DE19900910A1 - Vorrichtung und Verfahren zum Behandeln von Oberflächen mittels Laserstrahlung - Google Patents
Vorrichtung und Verfahren zum Behandeln von Oberflächen mittels LaserstrahlungInfo
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Abstract
Es wird eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Behandeln von Oberflächen mittels Laserstrahlung beschrieben. Die Vorrichtung weist eine Laserstrahlquelle und einen mit dieser über einen Lichtleiter (14) verbundenen Bearbeitungskopf (10) auf. Der Bearbeitungskopf (10) weist eine Einrichtung zur Strahlformung, in der ein paralleles Strahlenbündel erzeugt wird, eine Einrichtung zur Strahlenablenkung und eine Strahlaustrittsöffnung (19) auf, in der eine Auskopplungsoptik (30) angeordnet ist. Um eine an die Anwendungsprozesse angepaßte Ablenkungsbahn des Laserstrahls auf der zu behandelnden Oberfläche zu erzeugen, sind in der Einrichtung zur Strahlablenkung erfindungsgemäß zwei jeweils über eine Steuereinrichtung winkelveränderliche Ablenkspiegel vorgesehen, die vorteilhaft orthogonal zueinander angeordnet sind. Um den Bearbeitungskopf (10) auch in Bereichen mit einem nur geringen Platzangebot einsetzen zu können, ist der Lichtleiter (14) in einem Winkel von 90 Grad zur Strahlaustrittsöffnung (19) am Bearbeitungskopf (10) angeordnet. Weiterhin kann die Strahlaustrittsöffnung (19) und damit die Auskopplungsoptik (30) asymmetrisch in der Stirnseite (22) des Bearbeitungskopfes (10) ausgebildet sein.
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum
Behandeln von Oberflächen mittels Laserstrahlung mit einer
Laserstrahlquelle und einem mit dieser über einen Lichtleiter
verbundenen Bearbeitungskopf, wobei der Bearbeitungskopf eine
Einrichtung zur Strahlumformung, eine Einrichtung zur
Strahlablenkung und eine Strahlaustrittsöffnung aufweist.
Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Behandeln
von Oberflächen mittels Laserstrahlung.
Die Oberflächenbehandlung, etwa die Oberflächenreinigung,
durch Laserstrahlung stellt mittlerweile eine ökonomische
Alternative zu herkömmlichen Reinigungsverfahren, wie
beispielsweise dem Beizen, Sandstrahlen oder dergleichen dar.
Gegenüber diesen ökologisch oftmals bedenklichen Verfahren
weist die Laserstrahl-Reinigungstechnik eine Reihe von
Vorteilen auf. Sie ist weder auf Strahlmittel, noch auf
Chemikalien angewiesen und ermöglicht somit eine besonders
schonende und nahezu rückstandsfreie Reinigung von Bauteilen
unterschiedlichster Art. Durch eine gezielte Wahl der
Laserparameter kann ein präziser Abtrag von Schmutz- und
Deckschichten bewirkt werden, ohne daß das Grundmaterial
beschädigt wird.
Dieser Abtrag wird durch einen thermischen Effekt ausgelöst.
Ein stark fokussierter Laserstrahl verdampft die abzutragende
Deckschicht, ohne das Grundmaterial zu beschädigen. Durch die
Einstellung geeigneter Parameter wird eine hohe Flexibilität
bei der Bearbeitung unterschiedlicher Deckschicht/
Werkstoffkombinationen erreicht.
Aus der WO 96/38 257 ist bereits ein Laserstrahlgerät und
-verfahren zur Bearbeitung von Werkstücken bekannt. Hierbei
kommt ein fasergekoppeltes, linienförmig ablenkendes
Laserstrahlablenksystem für die handgeführte Bearbeitung zum
Einsatz. Mit dieser Vorrichtung, die die Merkmale des
Oberbegriffs von Patentanspruch 1 aufweist, ist es möglich,
eine Linie zu erzeugen, die zum Abtragen einer Deckschicht im
handgeführten Betrieb über eine zu bearbeitende Oberfläche
geführt wird. In Überlagerung der beiden Relativbewegungen,
nämlich dem abgelenkten Laserstrahl und der Vorschubrichtung
des Bearbeitungskopfes, ergibt sich ein Abtragsstreifen mit
einer typischen Breite von wenigen Zentimetern. Die bekannte
Vorrichtung hat im praktischen Einsatz jedoch eine Reihe von
Nachteilen. Durch die Überlagerung der beiden
Relativbewegungen kommt es zu Schwebungseffekten der
überlagerten Laserimpulse. Diese Effekte sind in der Praxis so
gravierend, daß in den meisten Fällen ein homogenes
Abtragergebnis nicht möglich ist.
Ein weiterer Nachteil der bekannten Vorrichtung sowie auch
anderer Lösungen zum Abtragen von Deckschichten mittels
Laserstrahlung besteht oftmals im Hinblick auf die
eingeschränkte Zugänglichkeit der zu behandelnden Oberfläche
durch die recht großen und ausladend dimensionierten
Bearbeitungsköpfe. Hierdurch ist die Nutzung des vorteilhaften
Laserstrahlverfahrens für solche Anwendungen unmöglich, bei
denen die Platzverhältnisse oberhalb der zu behandelnden
Fläche eingeschränkt sind. Dies trifft beispielsweise für den
Bereich der Vulkanisierindustrie zu, wo zum Reinigen von
Vulkanisierformen selbst im geöffneten Zustand der
Vulkanisierpresse häufig nur ein freier Raum von 200 bis 300 mm
zur Verfügung steht.
