegel begrenzt, wie in 8 beispielhaft dargestellt und deren Bewegungsrichtung durch die Doppelpfeile angedeutet ist.
Eine deutlich kürzere Variante der vorliegenden Erfindung ist in 9 dargestellt. Hier werden der erste Spiegel 21 und der dritte Spiegel 23 gemeinsam mit dem Laserstrahl verschoben, entweder senkrecht (9) oder diagonal (10). Dazu wird der erste Spiegel 21 auch noch leicht verkippt, so dass die beiden Teilstrahlen auf unterschiedliche Positionen auf dem Werkstück fokussiert werden. Der vertikale Abstand zwischen dem ersten Spiegel 21 und dem dritten Spiegel 23 ist dabei so gewählt, dass für jede mögliche Verkippung von Spiegel 21 kein vertikaler Spalt zwischen diesen beiden Spiegeln entsteht. Damit fällt jeder Laserlichtstrahl entweder auf Spiegel 21 oder Spiegel 23.
Bei z.B. der in 9 gezeigten Ausführungsform kann der zweite Spiegel auch entfallen, was dann zur Folge hat, dass der Lasermaterialbearbeitungskopf einen 90° Winkel aufweist und nicht mehr linear ist.
Die vorstehende Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wurde zum Zweck der Veranschaulichung und Beschreibung gegeben. Es ist nicht beabsichtigt, erschöpfend zu sein oder die Erfindung genau auf die offenbarte Form zu beschränken. Modifikationen und Variationen sind angesichts der obigen Lehre möglich oder können aus der Praxis der Erfindung erlangt werden. Die Ausführungsform wurde gewählt und beschrieben, um die Prinzipien der Erfindung und ihre praktische Anwendung zu erläutern, um es dem Fachmann zu ermöglichen, die Erfindung in verschiedenen Ausführungsformen zu verwenden, die für die spezielle beabsichtigte Verwendung geeignet sind. Es ist beabsichtigt, dass der Umfang der Erfindung durch die beigefügten Ansprüche und deren Äquivalente definiert wird. Die Gesamtheit jedes der oben genannten Dokumente wird durch Bezugnahme hierin aufgenommen.
Bezugszeichenliste

10: Vorrichtung zur Strahlformung
11: Eintrittsachse
12: Eintritts apertur
13: Eintrittsquerschnitt
14: Propagationsvolumen
15: erster Teilquerschnitt
16: zweiter Teilquerschnitt
18: Austrittsapertur
21: erster Spiegel
22: zweiter Spiegel
23: dritter Spiegel
24: vierter Spiegel
25: Spiegelfläche des ersten Spiegels
26: erste Seitenfläche des ersten Spiegels
27: erste Kante des ersten Spiegels
28: zweite Kante des ersten Spiegels
29: zweite Seitenfläche des ersten Spiegels
30: Verschiebungsvorrichtung
31: Verschiebungsachse
35: fünfter Spiegel
36: sechster Spiegel
40: Winkelstellvorrichtung
41: Drehachse
55: erste Teilachse
56: Streckenabschnitt der ersten Teilachse
57: weiterer Streckenabschnitt der ersten Teilachse
66: zweite Teilachse
67: weiterer Streckenabschnitt der zweiten Teilachse
71: erste Austrittsachse
72: zweite Austrittsachse
77: Differenzwinkel
80: Lichtleitfaser
81: Faserspitze
85: Kollimationsoptik
87: Fokussieroptik
90: Lichtstrahl
91: erster Teilstrahl
92: zweiter Teilstrahl
97: divergenter Lichtstrahl
98: fokussierter Lichtstrahl
99: Strahlfokus

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 19961918 A1 [0003]
DE 4024299 A1 [0004]
WO 98/51442 A1 [0005]
CN 205764433 U [0006]

Claims

Eine Vorrichtung zur variablen Strahlformung eines Lichtstrahls, umfassend: a. eine Eintrittsapertur mit einem Eintrittsquerschnitt und mit einer Eintrittsachse, welche die Eintrittsapertur mittig durchläuft, wobei eine Fortsetzung des Eintrittsquerschnitts entlang der Eintrittsachse ein freies Propagationsvolumen definiert; b. eine Kollimationsoptik angeordnet zwischen Eintrittsapertur und einer Anordnung von Spiegeln; c. die Anordnung von Spiegeln, umfassend zumindest i. einen ersten Spiegel, wobei der erste Spiegel nur auf einer zum Laserstrahl gewandten Seite eine reflektierende Oberfläche aufweist und