EP3478443A2 - Vorrichtung zum einführen einer optik in den strahlengang eines laserbearbeitungskopfes und laserbearbeitungskopf mit derselben - Google Patents

Vorrichtung zum einführen einer optik in den strahlengang eines laserbearbeitungskopfes und laserbearbeitungskopf mit derselben

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Publication number
EP3478443A2
EP3478443A2 EP17737530.0A EP17737530A EP3478443A2 EP 3478443 A2 EP3478443 A2 EP 3478443A2 EP 17737530 A EP17737530 A EP 17737530A EP 3478443 A2 EP3478443 A2 EP 3478443A2
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
optics
laser
optic
optical axis
processing head
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP17737530.0A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Andreas Rudolf
Georg Spörl
Fabian Becker
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Precitec GmbH and Co KG
Original Assignee
Precitec GmbH and Co KG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Precitec GmbH and Co KG filed Critical Precitec GmbH and Co KG
Publication of EP3478443A2 publication Critical patent/EP3478443A2/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/02—Positioning or observing the workpiece, e.g. with respect to the point of impact; Aligning, aiming or focusing the laser beam
    • B23K26/06—Shaping the laser beam, e.g. by masks or multi-focusing
    • B23K26/064—Shaping the laser beam, e.g. by masks or multi-focusing by means of optical elements, e.g. lenses, mirrors or prisms
    • B23K26/0648—Shaping the laser beam, e.g. by masks or multi-focusing by means of optical elements, e.g. lenses, mirrors or prisms comprising lenses
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
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    • B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/02—Positioning or observing the workpiece, e.g. with respect to the point of impact; Aligning, aiming or focusing the laser beam
    • B23K26/04—Automatically aligning, aiming or focusing the laser beam, e.g. using the back-scattered light
    • B23K26/046—Automatically focusing the laser beam
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/70—Auxiliary operations or equipment
    • B23K26/702—Auxiliary equipment
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B7/00—Mountings, adjusting means, or light-tight connections, for optical elements
    • G02B7/003—Alignment of optical elements
    • G02B7/005—Motorised alignment
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B27/00—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00
    • G02B27/09—Beam shaping, e.g. changing the cross-sectional area, not otherwise provided for
    • G02B27/0927—Systems for changing the beam intensity distribution, e.g. Gaussian to top-hat

Definitions

  • the invention relates to a device for introducing an optic, e.g. a beam shaping optics, in the beam path of a laser processing head and a laser processing head with the same.
  • laser processing head means a device for material processing by means of a laser beam, preferably for laser cutting or cutting.
  • the laser beam exiting from a laser light source for example the end of a laser fiber
  • a laser light source for example the end of a laser fiber
  • the diameter of the focus that is to say the diameter of the image of the laser light source on the workpiece, then results from the optical data of the individual optical elements of the beam guiding and focusing optics. If a laser processing head with collimator optics and focusing optics is used by default, the laser light being supplied via an optical fiber, then the focal diameter results from the product of fiber core diameter and focusing focal length divided by the collimation focal length.
  • a focus diameter of about 125 ⁇ is used up to a plate thickness of 5 mm, while cutting 5 mm to 10 mm thick sheets twice as large focus diameter, ie a focus diameter of about 250 ⁇ is desired.
  • guiding and focusing optics are used which provide a focus diameter of about 600 ⁇ m.
  • it may be advantageous to form a ring profile of the intensity distribution in the focus since this results in a more homogeneous temperature distribution in the kerf.
  • Beam shaping optics designate one or more optics to match a laser beam characteristic (for example a power density distribution, a focus diameter and / or a shape of a laser beam) to the thickness of the workpiece to be machined (thin / thick sheet), to the material of the workpiece (aluminum , Stainless steel, structural steel, ...) or to a process step (grooving, contour, labeling, ).
  • a laser beam characteristic for example a power density distribution, a focus diameter and / or a shape of a laser beam
  • a laser processing apparatus in which the beam diameter and Rayleigh length of a laser beam can be changed by selectively introducing different Kollimationslinsen in the beam path.
  • the collimating lenses received in a lens holder can be moved by a switching unit either linearly perpendicular to the optical axis or rotating with a rotation axis parallel to the optical axis in or out of the laser beam.
  • optics in particular beam-forming optics
  • the laser beam must be turned off to avoid uncontrolled reflections of the laser beam on the socket and laser safety of the staff and life of the laser processing head to guaran costs.
  • the laser beam characteristic is not immediately constant after switching on the laser emission, so that a certain waiting time after switching on may be necessary.
  • the required interruption of the laser emission during the insertion or removal of the optics has a negative effect on the processing time and complicates the process control.
  • the invention has for its object to provide a device for selectively introducing an optics (in particular a beam shaping optics, eg for forming a ring profile in focus) in a beam path of a laser processing head, and a device for material processing by means of a laser beam (in particular for laser cutting, for example a laser processing head) with the same, wherein the device allows rapid switching on and off of the optics in the laser beam or a rapid adaptation of a laser beam characteristic while ensuring laser safety and compact design.
  • an optics in particular a beam shaping optics, eg for forming a ring profile in focus
  • a laser beam in particular for laser cutting, for example a laser processing head
  • the invention is based on the idea of using a movement unit with a drive element and a coupling element between the optics and the drive element in order to move the optics into and out of the beam path.
  • an apparatus for selectively introducing optics into a beam path of a laser processing head comprises optics, e.g. a beam shaping optics, and a moving unit for moving the optics.
  • the movement unit is preferably designed to move the optics from a first position outside the beam path to a second position in the beam path, and / or vice versa from the second position to the first position.
  • the first position of the optics are outside the optical axis of the device (or the laser processing head) and the second position of the optics on the optical axis.
  • the optical axis of the device corresponds to the optical axis of the laser processing head when the device is mounted in the laser processing head.
  • the movement unit may comprise a drive element and a coupling element, wherein the coupling element is adapted to couple the optics with the drive element.
  • the device may further comprise a socket for holding the optic.
  • the movement unit may be attached to the socket.
  • the frame can be designed to be the optics surround only partially except for an open peripheral area.
  • the open peripheral region can be designed so that the laser beam when moving the optics in the laser beam (exclusively or predominantly) traverses the open peripheral region.
  • the laser beam does not hit the socket during insertion or removal of the optics, so that no laser reflections are produced on the socket.
  • the open circumferential region can correspond to at least one diameter of the laser beam passing through the optics. More specifically, a length of the chord formed by the open peripheral portion may be greater than or equal to the laser beam diameter, i. if the optic is introduced into a collimated beam, greater than or equal to the diameter of the collimated laser beam. In this way, the optics can be removed from the beam path or inserted therein, without having to interrupt the laser emission, since there is no risk of uncontrolled reflexes on the socket.
  • the socket can be formed along a circular sector on the circumference with an opening angle or center angle of less than 360 °, for example less than 270 ° or 180 °.
  • the optics can also be rectangular, in particular square, shaped, wherein the socket is formed along part of the circumference of the optics.
  • the socket surrounds the circumference of the optics at least half, ie corresponding to a center angle of 180 °.
  • the drive element can be operated manually, and, for example, a screw or the like. include. The drive element may alternatively be operated automatically.
  • the drive element may include at least one of the following elements: a motor, eg a rotary motor and / or a linear motor, a piezo, a pneumatic cylinder, an electric cylinder and a magnetic cylinder.
  • the moving unit may be adapted to pivot the optic about an axis of rotation that is in a plane perpendicular to the optical axis of the device or laser processing head.
  • an optical surface of the optical system, through which optical beams are to pass can have a surface normal, which, as it moves from the first position to the second position, is moved from a perpendicular orientation to the optical axis into a parallel alignment with the optical axis.
  • the motion unit may also be adapted to pivot the optic about an axis of rotation that is parallel to the optical axis of the device or laser processing head. That is, the moving unit may be configured to rotate the optics in a plane that is perpendicular to the optical axis. The optics can thus be moved along a circumference in the plane perpendicular to the optical axis. Here, the surface normal of the optical surface of the optics can be aligned both in the first position and in the second position parallel to the optical axis. Furthermore, the movement unit can be designed to move the optics linearly in a plane which is perpendicular to the optical axis. Here, the movement unit can push or pull the optics in the beam path or out of these.
  • the movement unit may comprise an axle or a shaft, which is fastened to the socket of the optics and about which the optic is pivotable.
  • the axle is preferably at one end with a drive element, e.g. a rotary motor, connected. At the other end, the axle may be mounted in a guide element, such as a pivot bearing.
  • the movement unit may comprise a first and a second knee or scissor lever.
  • the first toggle may be between a motor, e.g. a rotary motor, and the second toggle be arranged.
  • the second toggle can be connected to the socket of the optics.
  • the knee levers may be arranged in a plane perpendicular ("horizontal toggle lever arrangement") or in a plane parallel to the optical axis (“vertical toggle lever arrangement").
  • the movement unit preferably comprises at least one guide element for guiding the movement of the optics.
  • the guide element may be coupled to the socket of the optics.
  • guide elements for example, rails, slots, Gleitrid- ments, ball guides, roller guides, cross roller guides, pivot bearings or the like can be used.
  • the guide element may be provided on one side of the optics, or on both sides, ie on opposite sides of the optics.
  • the guide element can be rectilinear, for example, parallel to a linear direction of movement, formed. As a result, a linear movement of the optics can be performed.
  • the guide element In a rotational movement of the optics, the guide element may be arranged in a plane perpendicular to the axis of rotation.
  • the guide element may be arc-shaped or curved in a plane parallel to the optical axis.
  • a pivotal movement can be generated with a rotation axis perpendicular to the optical axis.