Ausgehend vom genannten Stand der Technik liegt der
vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung
der eingangs genannten Art derart weiterzubilden, daß die zum
Stand der Technik beschriebenen Nachteile vermieden werden.
Insbesondere soll eine Vorrichtung zum Behandeln von
Oberflächen mittels Laserstrahlung bereitgestellt werden, bei
der die Ablenkungsbahn des Laserstrahls an die Erfordernisse
des jeweiligen Abtragsprozesses optimal angepaßt werden kann.
Insbesondere soll die Vorrichtung auch in Bereichen mit einem
geringen Platzangebot einsetzbar sein. Darüber hinaus soll ein
entsprechend verbessertes Verfahren bereitgestellt werden.
Die Aufgabe wird gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung durch
eine Weiterbildung der eingangs beschriebenen Vorrichtung
gelöst, die erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet ist, daß
zur Erzeugung einer geometrisch geführten Ablenkungsbahn des
Laserstrahls auf der zu behandelnden Oberfläche in der
Einrichtung zur Strahlablenkung wenigstens zwei Ablenkspiegel
vorgesehen sind, daß die zwei Ablenkspiegel in einem Winkel
zueinander angeordnet sind und daß zumindest einer der
Ablenkspiegel winkelveränderlich angeordnet ist.
Durch die erfindungsgemäße Vorrichtung kann die Ablenkungsbahn
des Laserstrahls an die spezifischen Erfordernisse des
jeweiligen Bearbeitungsprozesses, beispielsweise eines
Abtragprozesses, angepaßt werden. Dabei liegt der Erfindung
die Erkenntnis zugrunde, daß beispielsweise zur Erzielung
eines flächenmäßig sehr gleichmäßig homogenen Abtrags einer
Deckschicht mittels Laserstrahlung die örtliche Verteilung der
auftreffenden Laserimpulse sehr exakt gesteuert werden muß.
Dies läßt sich durch die entsprechende Stellung der
Ablenkspiegel zueinander realisieren. Dabei ist es notwendig,
daß zur Erzeugung einer prozeßangepaßten Bewegungsbahn auf der
Oberfläche zwei Ablenkspiegel vorhanden sind.
In der Einrichtung zur Strahlformung wird der aus dem
Lichtleiter in den Bearbeitungskopf eintretende divergierende
Laserstrahl in ein paralleles Strahlenbündel überführt. Das
parallele Strahlenbündel wird über wenigstens ein
Umlenkelement, beispielsweise ein Umlenkspiegel, Umlenkprisma
oder dergleichen, in die Einrichtung zur Strahlablenkung
eingeleitet und dort durch eine entsprechende Stellung der
Ablenkspiegel zueinander gemäß den Erfordernissen des
jeweiligen Prozesses abgelenkt. Anschließend wird der
Laserstrahl über die Strahlaustrittsöffnung aus dem
Bearbeitungskopf ausgekoppelt und auf die zu behandelnde
Oberfläche gerichtet. Vorteilhafterweise ist am Umlenkelement
ein photoelektrischer Sensor angebracht, der die am
Bearbeitungskopf eintreffende Laserstrahlleistung mißt.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist besonders vorteilhaft
auch für den flexiblen, mobilen Einsatz ausgelegt. Die
Laserstrahlung kann in einem kompakten, vom Bearbeitungskopf
unabhängigen Basisgerät erzeugt und über den nahezu
verlustfreien Lichtleiter, der je nach Bedarf und
Anwendungsfall eine Länge von bis zu 100 m haben kann, zum
manuell oder automatisiert geführten Bearbeitungskopf
transportiert werden. Das Basisgerät verfügt in der Regel über
eine geeignete Kühleinrichtung für den Laser.
Vorteilhafte Ausgestaltungsformen der erfindungsgemäßen
Vorrichtung ergeben sich aus den rückbezogenen
Unteransprüchen.
Vorteilhaft können zwei winkelveränderliche Ablenkspiegel
vorgesehen sein. Dadurch kann die Bewegungsbahn des
Laserstrahls auf der zu behandelnden Oberfläche noch besser
eingestellt werden.
Alternativ hierzu kann der zweite winkelveränderliche
Ablenkspiegel auch als festumlenkender Spiegel ausgelegt sein.
In diesem Fall ergibt sich ein horizontal abgelenkter,
linearer Laserstrahl, der insbesondere eine ergonomisch
günstige Bearbeitung filigraner Strukturen ermöglicht.
In weiterer Ausgestaltung sind die Ablenkspiegel orthogonal
zueinander angeordnet. Durch die Anordnung der beiden
Ablenkspiegel in einem Winkel von 90 Grad relativ zueinander
ist eine Ablenkung des Laserstrahls in zwei voneinander
unabhängigen Raumrichtungen möglich.
Vorteilhaft ist wenigstens eine Steuereinrichtung zum Steuern
des oder der winkelveränderlichen Ablenkspiegel vorgesehen.
Über die Steuereinrichtung wird der oder die Ablenkspiegel
elektronisch angesteuert, und in seiner oder ihrer Ausrichtung
verändert, wodurch eine prozeßangepaßte Ablenkung des
Laserstrahls auf der Oberfläche erzeugt wird. Vorzugsweise
kann die Ansteuerung des oder der winkelveränderlichen
Ablenkspiegel mit einer elektronischen Schaltung oder über
einen Mikroprozessor, der vorteilhaft programmierbar ist,
erfolgen. Ein Vorteil des Mikroprozessors liegt unter anderem
in der Möglichkeit einer Korrektur von Ungenauigkeiten der
Spiegelbewegung aufgrund ihres dynamischen
Schwingungsverhaltens, oder in einer gezielten örtlichen
Steuerung der Bewegungsgeschwindigkeit und Bewegungsrichtung
des abgelenkten Laserstrahls.