zumindest teilweise in einem kollimierten Laserstrahl angeordnet ist zur Reflektion eines Teilstrahls; ii. einen zweiten Spiegel mit einer reflektierenden Oberfläche in Richtung der reflektierenden Oberfläche des ersten Spiegels, um den reflektierten Teilstrahl des kollimierten Laserstrahls umzulenken; iii. einen dritten Spiegel, umfassend eine reflektierende Oberfläche in Richtung des zweiten Spiegels, um den reflektierten Teilstrahl des kollimierten Laserstrahls wieder neben den unreflektierten Teilstrahl des kollimierten Laserstrahls zu reflektieren; d. eine Verschiebungseinrichtung, welche mit zumindest einem Spiegel der Anordnung von Spiegeln verbunden ist, um diesen in den ungeteilten kollimierten Laserstrahl zu bewegen; e. eine Winkelstelleinrichtung, welche mit zumindest einem Spiegel der Anordnung von Spiegeln zu dessen Drehung verbunden ist; und f. eine Fokussieroptik, welche hinter dem dritten Spiegel angeordnet ist zur Fokussierung des reflektierten Teilstrahls des Laserstrahls und des unreflektierten Teilstrahls des kollimierten Laserstrahls mit zumindest einem Doppelfokus.
Die Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Verschiebungseinrichtung mit dem ersten Spiegel verbunden ist.
Die Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Winkelstelleinrichtung mit dem zweiten Spiegel verbunden ist.
Die Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei in der Anordnung von Spiegeln ein weiterer Spiegel zwischen erstem und zweitem Spiegel angeordnet wird und die Spiegel nun wie folgt benannt werden i. ein erster Spiegel, wobei der erste Spiegel nur auf einer zum kollimierten Laserstrahl gewandten Seite eine reflektierende Oberfläche aufweist; ii. ein zweiter Spiegel mit einer reflektierenden Oberfläche in Richtung des ersten Spiegel, um den reflektierten Teilstrahl des kollimierten Laserstrahls umzulenken; iii. ein vierter Spiegel, umfassend eine reflektierende Oberfläche in Richtung zweiten Spiegel, um den reflektierten Teilstrahl des kollimierten Laserstrahls umzulenken; iv. ein dritter Spiegel, umfassend eine reflektierende Oberfläche in Richtung des vierten Spiegels, um den reflektierten Teilstrahl des Laserstrahls vom vierten Spiegel wieder neben den unreflektierten Teilstrahl des kollimierten Laserstrahls zu reflektieren; wobei die reflektierenden Oberflächen des ersten und zweiten Spiegel parallel zueinander angeordnet sind, der zweite oder vierte Spiegel mit der Winkelstelleinrichtung verbunden ist zu dessen Drehung und erster und dritter Spiegel mit der Verschiebevorrichtung verbunden sind und mit dieser in Richtung der Reflektion des Teilstrahls des kollimierten Laserstrahls bewegbar sind.
Die Vorrichtung nach Anspruch 4, wobei erster und dritter Spiegel mit der Verschiebevorrichtung verbunden sind, so dass diese quer zur Richtung der Umlenkung des kollimierten Teilstrahls des Laserstrahl bewegbar sind.
Die Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Anordnung von Spiegeln zwei weitere Spiegel umfasst, mit denen ein zweiter Teilstrahl des kollimierten Laserstrahls reflektiert wird, wobei die zwei weiteren Spiegel wie folgt benannt werden, a. ein fünfter Spiegel, der neben dem ersten Spiegel zur Reflektion eines zweiten Teilstrahls des kollimierten Laserstrahls auf den zweiten Spiegel angeordnet ist, und b. eine sechster Spiegel, der neben dem dritten Spiegel angeordnet ist, um den zweiten reflektierten Teilstrahl des kollimierten Laserstrahls wieder neben den unreflektierten Teilstrahl des kollimierten Laserstrahls zu reflektieren, wobei der fünfte und sechste Spiegel mittels einer Verbindung mit einer zweiten Verschiebevorrichtung quer zur Umlenkrichtung des kollimierten Teilstrahls des Laserstrahl bewegbar sind.