  • the guide element may comprise a plurality of guide sections, which are arranged in a plane perpendicular to the axis of rotation. Adjacent guide sections can form an angle between 90 ° and 180 ° with each other.
  • the optics can be rotated along the guide element with an axis of rotation perpendicular to the optical axis at this angle, for example by using a vertical toggle lever arrangement.
  • the moving unit preferably includes at least one coupling element, e.g. an axle, a toggle lever pair, a shaft, a piston, a magnetic pole, a threaded spindle, a belt drive, or a cam.
  • the coupling element can connect the optics with a drive element.
  • the coupling element is connected to the socket of the optics.
  • a laser processing head for material processing by means of a laser beam which comprises a device for selectively introducing the optics, eg a beam shaping optics, into the laser beam of the laser processing head according to one of the preceding embodiments.
  • the laser processing head may further comprise a housing which surrounds the beam path of the laser processing head.
  • the device may be integrated in the laser processing head.
  • the device can be arranged in or attached to a housing of the laser processing head.
  • the device may comprise a holder, which forms part of the housing and has an opening corresponding to the beam path of the laser machining. comprises head.
  • the optics can be arranged in the holder so that it can be moved by the movement unit into the opening.
  • the absorbents comprise an absorbent coating of a housing interior of the laser processing head.
  • the absorption means are arranged in a housing of the laser processing head in the region in which a radiation reflected upon movement of the optics impinges.
  • the absorption means may be provided in a region of the housing, on which a maximum of the reflected laser radiation impinges.
  • the absorbents are disposed adjacent to the optic.
  • the laser processing head may include a cooling unit for cooling the housing (e.g., by water) to remove heat from the laser processing head due to absorption of reflected laser radiation.
  • the cooling unit can be arranged in a region of the housing in which a radiation reflected at the optics, in particular a maximum of reflected radiation impinges.
  • the cooling unit may be located near the absorbent. This is particularly advantageous when using a moving unit for moving the optics with angles not equal to 90 ° to the optical axis, e.g. when using a movement unit for rotating the optics with a rotation axis perpendicular to the opti- see axis.
  • the device for selectively introducing the optics in front of the focusing sieroptik, for example a focusing lens, in the beam path of the laser processing head is arranged.
  • the device is arranged in the collimated laser beam.
  • the optics is arranged between a collimator optics for widening the laser beam and the focusing optics.
  • FIGS. 2A to 2C optics with part-side mounting
  • FIG. 3A is a schematic side view of a device according to the invention for the selective introduction of an optical system with a rotation axis perpendicular to the optical axis (without mounting),
  • FIG. 3B is a schematic plan view of the device from FIG. 3A, FIG.
  • 3C is a schematic 3D view of the device of FIG. 3A with holder for attachment to a laser processing head
  • FIG. 3D a schematic illustration of reflections during insertion or removal of the device from FIG. 3A into or out of a beam path of a laser head
  • 3E is a graph illustrating reflection losses in a laser head during insertion or removal of the device of FIG. 3A into and out of a beam path of a laser head;
  • 3F shows a schematic side view of a device according to the invention for the selective introduction of optics with a rotation axis parallel to the optical axis
  • FIG. 4A is a schematic plan view of a device according to the invention for the selective introduction of optics in a linear movement perpendicular to the optical axis using a horizontal toggle lever assembly
  • Fig. 4B is a schematic plan view of a device according to the invention for selectively introducing an optic in a linear movement perpendicular to the optical axis using a vertical toggle assembly
  • 5A shows a schematic side view of a guide element of a device according to the invention with two guide sections for the selective introduction of an optic with a rotation axis perpendicular to the optical axis
  • 5B shows a schematic side view of a curved guide element of a device according to the invention for the selective introduction of optics with a rotation axis perpendicular to the optical axis
  • FIG. 6 is a schematic plan view of a device according to the invention for the selective introduction of optics in a linear movement perpendicular to the optical axis using a piezo or a linear motor,
  • Fig. 7A is a schematic plan view of a device according to the invention for selectively introducing optics in a linear motion perpendicular to the optical axis using a pneumatic or electric cylinder
  • Fig. 7B is a schematic plan view of a device according to the invention for selectively introducing an optic in a linear motion perpendicular to optical axis using a magnetic cylinder
  • FIG. 8 shows a schematic plan view of a device according to the invention for the selective introduction of optics in a linear movement perpendicular to the optical axis using a threaded spindle
  • Fig. 9 is a schematic plan view of a device according to the invention for selectively introducing an optic in a linear movement perpendicular to the optical axis using a tape drive, and
  • FIG. 10 is a schematic plan view of a device according to the invention for the selective introduction of optics in a linear movement perpendicular to the optical axis using a cam.
  • FIG. 1 shows a device 100 for selectively introducing an optical system 10 into the beam path of a laser processing head in a built-in state in the laser processing head.
  • the apparatus 100 is disposed in the collimated laser beam 14 between a collimator optics 17 and a focusing lens 15.
  • a divergent laser beam emerging from an optical fiber 16 is converted by the collimator optical system 17 into a parallel or collimated laser beam 14, which is focused by the focusing lens 15 onto a workpiece 18.
  • the device 100 with the optics 10 can also be arranged in the beam path behind the focusing lens 15.
  • the device 100 can also be arranged in the divergent or convergent laser beam.
  • the device 100 comprises an optic 10, such as a beam-shaping optics, for example a lens, a lens group, a lens array, a homogenizer, a diffractive optical element, an axicon, an axicon array, a faceted optic and the like, and a movement unit 20, through which the Optics 10 between a first position and a second position can be moved back and forth.
  • the movement unit 20 can include a drive element 210 and optionally a coupling element 220, which couples the drive element 210 and the optics 10 together.
  • the apparatus 100 may further include a support 30 in which the optics 10 and possibly other elements of the device 100, e.g. the movement unit 20 or parts thereof, are arranged.
  • an opening 40 is formed, which defines a beam path of the device.
  • An optical axis OA or a beam path of the device 100 preferably passes through a center of the opening 40.
  • the beam path of the device corresponds to the beam path of the laser processing head, i. the laser beam passes through the opening 40.
  • the optical axis OA of the device 100 corresponds to the optical axis of the laser processing head.
  • the holder 30 may further comprise attachment means for attaching the device to a housing of the laser processing head such that the optical axes of the device and the laser processing head are aligned with each other.
  • the optical system 10 can be movably mounted in the laser processing head by the device 100, so that, for example, beam shaping of the intensity profile in the focal plane can optionally be switched on and off.
  • the optics 10 as shown in Figures 2A to 2C, a socket 12 which surrounds only a portion of a circumference 11 of the optical system 10 and a free or open peripheral area I Ia spared.
  • the socket 12 of the optical system 10 is thus formed only partially along a circumference 11 of the optical system 10.
  • the socket 12 is formed on one side along the circumference 11 of the optical system 10.
  • the optic 10 may consist of a substrate of any shape, and for example have a circular, oval, rectangular, square, triangular or polygonal circumference 11.
  • the socket 12 may be formed, for example, along a circular sector with a center angle of ⁇ 360 °.
  • the resulting free or open peripheral region I Ia is preferably at least as wide as the laser beam at the position where the optic 10 is introduced into the laser beam, ie as wide as the collimated laser beam 14 in the example shown in FIG.
  • the optics 10 can be removed from the beam path or inserted therein, without having to interrupt the laser emission. For there is no danger of uncontrolled reflections on the version 12. Even if the laser beam illuminates those edge surfaces of the optics 10, which do not belong to the so-called Clear Aperture, provide any backflashes for modern high-power laser sources still no danger. Also, there is little danger to damage the optic 10 when the laser beam is moved across the edge of the optic 10 because the optic 10 is preferably made of high power laser-grade glass. In particular, the optics 10 should be able to be moved into and out of the laser beam at a sufficiently high speed, so that the interaction duration with the laser radiation is sufficiently short.
  • the optic 10 is movable perpendicular to the optical axis OA of the device 100 or of the laser processing head and can thus be pushed into the beam path, for example, by a linear movement.
  • the optics 10 can be moved into and out of the beam path parallel or perpendicular to the optical axis OA by rotation with a rotation axis.
  • the optics 10 may be manually or automatically operated, eg operated by a motor.
  • FIGS. 3 to 10 show exemplary embodiments of a device 100 according to the invention for selectively introducing the optics 10 in a beam path of the device 100.
  • the socket 30 is mostly not shown.
  • the open peripheral region 11a of the optical system 10 is in this case designed in the direction of movement, so that the laser beam passes during insertion or removal of the optical system 10 through the open peripheral region 11a.
  • the device 100 according to FIGS. 3A to 3C is designed to rotate the optics 10 with an axis of rotation perpendicular to the optical axis OA of the device 100, preferably by an angle of> 90 °.
  • FIG. 3A shows a schematic side view, wherein the optics 10 is moved from a first position A outside the beam path (dashed lines) to a second position B in the beam path or on the optical axis OA.
  • An axle or shaft 221 is attached to the socket 12 of the optic 10, around which the optic 10 can be turned or tilted.
  • the axis 221 extends perpendicular to the optical axis OA of the device 100.
  • Fig. 3B is a plan view of this arrangement is shown.
  • the axle 221 is connected at one end to a drive element 210, for example a rotary motor.
  • the rotary motor can be realized with an additional gear.
  • the axis 221 thus acts as a coupling element 220 in this embodiment.
  • the axle 221 may be mounted in a guide member 230, such as a pivot bearing.
  • the optics 10 is pivoted in the direction of the curved arrow.
  • guide elements 230 or pivot bearings can also be used on both sides of the axis 221.