Vorteilhaft können die zwei Ablenkspiegel derart zueinander
angeordnet werden oder sein und so angesteuert werden, daß die
Ablenkungsbahn des Laserstrahls auf der zu behandelnden
Oberfläche kreisförmig, elliptisch, spiralförmig oder in Form
einer langgestreckten "Acht", jeweils mit fester,
veränderlicher oder oszillierender Amplitude, ausgebildet ist.
Die Ablenkungsbahn kann auch als Linie mit modulierter
Laserleistung ausgebildet sein. So ist es beispielsweise
denkbar, die Linie an bestimmten Stellen zu unterbrechen oder
die Laserleistung an Umkehrpunkten der Ablenkungsbahn
auszutasten. Dies hat bei einer Reihe von Anwendungen
Vorteile, von denen einige im Rahmen der Figurenbeschreibung
exemplarisch genannt werden.
In weiterer Ausgestaltung ist der Lichtleiter in einem Winkel
größer 45 Grad, vorzugsweise in einem Winkel von 90 Grad, zur
Strahlaustrittsöffnung am Bearbeitungskopf angeordnet.
Hierdurch wird eine extrem kompakte Bauweise des
Bearbeitungskopfes möglich, die auch bei beengten
Raumverhältnissen eine komfortable Anwendung der Vorrichtung
möglich macht.
Die Strahlaustrittsöffnung ist vorteilhaft in einer Stirnseite
des Bearbeitungskopfes ausgebildet. Vorzugsweise ist die
Strahlaustrittsöffnung asymmetrisch in der Stirnseite
ausgebildet. Beispielsweise kann die Strahlaustrittsöffnung im
Bereich von einer oder zwei Kanten der Stirnseite des
Bearbeitungskopfes ausgebildet sein, so daß eine gute
Zugänglichkeit speziell bei der Bearbeitung, etwa dem
Reinigen, von Kanten oder Ecken möglich ist.
In weiterer Ausgestaltung ist in der Strahlaustrittsöffnung
eine Auskopplungsoptik zum Auskoppeln des Laserstrahls aus dem
Bearbeitungskopf vorgesehen. Die Auskopplungsoptik kann als
Fokussieroptik ausgebildet sein und befindet sich vorteilhaft
in unmittelbarer Nähe zum zweiten Ablenkspiegel, der
winkelveränderlich oder festumlenkend angeordnet sein kann.
Die Auskopplungsoptik kann als Objektiv mit variabler
Brennweite ausgebildet sein. Hierdurch lassen sich auf
einfache Weise auf den jeweiligen Anwendungsfall angepaßte
optimale Strahldurchmesser für den Laserstrahl erzeugen. In
anderer Ausgestaltung können für die Auskopplungsoptik auch
Wechselobjektive mit unterschiedlichen (abgestuften)
Brennweiten eingesetzt werden.
Weiterhin kann am Bearbeitungskopf zusätzlich eine
Absaugvorrichtung vorgesehen sein. Vorteilhaft ist die
Absaugvorrichtung im Bereich der Strahlaustrittsöffnung
angeordnet. Mit der Absaugvorrichtung, die vorteilhafterweise
als Hochvakuum-Sauggerät ausgestaltet ist, ist eine lokale
Absaugung der abgetragenen Gase, Dämpfe und Partikel direkt am
Entstehungsort möglich, wo ihre Konzentration am größten ist.
In bevorzugter Ausgestaltung kann die Absaugvorrichtung als
eine um die Strahlaustrittsöffnung und damit beispielsweise
auch um die Auskopplungsoptik herum konzentrisch geformte
Absaugdüse ausgebildet sein.
Vorteilhaft kann der Bearbeitungskopf zur manuellen
Handführung ein Griffelement aufweisen.
Im Bereich des Griffelements kann vorteilhaft ein Bügelelement
vorgesehen sein. Dieses Bügelelement dient dem Schutz der Hand
und der Finger einer Bedienerperson bei Verwendung des
Bearbeitungskopfes im handgeführten Betrieb. Insbesondere ist
dies aus Arbeitsschutzgründen bei der Bearbeitung heißer
Werkstückoberflächen erforderlich.
Vorteilhaft ist/sind am Bearbeitungskopf wenigstens ein,
vorzugsweise zwei Schalterelemente vorgesehen. Hierbei handelt
es sich insbesondere um einen Auslöser für den Laserstrahl und
eventuell um einen zusätzlichen Sicherheitsauslöser. Dieser
Sicherheitsauslöser hat die Funktion, eine unbeabsichtigte
Auslösung des Laserstrahls im Handbetrieb zu verhindern, und
ist vorteilhafterweise als Taster mit Selbsthaltefunktion
ausgestaltet.
Wenn der Bearbeitungskopf im Handbetrieb verwendet wird, ist
der Lichtleiter vorzugsweise derart mit dem Griffelement
verbunden, daß der Lichtleiter in einem Winkel von größer
45 Grad, vorzugsweise in einem Winkel von 90 Grad, zur
Strahlaustrittsöffnung ausgerichtet ist. Dadurch wird eine
Anwendung des Bearbeitungskopfes auch in Bereichen mit einem
geringen Platzangebot, beispielsweise in geöffneten
Vulkanisierformen, möglich. Je nach Ausgestaltung des
Bearbeitungskopfes kann der Lichtleiter am Griffelement
angekoppelt oder auch durch dieses hindurchgeführt werden.