Die Vorrichtung nach Anspruch 6, wobei der zweite oder vierte Spiegel geteilt ist und die zumindest zwei Teile unabhängig voneinander einstellbar angeordnet sind.
Die Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei der erste und dritte Spiegel hintereinander, teilweise überlappend so angeordnet sind, dass diese den kollimierten Laserstrahl jeweils teilweise auf den zweiten Spiegel reflektieren, der erste Spiegel mittels der Verschiebevorrichtung in einem Winkel zur Strahlrichtung des kollimierten Laserstrahls in oder aus diesem bewegbar ist und der dritte Spiegel mit der Winkelstelleinrichtung verbunden ist, so dass dieser drehbar ist.
Die Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Anordnung von Spiegeln vier Spiegel umfasst, wobei der erste Spiegel so angeordnet ist, dass dieser einen Teilstrahl des kollimierten Laserstrahls auf den zweiten Spiegel reflektiert und der dritte Spiegel teilweise überlappend hinter dem ersten Spiegel angeordnet ist, um einen Teilstrahl des kollimierten Laserstrahls auf den vierten Spiegel umzulenken und zweiter und vierte Spiegel teilweise überpappend hintereinander derart angeordnet sind, dass diese den reflektierten Teilstrahl des kollimierten Laserstrahls jeweils auf die Fokussieroptik umlenken, wobei der erste und vierte Spiegel mit einer Verschiebevorrichtung verbunden sind, um diese in einem Winkel zur Strahlrichtung des kollimierten Laserstrahls in oder aus diesem zu bewegen und der zweite oder dritten Spiegel mit einer Winkelstelleinrichtung verbunden ist, so dass dieser drehbar ist.
Die Vorrichtung nach Anspruch 9, wobei erster und vierter Spiegel zusätzlich quer zur Richtung der Umlenkung des Teilstrahls des Laserstrahls verschiebbar sind.
Ein Verfahren zur Erzeugung eines Mehrfachspots bei der Lasermaterialbearbeitung, umfassend die Schritte a. Kollimieren eines divergenten Laserstrahls mittels einer Kollimationsoptik; b. Verschieben zumindest eines ersten Spiegels in einen Teil des kollimierten Laserstrahls mittels einer Verschiebevorrichtung; c. Reflektieren eines Teilstrahls des kollimierten Laserstrahls durch den ersten Spiegel mittels einer reflektierenden Oberfläche auf die reflektierende Oberfläche eines zweiten Spiegels; d. Reflektieren des Teilstrahls des kollimierten Laserstrahls durch den zweiten Spiegel mittels einer reflektierenden Oberfläche auf die reflektierende Oberfläche eines dritten Spiegels; e. Reflektieren des Teilstrahls des kollimierten Laserstrahls durch den dritten Spiegel neben den unreflekierten Teilstrahl des kollimierten Laserstrahls; f. Erzeugen eines Differenzwinkels zwischen den reflektierten und den unreflektierte Teilstrahl durch Drehung zumindest von einem der Spiegel; g. Fokussieren von reflektiertem und unreflektiertem Teilstrahl des kollimierten Laserstrahls mittels einer Fokussieroptik; h. Abbilden eines Strahlfokus mit zumindest einem Doppelfokus auf ein zu bearbeitendes Werkstück.
Das Verfahren nach Anspruch 11, wobei vier Spiegel zur Erzeugung eines Doppelfokus verwendet werden.
Das Verfahren nach Anspruch 11 oder 12, wobei ein fünfter und sechster Spiegel zur Erzeugung von einem weiteren Fokus verwendet werden.
Das Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 13, wobei die Verschiebevorrichtung zumindest einen Spiegel in einem Winkel zur Strahlachse des kollimierten Laserstrahls und/oder quer zur Richtung der Umlenkung des Teilstrahls des kollimierten Laserstrahls verschiebt.
Das Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 14, wobei das Leistungsverhältnis zwischen reflektiertem und unreflektiertem kollimierten Laserstrahl durch die Verschiebevorrichtung eingestellt oder angepasst wird, indem dadurch das Maß der Fläche der reflektierenden Oberfläche eines der verschobenen Spiegel im kollimierten Laserstrahl verändert wird.