  • the second guide element 230 may in this case be arranged between the axis 221 and the drive element 210.
  • the device 100 is shown in perspective, wherein a holder 30 is shown.
  • the holder 30 has fastening means 31 which serve for fastening the device to the laser processing head.
  • the holder 30 is open on one side and has on an opposite side an opening 40 through which the optical axis OA of the device leads.
  • the device 100 shown in Figures 3A to 3C is particularly advantageous because of the small horizontal space requirement.
  • This embodiment with a folding mechanism is characterized by a short duration of the switching operation between the first position A and the second position B, a compact and lightweight construction, low wear and low cost.
  • an optic e.g. a beam-forming optics, provided with an anti-reflective coating.
  • Such coatings are never perfect and have some residual ref ectivity, typically ⁇ 0.5 in the specified wavelength and incident angle range. If the optic is positioned in the collimated beam, optics 10 with a reflectivity optimized for small angles of about 0 ° can be selected.
  • the optic 10 When inserted, the optic 10 produces a back reflection along the optical axis OA, i. towards the optical fiber 16.
  • This reflex represents i.d.R. No risk to the fiber or the laser.
  • the optical system 10 is folded during the removal / insertion, the reflex hits internal parts or the inner wall of the housing of the laser processing head.
  • FIG. 3E shows a graphic representation of the reflection losses as a function of the folding angle. As the angle of incidence increases with the folding angle, the reflectivity of the anti-reflection coating also increases when it is optimized for small angles of 0 °.
  • the reflection surface of the optics also drops, starting from a certain angle of tilt, in FIG. 3D starting at approximately 40 °. Consequently, there is an angle at which a maximum of the reflected power is achieved.
  • the maximum of the reflected power is achieved in the example shown in FIGS. 3D and 3E at a folding angle of approximately 65 °. The maximum losses are therefore about 11%.
  • absorption means for absorbing the reflected radiation are preferably placed in the head, for example in that region where the power maximum impinges. This can For example, by an absorbent coating the inside of the housing of the laser processing head done. The reflected power is thus efficiently converted into a warming of the housing. In order to dissipate this heat from the head, it is also possible to cool (for example through water) the housing, which in particular circulates close to the absorption medium.
  • the axis of rotation may be parallel to the optical axis, so that the optics 10 are pivoted by the moving unit 20 into the beam path can, as shown in Figure 3F.
  • FIGS. 4A and 4B show devices 100 in which the optics 10 can be displaced by a toggle lever arrangement in a rectilinear translatory movement perpendicular to the optical axis OA.
  • a so-called horizontal toggle lever arrangement is shown, in which a first toggle lever 222 and a second toggle lever 223 are arranged in a plane perpendicular to the optical axis OA or in a plane parallel to the direction of movement.
  • the first toggle lever 222 is connected at its first end to a drive element 210, eg a rotary motor, and at its second end to a first end of the second toggle lever 223.
  • the second end of the second toggle lever 223 is connected to the optic 10 and to the socket 12 connected.
  • a rectilinear guide member 230 is provided, such as a cross roller guide. If the first toggle lever 222 is now rotated by the drive element 210, the rotation is transmitted to the optics 10 via the second toggle lever and converted into a straight-line movement by the at least one guide element 230.
  • 4B shows a so-called vertical toggle lever arrangement in which a first toggle lever 222 and a second toggle lever 223 are arranged in a plane parallel to the optical axis OA or in a plane perpendicular to the direction of movement.
  • the first toggle lever 22 is connected at its first end to a drive element 210, such as a rotary motor, and at its second end to a first end of the second bell crank 223.
  • the second toggle 223 is in turn at its second end connected to the optics 10 and the socket 12.
  • a guide member 230 may be provided on one side or on both sides of the socket 12 to guide a straight line movement, such as a cross roller guide.
  • This embodiment with a vertical toggle assembly (see FIG. 4B), particularly in combination with the guide according to the embodiments shown in FIG. 5A or 5B, is compact in terms of a short duration of the switching operation between the first position A and the second position B. and lightweight construction and due to low wear and low costs.
  • FIGS. 5A and 5B show a further exemplary embodiment of a device 100 in which the optical system 10 can be moved back and forth with an axis of rotation perpendicular to the optical axis OA between the first position A and the second position B.
  • the movement unit 20 itself is not shown, but only the guide element 230 and the optics 10.
  • the embodiments shown in FIGS. 5A and 5B may be combined with one of the knee lever arrangements described above, preferably with the vertical toggle lever arrangement of FIG. 4B.
  • FIG. 5A shows a side view of the movement of the optic 10 along an L-shaped guide element 230.
  • the guide element 230 consists of a first guide section 321 and a second guide section 232 arranged perpendicular thereto.
  • the two guide sections 231 and 232 do not have to be arranged perpendicular to one another, but can form an angle between 90 ° and 180 °, for example.
  • Such a guide element 230 may be arranged on one side or on two opposite sides of the optics 10 in order to guide the optics 10 safely.
  • Fig. 5B an alternative embodiment of the guide member 230 is shown.
  • the guide member 230 is here arcuate or curved to guide the optics 10 along this curvature.
  • the devices shown in FIGS. 5A and 5B can convert a linear movement into a rotational movement of the optics 10.
  • the Volume which is crossed during the movement, minimized compared to the embodiment shown in Figures 3A to 3C. Therefore, other components of the laser processing head may be positioned closer to the optic 10.
  • the drive element 210 can be positioned to save space next to or below the parked in position A optics 10.
  • an air resistance or an air swirl during the switching operation is reduced.
  • a direct drive device 100 in which the optics 10 by means of a piezo motor with linear motor along a shaft 224, which is anchored in the holder 30 (not shown in Fig. 6), in a rectilinear translational motion perpendicular to optical axis is shifted.
  • a guide member 230 may be provided, such as a cross roller guide.
  • FIG. 7A is a similar arrangement as shown in Fig. 6, but with a pneumatic or electric cylinder with a linear motor as the drive element 210, the optics 10 via a piston 225 as a coupling element 220 with a rectilinear motion perpendicular to the opti- see axis OA out and moved here.
  • FIG. 7B shows a further embodiment in which a rotary motor is used as drive element 210 and a magnetic cylinder 229a with magnetic pole slide 229b is used as coupling element 220.
  • the magnetic cylinder 229a is rotated by the motor, and due to the pole change, the magnetic pole slide 229b attached to the optical system 10 is displaced together with the optical system 10.
  • a guide member 230 may be provided as a cross roller guide.
  • FIG. 8 shows a device 100 in which the optics 10 are moved in a linear translatory motion perpendicular to the optical axis OA by means of a threaded spindle 226 as a coupling element 220 and a rotary motor as a drive element 210.
  • a threaded spindle 226 as a coupling element 220
  • a rotary motor as a drive element 210.
  • the optics 10 By rotation of the threaded spindle 226, the optics 10 along a rectilinear guide member 230, such as a cross roller guide, out.
  • a device 100 is shown in which the optics 10 is moved by means of a tape drive.
  • a rotational movement of a rotary motor 210 is converted into a translatory movement by a belt 227b fastened to a roller 227a, so that the optical system 10 is pushed into or out of the beam path in a rectilinear motion perpendicular to the optical axis.
  • the band 227b winds up and down on the roller 227a coupled to the motor 210, whereby the rotational movement of the motor 210 is converted into a rectilinear movement of the optic 10 (see also patent application DE 10 2014 101 477).
  • the socket 12 can be guided in a guide element 230, such as a cross roller guide.
  • a device 100 is shown in which a rotational movement of the drive element 210 is converted by means of a cam 228a and guide members 230 provided on both sides in a rectilinear movement of the optics 10 perpendicular to the optical axis OA.
  • a mounted on the socket 12 spring element 228b may be arranged so that it ensures a backward movement of the cam 228a outward movement of the optics 10 from the beam path.
  • the invention therefore provides a device for introducing an optical system into a beam path of a laser processing head, which enables safe switching during high-power laser emission, fast switching times, low abrasion, compact design and low weight. Due to the short switching time, high clock speeds are possible, ensuring laser safety and continuous operation / lifetime of the head.
  • the use of optics is optional, automated, fast and safe, so that the user can adjust the laser beam characteristics as needed, and can switch and program the switching electronically.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum selektiven Einführen einer Optik (10) in einen Laserstrahl eines Laserbearbeitungskopfes, umfassend: eine Optik (10) und eine Bewegungseinheit (20) zum Bewegen der Optik (10), wobei die Bewegungseinheit (20) ein Antriebselement (210) und mindestens ein Kopplungselement (220) umfasst, das die Optik (10) mit dem Antriebselement (210) koppelt.

Description

Vorrichtung zum Einführen einer Optik in den Strahlengang eines Laserbearbeitungskopfes und Laserbearbeitungskopf mit derselben
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Einführen einer Optik, z.B. einer Strahlformungsoptik, in den Strahlengang eines Laserbearbeitungskopfes und einen Laserbe- arbeitungskopf mit derselben. Hierbei bezeichnet Laserbearbeitungskopf eine Vorrichtung zur Materialbearbeitung mittels eines Laserstrahls, vorzugsweise zum Laserschneiden oder -schneiden.