Zusätzlich kann ein Diodenlaser vorgesehen sein, über den in
den Strahlengang des Bearbeitungslasers ein Diodenlaserstrahl
eingekoppelt wird oder einkoppelbar ist. Der Diodenlaserstrahl
macht im ausgeschalteten Zustand des eigentlichen
Bearbeitungslasers als sichtbarer Leuchtfleck die gewählte
Laserablenkungsbahn sichtbar. Die Einblendung des
Diodenlaserstrahls erfolgt vorzugsweise am ersten
(festmontierten) Umlenkelement der Einrichtung zur
Strahlformung in einem Winkel von 90 Grad zum eintretenden
Bearbeitungslaserstrahl.
In weiterer Ausgestaltung kann ein photoelektrischer Sensor
zur Messung der Laserstrahlleistung vorgesehen sein. Dieser
Sensor ist vorteilhaft ebenfalls im Bereich des ersten
(festmontierten) Umlenkelements angeordnet.
Durch die erfindungsgemäße Vorrichtung werden sowohl die
Strahlführung, die Strahlablenkung, als auch die Strahlformung
für die Prozeßführung optimiert, so daß die im Stand der
Technik beschriebenen Nachteile vermieden werden. Somit ist
durch die erfindungsgemäße Vorrichtung sowohl im
handgeführten, als auch im automatisierten Betrieb ein
qualitativ und ökonomisch vorteilhafter Einsatz der
Laserstrahltechnik zur Behandlung von Oberflächen für
industrielle Anwendungen möglich.
Gemäß dem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein
Verfahren zum Behandeln von Oberflächen mittels Laserstrahlung
unter Verwendung einer wie vorstehend beschriebenen
erfindungsgemäßen Vorrichtung bereitgestellt, das
erfindungsgemäß durch folgende Schritte gekennzeichnet ist:
- a) Einkoppeln des Laserstrahls über den Lichtleiter in den Bearbeitungskopf;
- b) Überführen des Laserstrahls in der Einrichtung zur Strahlformung in ein paralleles Strahlenbündel;
- c) Ablenken des Laserstrahls über die wenigstens zwei in einem Winkel zueinander angeordneten Ablenkspiegel in der Einrichtung zur Strahlablenkung derart, daß der aus der Strahlaustrittsöffnung ausgekoppelte Laserstrahl in einer geometrisch geführten Ablenkungsbahn auf der zu behandelnden Oberfläche geführt wird.
Durch das erfindungsgemäße Verfahren kann die Ablenkungsbahn
des Laserstrahls auf die jeweils herrschenden Prozesse und
Bedingungen eingestellt werden. Weiterhin können auch solche
Oberflächen behandelt werden, die sich in engen und nur schwer
zugänglichen Räumen, wie beispielsweise in Vulkanisierformen
oder dergleichen, befinden. Zu den Vorteilen, Wirkungen
Effekten und der Funktionsweise des erfindungsgemäßen
Verfahrens wird auf die vorstehenden Ausführungen zur
erfindungsgemäßen Vorrichtung vollinhaltlich Bezug genommen
und hiermit verwiesen.
Bevorzugte Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens
ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Vorteilhaft wird wenigstens einer der Ablenkspiegel,
vorzugsweise zwei Ablenkspiegel, über eine Steuereinrichtung,
insbesondere eine Mikroprozessorsteuerung, winkelveränderlich
angesteuert, wobei die Geometrie der Ablenkungsbahn des
Laserstrahls über die Betätigung der Steuereinrichtung und die
damit verbundene Winkelveränderung des oder der Ablenkspiegel
eingestellt wird.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung kann die Ablenkungsbahn
des Laserstrahls in Form einer langgestreckten "Acht"
eingestellt werden. Hierdurch ergeben sich bei konstantem
Vorschub der Bearbeitungsoptik exakt zueinander ausgerichtete
parallele Bearbeitungslinien auf der Oberfläche.
In weiterer Ausgestaltung kann die Ablenkungsbahn des
Laserstrahls in Form eines Kreises, einer Ellipse oder einer
Spirale, jeweils mit fester, veränderlicher oder
oszillierender Amplitude, eingestellt werden.
Durch das Verfahren ist es auch möglich, die Strahleinwirkung
des Laserstrahls auf die zu behandelnde Oberfläche an den
Umkehrpunkten der Ablenkbewegung zu reduzieren oder zu
unterbrechen. Dies ist in einigen, weiter unten näher
beschriebenen Anwendungsfällen von Vorteil.
Vorteilhaft kann die erfindungsgemäße Vorrichtung und/oder das
erfindungsgemäße Verfahren zum handgeführten oder
automatisierten oder robotergestützten Bearbeiten von
Oberflächen, insbesondere zum Abtragen von
Oberflächenschichten oder zum Reinigen von technischen
Oberflächen, verwendet werden. Beispielsweise kann die
Vorrichtung und/oder das Verfahren zum Reinigen/Abtragen,
Entrosten/Entzundern, Entfetten/Entölen oder
Entschichten/Entlacken von Bauteiloberflächen verwendet
werden. Natürlich sind auch andere Anwendungsgebiete und
-arten denkbar, so daß die Erfindung nicht auf die
beschriebenen Beispiele beschränkt ist.