Bei der Materialbearbeitung mittels eines Laserstrahls, 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 Strahlführungs- und Fokussierungsoptik. Wird standardmäßig ein Laserbearbeitung s- köpf mit einer Kollimatoroptik und einer Fokussierungsoptik verwendet, wobei 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 Fokusdurchmesser, d.h. 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 μιη verwendet, während beim Schneiden von 5 mm bis 10 mm dicken Blechen ein doppelt so großer Fokusdurchmesser, also ein Fokusdurchmesser von ca. 250 μιη gewünscht wird. Ab Blechdicken von 10 mm werden Führungs- und Fokussieroptiken eingesetzt, die einen Fokusdurchmesser von ca. 600 μιη liefern. Bei großen Fokusdurchmessern kann es vorteilhaft sein, 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. Um ein möglichst großes Spektrum an Materialien und Blechdicken in hoher Qualität bearbeiten zu können, benötigen moderne Laserbearbeitungsköpfe eine Möglichkeit zum Einstellen einer jeweils optimal geeigneten Laserstrahlcharakteristik auf dem Werkstück, insbesondere zum Einstellen eines Fokusdurchmessers bzw. einer Laser- lei stung sdichteverteilung .
Zur Anpassung der Laserstrahlcharakteristik können Strahlformungsoptiken verwendet werden. Eine Strahlformungsoptik bezeichnet eine Optik oder mehrere Optiken, um eine Laserstrahlcharakteristik (beispielsweise eine Leistungsdichteverteilung, einen Fokusdurchmesser und/oder eine Form eines Laserstrahls) an die Dicke des zu bearbei- tenden Werkstücks (Dünn-/Dickblech), an das Material des Werkstücks (Aluminium, Edelstahl, Baustahl, ...) oder an einen Prozessschritt (Einstechen, Kontur, Beschriftung, ...) anzupassen.
Aus der EP 2 711 121 AI ist eine Laserbearbeitungsvorrichtung bekannt, bei der Strahldurchmesser und Rayleigh-Länge eines Laserstrahls durch selektives Einführen von verschiedenen Kollimationslinsen in den Strahlengang verändert werden kann. Hierfür können die in einer Linsenhalterung aufgenommenen Kollimationslinsen durch eine Schalteinheit entweder linear senkrecht zur optischen Achse oder drehend mit einer Rotationsache parallel zur optischen Achse in den bzw. aus dem Laserstrahl bewegt werden.
Üblicherweise sind Optiken, insbesondere Strahlformungsoptiken, vollumfänglich von einer Fassung umgeben. Daher muss vor Einführen bzw. Entfernen der Optik in den bzw. aus dem Strahlengang des Laserstrahls der Laserstrahl abgeschaltet werden, um unkontrollierte Reflexionen des Laserstrahls an der Fassung zu vermeiden und Lasersicherheit des Personals und Lebensdauer des Laserbearbeitungskopfes zu gewährlei sten. Möglicherweise ist zudem die Laserstrahlcharakteristik nach dem Einschalten der Laseremission nicht sofort konstant, so dass eine gewisse Wartezeit nach dem Einschalten nötig sein kann. Die benötigte Unterbrechung der Laseremission während des Einführens bzw. Entfernens der Optik wirkt sich jedoch negativ auf die Bearbeitungsdauer aus und verkompliziert die Prozesssteuerung. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zum selektiven Einführen einer Optik (insbesondere einer Strahlformungsoptik, z.B. zur Formung eines Ringprofils im Fokus) in einen Strahlengang eines Laserbearbeitungskopfes bereit zu stellen, sowie eine Vorrichtung für Materialbearbeitung mittels eines Laserstrahls (insbesondere für Laserschneiden, beispielsweise einen Laserbearbeitungskopf) mit derselben, wobei die Vorrichtung ein rasches Zu- und Abschalten der Optik in den Laserstrahl bzw. eine rasche Anpassung einer Laserstrahlcharakteristik bei Gewährleistung von Lasersicherheit und kompakter Bauweise ermöglicht.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Vorrichtung zum selektiven Einführen einer Optik gemäß Anspruch 1 und durch einen Laserbearbeitungskopf mit derselben gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben.
Der Erfindung liegt die Idee zugrunde, eine Bewegungseinheit mit einem Antriebselement und einem Kopplungselement zwischen Optik und Antriebselement einzusetzen, um die Optik in den Strahlengang hinein und aus demselben hinaus zu bewegen.
Erfindungsgemäß umfasst eine Vorrichtung zum selektiven Einführen einer Optik in einen Strahlengang eines Laserbearbeitungskopfes eine Optik, z.B. eine Strahlformungsoptik, und eine Bewegungseinheit zum Bewegen der Optik. Die Bewegungseinheit ist vorzugsweise dazu ausgerichtet, die Optik von einer ersten Position außerhalb des Strahlengangs in eine zweite Position im Strahlengang zu bewegen, und/oder umgekehrt von der zweiten Position in die erste Position. Mit anderen Worten liegen die erste Position der Optik außerhalb der optischen Achse der Vorrichtung (bzw. des Laserbearbeitungskopfes) und die zweite Position der Optik auf der optischen Achse. Die optische Achse der Vorrichtung entspricht dabei der optischen Achse des Laserbearbeitungskopfes, wenn die Vorrichtung im Laserbearbei- tungskopf angebracht ist. Die Bewegungseinheit kann ein Antriebselement und ein Kopplungselement umfassen, wobei das Kopplungselement dazu ausgerichtet ist, die Optik mit dem Antriebselement zu koppeln.
Die Vorrichtung kann ferner eine Fassung zum Halten der Optik aufweisen. Die Bewegungseinheit kann an der Fassung befestigt sein. Die Fassung kann so gestaltet sein, dass sie die Optik nur teilweise mit Ausnahme eines offenen Umfangsbereichs umgibt. Durch eine Optik mit teilseitiger Fassung, die einen sogenannten offenen Umfangsbereich der Optik ausspart, kann die Optik bei eingeschaltetem Laser in den Strahlengang eingeführt werden, ohne dass Gefahr für Personal und Geräte durch unkontrollierte Reflexe an der Fas- sung besteht. Mit anderen Worten wird ein Dauerbetrieb eines Hochleistungslasers in einem Laserbearbeitungskopf ermöglicht, wobei mit schnellen Schaltzeiten gefahrlos eine Laserstrahlcharakteristik im laufenden Betrieb angepasst werden kann.
Der offene Umfangsbereich kann so gestaltet sein, dass der Laserstrahl beim Bewegen der Optik in den Laserstrahl (ausschließlich bzw. überwiegend) den offenen Umfangsbereich durchquert. Somit trifft der Laserstrahl bei Einführen bzw. Entfernen der Optik nicht auf die Fassung, sodass keine Laserreflexionen an der Fassung entstehen. Der offene Umfangsbereich kann hierfür mindestens einem Durchmesser des durch die Optik tretenden Laserstrahls entsprechen. Genauer gesagt kann eine Länge der von dem offenen Umfangsbereich gebildeten Kreissehne größer oder gleich dem Laserstrahldurchmesser sein, d.h. falls die Optik in einen kollimierten Strahl eingeführt wird, größer oder gleich dem Durchmesser des kollimierten Laserstrahls. Auf diese Weise kann die Optik aus dem Strahlengang entfernt bzw. darin eingefügt werden, ohne die Laseremission unterbrechen zu müssen, da keine Gefahr durch unkontrollierte Reflexe an der Fassung besteht.
Wenn die Optik einen kreisförmigen Umfang aufweist, kann die Fassung entlang eines Kreissektors am Umfang mit einem Öffnungswinkel bzw. Mittelpunktwinkel von kleiner 360°, z.B. kleiner 270° oder 180°, ausgebildet sein. Die Optik kann natürlich auch rechteckig, insbesondere quadratisch, geformt sein, wobei die Fassung entlang eines Teils des Umfangs der Optik ausgebildet ist. Vorzugsweise umgibt die Fassung den Umfang der Optik zumindest zur Hälfte, d.h. entsprechend einem Mittelpunktwinkel von 180°. Das Antriebselement kann manuell betreibbar sein, und beispielsweise eine Stellschraube o.ä. umfassen. Das Antriebselement kann alternativ automatisch betreibbar sein. Beispielsweise kann das Antriebselement zumindest eines der folgenden Elemente enthalten: einen Motor, z.B. einen Rotationsmotor und/oder einen Linearmotor, einen Piezo, einen Pneumatikzylinder, einen Elektrozylinder und einen Magnetzylinder. Die Bewegungseinheit kann dazu ausgerichtet sein, die Optik um eine Rotationsachse zu schwenken bzw. drehen, die in einer Ebene senkrecht zur optischen Achse der Vorrichtung bzw. des Laserbearbeitungskopfes liegt. Hierbei kann eine optische Fläche der Optik, durch die optische Strahlen durchtreten sollen, eine Flächennormale aufweisen, die bei einer Be- wegung von der ersten Position in die zweite Position von einer senkrechten Ausrichtung zur optischen Achse in eine parallele Ausrichtung zur optischen Achse bewegt wird. Die Bewegungseinheit kann auch dazu ausgerichtet sein, die Optik um eine Rotationsachse zu schwenken bzw. drehen, die parallel zur optischen Achse der Vorrichtung bzw. des Laserbearbeitungskopfes liegt. Das heißt, die Bewegungseinheit kann dazu ausgerichtet sein, die Optik in einer Ebene zu drehen, die senkrecht zur optischen Achse liegt. Die Optik kann also entlang eines Kreisumfangs in der Ebene senkrecht zur optischen Achse bewegt werden. Hierbei kann die Flächennormale der optischen Fläche der Optik sowohl in der ersten Position als auch in der zweiten Position parallel zur optischen Achse ausgerichtet sein. Weiterhin kann die Bewegungseinheit dazu ausgerichtet sein, die Optik linear in einer Ebe- ne zu bewegen, die senkrecht zur optischen Achse liegt. Hier kann die Bewegungseinheit die Optik in den Strahlengang bzw. aus diesen hinaus schieben bzw. ziehen.