Die Erfindung wird nun auf exemplarische Weise anhand von
Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beiliegende
Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1a eine schematische Ansicht des optischen Strahlengangs
des Laserstrahls innerhalb des Bearbeitungskopfes mit zwei
winkelveränderlichen Ablenkspiegeln;
Fig. 1b eine schematische Ansicht des optischen Strahlengangs
des Laserstrahls innerhalb des Bearbeitungskopfes mit einem
winkelveränderlichen und einem festumlenkenden Ablenkspiegel;
Fig. 2a eine Seitenansicht des Bearbeitungskopfes;
Fig. 2b eine Frontansicht des Bearbeitungskopfes gemäß Fig. 2a;
Fig. 3a eine Seitenansicht einer weiteren Ausführungsform des
Bearbeitungskopfes;
Fig. 3b eine Frontansicht des Bearbeitungskopfes gemäß Fig. 3a;
Fig. 4 bis 9 verschiedene Ablenkungsbahnen für den Laserstrahl;
Fig. 10a, 10b, 10c ein mit einer bestimmten Ablenkungsbahn des
Laserstrahls bearbeitetes Werkstück;
Fig. 11a, 11b, 11c ein mit einer anderen Ablenkungsbahn des
Laserstrahls bearbeitetes Werkstück und
Fig. 12a, 12b, 12c ein mit noch einer Ablenkungsbahn des
Laserstrahls bearbeitetes Werkstück.
In den Fig. 1 bis 3b ist eine Vorrichtung zum Behandeln von
Oberflächen mittels Laserstrahlung dargestellt, die
insbesondere zum Abtragen von Oberflächendeckschichten oder
zum Reinigen von technischen Oberflächen verwendet wird. Die
Vorrichtung weist eine nicht dargestellte geeignete
Laserstrahlquelle auf, die über einen Lichtleiter 14, der im
vorliegenden Ausführungsbeispiel als flexible Lichtleitfaser
ausgebildet ist, mit einem Bearbeitungskopf 10 verbunden ist.
Der Bearbeitungskopf 10 ist zur Handbearbeitung ausgelegt,
kann aber genauso gut automatisiert oder robotergestützt
betrieben werden.
Die Laserstrahlung gelangt über den Lichtleiter 14 zunächst in
eine im Bearbeitungskopf 10 befindliche Einrichtung zur
Strahlformung 40, wie dies in den Fig. 1a und 1b dargestellt
ist. Mit einer in ihrer Brennweite variabel zu gestaltenden
Kollimatoroptik, die eine Kollimatorlinse 41 aufweist, wird
der aus dem Lichtleiter 14 austretende divergierende
Laserstrahl in ein paralleles Strahlenbündel überführt. Mit
einem oder mehreren festen Umlenkelementen 42 wird der
Laserstrahl in eine Einrichtung zur Strahlablenkung 50
gelenkt. Die Einrichtung zur Strahlablenkung 50 weist zwei
Ablenkspiegel 51, 52 auf, die vorteilhafterweise in einem
Winkel von 90 Grad relativ zueinander angeordnet sind.
Hierdurch ist eine Ablenkung des Laserstrahls in zwei
voneinander unabhängigen Raumrichtungen möglich. In
unmittelbarer Nähe des zweiten Ablenkspiegels 52 befindet sich
eine speziell für die Abbildung abgelenkter Laserstrahlung
optimierte Auskopplungsoptik 30, die beispielsweise als
Fokussieroptik ausgebildet sein kann. Diese ist vorteilhaft
als Objektiv mit variabler Brennweite ausgebildet, kann aber
auch eine Anzahl von Wechselobjektiven mit jeweils
unterschiedlichen Brennweiten aufweisen. Diese Anordnung der
Optiken und Spiegel ermöglicht einen äußerst kompakten Aufbau
sämtlicher strahlführenden und strahlformenden, optischen
Elemente, die die geometrischen Abmessungen der Vorrichtung
sehr kompakt werden läßt.
Bei dem in Fig. 1a dargestellten Strahlengang sind beide
Ablenkspiegel 51, 52 als winkelveränderliche Ablenkspiegel
ausgebildet. Die Ablenkspiegel 51, 52 lassen sich jeweils über
eine Drehachse 53 schwenken. Die Ansteuerung und damit die
Winkelveränderung der Ablenkspiegel 51, 52 erfolgt über eine
nicht dargestellte Steuereinrichtung, die beispielsweise einen
programmierbaren Mikroprozessor aufweisen kann.
Durch die in Fig. 1a dargestellte Anordnung eines fest
montierten Umlenkelements 42, beispielsweise eines
Umlenkspiegels oder Umlenkprismas, und den zwei
winkelveränderlichen Ablenkspiegeln 51, 52 wird ein
asymmetrischer Strahlaustritt ermöglicht, der sowohl an der
Oberseite, als auch an der seitlichen Wand eine bestmögliche
Zugänglichkeit des Laserstrahls für das Bearbeiten,
beispielsweise das Reinigen, schwer zugänglicher Bauteile
ermöglicht. Das Umlenkelement ist derart gestaltet, daß
zusätzlich ein photoelektrischer Sensor zur Messung der
Laserstrahlleistung befestigt werden kann und/oder ein
Diodenlaserstrahl in den Bearbeitungslaserstrahl eingeblendet
werden kann.
Durch die beschriebene Anordnung des Strahlengangs werden
geometrische Ablenkbahnen 60 des Laserstrahls auf den zu
behandelnden Oberflächen erzeugt, die beispielsweise in den
Fig. 4 bis 10 dargestellt sind.