Gemäß einer Ausführungsform kann die Bewegungseinheit eine Achse bzw. eine Welle umfassen, die an der Fassung der Optik befestigt ist und um die die Optik schwenkbar ist. Die Achse ist vorzugsweise an einem Ende mit einem Antriebselement, z.B. einem Rotati- onsmotor, verbunden. An dem anderen Ende kann die Achse in einem Führungselement, wie beispielsweise einem Drehlager, gelagert sein.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann die Bewegungseinheit einen ersten und einen zweiten Knie- oder Scherenhebel umfassen. Der erste Kniehebel kann zwischen einem Motor, z.B. einem Rotationsmotor, und dem zweiten Kniehebel angeordnet sein. Der zweite Kniehebel kann mit der Fassung der Optik verbunden sein. Die Kniehebel können in einer Ebene senkrecht („horizontale Kniehebelanordnung") oder in einer Ebene parallel zur optischen Achse („vertikale Kniehebelanordnung") angeordnet sein.
Ferner umfasst die Bewegungseinheit vorzugsweise mindestens ein Führungselement zum Führen der Bewegung der Optik. Das Führungselement kann mit der Fassung der Optik gekoppelt sein. Als Führungselemente können beispielsweise Schienen, Schlitze, Gleitfüh- rungen, Kugelführungen, Rollenführungen, Kreuzrollenführungen, Drehlager oder ähnliches verwendet werden. Das Führungselement kann auf einer Seite der Optik vorgesehen sein, oder beidseitig, d.h. auf gegenüberliegenden Seiten der Optik. Das Führungselement kann geradlinig, z.B. parallel zu einer linearen Bewegungsrichtung, ausgebildet sein. Dadurch kann eine lineare Bewegung der Optik geführt werden. Bei einer Rotationsbewegung der Optik kann das Führungselement in einer Ebene senkrecht zu der Rotationsachse angeordnet sein. Insbesondere kann das Führungselement bogenförmig bzw. gekrümmt in einer Ebene parallel zur optischen Achse ausgebildet sein. Dadurch kann bei Verwendung von einem Kniehebelmechanismus eine Schwenkbewegung mit einer Rotationsachse senkrecht zur optischen Achse erzeugt werden. Alternativ kann das Führungselement mehrere Führungsabschnitte umfassen, die in einer Ebene senkrecht zur Rotationsachse angeordnet sind. Benachbarte Führungsabschnitte können dabei miteinander einen Winkel zwischen 90° und 180° bilden. Hierdurch kann die Optik entlang des Führungselements mit einer Rotationsachse senkrecht zur optischen Achse um diesen Winkel, beispielsweise durch Verwendung einer vertikalen Kniehebelanordnung, gedreht werden.
Die Bewegungseinheit enthält vorzugsweise mindestens ein Kopplungselement, z.B. eine Achse, ein Kniehebel-Paar, einen Schaft, einen Kolben, einen Magnetpolschlitten, eine Gewindespindel, einen Bandantrieb, oder eine Kurvenscheibe. Das Kopplungselement kann die Optik mit einem Antriebselement verbinden. Vorzugsweise ist das Kopplungselement mit der Fassung der Optik verbunden.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Laserbearbeitungskopf zur Materialbearbeitung mittels eines Laserstrahls angegeben, der eine Vorrichtung zum selektiven Einführen der Optik, z.B. einer Strahlformungsoptik, in den Laserstrahl des Laserbearbeitungskopfes gemäß einem der vorstehenden Ausführungsformen umfasst. Der Laserbearbei- tungskopf kann ferner ein Gehäuse umfassen, das den Strahlengang des Laserbearbeitungskopfes umgibt. Die Vorrichtung kann in dem Laserbearbeitungskopf integriert sein. Beispielsweise kann die Vorrichtung in einem Gehäuse des Laserbearbeitungskopfes angeordnet oder daran befestigt sein. Die Vorrichtung kann eine Halterung umfassen, die einen Teil des Gehäuses bildet und eine Öffnung entsprechend dem Strahlengang des Laserbearbei- tungskopfes aufweist. In diesem Fall kann die Optik so in der Halterung angeordnet sein, dass sie von der Bewegungseinheit in die Öffnung bewegt werden kann.
Um Einflüsse von Reflexionen an der Optik beim Ein- bzw. Ausführen weiter zu reduzieren, können ferner Absorptionsmittel zur Absorption der reflektierten Strahlung im Laser- bearbeitungskopf vorgesehen sein. Beispielweise umfassen die Absorptionsmittel eine absorbierende Beschichtung einer Gehäuseinnenseite des Laserbearbeitungskopfes. Vorzugsweise sind die Absorptionsmittel in einem Gehäuse des Laserbearbeitungskopfes in jenem Bereich angeordnet, in dem eine bei Bewegung der Optik reflektierte Strahlung auftrifft. Insbesondere können die Absorptionsmittel in einem Bereich des Gehäuses vorgesehen sein, auf den ein Maximum der reflektierten Laserstrahlung auftrifft. In einem Beispiel sind die Absorptionsmittel benachbart zur Optik angeordnet. Alternativ oder zusätzlich kann der Laserbearbeitungskopf eine Kühleinheit zur Kühlung des Gehäuses (z.B. durch Wasser) aufweisen, um Wärme aufgrund von Absorption reflektierter Laserstrahlung aus dem Laserbearbeitung skopf abzuführen. Die Kühleinheit kann in einem Bereich des Gehäuses an- geordnet sein, in dem eine an der Optik reflektierte Strahlung, insbesondere ein Maximum reflektierter Strahlung, auftrifft. Die Kühleinheit kann nahe dem Absorptionsmittel angeordnet sein. Dies ist insbesondere bei Verwendung einer Bewegungseinheit zur Bewegung der Optik mit Winkeln ungleich 90° zur optischen Achse vorteilhaft, z.B. bei Verwendung einer Bewegungseinheit zur Drehung der Optik mit einer Rotationsachse senkrecht zur opti- sehen Achse.
Vorzugsweise ist die Vorrichtung zum selektiven Einführen der Optik vor der Fokus- sieroptik, beispielsweise einer Fokussierlinse, in dem Strahlengang des Laserbearbeitungskopfes angeordnet. Vorzugsweise ist die Vorrichtung im kollimierten Laserstrahl angeordnet. Insbesondere ist bevorzugt, dass die Optik zwischen einer Kollimatoroptik zur Aufweitung des Laserstrahls und der Fokussieroptik angeordnet ist.
Die Erfindung wird im Folgenden beispielsweise anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Ansicht eines Strahlengangs in einem Laserbearbeitung skopf mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zum selektiven Einführen einer Optik, Figuren 2A bis 2C Optiken mit teilseitiger Fassung,
Fig. 3A eine schematische Seitenansicht einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zum selektiven Einführen einer Optik mit einer Rotationsachse senkrecht zur optischen Achse (ohne Halterung), Fig. 3B eine schematische Draufsicht der Vorrichtung aus Fig. 3A,
Fig. 3C eine schematische 3D Ansicht der Vorrichtung aus Fig. 3A mit Halterung zur Befestigung an einem Laserbearbeitungskopf,
Fig. 3D eine schematische Darstellung von Reflexionen beim Einführen bzw. Entfernen der Vorrichtung aus Fig. 3A in einen bzw. aus einem Strahlengang eines Laser- kopfs,
Fig. 3E ein Graph zur Darstellung von Reflexionsverlusten in einem Laserkopf beim Einführen bzw. Entfernen der Vorrichtung aus Fig. 3A in einen bzw. aus einem Strahlengang eines Laserkopfs,
Fig. 3F eine schematische Seitenansicht einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zum selektiven Einführen einer Optik mit einer Rotationsachse parallel zur optischen Achse,
Fig. 4A eine schematische Draufsicht einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zum selektiven Einführen einer Optik in einer linearen Bewegung senkrecht zur optischen Achse unter Verwendung einer horizontalen Kniehebelanordnung, Fig. 4B eine schematische Draufsicht einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zum selektiven Einführen einer Optik in einer linearen Bewegung senkrecht zur optischen Achse unter Verwendung einer vertikalen Kniehebelanordnung,
Fig. 5A eine schematische Seitenansicht eines Führungselements einer erfindungsgemäßen Vorrichtung mit zwei Führungsabschnitten zum selektiven Einführen einer Op- tik mit einer Rotationsachse senkrecht zur optischen Achse, Fig. 5B eine schematische Seitenansicht eines kurvenförmigen Führungselements einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zum selektiven Einführen einer Optik mit einer Rotationsachse senkrecht zur optischen Achse,
Fig. 6 eine schematische Draufsicht einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zum selek- tiven Einführen einer Optik in einer linearen Bewegung senkrecht zur optischen Achse unter Verwendung eines Piezos oder eines Linearmotors,
Fig. 7A eine schematische Draufsicht einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zum selektiven Einführen einer Optik in einer linearen Bewegung senkrecht zur optischen Achse unter Verwendung eines Pneumatik- oder Elektrozylinders, Fig. 7B eine schematische Draufsicht einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zum selektiven Einführen einer Optik in einer linearen Bewegung senkrecht zur optischen Achse unter Verwendung eines Magnetzylinders,
Fig. 8 eine schematische Draufsicht einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zum selektiven Einführen einer Optik in einer linearen Bewegung senkrecht zur optischen Achse unter Verwendung einer Gewindespindel,
Fig. 9 eine schematische Draufsicht einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zum selektiven Einführen einer Optik in einer linearen Bewegung senkrecht zur optischen Achse unter Verwendung eines Bandantriebs, und
Fig. 10 eine schematische Draufsicht einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zum selek- tiven Einführen einer Optik in einer linearen Bewegung senkrecht zur optischen Achse unter Verwendung einer Kurvenscheibe.
In den Figuren werden einander entsprechende Bauteile mit gleichen Bezugszeichen versehen.
In Fig. 1 ist eine Vorrichtung 100 zum selektiven Einführen einer Optik 10 in den Strahlen- gang eines Laserbearbeitungskopfes in einem eingebauten Zustand im Laserbearbeitungskopf gezeigt. In dieser beispielhaften Anordnung ist die Vorrichtung 100 im kollimierten Laserstrahl 14 zwischen einer Kollimatoroptik 17 und einer Fokussierlinse 15 angeordnet. Ein aus einer Lichtleitfaser 16 austretender divergenter Laserstrahl wird von der Kollimatoroptik 17 in einen parallelen bzw. kollimierten Laserstrahl 14 umgeformt, der von der Fokussierlinse 15 auf ein Werkstück 18 fokussiert wird. Alternativ kann die Vorrichtung 100 mit der Optik 10 auch im Strahlengang hinter der Fokussierlinse 15 angeordnet sein. Allgemein kann die Vorrichtung 100 auch im divergenten oder konvergenten Laserstrahl angeordnet werden.
Die Vorrichtung 100 umfasst eine Optik 10, wie eine Strahlformungsoptik, beispielsweise eine Linse, eine Linsengruppe, ein Linsenarray, einen Homogenisierer, ein diffraktives optisches Element, ein Axikon, ein Axikonarray, eine facettierte Optik und ähnliches, und eine Bewegungseinheit 20, durch die die Optik 10 zwischen einer ersten Position und einer zweiten Position hin und her bewegt werden kann. Die Bewegungseinheit 20 kann ein Antriebselement 210 und optional ein Kopplungselement 220 enthalten, das das Antriebselement 210 und die Optik 10 miteinander koppelt. Die Vorrichtung 100 kann ferner eine Halterung 30 aufweisen, in der die Optik 10 und möglicherweise weitere Elemente der Vorrichtung 100, z.B. die Bewegungseinheit 20 bzw. Teile davon, angeordnet sind. In der Halterung 30 ist eine Öffnung 40 ausgebildet, die einen Strahlengang der Vorrichtung definiert. Eine optische Achse OA bzw. ein Strahlengang der Vorrichtung 100 geht vorzugsweise durch einen Mittelpunkt der Öffnung 40. Im eingebauten Zustand der Vorrichtung 100 entspricht der Strahlengang der Vorrichtung dem Strahlengang des Laserbearbeitungskopfes, d.h. der La- serstrahl tritt durch die Öffnung 40. Somit entspricht im eingebauten Zustand der Vorrichtung 100 die optische Achse OA der Vorrichtung 100 der optischen Achse des Laserbearbeitungskopfes. Die Halterung 30 kann ferner Befestigungsmittel aufweisen, um die Vorrichtung an einem Gehäuse des Laserbearbeitungskopfes zu befestigen, sodass die optischen Achsen der Vorrichtung und des Laserbearbeitungskopfes entsprechend aufeinander ausge- richtet sind.
Folglich kann durch die Vorrichtung 100 die Optik 10 in dem Laserbearbeitungskopf beweglich gelagert werden, sodass beispielsweise eine Strahlformung des Intensitätsprofils in der Fokusebene wahlweise zu- und abgeschaltet werden kann. Um einen Schaltvorgang bei eingeschaltetem Laser zu ermöglichen, weist die Optik 10 wie in Figuren 2A bis 2C gezeigt eine Fassung 12 auf, die nur einen Teil eines Umfangs 11 der Optik 10 umgibt und einen freien oder offenen Umfangsbereich I Ia ausspart. Die Fassung 12 der Optik 10 ist also nur teilseitig entlang eines Umfangs 11 der Optik 10 ausgebildet. Vorzugsweise ist die Fassung 12 halbseitig entlang des Umfangs 11 der Optik 10 ausgebildet. Somit weist die Optik 10 den offenen Umfangsbereich I Ia auf, der nicht von der Fassung 12 umgeben ist. Die Optik 10 kann aus einem Substrat mit beliebiger Form bestehen, und beispielsweise einen kreisförmigen, ovalen, rechteckigen, quadratischen, dreieckigen oder polygonalen Umfang 11 aufweisen. Bei einem kreisförmigen Umfang 11 kann die Fassung 12 beispielsweise entlang eines Kreissektors mit einem Mittelpunktwinkel von < 360° ausgebildet sein. Der entstehende freie oder offene Umfangsbereich I Ia ist vorzugsweise mindestens so breit wie der Laserstrahl an der Position, an der die Optik 10 in den Laserstrahl eingeführt wird, d.h. in dem in Fig. 1 gezeigten Beispiel so breit wie der kollimierte Laserstrahl 14.
Dies hat den Vorteil, dass die Optik 10 aus dem Strahlengang entfernt oder darin eingefügt werden kann, ohne die Laseremission unterbrechen zu müssen. Denn es besteht keine Gefahr von unkontrollierten Reflexen an der Fassung 12. Auch wenn der Laserstrahl dabei jene Randflächen der Optik 10 beleuchtet, die nicht zur sogenannten Clear Aperture gehören, stellen eventuelle Rückreflexe für moderne Hochleistungslaserquellen dennoch keine Gefahr dar. Auch besteht nur eine geringe Gefahr, die Optik 10 zu beschädigen, wenn der Laserstrahl über den Rand der Optik 10 hinweg bewegt wird, da die Optik 10 vorzugsweise aus Hochleistungslaser-geeignetem Glas gefertigt ist. Insbesondere soll die Optik 10 mit ausreichend hoher Geschwindigkeit in den bzw. aus dem Laserstrahl bewegt werden können, so dass die Wechselwirkungsdauer mit der Laserstrahlung hinreichend kurz ist.
Selbst wenn die Laseremission während des Schaltvorgang unterbrochen wird, ergibt sich der Vorteil einer reduzierten Totzeit, da der Laser nur ausgeschaltet sein muss, während er einen qualitativ ungenügenden Randbereich der Optik 10 beleuchtet. Die radiale Ausdeh- nung R dieses Randbereichs ergibt sich in der Regel aus den Spezifikationen der Optik 10 gemäß der Formel: R = (D - CA)/2 mit: R radiale Ausdehnung des Randbereichs, D Optiksubstratdurchmesser und Ca Durchmesser der Clear Aperture.
In einem Beispiel ist die Optik 10 senkrecht zu der optischen Achse OA der Vorrichtung 100 bzw. des Laserbearbeitungskopfes beweglich und kann so beispielsweise durch eine lineare Bewegung in den Strahlengang bzw. aus demselben geschoben werden. Alternativ kann die Optik 10 durch eine Drehung mit einer Rotationsachse parallel oder senkrecht zur optischen Achse OA in den Strahlengang bewegt bzw. aus diesem entfernt werden. Die Optik 10 kann manuell oder automatisiert, z.B. durch einen Motor betrieben, beweglich sein.
In Figuren 3 bis 10 sind Ausführungsbeispiele für eine erfindungsgemäße Vorrichtung 100 zum selektiven Einführen der Optik 10 in einem Strahlengang der Vorrichtung 100 gezeigt. Zur Vereinfachung der Darstellung ist die Fassung 30 zumeist nicht gezeigt. Der offene Umfangsbereich I Ia der Optik 10 ist hierbei in Bewegungsrichtung ausgebildet, so dass der Laserstrahl beim Einführen bzw. Entfernen der Optik 10 durch den offenen Umfangsbereich I Ia tritt. Die Vorrichtung 100 gemäß Figuren 3A bis 3C ist dazu ausgerichtet, die Optik 10 mit einer Rotationsachse senkrecht zur optischen Achse OA der Vorrichtung 100 zu drehen, vorzugsweise um einen Winkel > 90°. Fig. 3A zeigt eine schematische Seitenansicht, wobei die Optik 10 von einer ersten Position A außerhalb des Strahlengangs (gestrichelte Linien) in eine zweite Position B im Strahlengang bzw. auf der optischen Achse OA bewegt ist. Eine Achse oder Welle 221 ist an der Fassung 12 der Optik 10 befestigt, um die die Optik 10 gedreht bzw. geklappt oder gekippt werden kann. Die Achse 221 erstreckt sich senkrecht zur optischen Achse OA der Vorrichtung 100. In Fig. 3B ist eine Draufsicht dieser Anordnung gezeigt. Die Achse 221 ist an einem Ende mit einem Antriebselement 210, beispielsweise einem Rotationsmotor, verbunden. Der Rotationsmotor kann mit einem zusätzlichen Getriebe realisiert sein. Die Achse 221 fungiert also als Kopplungselement 220 in diesem Ausführungsbeispiel. An einem anderen Ende kann die Achse 221 in einem Führungselement 230, wie beispielsweise einem Drehlager, gelagert sein. Die Optik 10 wird in Richtung des gekrümmten Pfeils geschwenkt. Für eine dauerstabile Rotation können auch auf beiden Seiten der Achse 221 Führungselemente 230, bzw. Drehlager, eingesetzt werden. Das zwei- te Führungselement 230 kann hierbei zwischen der Achse 221 und dem Antriebselement 210 angeordnet sein.