Je nach Bedarf und Anwendungsfall kann entweder der erste oder
der zweite Ablenkspiegel nicht als winkelveränderlicher,
sondern als festumlenkender Spiegel ausgebildet und angeordnet
sein. Hierdurch ergibt sich entweder ein vertikal oder ein
horizontal abgelenkter, linearer Laserstrahl, der eine
ergonomisch günstige Bearbeitung filigraner Strukturen
ermöglicht. In Fig. 1b ist der erste Ablenkspiegel 51
winkelveränderlich und der zweite Ablenkspiegel 52
festumlenkend angeordnet. Beispiele für Ablenkungsbahnen 60
des Laserstrahls, die mit einer solchen Anordnung erzeugt
werden können, sind in den Fig. 11 und 12 dargestellt.
In den Fig. 2a und 2b ist schematisch ein Bearbeitungskopf 10
dargestellt. Der Bearbeitungskopf 10 ist zum Handbetrieb
ausgelegt und weist daher ein Griffelement 11 auf. Weiterhin
sind zum Auslösen des Laserstrahls ein Schalterelement 12 und
ein als Sicherheitsschalter fungierendes Schalterelement 13
vorgesehen. Der Bearbeitungskopf 10 weist weiterhin einen mit
dem Griffelement 11 verbundenen Gehäusebereich 17 auf, in dem
zumindest die Einrichtung zur Strahlablenkung 50 und die
Auskopplungsoptik 30 angeordnet sind. Die Auskopplungsoptik 30
ist durch eine in einer Stirnseite 22 des Bearbeitungskopfes
10 vorgesehene Strahlaustrittsöffnung 19 hindurchgeführt. Die
Strahlaustrittsöffnung 19 und damit auch die Auskopplungsoptik
30 sind asymmetrisch, im vorliegenden Fall im Bereich der
Kanten 23, 24, in der Stirnseite 22 vorgesehen beziehungsweise
angeordnet. Dadurch lassen sich mit dem Bearbeitungskopf 10
bequem Kanten und Ecken von Bauteilen behandeln.
Der Lichtleiter 14 ist vorteilhaft am unteren Ende des
Griffelements 11 montiert. Je nach Bedarf kann der Lichtleiter
14 auch durch das Griffelement hindurchgeführt werden. Um den
Bearbeitungskopf 10 auch in Bereichen mit nur geringem
Platzangebot einsetzen zu können, ist der Lichtleiter 14 in
einem Winkel von 90 Grad zur Strahlaustrittsöffnung 19 am
Befestigungskopf 10 angeordnet.
Die Einstellung der Laserparameter und anderer Parameter
erfolgt über Einstellelemente 18.
Der Lichtleiter 14 und andere elektronische Verbindungsleiter
15 werden durch einen biegsamen, mechanisch und gegen Staub
schützenden Außenschlauch 16 geschützt, der am unteren Ende
des Griffelements 11 befestigt ist. Durch diese Anordnung der
Elemente 14, 15 und 16 wird eine bestmögliche Zugänglichkeit,
beispielsweise für das Reinigen schwer zugänglicher Teile, wie
etwa Vulkanisierformen oder dergleichen im eingebauten
Zustand, erreicht. Der Bearbeitungskopf 10 wird hierbei
vorteilhaft in Leichtmetall ausgeführt, so daß bei kleinst
möglichem Gewicht eine höchst mögliche Festigkeit erreicht
wird.
Wie in den Fig. 3a und 3b dargestellt ist, kann aus
arbeitssicherheitstechnischen Gründen ein vorgelagertes
Bügelelement 20 vorgesehen sein, das speziell bei der
Reinigung sehr heißer Vulkanisierformen (typische Temperatur
etwa 180°C) ein versehentliches Berühren und hierdurch
Verbrennen der Finger an der heißen Form verhindert. Zur
Auflage der Hand ist weiterhin eine Handauflage 25 vorgesehen,
die gleichzeitig einen mechanischen Schutz des
Bearbeitungskopfes 10 bei Stößen darstellt.
Zusätzlich weist der Behandlungskopf eine konzentrisch
ausgebildete Absaugvorrichtung 21 auf, die um die
Auskopplungsoptik 30 herum angeordnet ist.
Die Fig. 4 bis 12 zeigen verschiedene Ablenkungsbahnen 60 des
Laserstrahls. Fig. 4 zeigt eine kreisförmige Ablenkgeometrie,
wie sie beispielsweise für das Abtragen von Dichtungsresten
auf Dichtflächen vorteilhaft ist. Bei dieser Anwendung sind
die Verunreinigungen auf der zu reinigenden Dichtfläche
örtlich ungleichmäßig verteilt: dünne Schicht in der Mitte und
wulstartig dicke Schicht an den Rändern. Um diese Schichten
vollständig zu entfernen, muß die Laserstrahlung in den
Randbereichen vergleichsweise länger einwirken. Durch
Ablenkung der Laserstrahlung in der in Fig. 4 gezeigten Form
besitzt die Laserstrahlung im Randbereich der dickeren
Rückstände eine längere Verweildauer, wodurch der Abtrag in
diesen Bereichen effizienter erfolgt. Hierdurch lassen sich
für diese Anwendung, insbesondere im automatisierten Betrieb,
höhere Vorschubgeschwindigkeiten erzielen.
Durch Verwendung einer Ablenkungsbahn 60 gemäß Fig. 5 kann die
Breite der Abtragspur auf einfache Weise an unterschiedliche
Bauteilgeometrien angepaßt werden.