In Fig. 3C ist die Vorrichtung 100 perspektivisch dargestellt, wobei auch eine Halterung 30 dargestellt ist. Die Halterung 30 weist Befestigungsmittel 31 auf, die zur Befestigung der Vorrichtung an dem Laserbearbeitungskopf dienen. In Fig. 3C ist die Halterung 30 auf einer Seite offen und weist auf einer gegenüberliegenden Seite eine Öffnung 40 auf, durch die die optische Achse OA der Vorrichtung führt. Die in Figuren 3A bis 3C gezeigte Vorrichtung 100 ist insbesondere aufgrund des geringen horizontalen Platzbedarfs vorteilhaft. Dieses Ausführungsbeispiel mit einem Klappmechanismus weist sich durch eine kurze Dauer des Schaltvorgangs zwischen der ersten Position A und der zweiten Position B, eine kompakte und leichte Bauweise, geringen Verschleiß und geringe Kosten aus.
Bei einer Vorrichtung 100 gemäß der vorliegenden Erfindung, in denen die Optik 10 während des Ein-/Ausführens gekippt bzw. geklappt wird, währenddessen die Optik also keinen rechten Winkel mit der optischen Achse bildet, besteht die Gefahr von Reflexionsverlusten.
Typischerweise ist eine Optik 10, z.B. eine Strahlformungsoptik, mit einer Anti-Reflex - Beschichtung versehen. Solche Beschichtungen sind nie perfekt und haben eine gewisse Rest-Ref ektivität, typischerweise <0,5 im spezifizierten Wellenlängen- und Einfallswinkelbereich. Falls die Optik im kollimierten Strahl positioniert ist, kann eine Optik 10 mit einer auf kleine Winkel um 0° optimierten Reflektivität gewählt werden.
Im eingeführten Zustand erzeugt die Optik 10 einen Rückreflex entlang der optischen Achse OA, d.h. in Richtung der Lichtleitfaser 16. Dieser Reflex stellt i.d.R. keine Gefahr für die Faser oder den Laser dar. Wird die Optik 10 jedoch während des Aus-/Einführens geklappt, so trifft der Reflex auf Innenteile oder die Innenwand des Gehäuses des Laserbearbeitungskopfes. In Fig. 3D ist die Reflexion an der Optik 10 bei verschiedenen Klappwinkeln gezeigt. In Fig. 3E ist eine grafische Darstellung der Reflexionsverluste in Abhängigkeit des Klappwinkels dargestellt. Da mit dem Klappwinkel der Einfallswinkel steigt, nimmt auch die Reflektivität der Anti-Reflex-Beschichtung zu, wenn diese für kleine Winkel um 0° optimiert ist. Darüber hinaus sinkt je nach Durchmesser der Optik 10 ab einem gewissen Klappwinkel auch die Reflexionsfläche der Optik, in Fig. 3D ab ca. 40°. Folglich gibt es einen Winkel bei der ein Maximum der reflektierten Leistung erreicht wird. Das Maximum der reflektieren Leistung wird in dem in Fig. 3D und 3E gezeigten Beispiel bei einem Klappwinkel von ca. 65° erreicht. Die maximalen Verluste betragen demzufolge ca. 11%.
Um Streulicht und/oder Schäden im Bearbeitungskopf durch das reflektierte Licht zu vermeiden, werden vorzugsweise Absorptionsmittel zur Absorption der reflektierten Strahlung im Kopf platziert, z.B. in jenem Bereich, wo das Leistungsmaximum auftrifft. Dies kann beispielweise durch eine absorbierende Beschichtung der Gehäuseinnenseite des Laserbearbeitungskopfes erfolgen. Die reflektierte Leistung wird damit effizient in eine Aufwärmung des Gehäuses überführt. Um diese Wärme aus dem Kopf abzuführen kann ferner eine Kühlung (z.B. durch Wasser) des Gehäuses erfolgen, die insbesondere nahe des Absorptionsmit- tels zirkuliert.
Alternativ zu der in Figuren 3A bis 3C gezeigten Vorrichtung mit Rotationsachse senkrecht zur optischen Achse der Vorrichtung kann bei einer Vorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung die Rotationsachse parallel zur optischen Achse vorgesehen sein, sodass die Optik 10 durch die Bewegungseinheit 20 in den Strahlengang geschwenkt werden kann, wie in Figur 3F gezeigt.
In Fig. 4A und 4B sind Vorrichtungen 100 gezeigt, in denen die Optik 10 durch eine Kniehebel- bzw. Scherenhebelanordnung in einer geradlinigen translatorischen Bewegung senkrecht zur optischen Achse OA verschoben werden kann. In Fig. 4A ist eine so genannte horizontale Kniehebel- bzw. Scherenhebelanordnung gezeigt, bei der ein erster Kniehebel 222 und ein zweiter Kniehebel 223 in einer Ebene senkrecht zur optischen Achse OA bzw. in einer Ebene parallel zur Bewegungsrichtung angeordnet sind. Der erste Kniehebel 222 ist an seinem ersten Ende mit einem Antriebselement 210, z.B. einem Rotationsmotor, verbunden und an seinem zweiten Ende mit einem ersten Ende des zweiten Kniehebels 223. Das zweite Ende des zweiten Kniehebels 223 ist mit der Optik 10 bzw. mit der Fassung 12 verbunden. An einer Seite oder auf zwei gegenüberliegenden Seiten der Fassung 12 ist ein geradliniges Führungselement 230 vorgesehen, wie beispielsweise eine Kreuzrollenführung. Wenn nun durch das Antriebselement 210 der erste Kniehebel 222 gedreht wird, wird die Drehung über den zweiten Kniehebel auf die Optik 10 übertragen und durch das mindestens eine Führungselement 230 in eine gradlinige Bewegung umgewandelt. Fig. 4B zeigt eine so genannte vertikale Kniehebel- bzw. Scherenhebelanordnung, bei der ein erster Kniehebel 222 und ein zweiter Kniehebel 223 in einer Ebene parallel zur optischen Achse OA bzw. in einer Ebene senkrecht zur Bewegungsrichtung angeordnet sind. Wieder ist der erste Kniehebel 22 an seinem ersten Ende mit einem Antriebselement 210, z.B. ein Rotationsmotor, verbunden und an seinem zweiten Ende mit einem ersten Ende des zweiten Kniehebels 223. Der zweite Kniehebel 223 ist wiederum mit seinem zweiten Ende mit der Optik 10 bzw. der Fassung 12 verbunden. Auch hier kann ein Führungselement 230 auf einer Seite oder auf beiden Seiten der Fassung 12 vorgesehen sein, um eine gradlinige Bewegung zu führen, beispielsweise eine Kreuzrollenführung. Dieses Ausführungsbeispiel mit einer vertikalen Kniehebelanordnung (siehe Fig. 4B), insbesondere in Kombination mit der Führung gemäß den in Fig. 5A oder 5B gezeigten Ausführungsbeispielen, ist hinsichtlich einer kurzen Dauer des Schaltvorgangs zwischen der ersten Position A und der zweiten Position B, einer kompakten und leichten Bauweise und aufgrund geringen Verschleißes und geringen Kosten vorteilhaft.
In Figuren 5A und 5B ist ein weiteres Ausführungsbeispiel für eine Vorrichtung 100 ge- zeigt, bei der die Optik 10 mit einer Rotationsachse senkrecht zur optischen Achse OA zwischen der ersten Position A und der zweiten Position B hin und her bewegt werden kann. Die Bewegungseinheit 20 selbst ist nicht dargestellt, sondern nur das Führungselement 230 und die Optik 10. Die in Figuren 5A und 5B gezeigten Ausführungsformen können mit einer der oben beschriebenen Kniehebelanordnungen kombiniert werden, vorzugsweise mit der vertikalen Kniehebelanordnung aus Fig. 4B. Anstelle der beidseitig angeordneten gradlinigen Führungselemente 230, die in Fig. 4A und 4B gezeigt sind, können also Führungselemente 230 mit mehreren Führungsabschnitten 231 und 232, wie in Fig. 5A gezeigt, oder gekrümmte Führungselemente 230, wie in Fig. 5B gezeigt, verwendet werden, um eine Rotationsbewegung der Optik 10 senkrecht zur optischen Achse OA zu ermöglichen. In Fig. 5A ist eine Seitenansicht der Bewegung der Optik 10 entlang einem L-förmigen Führungselement 230 gezeigt. Das Führungselement 230 besteht aus einem ersten Führungsabschnitt 321 und einem senkrecht dazu angeordneten zweiten Führungsabschnitt 232. Die beiden Führungsabschnitte 231 und 232 müssen jedoch nicht senkrecht zueinander angeordnet sein, sondern können beispielsweise einen Winkel zwischen 90° und 180° mitei- nander bilden. Ein solches Führungselement 230 kann auf einer Seite oder auf zwei gegenüber liegenden Seiten der Optik 10 angeordnet sein, um die Optik 10 sicher zu führen. In Fig. 5B ist eine alternative Ausführungsform des Führungselements 230 gezeigt. Das Führungselement 230 ist hier bogenförmig bzw. gekrümmt, um die Optik 10 entlang dieser Krümmung zu führen. Die in Figuren 5A und 5B gezeigten Vorrichtungen können eine li- neare Bewegung in eine Rotationsbewegung der Optik 10 umwandeln. Hierbei wird das Volumen, welches während der Bewegung durchkreuzt wird, im Vergleich zu der in Figuren 3A bis 3C gezeigten Ausführungsform minimiert. Daher können andere Bauteile des Laserbearbeitungskopfes näher an der Optik 10 positioniert werden. Das Antriebselement 210 kann platzsparend neben oder unter der in Position A geparkten Optik 10 positioniert werden. Außerdem ist etwa im Vergleich zu der in Figuren 3A bis 3C gezeigten Ausführungsform ein Luftwiderstand bzw. eine Luftverwirbelung beim Schaltvorgang reduziert.
In Fig. 6 ist eine Vorrichtung 100 mit Direktantrieb gezeigt, bei der die Optik 10 mittels eines Piezos mit Linearmotor entlang eines Schafts 224, der in der Halterung 30 (in Fig. 6 nicht dargestellt) verankert ist, in einer geradlinigen translatorischen Bewegung senkrecht zur optischen Achse verschoben wird. Auf einer Seite der Optik 10 kann ein Führungselement 230 vorgesehen sein, wie beispielsweise eine Kreuzrollenführung.
In Fig. 7A ist eine ähnliche Anordnung wie in Fig. 6 gezeigt, jedoch mit einem Pneumatikoder Elektrozylinder mit Linearmotor als Antriebselement 210, der die Optik 10 über einen Kolben 225 als Kopplungselement 220 mit einer geradlinigen Bewegung senkrecht zur opti- sehen Achse OA hin und her bewegt. In Fig. 7B ist eine weitere Ausführungsform gezeigt, in der als Antriebselement 210 ein Rotationsmotor und als Kopplungselement 220 ein Magnetzylinder 229a mit Magnetpolschlitten 229b verwendet wird. Der Magnetzylinder 229a wird durch den Motor in Rotation versetzt, wobei aufgrund der Poländerung der an der Optik 10 befestigter Magnetpolschlitten 229b zusammen mit der Optik 10 verschoben wird. In den in Fig. 7A und 7B gezeigten Ausführungsbeispielen kann zusätzlich auf zumindest einer Seite der Optik 10, d.h. auf der dem Antriebselement 210 und dem Kopplungselement 220 gegenüberliegenden Seite der Optik 10, ein Führungselement 230 wie eine Kreuzrollenführung vorgesehen sein.
In Fig. 8 ist eine Vorrichtung 100 gezeigt, bei der die Optik 10 mit Hilfe einer Gewinde - spindel 226 als Kopplungselement 220 und einem Rotationsmotor als Antriebselement 210 in geradliniger translatorischer Bewegung senkrecht zur optischen Achse OA bewegt wird. Durch Drehung der Gewindespindel 226 wird die Optik 10 entlang einem geradlinigen Führungselement 230, z.B. einer Kreuzrollenführung, geführt. In Fig. 9 ist eine Vorrichtung 100 gezeigt, bei der die Optik 10 mit Hilfe eines Bandantriebs bewegt wird. Hierbei wird eine Drehbewegung eines Rotationsmotors 210 durch ein an einer Rolle 227a befestigtes Band 227b in eine Translationsbewegung umgewandelt, so dass die Optik 10 in einer geradlinigen Bewegung senkrecht zur optischen Achse in den bzw. aus dem Strahlengang geschoben wird. Hierbei wickelt sich das Band 227b auf der mit dem Motor 210 gekoppelten Rolle 227a auf und ab, wodurch die Drehbewegung des Motors 210 in eine geradlinige Bewegung der Optik 10 umgewandelt wird (siehe auch Patentanmeldung DE 10 2014 101 477). Auf einer Seite der Optik 10 kann die Fassung 12 in einem Führungselement 230, wie beispielsweise einer Kreuzrollenführung, geführt werden. In Fig. 10 ist eine Vorrichtung 100 gezeigt, bei der eine Drehbewegung des Antriebselements 210 mittels einer Kurvenscheibe 228a und beidseitig vorgesehenen Führungselementen 230 in eine geradlinige Bewegung der Optik 10 senkrecht zur optischen Achse OA umgewandelt wird. Ein an der Fassung 12 angebrachtes Federelement 228b kann so angeordnet sein, dass es beim Zurückdrehen der Kurvenscheibe 228a ein Herausbewegen der Optik 10 aus dem Strahlengang sicherstellt.
Erfindungsgemäß wird daher eine Vorrichtung zum Einführen einer Optik in einen Strahlengang eines Laserbearbeitungskopfes angegeben, die gefahrloses Schalten während Hochleistungslaseremission, schnelle Schaltzeiten, geringen Abrieb, kompakte Bauweise und geringes Gewicht ermöglicht. Aufgrund der geringen Schaltzeit sind hohe Taktgeschwin- digkeiten möglich und die Lasersicherheit und der Dauerbetrieb/Lebensdauer des Kopfs gewährleistet. Für den Anwender erfolgt der Einsatz der Optik wahlweise, automatisiert, schnell und sicher, so dass der Anwender je nach Bedarf die Laserstrahlcharakteristik anpassen, und die Umschaltung elektronisch schalten und programmieren kann.

Claims

Patentansprüche
1. Vorrichtung zum selektiven Einführen einer Optik (10) in einen Laserstrahl eines Laserbearbeitungskopfes, umfassend:
eine Optik (10), und
eine Bewegungseinheit (20) zum Bewegen der Optik (10) ,
wobei die Bewegungseinheit (20) ein Antriebselement (210) und mindestens ein Kopplungselement (220) umfasst, das die Optik (10) mit dem Antriebselement (210) koppelt.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Bewegungseinheit (20) dazu ausgerichtet ist, die Optik (10) um eine Rotationsachse zu bewegen, die in einer Ebene senkrecht zu einer optischen Achse (OA) der Vorrichtung liegt, oder um eine Rotationsachse, die parallel zu einer optischen Achse (OA) der Vorrichtung liegt.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Kopplungselement (220) eine Achse (221) umfasst, die sich senkrecht zur optischen Achse (OA) der Vorrichtung erstreckt und um die die Optik (10) klappbar ist.
4. Vorrichtung nach einem der vorausgehenden Ansprüche, wobei die Bewegungseinheit (20) einen ersten und einen zweiten Kniehebel (222, 223) umfasst, wobei ein erstes Ende des ersten Kniehebels (222) mit einem Antriebselement (210) gekoppelt ist, ein zweites Ende des ersten Kniehebels (222) mit einem ersten Ende des zweiten Kniehebels (223) und ein zweites Ende des zweiten Kniehebels (223) mit der Optik (10) verbunden ist.
5. Vorrichtung nach Anspruch 4, wobei die Kniehebel (222, 223) in einer Ebene senkrecht oder in einer Ebene parallel zur optischen Achse (OA) der Vorrichtung angeordnet sind.
6. Vorrichtung nach einem der vorausgehenden Ansprüche, wobei die Bewegungseinheit (20) mindestens ein Führungselement (230) zum Führen der Bewegung der Optik (10) umfasst, das mit der Optik (10) gekoppelt ist.
7. Vorrichtung nach Anspruch 6, wobei das Führungselement (230) geradlinig parallel zu einer Bewegungsrichtung oder bogenförmig in einer Ebene parallel zur opti- sehen Achse (OA) der Vorrichtung ausgebildet ist.
8. Vorrichtung nach Anspruch 6, wobei das Führungselement (230) mindestens zwei Führungsabschnitte (231, 232) umfasst, die miteinander einen Winkel zwischen 90° und 180° bilden, wobei die Optik (10) entlang des Führungselements (230) mit diesem Winkel gedreht wird.
9. Vorrichtung nach einem der vorausgehenden Ansprüche, wobei die Bewegungseinheit (20) dazu ausgerichtet ist, die Optik (10) linear in einer Ebene zu bewegen, die senkrecht zur optischen Achse (OA) der Vorrichtung liegt.
10. Vorrichtung nach einem der vorausgehenden Ansprüche, wobei die Bewegungseinheit (20) dazu ausgerichtet ist, die Optik (10) von einer ersten Position (PI) außerhalb eines Strahlengangs der Vorrichtung in eine zweite Position (P2) im Strahlengang zu bewegen.
1 1. Vorrichtung nach einem der vorausgehenden Ansprüche, wobei das Kopplungselement (220) mindestens ein Element umfasst, ausgewählt aus einer Achse (221), einem Kniehebelpaar (222, 223), einem Schaft (224), einem Kolben (225a), einem Magnetzylinder (229a) mit Magnetpolschlitten (229b), einer Gewindespindel (226), einem Band (227), und einer Kurvenscheibe (228a).
12. Vorrichtung nach einem der vorausgehenden Ansprüche, ferner mit einer Fassung (12) zum Halten der Optik (10), wobei die Fassung (12) einen Umfang (11) der Optik (10) mit Ausnahme eines offenen Umfang sbereichs (I Ia) umgibt.
13. Vorrichtung nach Anspruch 12, wobei der offene Umfangsbereich (I Ia) der Optik (10) mindestens einem Durchmesser des Strahlengangs der Vorrichtung entspricht.
14. Vorrichtung nach einem der vorausgehenden Ansprüche 12 oder 13, wobei die Optik (10) einen kreisförmigen Umfang (11) aufweist und die Fassung (12) entlang eines Kreissektors des Umfangs (1 1) mit einem Mittelpunktwinkel von kleiner 360° ausgebildet ist.
15. Vorrichtung nach einem der vorausgehenden Ansprüche, ferner umfassend eine Halterung (30), die an einem Gehäuse des Laserbearbeitungskopfes befestigbar ist und eine Öffnung (40) entsprechend dem Strahlengang der Vorrichtung aufweist, wobei die Bewegungseinheit (20) dazu ausgerichtet ist, die Optik (10) in die Öffnung zu bewegen.
16. Laserbearbeitungskopf zur Materialbearbeitung mittels eines Laserstrahls, umfassend eine Vorrichtung zum selektiven Einführen der Optik (10) in den Laserstrahl des Laserbearbeitungskopfes nach einem der vorstehenden Ansprüche.
17. Laserbearbeitungskopf nach Anspruch 16, ferner umfassend:
ein Gehäuse; und
Absorptionsmittel an einer Innenwand des Gehäuses zur Absorption reflektierter Laserstrahlung und/oder eine Kühleinheit zur Kühlung des Gehäuses.
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