Die Fig. 6 und 7 zeigen eine ellipsenförmige Strahlablenkung
mit und ohne veränderlicher Amplitude.
Bei der in Fig. 8 gezeigten, spiralförmigen Ablenkung kann durch
Anpassung des Spurabstands zweier benachbarter Spuren auf
einfache Weise eine flächendeckende Anordnung der
Laserstrahlspuren und damit ein flächig gleichmäßiger Abtrag
erzielt werden.
Bei den Fig. 5 und 7 kann die Veränderung der Amplitude
zyklisch moduliert werden, so daß auch hier eine optimale
flächige Verteilung auf der zu behandelnden Oberfläche erzielt
wird.
In Fig. 9 wird eine weitere, vorteilhafte Ablenkungsbahn 60
dargestellt. Die Laserstrahlung wird in Form einer liegenden
"Acht" so abgelenkt, daß am Ende einer horizontalen Bahn ein
schneller Sprung der Laserstrahlung erfolgt. Durch die
Strahlumlenkung in Form einer liegenden "Acht" wird bei
gleichzeitigem Vorschub des Bearbeitungskopfes 10 eine exakt
parallele, mäanderförmige Anordnung der einzelnen Abtraglinien
erreicht. Dies ist in Fig. 10c dargestellt. Hierdurch kann
sowohl im handgeführten, wie auch im automatisierten Betrieb
ein flächig extrem homogener Abtrag erzielt werden. Ein
solcher homogener Abtrag ist an einem Werkstück 70 in den
Fig. 10a und 10b dargestellt. Das Werkstück 70 besteht aus
einem Grundmaterial 71 und einer Deckschicht 72. Durch die
Laserbearbeitung ergibt sich ein homogenes Abtragmuster 73.
Durch die erzielbare höhere Vorschubgeschwindigkeit wird eine
erhöhte Wirtschaftlichkeit bei der Laserbearbeitung erreicht.
Wenn, wie in Fig. 1b dargestellt wurde, der zweite
Ablenkspiegel als festumlenkender Spiegel ausgebildet und
angeordnet ist, wird mit der Einrichtung zur Strahlablenkung
50 eine horizontale Linie erzeugt, wie sie in den Fig. 11c und
12c dargestellt ist. Gemäß Fig. 11c ergibt sich bei konstantem
Vorschub der Bearbeitungsoptik eine dreiecksförmige
Ablenkungsbahn 60 des Laserstrahls auf der Oberfläche.
Hierdurch ergibt sich, wie dies in Fig. 11a und 11b dargestellt
ist, ein ungleichmäßiges Abtragsmuster mit mit vertieften
Kanten 74 im Randbereich. In den Umkehrpunkten des
winkelveränderlichen Ablenkspiegels 51 beträgt die
Relativgeschwindigkeit des Laserstrahls zur Oberfläche für
einen kleinen Moment Null. Hierdurch kommt es insbesondere bei
temperaturempfindlichen Oberflächen, wie beispielsweise
Vulkanisierformen, die durch ein zu langes Verweilen der
Laserstrahlung Oxidschichten bilden können, zu einer
unerwünschten Werkstückbeeinflussung, die im schlimmsten Fall
zu einer Werstückzerstörung führt. Es wird deshalb
vorgeschlagen, die Laserstrahlung in den Umkehrpunkten des
winkelveränderlichen Spiegels auszuschalten, so daß eine
Werstoffbeeinflussung sicher ausgeschlossen werden kann. Eine
solche Ablenkungsbahn 60 ist in Fig. 12c dargestellt. Durch die
Ausschaltung der Laserstrahlung in den Umkehrpunkten 75 kann
wiederum ein extrem homogenes Abtragmuster 73 erzielt werden.
10
Bearbeitungskopf
11
Griffelement
12
Schalterelement
13
Schalterelement
14
Lichtleiter
15
elektrische Verbindungsleitung
16
Außenschlauch
17
Gehäusebereich
18
Einstellelement
19
Strahlaustrittsöffnung
20
Bügelelement
21
Stirnseite
23
Kante
23
Kante
25
Handauflage
30
Auskopplungsoptik
40
Einrichtung zur Strahlformung
41
Kollimatorlinse
42
festes Umlenkelement
50
Einrichtung zur Strahlablenkung
51
winkelveränderlicher Ablenkspiegel
52
winkelveränderlicher Ablenkspiegel
53
Drehachse
60
Ablenkungsbahn
70
Werkstück
71
Grundmaterial
72
Deckschicht
73
Abtragmuster
74
Kante
75
Umkehrpunkt
Claims (22)
1. Vorrichtung zum Behandeln von Oberflächen mittels
Laserstrahlung, mit einer Laserstrahlquelle und einem mit
dieser über einen Lichtleiter (14) verbundenen
Bearbeitungskopf (10), wobei der Bearbeitungskopf (10) eine
Einrichtung zur Strahlformung (40), eine Einrichtung zur
Strahlablenkung (50) und eine Strahlaustrittsöffnung (19)
aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzeugung einer
geometrisch geführten Ablenkungsbahn (60) des Laserstrahls
auf der zu behandelnden Oberfläche in der Einrichtung zur
Strahlablenkung (50) wenigstens zwei Ablenkspiegel (51, 52)
vorgesehen sind, daß die zwei Ablenkspiegel (51, 52) in
einem Winkel zueinander angeordnet sind und daß zumindest
einer der Ablenkspiegel (51; 52) winkelveränderlich
angeordnet ist.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
zwei winkelveränderliche Ablenkspiegel (51, 52) vorgesehen
sind.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,
daß die Ablenkspiegel (51, 52) orthogonal zueinander
angeordnet sind.
6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch
gekennzeichnet, daß wenigstens eine Steuereinrichtung zum
Steuern des oder der winkelveränderlichen Ablenkspiegel
(51, 52) vorgesehen ist.
5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß
die Steuereinrichtung als Mikroprozessorsteuerung
ausgebildet ist.
6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch
gekennzeichnet, daß die zwei Ablenkspiegel (51, 52) derart
zueinander angeordnet sind, daß die Ablenkungsbahn (60) des
Laserstrahls auf der zu behandelnden Oberfläche
kreisförmig, elliptisch, spiralförmig oder in Form einer
langgestreckten "Acht", jeweils mit fester, veränderlicher
oder oszillierender Amplitude, ausgebildet ist.
7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch
gekennzeichnet, daß der Lichtleiter (14) in einem Winkel
größer 45 Grad, vorzugsweise in einem Winkel von 90 Grad,
zur Strahlaustrittsöffnung (19) am Bearbeitungskopf (10)
angeordnet ist.
6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch
gekennzeichnet, daß die Strahlaustrittsöffnung (19) in
einer Stirnseite (22) des Bearbeitungskopfes (10)
ausgebildet ist und daß die Strahlaustrittsöffnung (19)
vorzugsweise asymmetrisch in der Stirnseite (22)
ausgebildet ist.
9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch
gekennzeichnet, daß in der Strahlaustrittsöffnung (19) eine
Auskopplungsoptik (30) zum Auskoppeln des Laserstrahls
vorgesehen ist.
10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch
gekennzeichnet, daß am Bearbeitungskopf (10) eine
Absaugvorrichtung (21) vorgesehen ist und daß die
Absaugvorrichtung (21) vorzugsweise im Bereich der
Strahlaustrittsöffnung (19) angeordnet ist.
11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch
gekennzeichnet, daß der Bearbeitungskopf (10) zur manuellen
Handführung ein Griffelement (11) aufweist.
12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß
im Bereich des Griffelements (11) ein Bügelelement (20)
vorgesehen ist.
13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch
gekennzeichnet, daß am Bearbeitungskopf (10) wenigstens
ein, vorzugsweise zwei Schalterelemente (12, 13) vorgesehen
ist/sind, wobei das zweite Schalterelement insbesondere als
Sicherheitsschalter, vorzugsweise als Taster mit
Selbsthaltefunktion, ausgestaltet ist.
14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch
gekennzeichnet, daß der Lichtleiter (14) derart mit dem
Griffelement (11) verbunden ist, daß der Lichtleiter (14)
in einem Winkel größer 45 Grad, vorzugsweise in einem
Winkel von 90 Grad zur Strahlaustrittsöffnung (19)
ausgerichtet ist.
15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch
gekennzeichnet, daß ein Diodenlaser vorgesehen ist, dessen
Strahl in den Strahlengang des Bearbeitungslasers
eingekoppelt wird oder einkoppelbar ist.
16. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch
gekennzeichnet, daß ein photoelektrischer Sensor zur
Messung der Laserstrahlleistung vorgesehen ist.
17. Verfahren zum Behandeln von Oberflächen mittels
Laserstrahlung unter Verwendung einer Vorrichtung nach
einem der Ansprüche 1 bis 16, gekennzeichnet durch folgende
Schritte: a) Einkoppeln des Laserstrahls über den
Lichtleiter in den Bearbeitungskopf; b) Überführen des
Laserstrahls in der Einrichtung zur Strahlformung in ein
paralleles Strahlenbündel; c) Ablenken des Laserstrahls
über die wenigstens zwei in einem Winkel zueinander
angeordneten Ablenkspiegel in der Einrichtung zur
Strahlablenkung derart, daß der aus der
Strahlaustrittsöffnung ausgekoppelte Laserstrahl in einer
geometrisch geführten Ablenkungsbahn auf der zu
behandelnden Oberfläche geführt wird.
18. Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß
wenigstens einer der Ablenkspiegel, vorzugsweise zwei
Ablenkspiegel, über eine Steuereinrichtung, insbesondere
eine Mikroprozessorsteuerung, winkelveränderlich
angesteuert werden und daß die Geometrie der Ablenkungsbahn
des Laserstrahls über die Betätigung der Steuereinrichtung
und die damit verbundene Winkelveränderung des oder der
Ablenkspiegel eingestellt wird.
19. Verfahren nach Anspruch 17 oder 18, dadurch gekennzeichnet,
daß die Ablenkungsbahn des Laserstrahls in Form einer
langgestreckten "Acht" eingestellt wird.
20. Verfahren nach Anspruch 17 oder 18, dadurch gekennzeichnet,
daß die Ablenkungsbahn des Laserstrahls in Form eines
Kreises, einer Ellipse oder einer Spirale, jeweils mit
fester, veränderlicher oder oszillierender Amplitude,
eingestellt wird.
21. Verfahren nach einem der Ansprüche 17 bis 20, dadurch
gekennzeichnet, daß die Strahleinwirkung des Laserstrahls
auf die zu behandelnde Oberfläche an den Umkehrpunkten der
Ablenkbewegung reduziert oder unterbrochen wird.
22. Verwendung einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis
16 und/oder eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 17
bis 21 zum handgeführten oder automatisierten oder
robotergestützten Bearbeiten von Oberflächen, insbesondere
zum Abtragen von Oberflächenschichten oder zum Reinigen von
technischen Oberflächen.
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